第三节 晶核的形成
均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成。 非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。
1 均匀形核
（1）晶胚形成时的能量变化 △G＝V△Gv+σS
=(4/3)πr3△Gv+4πr2σ (图3－8)
〔2〕临界晶核 d△G/dr=0 rk=-2σ/△Gv
临界晶核：半径为rk的晶胚。 （3〕 临界过冷度 rk=-2σTm/Lm△T
临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。△Tk. △T≥△Tk是结晶的必要条件。
（4）形核功与能量起伏 △Gk＝Skσ/3
临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。
能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之三）。 （5）形核率与过冷度的关系 N=N1.N2 (图3－11，12)
由于N受N1.N2两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。
2 非均匀形核
（1）模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。 （2）自由能变化：表达式与均匀形核相同。 （3）临界形核功
计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系σlw=σsw+σslcosθ计算能量变化和临界形核功。 △Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4
a θ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核； b 180>θ>0时, △Gk非<△Gk, 杂质促进形核； cθ=180时，△Gk非＝△Gk， 杂质不起作用。 （4）影响非均匀形核的因素
a 过冷度：（N-△T曲线有一下降过程）。（图3－16）
b 外来物质表面结构：θ越小越有利。点阵匹配原理：结构相似，点阵常数相近。
c 外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图3－17）
第四节 晶核的长大
1 晶核长大的条件
（1）动态过冷
动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（是材料凝固的必要条件） （2）足够的温度
（3）合适的晶核表面结构。 2 液固界面微结构与晶体长大机制
粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金从来可的界面）：垂直长大。 光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）：二维晶核长大、依靠缺陷长大。
3 液体中温度梯度与晶体的长大形态
（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）
粗糙界面：平面状。
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光滑界面：台阶状。
（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低） 粗糙界面：树枝状。
光滑界面：树枝状－台阶状。
第五节 凝固理论的应用
1 材料铸态晶粒度的控制 Zv=0.9(N/G)3/4
（1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，适用于小件。 （2）化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。 （3）振动和搅拌。输入能力，破碎枝晶。 2 单晶体到额制备
（1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。 （2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。 3 定向凝固技术
（1）原理：单一方向散热获得柱状晶。 （2）制备方法。 4 急冷凝固技术
（1）非晶金属与合金 （2）微晶合金。 （3）准晶合金。
第四章 材料的相结构及相图
组元：组成材料最基本、独立的物质
合金：两种或两种以上的金属、或金属与非金属形成的具有金属特性的物质。 相图：描写在平衡条件下，系统状态或相的转变与成分、温度及压力间关系的图
解。 §4-1 材料的相结构 固溶体、中间相 一、固溶体
置换固溶体、间隙固溶体 有限固溶体、无限固溶体 有序固溶体、无序固溶体 1．置换固溶体 1）尺寸因素 2）晶体结构因素 3）电负性因素 4）电子浓度因素 2．间隙固溶体
原子半径接近于溶剂原子某些间隙半径的溶质原子，进入溶剂晶格的间隙形成的固溶体叫间隙固溶体
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固溶强化 二、中间相
1．正常价化合物
符合化合的原子价规律 2．电子化合物
受电子浓度控制的化合物称。一定的电子浓度对应一定的晶体结构，其成分可在一定范围内变动，故可视作以电子化合物为基的固溶体，说明其结构介于正常价化合物与固溶体之间。 3．尺寸因素化合物
间隙化合物：过渡族金属与原子半径较小的C、H、O、B等非金属元素形成的一类化合物。 §4-2 二元相图及其类型 一、相图的基本知识 1．相律
2．二元相图的成分表示方法与相图的建立 1）成分的表示方法 质量分数 2）相图的建立
热分析法，Cu-Ni合金 3）杠杆定律 二、一元系相图 三、二元系相图
1．匀晶相图及固溶体的结晶 1）匀晶相图
2）固溶体的平衡结晶过程 3）匀晶系的不平衡结晶
晶内偏析：晶粒内部出现的成分不均匀现象
枝晶偏析：在非平衡凝固条件下，若固溶体以树枝状结晶并长大，则枝干与枝间会出现成分差别。 2．共晶相图及其结晶 1）相图分析 2）共晶转变
共晶反应，共晶组织
3）共晶系合金的平衡结晶及组织 4）不平衡结晶及其组织
a. 伪共晶
非平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金也可能全部转变为共晶组织，这种非共晶成分的共晶组织，称为伪共晶组织。 b. 不平衡共晶 c. 离异共晶
3．包晶相图及其结晶 4．其他类型的二元系相图 四、相图与性能的关系
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§4-3 复杂相图分析 一、分析方法 二、举例
图5-44~5-46 三、铁-碳合金相图
1．铁-碳合金的组元与基本相 1）纯铁 2）渗碳体 3）铁碳合金相
铁素体、奥氏体、渗碳体、石墨 2．Fe-Fe3C相图介绍
3．铁-碳合金的平衡结晶过程及组织 铁-碳合金的分类 晶固过程分析 珠光体 莱氏体 室温莱氏体
相组成物、组织组成物
4．含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响1）对平衡组织的影响 2）对力学性能的影响 3）对可锻性的影响 4）对流动性的影响
5．钢中的杂质元素及其对性能的影响 1）硅、锰的影响 2）硫的影响 热脆 3）磷的影响 冷脆 4）氧的影响 5）氮的影响 6）氢的影响 §4-4 相图的热力学基础
一、吉布斯自由能与成分的关系 二、克劳修斯-克莱普隆方程
dpdT??HT?V 三、相平衡条件 1．化学位
2．相图中的相平衡 多相平衡条件 一元系统的相平衡
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二元系统的相平衡 共切线法则
四、吉布斯自由能曲线与相图 §4-5 三元系相图及其类型 一、三元相图的表示方法 1．等边三角形法
取等边三角形，以三个顶点表示三个纯组元；三个边各定为100%，分别代表三个二元系的成分；位于三角形内部的点代表三元系的成分。此三角形为浓度三角形
特殊意义的线
（1）平行三角形某一边的直线
它们所含的、有这条边对应顶点所代表的组元量均相等 （2）通过三角形顶点的任一直线
它们所含的由另两个顶点所代表的两组元含量之比是一定值。 2．等腰三角形法 3．直角三角形法 二、三元相图的建立 三、三元匀晶相图 1．相图分析
2．等温截面（水平截面）图 共轭曲线
直线法则：三元系统两相平衡共存时，合金成分点与两平衡相的成分点必须位于一条直线上。
证明：设：合金O，两相为α，β。其成分点分别为o,a,b
则其中B组元含量分别为Ao1,Aa1,Ab1，C组元含量分别为Ao2,Aa2,Ab2 若此时α相的重量分数为X，β相的重量分数为1－X 应有：Aa1·X＋Ab1·（1－X）＝Ao1
Aa2·X＋Ab2·（1－X）＝Ao2 得：X（Aa1－Ab1）＝Ao1－Ab1
X（Aa2－Ab2）＝Ao2－Ab2
两式相除： Aa1－Ab1 Ao1－Ab1
Aa2－Ab2 Ao2－Ab2
故o,a,b三点共线。
两点注意 杠杆定律应用
3．匀晶相图的平衡结晶过程分析 蝴蝶形迹线 4．变温截面图
四、具有两相共晶反应的三元系相图 1．相图分析
2．三相平衡及三相平衡反应 共轭三角形
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考研《材料科学基础》教学教案及笔记
