海南大学：《材料科学基础》课程教学资源（PPT课件）Chapter 6 材料的制取 6.1 凝固与结晶

第6章材料的制取 海南大学材料科学与工程基础电子教銮

海南大学材料科学与工程基础电子教案 第6章 材料的制取

凝固与结晶 熔化 海南大学材料科学与工程基础电子教案

海南大学材料科学与工程基础电子教案 凝固与结晶 熔化

炼钢 浇注 炼铜 海南大学材料科学与工程基础电子教案

海南大学材料科学与工程基础电子教案 炼钢 浇注 炼铜

◆凝固：物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物 质为晶体，则称之为结晶。 ◆多数材料都要经过凝固过程。 ◆凝固过程影响材料组织、后续工艺性能、使用性能和 寿命。 ◆了解凝固过程，对控制俦件的质量，提高金属制品的 质量十分有益。 凝固可为其它相变的研究提供基础。 海南大学材料科学与工程基础电子教案

海南大学材料科学与工程基础电子教案 凝固：物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物 质为晶体，则称之为结晶。 多数材料都要经过凝固过程。 凝固过程影响材料组织、后续工艺性能、使用性能和 寿命。 了解凝固过程，对控制铸件的质量，提高金属制品的 质量十分有益。 凝固可为其它相变的研究提供基础

1、液态金属 从宏观性质推断： ◆熔化体积变化小，原子间距接近固体； ◆熔化热较小，键的变化较小； ◆正电阻温度系数，仍是金属键； ◆热容变化小，原子运动特性差别小； ◆熔化熵较小，典型金属接近10J/mol·K,L与S相近的 结合键和结合力。 海南大学材料科学与工程基础电子教銮

海南大学材料科学与工程基础电子教案 1、液态金属 从宏观性质推断： 熔化体积变化小，原子间距接近固体； 熔化热较小，键的变化较小； 正电阻温度系数，仍是金属键； 热容变化小，原子运动特性差别小； 熔化熵较小，典型金属接近10J/mol·K，L与S相近的 结合键和结合力

液态全属的结构 ◆结构：长程无序而短程有序，结构起伏。 ◆特点（与固态相比)：原子间距较大、原子配位数较 小、原子排列较混乱。 用行射法测得的金属液态和固态的结构数据的比较 液 态 金 围态 原子间距/nm 配位数 原子间距/nm 配位数 Al 0.296 1011 0.286 12 Zn 0.294 1 0.265,0.294 6+6 cd 0.306 8 0.297,0.330 6+6 Au 0.286 11 0,288 12 Bi 0.322 1~8 0.309,0.346 3+3 海南大学初科科子匀工柱基出电于豕笨

海南大学材料科学与工程基础电子教案 液态金属的结构 结构：长程无序而短程有序，结构起伏。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较 小、原子排列较混乱

2、熔液的过冷与凝固过程 → 热分析实验装置示意图 时间 1一热电偶2一坩埚3一金属4一电炉 纯金属的冷却曲线 5一冰水6一温度计 (1)过冷现象（实际冷却速度与理论冷却速度差异造成) ⑩过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。 D过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实际结晶 温度之差， △T=Tm-T(见冷却曲线) ⑩过冷是凝固的必要条件。 海南大学材料科学与工程基础电子教銮

海南大学材料科学与工程基础电子教案 2、熔液的过冷与凝固过程 （1）过冷现象（实际冷却速度与理论冷却速度差异造成） 过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。 过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际结晶 温度之差. △T=Tm-T (见冷却曲线) 过冷是凝固的必要条件

(2)凝固的热力学条件 ◆根据热力学第二定律，过程自动向 △Gv=Gs-GL 降低的方向进行： dG=VaP-SdT dG ◆ 等压时：S<0 ◆G-T曲线均为负斜室，但是L相由于 S较大，斜率更大。 温度T ◆ 在适当温度-熔点，二者相交。 液态和固态的吉布斯自 由能-温度曲线 海南大学材料科学与工程基础电子教案

海南大学材料科学与工程基础电子教案 (2)凝固的热力学条件 根据热力学第二定律，过程自动向G 降低的方向进行： 等压时： G-T曲线均为负斜率，但是L相由于 S较大，斜率更大。 在适当温度-熔点，二者相交。 dG =VdP−SdT = −S  0 dT dG

液一固，单位体积自由能的变化△G,为 AGy =Gs-GL=Hs-TSs-(H -TS)(1) =(Hs-H)-T(Ss-SL) =-Lm-T(Ss-SL)其中：Lm为熔化潜热 'T=Tm时，△G,=0 :.Ss-S1=- Tu 将(2)代入(1)， AGy =-Lm +T. Lm(T-T) Tm '.AG= -Lm·△T 即△Gv与△T呈直线关系，过冷度越大，液态和固态的自由能差值 越大，相变驱动力越大，凝固过程加快。 海南大学材料科学与工程基础电子教銮

海南大学材料科学与工程基础电子教案 液 固，单位体积自由能的变化ΔGv为 （1） 其中：Lm为熔化潜热 ∵ T=Tm时，ΔGv=0 （2） 将（2）代入（1）， ( ) GV = GS − GL = HS − TSS − HL − TSL ( ) ( ) = HS − HL − T SS − SL ( ) = −Lm − T SS − SL m m V m T L G = −L + T  m m m T L (T − T) = − m m V T L T G −    = 即ΔGV与 ΔT呈直线关系，过冷度越大，液态和固态的自由能差值 越大，相变驱动力越大，凝固过程加快。 m S L m L S S T  − = −

结晶的驱动力 △T △Gv=Gs-G AGy =-Lm T Gs △下0，△G<0 G 过冷度越大，一般越有利于结晶 Tm △G的绝对值为凝固过程的驱动力 温度T 适度过冷是凝固的必要条件 液态和固态的吉布斯自 由能~温度曲线 海南大学材料科学与工程基础电子教案

海南大学材料科学与工程基础电子教案 结晶的驱动力 ◼ △T>0，△Gv<0 ◼ 过冷度越大，一般越有利于结晶 ◼ △G的绝对值为凝固过程的驱动力 ◼ 适度过冷是凝固的必要条件 V m m T G L T   = −