4
当 180完全不润湿 f ( ) 1，则 G** G*
当 90部分润湿
当 0完全润湿
f ( ) 1，则
2
f ( ) 0，则
G** 1 G* 2
G** 0
一般情况下，质点（c）与新相（s）或多或少润湿，即
0 180 ，这时总存在：
G** G*
异质形核与均质形核相比，其特点是： 形核过冷度小； 形核功小。
2
形核功：
G
16
3
3 SL
Tm LmT
r* 与ΔT 成反比，即过冷度ΔT 越大，r* 越小； ΔG*与ΔT2成反比，过冷度ΔT 越大，ΔG* 越小。
临界晶核的表面能为：
A
SL
4
(r )2
SL
16
3 SL
VSTm H m T
2
形核功为：G
16
3
3 SL
VS Tm H m T
2
所以：
界面的溶质分布规律不遵循状态图。其理论
尚未完全建立。
2.2 微重力凝固 即失重状态下的凝固，重力加速度g＜9.8m/s2（如
太空中的凝固）。获得微重力环境的主要方法有：落塔、 落管；飞机、火箭的下降；太空轨道飞行。 2.3超重力凝固
重力加速度g＞9.8m/s2环境下凝固。此条件下加速了 质量、动量及能量的传递。实现超重力的手段有：离心 机；飞机、火箭的加速上升等。
铝合金的熔炼及铸轧
主要内容
一、超级铝 二、金属的凝固 三、铝合金熔炼 四、铝合金铸轧
一、超级铝
1.1 超级铝 在现有金属装备基础上将金属合 金性能提高50%-80%。
1.2 实现的途径 （1）熔炼 （2）铸造 （3）变形 （4）热处理
1.3 合金特征 （1）超净 a 无夹渣（≤5μm）；b 氢含量少 （2）超细 a 晶粒细；b 第二相细 （3）超匀 a 成分均匀；b 组织均匀
为异质形核的临界晶核半径。
均质和异质形核功图
dG
令
dr |rr 0
，得异质形核的临界晶核半径：
r 2 SlTm
LmT
异质形核的临界晶核半径在形式上与均质形核临界晶核半径完
全相同，它们的区别在于：
均质形核临界晶核是球体，而异质形核的晶核为球体的一 部分（球冠），因而异质晶核中所含原子数目少，这样的晶坯 易形成。
合金液体中存在的大量高熔点微小固相杂质，可作为非均 质形核的基底。晶核依附于夹杂物的界面上形成。这不需要形 成类似于球体的晶核，只需在界面上形成一定体积的球冠便可
成核。非均质形核过冷度ΔT**比均质形核临界过冷度ΔT*小
得多时就大量成核。
如果液相中存在固相质点，且液相又能润湿质 表面，则液体能在固相质点表面形成新相晶核。
异质形核：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行 生核过程，亦称“非均质形核”或“非自发形核”。
2-1均质形核
G V GV A SL
G
4 3
r
3GV
4r 2 SL
图3.4 液相中形成球形晶胚时自由能变化
令：
dG
得临界晶核半径 r*：
r 2 SL
GV
2 SL Tm
Lm T
设生核衬底的质点表 面为一平面，在其上生 成一球冠的新相（见右 图）。则系统自由能的 变化为：
G V Gv ( A )
r 3
3
(2 3 cos
cos3 ) Gv
r 2 LS (2 3 cos
cos3 )
得到类似于均质形核的系统自由能变化曲线（见下
图），曲线有一最大值，该值对应的半径用 r** 表示，称
ΔHm ）
Tm及ΔHm对一特定金属或合金为定值，所以过冷度 ΔT是影响相变驱动力的决定因素。过冷度ΔT 越
大，凝固相变驱动力ΔGV 越大。
2.形核类型 均质形核 ：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”
（实际生产中均质形核是不太可能的，即使是在区域精炼的条 件下，每1cm3的液相中也有约106个边长为103个原子的立方体 的微小杂质颗粒）。
2.4 金属凝固理论的应用
金属制品（粉末冶金和电铸法除外）
经过 凝固过程 影响
控制
金属凝固过程基本理论 金属凝固过程基本规律
金属制品内在/外在质量
研究 掌握
2.5 形核 1.液-固相变驱动力
图3.2 液-固体积自由能的变化
GV H m T Tm
(式中：ΔHm—固-液 焓变,结晶潜热L =
G
1 3
A SL
即：临界形核功ΔG*的大小为临界晶核表面能 0
的三分之一， 它是均质形核所必须克服的能量障
碍。形核功其中一部分由熔体中的“能量起伏”
提供，但不能保证形核。因此，必须在过冷条件
下克服这部分能量，才能克服能量障碍。因此，
均质形核的过程在过冷条件下借助 “能量起伏”
形成新相晶核的过程。
2-2 异质形核
1 2 3
3.1
凝固过程包括：形核过程和晶体长大过程。凝固后的宏观组织由晶粒和 晶界组成
三、铝合金的熔炼
3.1
演讲完毕
二、金属的凝固
2.1 金属凝固的分类 1.重力条件下的凝固 平衡凝固—冷却速度很慢的凝固。固-液界面完全 平衡，即界面处的固相、液相成分由 合金状态图确定。
准平衡凝固—冷却速度较快，但固-液界面局部平 衡，界面的溶质分布仍遵循合金状态 图的规律。
非平衡凝固—冷却速度很大（≥106℃/s）,界面不平衡，
润湿角 与均质形核无关，而影响异质晶核的体积。杂质 质点（c）被新相（s）润湿能力越好，则 越小，固相的曲
率半径即球径越大，换句话说，同一半径的临界晶核（球冠） 的体积越小，所含原子数越少，因而在更小的过冷度下就能形 核。
同理可推导得异质形核的形核功：
G** f ( ) G*
f ( ) (2 cos )(1 cos )2