材料科学基础mooc液态金属凝固的必要条件
第四章纯金属的凝固
（二）临界晶核 设晶胚为半径r的球形，形核时总能量变化为： ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
ΔGV-单位体积自由能，σ-比表面能 ΔG是r的函数。
由 Gf(r) 的函数作图可知，在r=rc时△G取 得极大值。
讨论： 1.当r＜rk则晶胚生长 ，将导致体系 ΔG ，晶胚重新熔化而消失。 2.若r＞rk 晶胚r ，体系的ΔG,结晶 自发进行，此时的晶胚就成为晶核
2.金属熔化时的体积变化：大多数金属熔化时体积变化仅为
3％－5％，熔化前后原子间距变化不大，熔化前后原子间结 合力较为接近。
3.金属熔化熵值变化小:
金属熔化时结构变化小，只是相对“无序度”增加.
液态金属结构与固态相似存在近程有序，近程密堆， 远程无序.
二.材料凝固的过冷现象
过冷现象-实际结晶温度低于理论结 晶温度的现象。
假设：晶核是依附过冷液相现成基底B上形成晶核S；
设晶核为半径为r的球缺体；S1为球冠面积； S2为晶核与基底接触的面积； θ为晶核与基体的润湿角。
晶核形成稳定存在的瞬间（不 熔化、长大），三相交点处， 表面张力应达到平衡：
σLB=σSB+σLScosθ
非均匀形核示意图
σLB、σsB、σLs分别为L/B、S/B、L/S间的表面张力
均为自发过程.
结论：过冷是结晶的必要条件， 而 ΔT≥ΔTc是结晶的充分必要条件。
过冷度对临界晶核与 最大相起伏的影响
（五）临界晶核的形核功
ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
将
k
2 GV
代入上式可得：
3
2
G k4 3 L 2 m T T m G 4 L 2 m T T m 化简得
中国矿业大学《材料科学基础》课件第三章凝固
这种有序区称为结构起伏或相起 伏，也称为晶胚。当T < Tm时， 晶核的形成就由晶胚发展而来。
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区别: 晶胚 — 尺寸小，瞬时存在，不能稳定生长。 晶核 — 尺寸较大，能稳定生长。
总之：液态金属的重要特点是，存在能量起伏和 结构起伏，当液态金属过冷时，晶胚可变 成能稳定生长的晶核，这就是结晶的开始。
• 杂质与晶胚结构相似，原子间距相当，则：
θ↘、 K↘、 ΔGC* ↘、 ↗N。• C
• 杂质质点越多、越细小、表面越粗糙，与液态金属接 • 触面积越大，形核位置越多， N↗C 。
• 过热将使现有质点熔化,形核基面减少，不利于形核。
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3.4 长大
核心问题：长大速度、长大方式和形态。
RT
RT
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• 各微区能量此起彼伏的局面，称为能量起伏。
• 粘性材料能量起伏较小，能量可沿分子链传递。
★ 能量起伏是形核必不可少的条件。
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三、结构条件 — 结构起伏（相起伏）
• 问题：金属结晶的过程是形核—长大的过程，那么核 心从何而来？— 显然与液态金属的结构有关！
• 实验研究：
金属 固态 液态 气态
0.288 0.309,0.346
金属 Lg/Lm 熔化V%
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Al 27.8
6
热分析研究结果
Zn 16.0
Cd 15.6
4.2
4.0
Au 26.7
15.1
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配位数 12 6+6 6+6 12 3+3
2.1.1液态金属结晶的热力学条件
目录
• 液态金属的 结晶过程 决定着
•
铸件凝固后的结晶组织，
•
影响随后冷却过程中的相变、
•
过饱和相的析出、
•
偏析、气体析出、补缩过程和裂纹形成等现象。
• 因此它对铸件的质量、性能以及其他工艺过程都具有 极其重要的作用。
•
本节从热力学和动力学的观点出发，通过形核和
生长过程阐述液态金属结晶过程的基本规律。
能量障碍而形成稳定的新相晶核；
•
新相一旦形成，系统内将出现自由能较高的新旧两
相之间的过渡区。
•
为使系统自由能尽可能地降低，过渡区必须减薄到
最小原子尺度，这样就形成了新旧两相的界面；
• 然后，依靠界面逐渐向液相内推移而使晶核长大。
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2.1.1 液态金属结晶的热力学条件
目录
• 直到所有的液态金属都全部转变成金属晶体，整个 结晶过程也就在出现最少量的中间过渡结构中完成。
• 过冷度为零时，驱动力就不复存在。
• 所以液态金属不会在没有过冷度的情况下结晶。
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目录 • 过冷度也表明金属在液态和固态之间存在有－个自由
能差。 • 这个能量差ΔF就是促使液体结晶的动力。 • 结晶时要从液体中生出晶体，必须建立同液体相隔开
的晶体界面而消耗能量A。 • 只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的动力
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熵值？
GL
内能？
目录
自由能 G
GS
T0 温度 T
图2-1 纯金属液、固两相体积自由能与温度的关系
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• 所以，为了克服能量障碍以避免系统自由能过度增 大，液态金属的结晶过程是通过形核和生长的方式
第9章液态金属在特殊条件下的凝固及成形2概述
第9章液态金属在特殊条件下的凝固及成形2概述液态金属在特殊条件下的凝固及成形是一个研究领域，它涉及到利用高温和高压条件下的金属熔体材料的特殊性质，使其在固态下表现出优异的性能和形状。
这一领域的研究对于开发制造新型材料和提高材料性能具有重要意义。
本文将从液态金属的特点、凝固过程和成形方法等方面进行概述，以探讨液态金属在特殊条件下的凝固及成形的相关研究进展。
首先，我们来看一下液态金属的一些基本特点。
不同于传统固态材料，液态金属具有较低的黏度和较高的导热性能，这使得它们在高温下容易流动和传热。
此外，液态金属在固态下具有良好的电导率和机械性能，这使得它们在成形过程中能够保持较高的导电和机械稳定性。
液态金属在凝固过程中的特殊性质使其表现出与传统凝固方法不同的行为。
一种常用的凝固方法是在导热性好的介质中进行凝固，通常称为渗透凝固。
在渗透凝固过程中，液态金属从外部环境中吸热，逐渐凝固形成固态材料。
由于液态金属的高导热性能，其熔体可以迅速充满整个渗透体，从而实现较快的凝固。
此外，由于液态金属的高流动性，其凝固时常常表现出多晶固态材料中的晶界移动、晶粒合并和细化等现象。
除了渗透凝固外，还有一些其他的凝固方法可以应用于液态金属。
例如，快速凝固是一种将液态金属迅速冷却成固态的方法，通常通过液态金属熔滴在冷却介质中的快速凝固来实现。
由于凝固速度非常快，液态金属无法形成固态结构，因此快速凝固一般会产生非晶态或亚晶态材料，这些材料具有较好的力学性能。
此外，还有一些其他的凝固方法，如微重力凝固和高压凝固等，可以通过控制不同的条件来调控凝固过程中的微观结构和性能。
液态金属在凝固后可以通过不同的成形方法来加工成所需的形状和尺寸。
一种常用的成形方法是利用热压成形，即将固态的金属材料加热到一定温度，然后施加压力使其塑性变形并保持固态结构。
另一种方法是利用粉末冶金成形，即将液态金属凝固成粉末，然后通过压制和烧结等方法来制备复杂形状的金属制品。
金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是指金属从液态状态转变为固态状态的过程。
在金属凝固过程中，原子或离子以一定的方式排列组合，形成具有一定结构和性能的固态金属晶体。
而金属凝固原理则是指影响金属凝固过程的各种因素和规律。
了解金属凝固原理对于控制金属凝固过程、改善金属凝固组织和性能具有重要意义。
首先，金属凝固的原理主要包括凝固过程中的晶核形成和晶体生长。
在金属液体冷却过程中，当温度下降到一定程度时，金属液体中会出现微小的固态核，这些核心在金属液体中逐渐增多并长大，最终形成完整的晶体结构。
晶核形成和晶体生长是金属凝固的基本原理，也是金属凝固组织形成的基础。
其次，金属凝固的速度对凝固组织和性能有着重要影响。
一般来说，凝固速度越快，晶体的生长速度就越快，晶粒就越细小，晶界就越多，从而提高了金属的强度和韧性。
而凝固速度越慢，晶体生长速度就越慢，晶粒就越大，晶界就越少，金属的强度和韧性就会降低。
因此，控制金属凝固速度是影响金属凝固组织和性能的重要因素之一。
另外，金属凝固还受到金属成分、凝固条件、晶核形态等多种因素的影响。
金属成分的不同会导致晶体结构和性能的差异，凝固条件的改变也会影响金属凝固组织和性能的形成，而晶核形态的不同也会对晶体生长和晶粒形貌产生影响。
因此，在实际生产中，需要根据不同金属的特性和要求，合理控制金属凝固过程中的各种因素，以获得理想的凝固组织和性能。
总的来说，金属凝固原理是一个复杂而又重要的领域，它涉及到金属物理、金属化学、热力学等多个学科的知识。
只有深入理解金属凝固原理，才能更好地控制金属凝固过程，改善金属凝固组织和性能，提高金属制品的质量和性能。
因此，对于金属凝固原理的研究和应用具有重要的理论和实践意义，也是金属材料领域的一个热点和难点问题。
希望通过对金属凝固原理的深入研究，能够为金属材料的发展和应用提供更多的理论支持和技术保障。
材料科学基础——纯金属的凝固
△T
温度
Tm
温度
N=N1N2
整理课件
N N1 N2
过冷度
温度 Tm
整理课件
内容回顾
称rk为：临界晶核
2
rk G V ,
16 3
G k 3(GV )2
整理课件
Gk
163
3(GV)2
13Sk
△Gk为形核功
自由能的降低只 补偿了界面能增 加量的2/3
整理课件
均匀形核的条件
必须过冷，过冷度越大，结晶的趋势 也越大。
I
均
形
匀
形
ΔT整理课件
c. 影响非均匀形核的因素
(1)过冷度
Tk 0.0T 2m
(2)固体杂质结构
cos L L
σαβ越小时， σLβ就越接近σαL ，cosθ值越 接近于1，△G’就越小。
整理课件
实验结果表明：只有那些与晶核的晶体结构
相似，点阵常数相近的固体杂质才能促进非
均匀形核。可减少固体杂质与晶核之间的表
整理课件
2.3.2 晶核长大机制
1.连续长大：液 固界面微观粗糙， 通过液相原子向 所有位置普遍添 加的方式进行， 使整个界面沿法 线方向向液相中 移动。
整理课件
2. 二维晶核长大机制
微观光滑界面，依靠能量起伏，长大速率缓慢。
整理课件
3.螺型位错长大机制：若界面上存在着螺型位 错，使界面出现台阶，液相中原子便可不断地 添加到这些台阶上面使晶体长大。
整理课件
c. 界面结构决定因素
a. 界面原子位置被固态原子占据的几率 杰克逊因子α ✓ α≤2，Ns/N=0.5，界面能较低，粗糙，熔化熵
低，通过混乱排列降低熵，降低自由能 ✓ α≥5，Ns/N=0.1，界面平滑，熔化熵高，通过
材料科学基础第三章
• 3.1.2 金属结晶的宏观现象
• 金属结晶伴随着一系列宏观特征的改变， 如结晶潜热的释放，融化熵的变化等。研 究这些宏观特征的变化是研究金属结晶过 程的重要手段。
• 3.1.2.1 冷却曲线与金属结晶温度：用热分 析装置将金属融化后缓慢降温，每隔一定 时间记录一次温度，绘制成温度-时间关系 曲线，称为冷却曲线。这种测定冷却曲线 的方法叫热分析法。
• 液态金属在达到某一过冷度之前基本不形 核，而在有效过冷度ΔΤP时形核率骤增。
• 金属的晶体结构简单，容易结晶。在达到 很大过冷度前已结晶完毕，无曲线后半部。
• 通常液态金属是不纯的。凝固总是从杂质 表面开始，所需要的过冷度很低，称非均 匀形核。将液态金属碎裂成直径10至50μm 的小液滴，则凝固按均匀成核方式进行。 纯金属均匀形核的有效过冷度为 ΔΤp0.2Tm(绝对温度)。
• 2) 拓扑无序模型：一些近程有序的基本几 何单元密集无序堆垛或随机密堆垛。
• 原子处于永恒的热运动。液态中的近程有 序结构只能维持极短时间(~10-11s)即消散， 同时又有新结构出现。形成结构起伏或叫 相起伏。
• 相起伏现象是液态结构的重要特征之一， 是产生晶核的基础。
• 规则排列结构比无规排列结构稳定。在过 冷液体中，短程有序结构越大越稳定，而 稳定结构才可能成为晶核。因此称过冷液 体中尺寸较大的近程规则排列结构为晶胚。
• 3.3.1.1 晶胚形成时的能量变化：
• 体积自由能：晶胚内部原子因规则排列而 低于液相原子自由能的差值称为体积自由 能。其值的降低为结晶动力。
• 表面自由能：晶胚表面原子因受力不均匀而偏离 平恒位置，其自由能反而高于液态原子，其差值 称为表面自由能。其值的增高为结晶阻力。
金属的液态成形原理资料.pptx
积和尺寸减少的现象---.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松, 裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因.
收缩的几个阶段 1) 液态收缩（T浇 — T液） : 从金属液浇入铸型到开始 凝固之前. 液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝 固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩（T液 — T固）: 从凝固开始到凝固完毕. 同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如 : 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3%。 3) 固态收缩（T固 — T室） : 凝固以后到常温. 固态 体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影响 铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩率表示.
3) 中间凝固 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间.
第2页/共47页
（a）逐层凝固
（b）中间凝固
铸件的温度梯度, 凝固区域及凝固方式
第3页/共47页
铸件的凝固方式
糊状凝固 结晶温度范围很宽的合金， 从铸件的表面至心部都是 固液两相混存。
温度
固 表层
液 中心
第4页/共47页
铸件的凝固方式
体上浮,排除. • 3) 流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进
行补缩. • 因此，合金流动性好能有效防止铸件出现冷隔、浇不足、
气孔、夹渣、缩孔等缺陷。
第17页/共47页
二)浇注条件
1 浇注温度: t↑ 合金粘度下降,过热度高. 合金在铸件中保持 流动的时间长, ∴ t↑ 提高充型能力. 但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不 宜过高 2 充型压力: 液态合金在流动方向上所受的压力↑ 充型能力↑ 如 砂形铸造---直浇道,静压力. 压力铸造,离心铸造等充型压力 高.
液态金属成型原理
液态⾦属成型原理2. ⾦属结晶（凝固）的形核热⼒学条件及形核机理。
答：⾦属结晶的热⼒学条件：⾦属结晶必须要过冷，过冷是⾦属结晶的必要条件。
⾦属结晶⼀般是在等压条件下进⾏的。
固、液两相都有各⾃的⾃由能，它们的⾃由能在等压条件下随温度的升⾼同样是降低的，如图2.1所⽰。
因为液相原⼦排列混乱程度⾼于固相，因⽽有：上式表⽰液相熵的负值⽐固相熵⼤，因此液相⾃由能随温度下降的速率⼤于固相。
⽽在绝对零度时，因液相原⼦排列混乱程度⼤于固相⽽具有更⾼的⾃由能。
这⼀关系可⽤图2.1来表⽰。
图中G L和G S分别代表液相和固相的⾃由能随温度变化的曲线，两曲线交于温度T m。
在T m温度，固、液两相⾃由能相等。
T m就是理论结晶温度。
所以理论结晶温度定义为固液两相⾃由能相等所对应的温度，也称平衡熔点。
图2.1 ⾃由能随温度的变化⽰意图根据⾃由能最⼩原理，要发⽣液相向固相的⾃发转变，实现结晶，固相⾃由能必须⼩于液相，从图中可见：这只有在温度⼩于理论结晶温度时才能实现，这就是液体⾦属必须具有⼀定的过冷度，结晶才能⾃动进⾏的原因。
四、⾦属结晶的驱动⼒⾦属结晶的驱动⼒从宏观上看是过冷度，从热⼒学上看是固、液两相⾃由能之差。
实际上，可以证明单位体积固、液两相⾃由能之差ΔG v和过冷度ΔT之间存在如下关系：式中L m—结晶潜热。
从上可以看出：要实现结晶，根据⾃由能最⼩原理，G L-G S＞0，⽽要保证必须保证G L-G S＞0，即实际结晶温度必须低于理论结晶温度。
并且，过冷度越⼤，固、液两相⾃由能之差越⼤，⾦属结晶的驱动⼒也越⼤。
晶核的形成机理：形核有两种⽅式：均匀形核和⾮均匀形核。
均匀形核是指晶核不依附任何外来物形成，形核在液相各处的形核⼏率是相同的；⾮均匀形核是指晶核依附于外来物（如容器壁和固态杂质）上形成。
形核时⾃由能的变化在⼀定过冷度下，假设⾦属液相中形成⼀个圆形的固相⼩晶体（即晶胚），则其⾃由能的变化包括两个⽅⾯：⼀⽅⾯液相向固相转变，使⾃由能降低，这是结晶的驱动⼒；另⼀⽅⾯由于在液相中⽣成固相，出现液固界⾯，产⽣界⾯能，使⾃由能升⾼，这是结晶的阻⼒。
第3章 液态金属凝固热力学与动力学模板
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1200℃时液态金属原子的状态
1500℃时液态金属原子的状态
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当过冷液体中出现晶胚时，一方面原子由液态转 变为固态，体系的自由能降低（固、液相之间的 体积自由能差）——相变的驱动力； 另一方面，由于晶胚构成新的表面，又会引起表 面自由能的增加（单位面积表面能σ）——相变的 阻力。 假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液体中出现一 个晶胚时，总的自由能变化：
液相中的原子集团依赖于已有的异质固相表面 并在界面张力的作用下，形成球冠。
设σLC、σLS与σCS分别为液相-晶核、液相-衬底和晶核衬底之间的单位界面自由能，θ表示新相与基底之间的润 湿角，则三个界面张力的平衡关系为：
新生固相
SL Sc Lc cos
异质形核吉布斯自由能 变化为：
GV Lm T Tm
△T=Tm-T，称为过冷度；Lm为熔化潜热，为定值。 熔点Tm也为定值。故△GV只与△T有关。 液态金属凝固的驱动力——过冷度△T。过冷度△T 为零时，驱动力不存在，凝固不会发生。 结论：液态金属不会在没有过冷度情况下结晶。
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过冷现象 super cooling
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反应总是向自由能降低的方向发展。
体系温度低于Tm，GS低于GL， 发生凝固； 体系温度高于 Tm，GS高于GL， 发生熔化； T= Tm，GS=GL， △GV= GL- GS=0，
液、固处于平衡状态。
液态与固态自由能－温度关系
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经推导：
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材料科学基础mooc液态金属凝固的必要条件液态金属凝固是材料科学中的重要研究领域之一。
要实现液态金属的凝固，需要满足一定的必要条件。
第一，凝固过程中需要有足够的过冷度。
过冷度是指液态金属的温度低于其凝固温度，这样才能引起凝固。
过冷度越大，凝固过程越快，但过冷度过大会导致热应力的增加，影响凝固质量。
第二，凝固过程中需要有足够的核心形成。
核心是指在过冷液态金属中形成的具有凝固性质的小团体。
当核心数量达到一定值时，将会促进凝固的进行。
因此，促进核心形成是液态金属凝固中的重要研究方向之一。
第三，凝固过程中需要有足够的固相晶体生长。
晶体生长是指核心在过冷液态金属中不断增长，逐渐形成完整的晶体的过程。
如果固相晶体生长速度过慢，会导致凝固时间过长，影响生产效率。
综上所述，要实现液态金属的凝固，需要满足足够的过冷度、足够的核心形成和足够的固相晶体生长。
这些条件的满足与液态金属的物理化学性质密切相关，是液态金属凝固研究的重要内容。
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