哈尔滨工业大学：《金属学与热处理》课程教学资源（PPT课件）第二章 纯金属的结晶（2.4）晶核的形成

§2.4晶核的形成 均匀形核 非均匀形核 是指完全依靠液态金属中 的晶胚形核的过程,液相 中各区域出现新相晶核的 几率都是相同的

§2.4晶核的形成 均匀形核 非均匀形核 是指完全依靠液态金属中 的晶胚形核的过程，液相 中各区域出现新相晶核的 几率都是相同的

§2.4晶核的形成 均匀形核 非均匀形核 是指晶胚依附于液态 金属中的固态杂质表 面形核的过程

是指晶胚依附于液态 金属中的固态杂质表 面形核的过程。 §2.4晶核的形成 均匀形核 非均匀形核

°形核率 定义:单位时间单位体积内形成的核心数目。 △G* I=n Ev, n exp c)exp( kT kT 临界晶核表面与液体 接触的原子数目 0.2Tm ε:原子在给定方向跳动 的几率 液体中原子的振动频率 n:单位体积中的原子数。 △Tmx AT 形核率和过冷度的关系

受原子扩散影响的形核几率因子为:N,∝ek 综合上述两个因素,总的形核率可表示为: Q N=NN,=Ce kr 由图中可见,当△T较小时,△N主要受N1控制,当△T 较大时,△N主要受N2控制;随△T增大,△N反而下降。可见 △T过小或过大,均使△N下降。 需要指出的是,上图仅适用于一般晶体的形核。对于金 属晶体,因其结晶倾向极大,在一般的冷却条件下,△T与△N关系图 当△T达到△Tp之前,液态金属几乎不形核,而当两者 相等时,△N突然增加,在达到很大△T之前,金属液体已 全部结晶而变成固体。因此,此图不存在上图中曲线后半部 的下降部分

形核率 是指单位时间内单位体积液体中形成晶 核的数量。用N=N1米N2表示。 形核功影响 原子扩散能力 急冷 非晶态材料

形核率 是指单位时间内单位体积液体中形成晶 核的数量。用N＝N1*N2表示。 形核功影响 原子扩散能力 急冷 非晶态材料

§2.4晶核的形成 均匀形核 )均匀形核的能量变化 体积自由能一动力表面自由能—阻力 假设球形半径r,表面积S,体积为V,σ为单位面 积自由能

§2.4晶核的形成

§2.4晶核的形成 △G=-G,+oS △G= m3△G1+4x2o 界面能∞C △G 体积自由能∝r3△T

§2.4晶核的形成 G = −VGV +S    3 2 4 3 4 G r G r  = −  V +

§2.4晶核的形成 (二)临界晶核 当rrc时,r增大,△G减小,晶胚是稳定的,可长大; 当r=rc时,晶胚既可能消散也可能成为晶核存在。 称这种晶胚为临界晶核,rc称为临界晶核半径。 求re:令 aAG)=0 则 4m2△G.+8 a=0 20 于是得:r ∠G re∝而△G L△T 所以:r 20Tm1 △T越大,rc越小,形核率越大,晶粒就越细化!

§2.4晶核的形成

(三)临界形核功 显然,当r=r时,体系自由能变化△G最大,以△Gc表示, 则k=3m24+4m △T 将r代入得:LG=1003 △G=L, 由于 AG 所以△Gk=4 S 上式说明,临界晶核形成时,△Gk的大小恰好等于形成临界 晶核时表面能的三分之一。 形核功临界形核功 将△代入得:AA=10 3L nt △T越大,△Gk将显著降低,形核率增大。 可见,△T增大,既可使rc降低,还可使△G降低

非均匀形核 rr(2-3cos 0+cos0) 液相L oLa 晶核a S1=2m(1-cos6) LB OaB oLB=OaB+OLa cos or so 基底B 2=/ur sin

非均匀形核  L =   + L cos 2 (1 cos ) 2 S1 = r −    2 2 2 S = r sin (2 3cos cos ) 3 1 3 3 V = r −  + 