铸件成形原理第3章 晶体形核与生长

5 晶体形核与长大摘要5.1 引言几乎所有物质都能以晶体形态存在，而玻璃只是某些物质在特定条件下才能形成的状态，它经过一定处理还会核化和晶化,这正是微晶玻璃得以形成的基础.（玻璃形成学，p1）对各类微晶玻璃而言，得到适当的晶体结构，晶体数量，晶体尺寸和分布是至关重要的，而这取决于许多因素，如材料成分，其形核－长大的热力学、动力学特点，分相状态，晶体形成机理,晶化工艺参数等等，虽然自微晶玻璃问世以来，一直没有停止对形核与长大的研究，但至今仍有许多未搞清的问题，而云母型微晶玻璃问世较晚，成分范围又很宽，形核－长大的机理各有不同，对每种新研制的微晶玻璃，搞清其形核－长大的机理对于得到理想的晶化效果是必不可少的工作。

针对目前对可切削微晶玻璃的形核长大过程研究还不够充分的问题，本文对研制的低熔点可切削微晶玻璃的形核长大过程进行了详细研究。

5.2．形核与长大一般结晶过程均由形核与长大两个过程组成,微晶玻璃也是如此.5.2.1 形核的一般理论分析成核过程可分为均匀成核和非均匀成核。

均匀成核是指在宏观均匀的玻璃中，在无外来物参与下的成核过程；非均匀成核是指依靠相界、晶界或基质的结构缺陷等不均匀部位而成核的过程。

a.均匀成核 ---玻璃的分相与结晶四首先从热力学的角度考察成核过程的能量变化。

处于过冷状态的玻璃熔体，由于热运动引起组成上和结构上的起伏，一部分变成晶相。

晶相内部质点的规则排列使系统的体积自由能∆Gv减小。

然而，新相的产生势必产生新的界面，导致界面自由能∆G 0的增加。

系统总的自由能∆G 的变化是上述两个自由能变化之和：∆G ＝－∆Gv ＋∆G 0 （5.1）上式中“－”号表示能量减少，“＋”号表示增加。

假设晶核是球形的，则有：34/3v v G r g π∆=-∆ （5.2）204G r πσ∆= （5.3）r 为核半径，∆g v 为相变过程中单位体积自由能的变化，σ是新相与熔体之间的表面张力。

将（302）和（303）式代入（301）式得：324/34v G r g r ππσ∆=-∆+ （5.4）据（304）式绘成图3－1，从图3－1分析可知，当r<r*时，（304）式中的界面能的变化起主要作用，晶核的长大使系统的自由能增大，晶核不能稳定生长；只有当r>r*时，系统自由能才是减小的。

第三章晶体生长晶体生长理论基础 熔体的晶体生长 硅、锗单晶生长 硅 锗单晶生长1制作半导体器件的材料，绝大部分使用单晶体（体单 晶、薄膜单晶），研究晶体生长对半导体材料的制备是 一个重要课题。

20世纪20年代柯塞尔（Kossel）等人提出了完整晶体 生长微观理论模型。

40年代弗兰克（Frank）发展了缺陷晶体生长理论。

40年代弗兰克（Frank）发展了缺陷晶体生长理论 50年代后伯顿（Burton）和杰克逊（Jackson）等人对 晶体生长、界面的平衡结构理论及平衡界面理论等方面 晶体生长 界面的平衡结构理论及平衡界面理论等方面 进行了研究。

计算机技术的广泛应用，使晶体生长理论研究向微观 计算机技术的广泛应用 使晶体生长理论研究向微观 定量计算又进了一步。

2§ 3 1 晶体生长理论基础 3-1晶体形成的热力学条件 晶核的形成 晶核长大的动力学模型 晶体的外形31.晶体生长的 般方法 1.晶体生长的一般方法晶体是在物相转变的情况下形成的。

物相有三种，即气相、液相和固相。

由气相、液相⇒固相时形成晶体， 固相之间也可以直接产生转变。

晶体生长是非平衡态的相变过程，热力学一般处理平衡态问题， 若系统处于准平衡状态，可使用热力学的平衡条件来处理问题 若系统处于准平衡状态 可使用热力学的平衡条件来处理问题相平衡条件：各组元在各相的化学势相等 热平衡条件：系统各部分温度相等 力学平衡条件：系统各部分压强相等(1) 固相生长:固体→固体在具有固相转变的材料中进行（相变又称多形转变或同素异形转变。

）高温、高压石墨 ———— 金刚石 α-Fe(体心立方) ———γ -Fe（面心立方） 1气压900℃通过热处理或激光照射等手段，将 部分结构不完整 通过热处理或激光照射等手段，将一部分结构不完整 的晶体转变为较为完整的晶体“图形外延”: 微晶硅———单晶硅薄膜激光照射(2) 液相生长:液体→固体溶液中生长 从溶液中结晶 当溶液达到过饱和时，才能析出晶体。

1.2.1液态的结构（1）金属的状态及其相互转化物质有固体、液体、气体三种状态，同一种物质有不同状态的原因在于原子所具有的能量不同，导致原子或原子集团之间的距离不同大：气体，小：固体，中间：液体温度越高：原子所具有的能量越高，原子的热运动越强烈，原子及原子集团之间的距离越大，物质将由固体逐渐向气体转化温度越低：与上述变化方向相反。

固体：金属学中研究，气体，很少接触。

主要研究从液态到固态转变过程中组织性能的变化。

（2）液体物质原子集团状态铸造成型原理这门课，主要研究液态到固态转变过程中组织性能的变化，从而保证能够得到理想的固态组织。

通过了解过去，也即在凝固之前的液态金属的结构，就可能更深入了解凝固过程组织变化的特征，也就是金属在凝固过程中的行为。

那么，液态金属到底具有什么特性呢？怎么研究液态金属的特性呢？固态，知道，金相组织，扫描电镜，透射电镜，X射线衍射分析，机械性能，硬度，强度，韧性，塑性液态有没有相应的方法？方法很多？？？？，其中之一：X射线衍射：图2-3 通过X射线衍射方法所得到的700度的时候液态铝中原子分布曲线横座标：r 为距与所选定原子之间的距离。

纵坐标：。

ρ（r）4 r2，其中：ρ（r）：半径为r的球面上单位面积的原子密度函数，r：距离所选定的原子的距离（半径）。

整体意义：围绕所选定的原子，以r为半径，厚度为dr的一层球壳中的原子的数量，其最近邻的球壳中的原子数就是配位数。

第一类线条：固态金属，原子在衍射过程中主要在平衡位置上作热运动，以平衡位置为中心，因此原子的位置相对固定，这样原子之间的距离也固定，所以球面上的原子数是固定的。

故衍射结果是一条条清晰线，每条线都有固定的位置（r）和峰值（原子数）。

意义：在原子和原子之间：为空隙：因此没有原子密度，也即原子密度为零。

但是到一定的距离，即有一定数量的原子存在。

这个距离由金属的晶体结构所决定。

最近的一条线：铝原子结构：面心立方结构：原子的配位数：12由彩色图可以看出，面心立方结构的一个平面图。

铸件形成理论重要知识点第一章液态金属的结构和性质1.金属的加热膨胀：原子间距离将随温度的升高而增加，即产生热膨胀。

由于能量起伏，一些原子则可能越过势垒跑到原子之间的间隙中或金属表面，原子离开点阵后，留下了自由点阵——空穴。

原子间距增大，空穴的产生是物体膨胀的原因之一。

2.金属的熔化：把金属加热到熔点附近时，离位原子数大为增加。

在外力的作用下，这些原子作定向运动，造成晶粒间的相对流动，称为晶界粘滞流动。

晶粒内部，也有相当数量的原子频频跳跃、离位，空穴数大为增加。

接近熔点时，晶界上的原子则可能脱离原晶粒表面，向邻近晶粒跳跃，晶粒逐渐失去固定形状。

3.理想金属的液态结构特点金属熔化后，以及在熔点以上不高的温度范围内，液体状态的结构有以下特点：1、原子排列在较小距离内仍具有一定规律性，且其平均原子间距增加不大。

2、金属液体由许多原子集团所组成，在原子集团内保持固体的排列特征，而在原子集团之间的结合处则受到很大破坏（近程有序排列）。

3、原子集团存在能量起伏和结构起伏。

4、原子集团间距较大，比较松散，犹如存在空穴。

5、原子集团的平均尺寸、游动速度都与温度有关，温度越高，则原子集团的平均尺寸越小，游动速度越快。

概括起来：接近熔点的液态金属由许多游动的原子集团和空穴组成，原子集团中原子呈规则排列，结构与原固体相似，但存在能量起伏和结构起伏。

4. 实际金属的液态结构实际液态金属在微观上是由存在能量起伏、结构起伏和成分起伏的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成的混浊液体；从化学键上看，除了基体金属与其合金元素组成的金属键之外，还存在其他多种类型的化学键。

5.影响粘度的因素(1)温度：温度不太高时，T升高，η值下降。

温度很高时，T升高，η值升高。

(2)化学成分：表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度提高。

(3)非金属夹杂物：非金属夹杂物使粘度增加。

6.粘度对铸坯质量的影响(1)对液态金属流动状态的影响：粘度对铸件轮廓的清晰程度有影响，为降低液体的粘度应适当提高过热度或者加入表面活性物质等。

铸造合金的晶体生长与晶界结构优化铸造合金是一种常见的材料，广泛应用于制造业。

在铸造过程中，合金的晶体生长和晶界结构是影响其性能和品质的重要因素。

本文将探讨铸造合金的晶体生长机制以及晶界结构的优化方法。

一、铸造合金的晶体生长机制铸造合金的晶体生长过程是由熔融态向固态的转变过程。

在铸造过程中，熔融态的合金通过冷却后逐渐凝固形成晶体。

晶体生长的机制涉及到熔融态中的原子迁移、晶核形成以及晶体生长的三个主要阶段。

首先，熔融态中的原子会通过热扰动而发生扩散，寻找到合适的位置。

这些原子在较高温度下可以自由移动，并形成一个原子团簇。

这些原子团簇的形成即为晶核形成的过程。

其次，一旦晶核形成，它会在熔融态中继续吸收周围的溶质，导致晶体生长。

晶体生长是指晶核周围的原子逐渐加入晶格，使晶粒尺寸逐渐增加。

最后，晶体生长会一直持续到熔融态完全凝固。

在凝固的过程中，晶体的尺寸会逐渐增大，晶体之间的晶界也会出现。

二、晶界结构对铸造合金性能的影响晶界是晶体内部晶粒之间的界面。

晶界结构在铸造合金的性能中起着重要作用。

以下是晶界结构对铸造合金性能的影响：1. 力学性能：晶界结构对铸造合金的力学性能具有显著影响。

不同晶界结构具有不同的强度和韧性特性。

合理控制晶界结构可以提高铸造合金的力学性能。

2. 耐腐蚀性：晶界结构还会影响铸造合金的耐腐蚀性能。

某些晶界结构可能会导致铸造合金的局部腐蚀，从而降低其耐蚀性能。

3. 疲劳寿命：晶界还可以对铸造合金的疲劳寿命产生重要影响。

合适的晶界结构可以减少晶界内的位错运动，从而提高铸造合金的疲劳寿命。

三、晶界结构优化方法为了优化铸造合金的晶界结构，以下是几种常见的方法：1. 添加合金元素：通过添加适量的合金元素，可以改变晶界的结构和性质。

例如，添加某些合金元素可以形成弥散的强化相，从而提高晶界的强度。

2. 控制凝固速率：凝固速率对晶界结构有重要影响。

通过控制凝固速率，可以控制晶界的尺寸和形貌，进而影响晶界的性能。

铸造合金中的晶体生长行为与晶粒控制技术铸造合金的性能往往与晶体生长行为和晶粒控制技术密切相关。

晶体生长行为是指合金中晶体的形成和发展过程，而晶粒控制技术则是指通过合适的工艺手段对晶粒进行调控，从而改善合金的性能。

本文将介绍铸造合金中的晶体生长行为，并探讨晶粒控制技术的应用。

第一部分：晶体生长行为铸造合金在凝固过程中晶体的生长行为对合金微观组织和性能有着重要影响。

晶体生长行为可以分为自由生长和强迫生长两种情况。

自由生长是指晶体在凝固过程中由固相直接生长，此时晶体的生长速度受到扩散控制。

晶体生长速度与扩散系数、浓度梯度等因素密切相关。

例如，在铸造镁合金中，镁的扩散系数较小，因此晶体生长速度较慢，易形成细小的晶粒。

强迫生长是指晶体在凝固过程中由于扩散受阻而形成固相间隙，晶体必须在此间隙中生长。

强迫生长的晶体往往具有更多的晶界，形成粗大的晶粒。

例如，在铸造铜合金中，铜和锡的反应会产生金属间化合物，这种化合物会阻碍晶体生长，从而导致铜合金晶粒变粗。

第二部分：晶粒控制技术晶粒控制技术是为了改善铸造合金的性能而采取的手段。

通过控制晶粒尺寸和晶粒形貌，可以提高合金的强度、韧性和耐腐蚀性能。

一种常用的晶粒控制技术是添加晶粒细化剂。

晶粒细化剂可以在凝固过程中引入细小的晶核，从而抑制晶体生长，得到细小的晶粒。

例如，在铸造铝合金中，添加少量的钛、硼等元素可显著细化铝合金晶粒。

此外，还可以通过调节合金成分、凝固速度等方式实现晶粒控制。

另一种晶粒控制技术是应用热处理方法。

热处理可以通过固溶化和相变等过程改变晶粒尺寸和晶界分布。

例如，在铸造钢中，采用热处理可以在晶界上形成细小的碳化物颗粒，从而限制晶界的运动，细化晶粒。

此外，还有许多其他晶粒控制技术，如机械变形、高磁场处理、超声波处理等。

这些技术通过引入外界能量改变凝固过程中晶体的形貌和生长方式，从而实现晶粒控制。

结论铸造合金中的晶体生长行为和晶粒控制技术对合金的性能影响重大。

铸造合金的晶体生长与晶界结构优化设计与分析铸造合金是一种重要的材料，在工业领域中得到广泛应用。

铸造合金的晶体生长和晶界结构对其力学性能和性质起着至关重要的作用。

本文将就铸造合金的晶体生长机制以及晶界结构的优化设计与分析进行讨论。

一、铸造合金的晶体生长机制铸造合金的晶体生长是指在凝固过程中，液态合金中的晶核逐渐生长并形成晶体的过程。

晶体生长的方式有多种，包括固相分离生长、均匀生长和溶质分布差异生长等。

晶体生长的机制与合金的成分、凝固条件以及外界因素都有关。

在铸造合金中，晶体生长过程中晶界的形成对晶体的性质有着重要影响。

晶界是晶体内部不同晶粒之间的交界面，晶界的特征决定了晶体的力学性能和性质。

晶界的结构和迁移对合金的力学性能、断裂行为和耐蚀性等起着至关重要的作用。

二、晶界结构的优化设计与分析为了优化铸造合金的晶界结构，提高合金的力学性能和性质，需要进行晶界结构的设计与分析。

针对不同的需求和合金材料，可以采取以下几种方法进行晶界结构的优化设计与分析。

1. 晶界工程化设计通过合金成分的调整和热处理工艺的优化，可以控制晶界的类型和尺寸，从而改善晶界的结构和性质。

例如，晶界工程化设计可以通过添加合适的合金元素来改善晶界的稳定性和强度，减小晶界的能量和迁移率。

2. 晶界导向生长晶界导向生长是指通过控制凝固过程中的晶核形成和晶体生长方向，使得合金中的晶界取向更加有序，晶界结构更稳定。

这可以通过控制凝固速率、添加合适的合金元素和采用特定的凝固方式来实现。

3. 晶界结构的数值模拟与分析利用计算机模拟和数值分析方法，可以对铸造合金的晶界结构进行研究和优化设计。

通过建立晶体生长和晶界迁移的模型，可以预测晶界的形貌、分布和性质，并提出相应的改进方案。

三、铸造合金的晶体生长与晶界结构优化实例以某种高温合金为例，进行晶体生长和晶界结构优化的实例分析。

通过合金成分的优化设计和热处理工艺的改进，控制晶体生长过程中晶界的形成和演化，实现晶界结构的优化。

凝固理论的应用：
用形核和核长大理论分析铸锭三个晶区的形成
图1是液态金属刚浇注到铸模的瞬间液态金属中的温度分布，靠近模壁的一薄层液态金属被模壁激冷到临界形核温度T N 以下，而大部分不在模壁附件的液态金属中温度基本不变。

于是，在靠近模壁的一薄层液态金属中开始形核，见图2，凝固潜热的释放导致①这部分凝固金属的温度再辉到略低于熔点温度T M ；②固-液界面处的负温度梯度。

由于这一薄层中大部分的形核温度比T N 低许多，所以形核率很高，最终形成的晶粒细小；只有固-液界面处的温度在T N 附近，这里形成较大的晶粒。

图1中温度在T N 以下的表面薄层凝固后成为铸锭的表面细晶区。

图3中液相温度在T N 以上，所以没有形核，只有图2中形成的晶核向液相中生长，尽管固-液界面处的负温度梯度，受热传导限制，枝晶主干沿垂直模壁方向生长，侧向生长受到抑制，形成垂直于模壁的柱状晶，由于柱状晶是表层细晶内侧晶粒（T N 附近形成的晶核长大而成）生长形成的，所以柱状晶较粗大；固-液界面温度略低于T M （提供晶核生长所需的动力学过冷）和负温度梯度；固-液界面远处不断降温，如图3、4、5、6所示。

图6中，固-液界面远处温度降到T N 时，形核开始，由于在T N 形核，与图2中在远低于T N 形核相比，形核率远小于图2中的细晶区，所以图6中形成较粗大的中心区等轴晶。

考虑热传导难易，图6中柱状晶与等轴晶间的液相凝固将会是柱状晶生长而不是中心等轴晶生长的结果，见图7。

温度 距模壁距离 T M : 熔点 T N : 临界形核温度 图1 图2 图3
图4 图5 图6 图7。