材料科学基础 第5章1

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第五章 晶体生长与晶体缺陷 概述 §5.1 液体的性质和结构 §5.2 凝固的热力学条件 §5.3 形核过程 §5.4 晶体的长大 §5.5 铸锭的组织 §5.6 单晶体的凝固

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第五章 晶体生长与晶体缺陷 §5.7 玻璃态与金属玻璃 §5.8 点缺陷 §5.9 线缺陷 §5.10 面缺陷

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概述

绝大多数的金属制品，在其加工制造的最初阶段，都在 熔炼后铸造，使其凝固为铸锭或铸件。铸锭和铸件的组织和性 能与其凝固过程行密切的关系：本章首先介绍凝固过程的有关 知识，其中将着重讨论晶核的形成以及晶体长大过程的基本理 论和规律，并运用这些基本概念分析金属铸淀组织的形成过程 实际 晶体并不像第一章所讨论的那样绝对有规则的理想晶 体，而是存在不同形式但又有某些规则性的缺陷，这些缺对 于晶体的性能和在其中进行的许多物理化学过程有重要的影 响。 木章接着简要介绍晶体中存在的点缺陷、绪缺陷和面缺陷 及其 主要特征。

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晶体形成的一般过程 形核 晶体的生长 凝固体的结构

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§5.1晶体形成的一般过程 晶体形成的一般过程一、概述1、凝固与结晶引子：自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且 引子：自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。 在一定的条件下，它们可以发生互相转变。 在一定的条件下，它们可以发生互相转变。

凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。 凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。 凝结-蒸发 结晶：晶体的形成形成过程。 结晶：晶体的形成形成过程。凝固-熔化 凝华-升华 液态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一种晶体。 液态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一种晶体。 晶体的形成过程包括，原始相可以是气体 凝华 凝华)、 晶体的形成过程包括，原始相可以是气体(凝华 、 意义：材料中使用较广泛的有金属材料， 意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用 冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态， 冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才 得到固态， 得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过 程有关，从而也影响材料的性能。 程有关，从而也影响材料的性能。

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第一节 晶体形成的一般过程

2、凝固状态的影响因素引子：固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态， 引子：固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态，也可 以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面。 以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面。 物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由

能更低。 1. 物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。 温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低， 温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低，而低温下按特定方 式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则。 式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则。 熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻力， 2. 熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻力，随温 度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温度前， 度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温度前，粘度增加到 能阻止在重力作用物质发生流动时，即可以保持固定的形状， 能阻止在重力作用物质发生流动时，即可以保持固定的形状， 这时物质已经凝固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。 这时物质已经凝固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。 熔融液体的冷却速度：冷却速度快， 3. 熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度原子来不及 重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体， 重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体， 可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到10 ℃/s才能 可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到106℃/s才能 获得非晶态。 获得非晶态。在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体， 在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，这时的 凝固过程也是结晶过程。 凝固过程也是结晶过程。

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§5.1 液体的性质和结构金属熔化时性质的变化要比蒸发时小得多，例如溶化潜热 一般仅为蒸发潜热的2.5%~5%,这说明液态金属的性质更接近固 态时的性质。 液体的基本特征是其流动性和较低的压缩性，这说明液体 个原子的排列比较致密，但不像固体那样有规则。 根据热力学，一定温度下不同大小原子团的相对数目可表 示为 ni n =exp(-△G/kT) (5.1) n n为单位体积原子数小， i为在n个原于中含有i个原子的原子团 数目, △ G为原子团与数目相同的单个原子的自由能差。由式(5.1) 知,当△G增加时，ni 减小。 △ G的来源有两个,一个与固、液相 的自由能差有关,另一个是把固相与液相分开的界面能：前者在平 衡温度时为零，低于熔点时为负值，高于熔点时为正值；后者永 远为正值。

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§5.1 液体的性质和结构

△ G可用下式表示，即 △ G=V △Gv/Vs+Aσ

(5.2)

式中，v为原子团的体积,A为其表面积,△Gv为固、液相 的摩尔自由能差，Vs为固相的摩尔体积， σ为单体面积界面能。 已有的事实去明，接近熔点时，在1cm3体积的液体内，式(5.1) 中的原子团永远

不会大到可以包含数百个原子

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第一节 晶体形成的一般过程

§5.1结晶的热力学条件 结晶的热力学条件结晶过程不是在任何情况下都能 自动发生。 自动发生。自然界的一切自发转变过 程总是向着自由能降低的方向进行。 程总是向着自由能降低的方向进行。 在单一的组元情况下： 在单一的组元情况下：G = H TS dG = Vdp SdT

在恒压下， 0, 在恒压下，dp = 0,因此dG = S dT C p d 2G dS = = 2 dT T d T

其中S为熵，为正值；Cp为等压热容量，也是一正值。 其中S为熵，为正值；Cp为等压热容量，也是一正值。因此吉 为等压热容量 布斯自由能G和温度T的曲线总是凸向下的下降形式。 布斯自由能G和温度T的曲线总是凸向下的下降形式。

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第一节晶体形成的一般过程

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