金属原子在结晶过程中 自由能的变化 方式: 形核→长大 两个能障: 热力学能障（控制形 核） 动力学能障（控制生 长） 克服：三种“起伏”
固液界面所形成 的能量障碍 （动力学障碍）
3.2 液态金属的形核
一、 均质形核
1. 临界形核半径
假设晶胚为球体（半径为 ），则系统自由能 的表达 式
2. 临界形核功
第三章 液态金属的结晶
导入案例
高温合金叶片
熔模铸造，定向凝固
镍基高温合金的枝晶组织
3.1 液态金属结晶的热力学条件和结晶过程
液态金属转变成晶体的过程称之为液态 金属的结晶或金属的一次结晶。 一、 液态金属结晶的热力学条件 二、 液态金属的结晶过程
对铸件组织性能的影响？ “二次结晶”的概念？
一、 液态金属结晶的热力学条件
体积自由能下降补偿2/3晶核表面自由能的增量，另1/3需要 外部做功（临界形核功），这部分能量从哪里来？
3. 形核率
定义 形核率受到两个方面的制约，即形核功和原子扩散能力
二、 非均质形核
非均质形核是指在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型 壁界面提供的衬底进行形核的过程，也称为异质形核或 非自发形核.
3.3 晶体的生长
液相中原子不断向晶体表面的堆砌过程。 驱动力：固液两相的体积自由能差值，大小取决于 界面温度、合金成分。 晶体的生长主要受界面生长动力学过程、传热过程、 传质过程等三方面的影响。
一、
熔化反应 m 凝固反应 F
晶体生长必须克服： 热力学障碍：大小取决于固液界面固相一侧的台阶数量。 动力学障碍：取决于固液两相结构和液相原子向固相原子 过渡的具体形式 （即与界面的微观结构和晶体的生长机理密切相关）。
3. 不同界面形状对非均质形核的影响
原因：非均质形核的临界形核功与临界晶核的体积成正比， 即临界晶核体积越小，临界核 概念：液态金属在外界动力学因素的激励下也可能 在更小的过冷度下导致形核，称之为动力形核。 原因：孔穴说
金属凝固时体积减小，压力急剧增加会导致金属熔点上升。 在液态金属温度一定时，相当于增加了过冷度，从而促进形核。
结晶是体系自由能降低的自发过程（结晶的驱动力）: 系统自由能G、熵S、温度T、体积V及环境压力p满足：
分析理由？
注意：不是一定能自发进行！
根据吉布斯自由能定义：G=H-TS
结晶潜热
对特定金属，L、T0为定值，所以ΔT越大，结晶的相变驱动力越大， 即过冷度决定了相变驱动力的大小。
二、 液态金属的结晶过程
哪个障碍为主？
二、固液界面的微观结构
注意微观和宏观尺度下界面形态的区别！
界面阵点位置上的原子数的比例
界面自由能的相对变化量
Jackson因子对固液界面微观结构的影响：
三、界面的生长方式和生长速度
• 连续生长 • 二维晶核生长 • 缺陷生长
连续生长机理：粗糙界面的生长
• 连续生长，垂直生长，或正常长大 • 这种生长机理对绝大多数的金属或合金是适 用的 • 特点：
1. 非均质形核的临界半径、形核功、形核率
注：与均质形核的临界半径表达式相同
润湿角小，所需过冷度减小
随着过冷度的增加形核率增大， 衬底用完终止形核
2. 润湿角对非均质形核的影响
均质与非均质形核的临界形核半径表达式相同，但球冠状晶核所包含的原子数 远小于同半径的球状晶核。晶胚在相起伏中出现的几率取决于原子的个数，因此 球冠型晶核更易在小的过冷度下形成。f(θ)越小，球冠体积越小，所需过冷度越小。
几乎不存在热力学能障，动力学能障也较小； 原子迁徙速度极高，晶体生长速度最终由传热 和传质过程决定。