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课文内容3

第五章材料的凝固与气相沉积

1、对同一金属而言,其液态自由能随温度变化的曲线斜率比固态大,此二曲线必有一交点,交点所对应的温度就是金属的理论凝固温度Tm ,也就是金属的熔点,在此温度下,液相自由能(G L )与固相自由能(Gs)相等,液相和固相处于平衡状态。只有当溶液温度低于Tm 时,才能使Gs

2、,式中,称为过冷度,即理论凝固温度与实际凝固温度之差,液态凝固LmΔT ΔGv=-Tm

ΔT 必须要有一定的过冷度。过冷度越大,的绝对值越大,凝固的驱动力也越大。

ΔGv 3、并不是只要低于Tm 的任何温度液态转变为固态的过程都能发生,液相中要能形成固相的晶核,必须要达到一临界过冷度。这是因为一旦熔液中有晶胚出现时,就需考虑体系总自由能的变化,而不单纯是体积自由能了。

4、设晶胚为球形,半径为r ,单位体积自由能为,晶胚单位面积表面能为σ,则体系ΔGv 总自由能变化为。

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πr +σ4πr 3ΔG=-ΔGv 5、在每一过冷度下,晶核有一临界尺寸rk,当rrk 时,方能使体系自由能降低,因而它是稳定的,可以进一步长大,只有r>rk 的晶体才称为晶核。6、称为临界晶核形成功,因为临界晶核表面积Ak 为,故有k ΔG 2

2

k 216πσ4πr =(ΔGv),这就是说,临界晶核形成功等于表面能的1/3。这意味着形成临界晶核时,k 1ΔGk=A σ3

液、固两相体积自由能差值只能补偿表面能的2/3,而另外的1/3则靠系统自身存在的能量起伏来补偿。

7、在液态中原子的排列并不像气体分子那样是任意的、不规则的,它在短程范围内排列还是有序的,因为rk 、随的增加而减小,而过冷度增加产生尺寸大的原子团的机率也k ΔG ΔT 越大,当达到时就可能称为晶核,低于临界过冷度的那些小尺寸原子团,虽然为数很max r k r 多,终因不稳定而被溶解或消失,只有少数尺寸大的原子团(r>rk )才能成为晶核。

8、形核率是单位时间、单位体积中形成的晶核数,其单位为1/(s.cm3)。形核率N 取决于克服临界晶核形成功出现的机率和原子能克服能垒的机率,因此形核率N 取决于k ΔG ΔG A 这两项的乘积,即N=,式中第一项是随过冷度增加而急剧增加的,因-G -G k A Bexp

exp kT kT ??为与成反比;而第二项中的激活能对温度变化不大敏感。因此,过冷度小时k ΔG 2ΔT ΔG A 形核率受所控制,过冷度大时则主要取决于。

-G k

exp kT ?-G A

exp kT ?9、液态金属在一定过冷度下形核率就急剧增加,很快就结晶完毕,在实验室里,为使液态金属达到很大的过冷度,把液体金属分散成许多小液滴,这些小液滴可在相当大的过冷度下结晶。对多数金属小液滴的临界过冷度约为0.2Tm 。

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