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西北工业大学《材料科学基础》第三章凝固知识点思维导图
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凝固
晶核的形成
均匀形核
晶胚形成能量变化
临界晶核半径（球体）
r<rk时不能成核
过冷度越大，临界晶核半径越小
P90【例题3.3.1】求临界晶核中的原子数
形核功：外界提供的能量
形成临界晶核时，体系自由能降低补偿表面自由能增高的2/3 剩下1/3从“能量起伏”中获得
临界过冷度
形核率（N）:单位时间、单位体积内所形成的晶核数目
1、过冷度增大，临界晶核半径及形核功均减小 所需能量起伏小，形核率大
2、过冷度增大，原子扩散速度减慢，形核率小
有效过冷度
均匀形核时，存在有效过冷度ΔTp，N急剧增大，形核迅速结束
P93【例题3.3.2】计算临界形核功
非均匀形核（更普遍）
借助现有基面（杂质或型腔表面）形核
形核功
所需形核功比均匀的小，且随着θ角的减小而减少
形核率
过冷度（红线）
固体杂质
θ越小，形核率越高
固体杂质表面形貌
凸表面，N小；凹表面，N大
物理因素的影响
外加物理场、缺陷、机械力场——N大
P97例题【3.3.4】
晶体的长大
晶体长大的过程就是液体中的原子迁移到晶体表面， 即液-固表面向液相中推移的过程
条件
驱动力是体系总自由能随晶体体积的增加而降低
热力学
ΔG<0
动态过冷度
液-固界面前沿液体中有一定的过冷
动力学
液-固界面的微观结构
光滑界面 (结晶学界面)
微观：密排面
宏观不平：小平面界面
无机化合物和亚金属，如Si
粗糙界面 (非结晶学界面)
微观：几个原子层厚度的过渡层
宏观平直：非小平面界面
金属
机制
单个或若干个液相原子扩散至固-液界面 按晶格规则排列并于晶体连接
粗糙界面垂直长大方式
（俄罗斯方块式）连续长大机制
特点
动态过冷度小
速度快
过冷度越大，散热快，长大快
光滑界面横向长大方式
台阶生长机制
模型及特点
二维晶核台阶生长机制
形核功较高
不连续
速度慢
晶体缺陷台阶生长机制：螺位错、孪晶
形核功较低
连续
形态
正温度梯度
平面状长大形态
粗糙界面：平直
光滑界面：台阶（锯齿）
负温度梯度
树枝状长大形态
面心立方和体心立方，长大方向<100>； 密排六方，长大方向<1010>
粗糙界面：树枝状
光滑界面不明显
凝固理论的应用
铸态晶粒的控制
单晶体的制备
定向凝固技术
急冷凝固技术
金属结晶的基本条件（3个）
热力学条件
相变的热力学条件
相的自由能随温度升高而降低
过冷越大，固态金属自由能低于液态金属越多
结构条件
结构起伏/相起伏是产生晶核的基础
晶胚：过冷液体中尺寸较大的短程规则排列结构
过冷才能得到晶胚
能量条件
晶胚能量需求不同，造成能量起伏，能量起伏提供形核功
金属结晶的基本规律
微观*
晶粒相遇形成晶界，长大终止
形核与长大交替进行
形核率和长大速度决定结晶速度
一个晶核形成一个晶粒
宏观
过冷
定义：纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度的现象
是结晶的必要条件
过冷度：ΔT=Tm-Tn>0
金属越纯，过冷度越大
冷却速度越快，过冷度越大
冷却曲线与金属结晶温度
为何下凸：降温至Tm未结晶，直至Tn开始结晶 温度回升：液态—>固态，释放结晶潜热(Lm)
恒温：系统散热=结晶潜热
"平台"温度&熔点：略低于熔点，可看作理论结晶温度
结晶结束，固态金属温度继续降低
