1、 Thermodynamics and kinetics of solidification 液态金属凝固热力学及动力学液态金属凝固热力学及动力学3-1 3-1 凝固热力学（均质生核）凝固热力学（均质生核）1、热力学条件：、热力学条件：LS,G2 T*均 0.2T0 T I I均 I非 I非 T*非 T*非 1 2 T*均 0.2T0 T I I均 I非 I非 S1 S2(a)(b)4、均质生核（自发生核）理论的局限性、均质生核（自发生核）理论的局限性 非均质形核非均质形核(异质形核异质形核)-形核依赖于液相中的固相质形核依赖于液相中的固相质点表面发生点表面发生 液相中的原子集团依赖于液相中的
2、原子集团依赖于已有的异质固相表面已有的异质固相表面并在界并在界面张力的作用下，形成面张力的作用下，形成球冠球冠 3-2 3-2 异质形核异质形核cosLcScSLCLLSCSVCGVGCLCS)(异)coscos32(333rVC)cos1(22rACL22sinrACS S LC r CS LS C L 4coscos32434323LCVrGrG 异)(fG均TLTGrmLcvLc22*异TLTGrmCLvCL22*2.异质形核速率异质形核速率2)(TfeI异 1 2 T*均 0.2T0 T I I均 I非 I非 T*非 T*非 1 2 T*均 0.2T0 T I I均 I非 I非 S1
3、S2(a)(b)3.影响因素影响因素（1）过冷度过冷度（2）形核基底的性质）形核基底的性质点阵畸变点阵畸变，可用，可用点阵错配度点阵错配度来衡量来衡量 当当0.05时，称时，称完全共格界面完全共格界面，其界面能，其界面能CS较低，衬底促进非均匀形核的能力很强。较低，衬底促进非均匀形核的能力很强。当当 0.050;xGTTLK过冷度2、树枝晶方式生长、树枝晶方式生长S/L前沿为负的温度梯度：前沿为负的温度梯度：GL=dT/dx0 xGTTLK过冷度二、晶体微观长大方式二、晶体微观长大方式1、Jackson 因子因子)1ln()1(ln)1(xxxxxxTNKGmBs)(mBTKLx=NA/N界面
4、原子的占据率界面原子的占据率图图3-15 界面自由能变化与界面上原子所占位置分数的关系界面自由能变化与界面上原子所占位置分数的关系 2的金属：的金属：2、固液界面的微观结构、固液界面的微观结构（1）粗糙界面）粗糙界面（2）平整界面）平整界面3、晶体微观长大方式和长大速率、晶体微观长大方式和长大速率（1）粗糙界面）粗糙界面粗糙界面的生长粗糙界面的生长特点特点：1）动力学过冷度很小，）动力学过冷度很小，TK0.010.05K 2）生长速度很快）生长速度很快，V1=K1TK3）连续生长的结果晶体的表面是光滑的。）连续生长的结果晶体的表面是光滑的。“微观上粗糙，宏观上光滑（长大后微观上粗糙，宏观上光滑
5、（长大后)”（2）侧向生长（二维生长）侧向生长（二维生长）平整界面的生长平整界面的生长 台阶或晶体缺陷处台阶或晶体缺陷处特点特点：1）过冷度影响大）过冷度影响大 2）生长速度慢）生长速度慢，TK212K 要求大要求大 V2=K2exp(-B/TK)3）小平面生长成多面体晶体，棱角发明。）小平面生长成多面体晶体，棱角发明。“微观上光滑，宏观上粗糙（长大后微观上光滑，宏观上粗糙（长大后)”（3）从缺陷处生长）从缺陷处生长 位错、挛晶处位错、挛晶处天然的台阶天然的台阶1）螺旋位错）螺旋位错（3）从缺陷处生长）从缺陷处生长2）旋转挛晶生长）旋转挛晶生长(a)(b)图图 通过孪晶生长机制通过孪晶生长机制(a)石墨的石墨的旋转孪晶旋转孪晶及其生长台阶及其生长台阶(b)面心立方晶体面心立方晶体反射孪晶反射孪晶及其凹角边界及其凹角边界 3）反射挛晶生长）反射挛晶生长（4）生长速度比较）生长速度比较
