图6–1 纯金属结晶的冷却曲线
三.凝固的热力学条件 驱动力 Gv Hv TSv Hs HL T Sv SL
Lm HL Hs. H S H L Lm
当T Tm时.Gv 0.
液态和固态的吉布 斯自由能-温度曲线
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GV 0.HS H L TmSV SL 0
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二、金属过冷现象的结晶（图）
热分析实验表明，，纯金属实际开始
结晶温度T总是低于平衡结晶温度Tm （理论结晶温度），这种现象称为过 冷。实际结晶温度T与平衡结晶温度 Tm的差ΔT称为过冷度。
过冷度的大小可由在一定条件下 所测定的，冷却曲线来确定。当冷却 到理论结晶温度Tm以下的某一温度时，
3Lm T 2
即T Gk 形核功小，易于形核。
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rk
2
GV
Ak (rk )2
16
GV
2 2
Gk
16 3Tm2
3(Lm T )2
1 3
Ak
说明
L-S的体积自由能差可补偿临界 晶核所需表面能的2/3，而另外1/3 则依靠液体中存在的能量起伏来 补偿
晶核半径与△G之间的关系
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2 3cos cos3
过冷现象 凝固过程
形核 长大
均匀
非均匀 L-S界面微观结构
粗糙 光滑
胞状 生产形态 树枝状
●固溶体的凝固
平衡凝固
原因
非平衡凝固:成分过冷 临界条件
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●共晶合金的凝固 形成 形态
●铸锭组织
表面细等轴晶 柱状晶 中心粗等轴晶
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晶体材料熔液凝固的基本规律
一、液态金属的结构
●固体是由许多晶粒组成的，液体则是由 许多原子集团所组成。在原子集团内保持 固体的排列特征，而在原子集团之间的结 合受到很大的破坏。 ●长程无序，近程范围存在着接近于晶态 的原子排列情况（近程有序排列）。
的过程。
假设形成一球形的晶核，即合金由液态晶核 为球形的固相晶核，其能量变化为：
G GV V A GV 4 r3 r3
3
当 dG 0,可得到 d r
rk
2
GV
（临界晶核半径）
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即T rk
表示容易形核，临界晶核 半径小 又形核的形核功
Gk
16 3
3GV 2
16 3Tm2
固态金属的晶粒组织。每一个晶核长 大成为一个外形规则的晶粒，晶粒之 间的界面程为晶界。（如图）
因此，液态金属的结晶过程是由
形核和长大两个基本过程所形成，并 且这两个过程是同时进行的。液态金 属结晶时所形成的晶核越多，结晶后 的晶粒就越细小，反之晶粒则粗大。
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第一节 晶核的形成
一.均匀形核 ：在均一的液相中靠自身的结构 起伏和能量起伏形形成新相核心
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过冷度的大小与金属的性质、纯度以及冷却速
度有关，不同金属的过冷倾向不同，金属的纯度越
高，冷却速度越大，则过冷度就越大。
在及其缓慢冷却条件下，水平段的温度与理
论结温度相差甚小，故可把缓慢冷却曲线水平段所
对应的温度看作是平衡结晶温度Tm（图6–1b）。
温度
Tm
Tm
T ΔT
（α） 时间
（b） 时间
第六章 材料的凝固
概述 晶核的形成 晶体的生长 固溶体合金的凝固 共晶合金的凝固 制造工艺及凝固组织
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概述
材料由液态到固态的转变过程称为 凝固。金属及合金一般都要经过熔炼与 铸造，也就是说要经过由液态转变为固 态的凝固过程。金属及合金的结晶组织 对其性能以及随后的加工有很大的影响， 而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。 因此，了解有关金属和合金的结晶理论 和结晶过程，不仅对控制
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液态金属开始结晶，由于结晶潜热的
释放，冷却曲线出现温度回升。当所
释放的结晶潜热正好补偿系统向外界
散失的热量时，结晶过程将在一恒定
温度下进行，直到结晶结束，在冷却
曲线上表现为一个水平段（图6–1α）。
这个水平段所对应的温度就是金属的
实际结晶温度T，T与Tm的差值即是
金属在该冷却条件下的过冷度。
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●所有原子集团都处于瞬息万变状态，时 聚时散，此起彼伏。
●结构起伏：液态金属中各种结构不稳定 现象。
●浓度起伏：各原子集团之间成分的不同 的现象。 ●能量起伏：液态金属中各原子之间能量 的不同和各个原子集团间尺寸的不同的现 象或指体系中每个微小体积所具有的能量 偏离体系平均能量水平而大小不一的现象。
6- 2
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二.非均匀形核
依附于液相中某种固体表面（外来杂质表面或容 器壁）上形成的过程。
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6-5 6
G GV V ( A )
V
r 3 ( 2 3 c os
c os3
)
3
AL / B 2r 2 (1 c os )
AS / B r 2 sin 2
表面张力平衡：
L / B S / B L / B cos
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铸态组织，提高金属制品的性能有重要 的指导作用，而且也有助于理解金属及 合金的固态相变过程。
合金在极快冷速下可呈非晶态； 玻璃的凝固为非晶态；热固性塑料、橡 胶冷凝后为非晶态；热塑性塑料有些为 非晶态，有些为部分晶态。材料的凝固 与气相沉积是目前制备材料的两种主要 类型。
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●纯金属的凝固
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( A ) L/S AL/ S ( S / B L/ B )AS / B
r 2 L/ S (2 3cos cos3 )
2 3cos cos3
G非 G匀
4
由
d
(G) dr
可求得：
rk
2
GV cos
4
cos3
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由此可得到下列结论：
（1）非均匀与均匀形核相比，具有相同的临界 半径，随T , rk和Gk均下降，有利形核。
SV
SL
HS HL Tm
Lm Tm
GV
Lm
T Lm Tm
Lm Tm
Tm
T
要使GV 0. Lm,Tm 0.Tm T 0
即 Tm T
表示实际晶体温度总是低于理论结晶温度，必须过冷。
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三.过冷现象
后退
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四.结晶的一般过程
当液态金属冷却到熔点Tm以下的 某一温度开始结晶时，在液体中首先形 成一些稳定的微小晶体，称为晶核。随 后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液 态金属中又形成一些新的稳定的晶核并 长大。整个结晶过程就是晶核的不断形 成和不断长大、由小到大由局部到整体 的发展过程。最后各晶体彼此接触。液 体完全消失，形成了 上页 下页