金属凝固原理——形核

简述纯金属结晶过程的结晶过程及形核
纯金属的结晶过程：
1.熔融：首先，将金属材料以高温进行熔融，使它变成一种流体状态，以便更
好地发挥凝固时形成结晶体的能力。

2.凝固：凝固过程是将高温熔融液金属冷却而形成晶体的过程。

当熔融液不断
冷却时，它会变得更加粘稠，这样分子之间的相互作用才会明显增强，从而使它们朝向结晶的方向发展。

3.形核：经过凝固过程后，原子之间的作用形成结晶的起始点，即所谓的形核。

最初的形核通常很小，晶体以它为中心，不断得到更多的金属原子，最终在将结晶物构建完成后，结晶体宣告形成。

4.排列：当金属原子结晶后，它们会按照一定的规律排列。

当结晶受到冷却作
用后，原子按照固定的结构进行排列，可以形成完美的三维晶体。

5.结晶体：结晶体形成时，会形成均匀的金属晶体，经不断凝固，结晶体会提
高它的稳定性，使晶体拥有良好的力学性能。

以上就是纯金属结晶过程及其形核的详细描述，因为结晶过程是金属成型的必经步骤，所以对金属成型性能有着至关重要的影响。

只有掌握正确的结晶过程和形核，才能让金属材料达到最佳的性能。

金属凝固原理思考题1．表面张力、界面张力在凝固过程的作用和意义。

2． 如何从液态金属的结构特点解释自发形核的机制。

答：晶体熔化后的液态结构是长程无序，而短程内却存在不稳定的、接近有序的原子集团。

由于液态中原子运动较为强烈，在其平衡位置停留时间甚短，故这种局部有序排列的原子集团此消彼长，即结构起伏和相起伏。

当温度降到熔点以下，在液相中时聚时散的短程有序原子集团，就可能成为均匀形核的晶胚，从而进行均匀形核。

3．从最大形核功的角度，解释0/=∆dr G d 的含义。

4．表面张力、界面张力在凝固过程和液态成形中的意义。

5．在曲率为零时，纯镍的平衡熔点为1723K ，假设镍的球形试样半径是1cm ，1μm 、0.01μm ，其熔点温度各为多少？已知△H=18058J/mol ，V m =606cm 3/mol ，σ=255×107J/cm 26．（与第18题重复）证明在相同的过冷度下均质形核时，球形晶核与立方形晶核哪种更易形成。

答：对于球形晶核：过冷液中出现一个晶胚时，总的自由能变化为ΔG=（4πr 3ΔG V /3）+4πr 2σ。

临界晶核的半径为r *，由d ΔG/dr=0求得：r *=-2σ/ΔG v =2σT m /L m ΔT ，则临界形核的功及形核功为：ΔG *球=16πσ3/3ΔG v 2=16πσ3T m 2/3(L m ΔT)2.对于立方形晶核：同理推得临界半径形r *=-4σ/ΔG v ，形核功ΔG *方=32σ3/ΔG v 2。

则ΔG *球<ΔG *方，所以在相同的过冷度下均质形核时，球形晶核比立方形晶核更容易。

7．用平面图表示，为什么晶体长大时，快速长大的晶体平面会消失，而留下长的速度较慢的平面。

8．用相变热力学分析为何形核一定要在过冷的条件下进行。

答：在一定温度下，从一相转变为另一相的自由能变化：ΔG=ΔH-T ΔS 。

令液相到固相转变的单位体积自由能变化为：ΔG V =G S -G L ，(G S 、G L 分别为固相和液相单位体积自由能）。

南昌航空大学NANCHANG HANGKONG UNIVERSITY8 液态金属的结晶--形核，生长除少数合金在超高速冷却条件下（106～108K/s）凝固为非晶态外，几乎所有液态金属及合金在通常冷却条件下都转变为晶体，即其液固转变过程为结晶过程结晶过程包括形核(nucleation)+长大(growth)两个过程重叠交织形核长大形成多晶体结晶热力学条件自然界中物质总是力图由不稳定状态向稳定状态转变状态稳定性由自由能高低来决定，自由能越高，状态越不稳定；自由能越低，状态越稳定物质总是自发地由自由能较高状态向自由能较低状态转变。

只有自由能降低过程才能自发进行液固相变驱动力TS-PV U TS -H G +==金属结晶可认为恒压进行S TG P −=∂∂)(由于熵值S为正数，故自由能随温度升高而下降S TG P −=∂∂)(固液S S >液相原子排列混乱程度比固相大，熵值大，温度变化率大（1）T>T m时G L<G S液相处于自由能更低稳定状态结晶不可能进行(2)T<T m时G L>G S结晶才可能自发进行两相体积自由能差值ΔG V构成相变（结晶）驱动力(3) T=T m时，G L=G S，固液两相处于平衡状态。

T m即为纯金属平衡结晶温度(熔点）过冷度定义为：T-T T m =Δ凝固发生的必要条件ΔT=5KΔT=62KΔT=121K相变驱动力的计算L S V G G G −=Δss S S T H G ∗−=LL L S T H G ∗−=ST -H S S T H H G L s L s V ΔΔ=−−−=Δ)()(ΔH ,ΔS 为焓变和熵变，在熔点处近似不随温度变化()0=Δ−=ΔS T L T G m m V L —结晶潜热m T L S =Δ相变驱动力的计算ST -H G V ΔΔ=ΔL mT Lm m m V T T L T T -1L T L T -L G Δ=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛==Δ对于给定金属，L 与T m 为定值，所以ΔG V 仅与ΔT 有关ΔT 越大，ΔG V 也就越大，结晶驱动力也就越大在相变驱动力条件下，结晶还需克服两种能量障碍： ¾热力学障碍（如界面自由能），由界面处原子所产 生，直接影响体系自由能大小； ¾动力学能障（如扩散激活能），由金属原子穿越界 面过程所引起，大小与相变驱动力无关，取决于界面 结构和性质 通过能量起伏来实现形核方式¾均质生核 形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自 身发生形核的过程，所以也称“自发形核” 特点：完全依靠液态金属中的晶胚形核，液相中各 区域出现新相晶核的几率均相同实际生产中均质形核不太可能，即使区域精炼条件 下，1cm3液相中也有约106个立方体微小杂质颗粒 ¾非均质生核 在不均匀熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬 底进行生核，亦称“异质形核”或“非自发形核”David Turnbull (1915–2007)2005年韩国济州岛 RQ12均质生核ΔG = VΔGV + Aσ LC体积自由 界面能 能降低 升高假定球形晶胚ΔG = 4 3 πr ΔGV + 4πr 2σ LC 3由于两部分竞争，体系自由能ΔG随r先增加，后降低临界形核半径dΔG =0 dr4 3 ΔG = πr ΔGV + 4πr 2σ LC 32σ LC T0 r = L ΔT*r < r ∗ 晶胚消失 r > r ∗ 晶胚稳定长大，形成晶核液体中存在“结构起伏”的 原子集团，其平均尺寸随温 度降低（过冷度增加)而增大临界形核功4 3 ΔG = πr ΔGV + 4πr 2σ LC 32σ LC T0 r = LΔT*3 2 T 16 πσ 1 1 ΔG * = ( 2 LC 2 0 ) = 4πr *2σ LC 3 3 L ΔT1 * ΔG = A σ LC 3*临界形核功1 * ΔG = A σ LC 3*体积自由能只能抵消表面自由 能的2/3，剩余1/3要靠临界形 核功来完成，它是均质形核所 必须克服的能量障碍。

纯金属凝固时的形核功与临界晶核界面能
纯金属凝固时的形核功和临界晶核界面能是研究材料凝固行为中的重要参数。

形核功是指在过冷或过热状态下，原子或分子聚集成固态晶体时所需克服的热力学能量障碍。

临界晶核界面能是指在形核过程中固-液界面的自由能，是固相晶核生成的核心在纯液相中的表面自由能。

纯金属凝固过程中，当过冷度或过热度不断增加时，金属原子或分子会逐渐聚集起来形成微小晶核。

而在形成晶核的过程中，原子或分子要克服一定的能障才能聚集成固态晶体，这个能障就是形核功。

形核功的大小决定了凝固过程的快慢和形成晶体的稳定性。

形核功越低，金属凝固越容易进行。

临界晶核界面能是影响晶体形核和生长的另一个重要参数。

在纯金属凝固时，当过饱和度达到一定程度，液相中会逐渐出现小的晶体核心。

临界晶核界面能是描述这些固相晶核生成的核心在纯液相中的表面自由能。

临界晶核界面能的大小会影响晶核生长速率和晶粒尺寸的分布。

临界晶核界面能越小，晶核生长速率越快，晶粒尺寸越小。

纯金属凝固过程中，形核功和临界晶核界面能是相互关联的。

形核功越低，临界晶核界面能也会相对较低。

这是由于低形核功意味着形成固相晶核所需的能量障碍较低，因此在纯液相中形成临界晶核也相对容易，晶核界面能也相对较低。

在研究纯金属凝固过程中，了解形核功和临界晶核界面能的大小和变化规律对了解凝固机制和控制晶粒尺寸分布具有重要意义。

通过调控形核功和临界晶核界面能，可以改变金属凝固的快慢和细化晶粒尺寸，从而调控金属材料的力学性能和微结构性能。

因此，形核功和临界晶核界面能的研究不仅在理论上具有重要价值，也有着重要的实际应用价值。