材料科学基础教学教案

§5-1 晶体材料熔液凝固的基本规律 一、液态的结构

成分起伏、结构起伏、能量起伏 二、凝固的热力学条件

等压条件下，自由能曲线随温度的变化率等于熵的负值，故可得图6-1所示结果。液相（L）与固相（S）的自由能曲线交点对应的温度为T0，即为金属的熔点。当温度T< T0时液态金属结晶,温度越低,液固两相的自由能差值越大,结晶的驱动力也越大。因此，金属结晶的热力学条件就是T< T0，即结晶必须在过冷条件下才能自发地进行 三、过冷现象 过冷 冷却曲线 四、结晶的一般过程 形核-长大 形核率、长大速率 伪各向同性

§5-2 晶核的形成 一、均匀形核 图6-5

2? ?Gv42?32?21??()?Gv?4?()?σ 3?Gv?Gv3体积自由能的降低,只能补偿2/3的表面自由能,另1/3需外界供给。液态金属结构存在成分、结构和能量起伏。依靠能量起伏,液相原子的热运动来实现均质形核。 二、形核率 图6-6 临界过冷度 三、非均匀形核 分析讨论

§5-3 晶核的成长 一、液-固界面的微观结构 动态过冷度 光滑界面、粗糙界面 二、熔体中晶体的生长形态 1．粗糙界面

由于界面上有50％的结晶空位，液相原子进入这些空位使晶体均匀连续地生长，垂直长大。所需动态过冷度小，长大速度快 正温度梯度下：平面 负温度梯度下：枝晶生长 2．光滑界面

生长依赖在界面上出现台阶，有3种方式：二维晶核，螺型位错，

孪晶面。后2种可连续生长。

正温度梯度下：台阶生长 负温度梯度下：多面体 3．晶体长大线速度

§5-4 固溶体的凝固 一、固溶体的平衡凝固 二、稳态凝固

有效分配系数 溶质的分布， 图6-18

三、成分过冷及其对晶体长大形状的影响 1．成分过冷的产生

图-6-20

由于液固界面前沿液相中的成分差别所引起的过冷 2．出现成分过冷的临界条件 3．成分过冷对晶体成长形状的影响

图6-21

§5-5 共晶合金的凝固 一、共晶体的形成

交替生长 二、共晶体的形态

1． 粗糙-粗糙界面 2． 粗糙-平滑界面共晶 3． 第三组元对共晶组织的影响

变质处理

4． 共晶合金中的初生晶形态

§5-6凝固组织及其控制 一、晶粒尺寸的控制 1． 增加过冷度 2． 变质处理 3． 振动

二、铸锭组织及其控制

1．三个晶区 表层细晶区 柱状晶区 中心等轴晶区 2．各晶区尺寸的控制 三、铸锭的缺陷 1． 微观偏析 2． 宏观偏析 3． 夹杂和气孔 4． 缩孔和疏松