第三章凝固第三章凝固第三章凝固凝固：物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。
凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。第一节材料结晶的基本规律第一节材
料结晶的基本规律第一节材料结晶的基本规律第二节材料结晶的基本条件第二节材料结晶的基本条件第二节材料结晶的基本条
件第三节晶核的形成第三节晶核的形成第三节晶核的形成第三节晶核的形成第三节晶核的形成第三节晶核的
形成第三节晶核的形成第四节晶核的长大第四节晶核的长大第四节晶核的长大第四节晶核的长大第四节晶核
的长大第四节晶核的长大第四节晶核的长大第五节高分子材料的结晶第五节高分子材料的结晶第六节凝固理论的应
用第六节凝固理论的应用第六节凝固理论的应用第六节凝固理论的应用熔化炼钢浇注
炼铜第三章第一节结晶规律1液态材料的结构结构：长程无序而短程有序。
特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。
第三章第一节结晶规律2过冷现象supercooling（1）过冷：液态材料在理论结
晶温度以下仍保持液态的现象。（2）过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实际温度之差。△T=T
m-T(见冷却曲线)注:过冷是凝固的必要条件(凝固过程总是在一定的过冷度下
进行)。第三章第一节结晶规律3结晶过程（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）（2）描述结晶
进程的两个参数形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位
时间内迁移的距离。用G表示。第三章第二节结晶条件1热力学条件（1
）G-T曲线a是下降曲线：由G-T函数的一次导数（负）确定。dG/dT=-
Sb是上凸曲线：由二次导数（负）确定。d2G/d2T=-Cp/T
c液相曲线斜率大于固相：由一次导数大小确定。二曲线相交于一点，即材料的熔点。第三章第
二节结晶条件1热力学条件（2）热力学条件△Gv=－Lm△T/Tma△T>0,
△Gv<0－过冷是结晶的必要条件（之一）。b△T越大,△Gv越小－过冷度越大，越有利于结晶。c△
Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。第三章第二节结晶条件2结构条件（1）液态结构模型微晶
无序模型拓扑无序模型（2）结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团
的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之二）。出现几率结构起伏大小第三章第二节结
晶条件均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成。非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。1均匀形
核（1）晶胚形成时的能量变化△G＝V△Gv+σS＝(4/3)πr
3△Gv+4πr2σ?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,In
c.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.第
三章第二节结晶条件1均匀形核(2)临界晶核d△G/dr=0
rk=-2σ/△Gv临界晶核：半径为rk的晶胚。(3)临
界过冷度rk=-2σTm/Lm△T临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。△T
k.△T≥△Tk是结晶的必要条件。第三章第二节结晶条件1均匀形核（
4）形核功与能量起伏△Gk＝Skσ/3临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。能量起伏：系统中微小区域的能量偏
离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之
三）。第三章第二节结晶条件1均匀形核（5）形核率与过冷度的关系 N=N1(?GK).N2
(?GA) 由于N受N1(形核）.N2（扩散）两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。第三
章第二节结晶条件2非均匀形核（1）模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。（2）自由
能变化：表达式与均匀形核类似。?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning
,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicens
e.第三章第二节结晶条件2非均匀形核（3）临界形核功计算时利用球冠体积、表面
积表达式，结合平衡关系σlw=σsw+σslcosθ
计算能量变化和临界形核功。△Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4aθ=0时，△
Gk非＝0，杂质本身即为晶核；b180>θ>0时,△Gk非<△Gk,杂质促进形核；cθ=18
0时，△Gk非＝△Gk，杂质不起作用。第三章第二节结晶条件2非均匀形核?（4）影响非均匀形
核的因素a过冷度：（N-△T曲线有一下降过程,图3-16）。b外来物质表面结构：θ越小越有
利。点阵匹配原理：结构相似，点阵常数相近。c外来物质表面形貌：表面下凹有利(形成相同r和?的晶胚）。2h
第三章第四节晶核长大1晶核长大的条件（1）动态过冷动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷
度。（是材料凝固的必要条件）（2）足够的温度（3）合适的晶核表面结构
第三章第四节晶核长大2液固界面微结构与晶体长大机制粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金材料
的界面）：垂直长大。光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺
陷长大。第三章第四节晶核长大2液固界面微结构与晶体长大机制粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金材料的界面
）：垂直长大。光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界
面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。第三章第四节晶核长大3液体中温度梯度与晶
体的长大形态（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）粗糙界面：平面状
。光滑界面：台阶状（小平面状）。第三章第四节晶核长大3液体中温度梯度与晶
体的长大形态（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）?2003B
rooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearnin
g?isatrademarkusedhereinunderlicense.第三章第四节晶核长大3
液体中温度梯度与晶体的长大形态（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）粗糙界面：树
枝状。光滑界面：树枝状－多面体—台阶状。第三章第四节晶核长大3液体中温度梯度与晶体的长大
形态（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）?2003Brooks/Cole,
adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatra
demarkusedhereinunderlicense.第三章第五节高分子结晶特点：结晶不完全性
、不完善性、结晶速度慢一与低分子结晶的相似性1结晶速度和晶粒尺寸受过冷度的影响随过冷度增加，形核
率增加，晶粒尺寸减小。2结晶过程：形核与长大均匀形核：高分子链靠热运动组成有序排列形成晶核。
非均匀形核：以残余结晶高分子、分散颗粒、容器壁为中心形核。
3非均匀形核所需过冷度小。第三章第五节高分子结晶二与低分子结晶的差异性结晶的不完全性。一
般50%，最高约95%。（1）链的对称性。对称性越高，越容易结晶。（2）链的规整性。规则的构型，有利于结晶，
有利于共聚结晶。（3）链的柔顺性。柔顺性越好，结晶
能力越强。（4）共聚效应。第三章第六节凝固的应用1材料铸态晶粒度的控制Zv=0.9(N/G)3/4
（1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，
适用于小件。（2）化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。（3）振动和搅拌。输入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心
。第三章第六节凝固的应用2单晶体的制备（1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。（2
）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.第三章第六节凝固的应用3定向凝固技术（1）原理：单一方向散热获得柱状晶。（2）制备方法。第三章第六节凝固的应用4急冷凝固技术（1）非晶金属与合金（2）微晶合金。（3）准晶合金。4h |
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