第2章-金属结晶的基本规律(3)课件.ppt

1、第一节 金属结晶的基本规律凝固：物质由液态转变为固态的过程结晶：物质由液态转变为晶态的过程金属的冶炼、铸造、焊接等生产过程中，均存在结晶过程。金属原子由混乱排列到整齐排列的转变过程一、金属结晶的微观现象物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。结晶过程是相变过程：液相固相。晶核晶核长大全部结晶液体结晶过程等轴晶晶粒在三维方向上尺寸大致相同，近似为球状（理想状态为十四面体）结晶过程：在熔点以下，液态金属形成具有随机位向的晶核按金属本身固有晶格的原子排列方式晶核不断长大形核、核长大是同时进行的过程，晶核数目越多，形成的小晶体（即晶粒）越多；晶粒互相接触后，形成整块金属。结晶潜热：曲线上水平段是由于

2、结晶时结晶潜热引起的纯金属的冷却曲线二、金属结晶的宏观现象1、冷却曲线冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线实际结晶温度T1 ：曲线上水平阶段所对应的温度4 液态金属全部结晶完毕，固态金属的降温阶段。冷却曲线的各个阶段：123孕育阶段：形核及核长大不明显；结晶开始阶段，结晶潜热，温度回升；继续结晶阶段 温度保持恒定；理论冷却曲线与实际冷却曲线：结晶条件之一：过冷度在理论结晶温度(熔点或平衡结晶温度)下，液体和晶体处于动平衡状态；结晶只有在熔点以下的实际结晶温度下才能进行。雾凇纯金属的冷却曲线三、过冷现象与过冷度过冷：金属实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度（即熔点） 。这种液态金属在熔点以下仍

3、保持液态的现象称为过冷。过冷度：理论结晶温度和实际开始结晶温度之差。过冷度值：与金属性质、冷却速度有关；冷速越大，过冷度越大过冷度越大T液固自由能差G愈大结晶驱动力也愈大金属结晶热力学条件结晶的结构条件结构起伏：液态金属的结构模型认为：原子排列的“时聚时散、此起彼伏”的近程有序现象称为结构起伏或相起伏。规则排列的小晶团紊乱排列原子结构起伏晶胚是液态金属产生晶核的基础晶胚：液态金属中存在着原子排列规则的小原子团它们时聚时散，称为晶坯。规则排列的小晶团紊乱排列原子四、晶核的形成均匀形核非均匀形核形核晶胚核长大1 均匀形核：在过冷液态金属中，液态金属本身具有的晶胚，形成晶核的过程，称为均匀形核（或均

4、质形核）2 非均匀形核：晶胚依附在其它固态杂质表面上成核，称为非均匀形核（或非均质形核）能体积自由能晶核rrc界面自由能自由晶胚变化 G*G1）临界晶核当r rc时，该晶胚既可能消散，也可能成为晶核存在。称半径为rc的晶胚为临界晶核1、均匀形核rrc时：表面自由能占优势，G增大，晶胚消失；rrc时：体积自由能中占优势，G下降，晶胚长大形成晶核晶核rrc界面自由能晶胚G*体积自由能自由能变化Grrc时：晶胚可能消散或形成晶核rc称为临界晶核半径。过冷度愈大，rc愈小。2) 形核功的概念当rrc，晶胚形成晶核时，液体转变固态，金属体积自由能的降低部分，只能补偿其表面能增高部分的三分之二，其余能量升

5、高，需要由液相来提供。这部分能量称为形核功。形核功：由体系内部能量起伏来提供的；能量起伏：体系内部能量偏离平均值的动态变化现象称为能量起伏。界面自由能体积自由能晶核rrc晶胚G*自由能变化G过冷度愈大，形核功愈小临界过冷度有效过冷度金属液体大量形核所需的过冷度液态金属过冷度越大，最大晶胚半径rmax也越大，临界晶核半径 rc越小3）过冷度对形核的影响当过冷度达一定值时，rmax rc，结晶开始，这个过冷度称为临界过冷度结构起伏晶胚晶核能量起伏形核功形核过冷度增大晶胚半径越大临界晶核变小液体金属均匀结晶的三个条件：过冷度形核功也变小有利于形核核长大例如： 纯Sn均匀形核过冷度为183； 纯Al为

6、160，很大2、非均匀形核非均匀形核：液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核比均匀形核的界面能较低。即相变阻力减小非均匀形核示意图均匀与非均匀形核的区别：非均匀形核可以降低形核功固态界面：随润湿角的减小（点阵匹配） ，促进形核，形核功减小。过冷度大大降低表面自由能大大降低了，相变时所需的固液自由能差减小。比表面能实际生产中，非均匀形核过冷度一般不超过20；在实际金属凝固条件下，几乎全部是非均匀形核；加入“形核剂”或“细化剂”，达到细化晶粒目的。均匀形核非均匀形核点阵匹配原则：晶格类型相似，原子间距相等两方面晶核长大晶粒，最后形成晶界：晶界的形成晶体长大影响因素界面前沿液相的温度

7、梯度动态过冷度：使晶核表面能够向液相中推进而在晶面上所具有的过冷度。12五、晶体的长大液固界面的结构液固界面结构原子排列规则，一般为密排晶面原子处于混乱状态排列粗糙界面光滑界面粗糙界面光滑界面1、液固界面的结构 同族的密排面有一定的夹角 在客观上，光光滑界面粗糙界面滑界面由若干小平面组成；称为小平面界面或结晶学界面 液固界面存在粗糙、光滑界面的原因：要求界面自由能保持最低的缘故。这与晶体结构中原子配位数等因素有关。正温度梯度2、液固界面温度梯度正温度梯度：随液固界面距离增加，在液相内温度升高，这种温度分布称为正的温度梯度。液固界面前沿过冷度减小热量和结晶潜热，只能通过固相散逸相推进。界面向液相

8、推进速率：在正的温度梯度下，受到固相传热能力控制；平面状生长形态：光滑界面、粗糙界面结构的金属，其界面生长方式都以平面的方式，向液点击播放这种生长方式，称为平面状生长形态负温度梯度：随液固界面距离增加，在液相内温度降低，这种温度分布，称为负的温度梯度。负温度梯度液固界面前沿过冷度增大热量和结晶潜热，可以通过固相和液相两个方向逸散实际金属的结晶主要以树枝状长大：这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。点击播放在负的温度梯度下，金属液固界面附近，越深入液相中，过冷度越大，生长越快；在负的温度梯度下，会形成一次晶轴、二次晶轴、三

9、次晶轴等。以这种方式生长的界面，称为树枝状生长形态（枝晶）；枝晶的形成过程：结晶过程中，各枝晶不断伸长变粗，存在于枝晶间的剩余液体，不断被消耗，液体耗尽时，枝晶粗化至相互接触，形成树枝状晶粒。对于具有粗糙界面结构的金属，在负温度梯度下，生成的枝晶突出；对于光滑界面，枝晶不发达。树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶第二节 晶粒大小的控制一、晶粒度晶粒度：表示晶粒大小的尺度表示方法：晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径来表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级：标准晶粒度共分八级：一级最粗，八级最细；晶粒度级别越高，晶粒越细。

10、工业中常用的细晶粒是7-8级，晶粒尺寸为0.022mm晶粒度级别二、决定晶粒度的因素晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。形核率(N)：单位时间、单位体积内形成的晶核数目长大速率(G)：单位时间内晶核生长的长度可见：促进形核、抑制晶粒长大的因素，都能细化晶粒过冷度对形核率和核长大的影响：过冷度对N、G的影响过冷度增大，使形核率N 增大但过大，反而使 N 下降下降过冷度对核长大（ G） 的影响N/G最大N/G比值越大晶粒越细小过冷度对形核率、核长大的影响临界过冷度有效过冷度过冷度动态过冷度临界过冷度：最大晶胚半径临界晶核半径时过冷度有效过冷度：金属液体大量形核所需的过冷度，Tp0.2Tm动态

11、过冷度：使晶核界面能够向液相中推进而在界面上所具有的过冷度。数值远小于有效过冷度，接近实际结晶温度三、控制晶粒度的方法1、控制过冷度：快速冷却，使过冷度增加，形核率、核长大都增大， N/G值增加，晶粒变细。如果冷却速度足够快（107/s），金属来不及结晶，将形成非晶态材料（金属玻璃），有高强度和韧性、软磁性、良好耐蚀性能等。2、变质处理：又称孕育处理加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）（符合点阵匹配原则）向液态金属内加入非均匀形核物质，促进形核率，或者分布于液固界面，阻碍晶粒长大，从而细化晶粒的方法。称为变质处理。低合金铸钢：钛铁粉、金属化合物；奥氏体钢：氮化铬、金属粉；根据点阵匹配原则

12、：液态金属本身是理想的变质剂或孕育剂电磁搅拌细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图3、振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。方法：机械振动、电磁振动、超声振动晶粒大小与金属强度的关系四、晶粒大小对金属性能的影响常温下：晶粒越细，晶界面积越大，金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好，即细晶强化。高温下：晶界呈粘滞状态，在外力作用下，易产生滑动因而细晶粒无益；晶粒太粗容易产生应力集中。因此高温下，晶粒过大、过小都不好。纯铁的同素异构转变第三节 同素异构转变同素异构转变：固态下，物质晶体结构随温度变化而

13、发生转变的现象。一、铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：液态铁1394 912 -Fe -Fe -Fe-Fe、 -Fe为体心立方结构(bcc)，-Fe为面心立方结构(fcc)。bcc、fcc都是铁的同素异构体，但点阵常数不同-Fe、 -Fe微观组织结构观察：-Fe-Fe二、固态转变的特点固态下的相变也是一个形核和长大的过程，但有着与结晶不同之处。其特点为：1、形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）；2、由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大；3、固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。第四节 铸锭(件)组织与缺陷在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中

14、得到铸锭，而注入到铸模中成型则得到铸件。铸锭(件)铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:1、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度（激冷）及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区（几mm厚）。一、铸锭(件)的组织2、 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。3、中心粗等轴晶区：由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止。当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下，以非均匀形核

15、方式形成中心等轴晶粒。二、铸造缺陷铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等，对性能是有害的。1、缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。2、偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。宏观偏析：铸锭(件)在结晶时，由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上成分不均匀，称宏观偏析适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析3、气孔：气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡铸件中的气孔铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气孔需要切除；铸件中出现气孔则只能报废。第五节 结晶理论应用定向凝固技术合金设计铸型和控制冷却条件，使铸件单方向由一端开始凝固，向另一端顺序结晶的技术，称定向凝固技术。涡轮叶片：定向凝固，高速离心力，叶片轴向性能高（各向异性）要求：正的温度梯度视频：单晶的制取单晶的制备控制结晶条件，只形成一个晶核，最终凝固得到的，只有一个大晶粒构成的整块金属（单晶体）。航空发动机：开始应用金属单晶叶片视频：工业结晶技术非晶态金属如果冷却速度足够快(107/s)，金属来不及结晶，将形成非晶态材料（金属玻璃），有独特的性能。