第二章纯金属的结晶

.,第二章纯金属的结晶,.,主要内容：,金属结晶的热力学条件金属结晶的一般过程晶核形成与长大晶粒大小的控制铸锭的组织与控制,.,一、凝固与结晶的概念,凝固物质由液态变为固态的过程。,第一节纯金属的结晶,结晶是凝固过程的一种特殊形式。,特点：恒温点完成。,结晶晶体物质由液态变为固态的过程。,.,二、结晶的现象和规律,(1)、过冷现象与过冷度,过冷现象：纯金属的实际开始结晶温,Tn总是低于理论结晶温度Tm,这种现象称为过冷。,过冷度：T=TmTn,.,过冷度，实际开始结晶温度。冷却速度，过冷度。,金属冷却曲线,.,为什么需要过冷条件？满足热力学条件,自由能：G=H-TS或dG=VdP-SdT,(2)、纯金属结晶的热力学条件,.,过冷是结晶的必要条件。,结晶驱动力：G=G固-G液0。,只有当Tn表面G增加；,.液相温度相对足够高，以使原子有足够的扩散能力。,中等过冷度下长大速度最大。符合山形曲线,长大条件：在过冷液相中进行,.,2、长大方式,影响因素：,固液界面前沿液相的温度梯度,a.正温度梯度：,液相中的温度随至界面距离的增大而增大，过冷度降低。,.,b.负温度梯度：,液相中的温度随至界面距离的增大而降低，过冷度增大。,.,平面状长大：,在正温度梯度下，晶体始终保持液、固平直表面长大规则外形,离界面距离，T突出部分长大速度甚至熔化，使周围部分赶上。,b.遵循表面能最小法则,密排晶面，比表面能晶体成长成以密排面为外表面的规则形状。,.,平面状长大,树枝状长大,.,树枝状长大：,在负温度梯度下，局部突出的晶芽在较大过冷度下，比周围晶体更快长大和分枝树枝状晶体。,离界面距离，T晶体易于突出长大，不断分叉(一次轴、二次轴、三次轴)成树枝状。,一般金属结晶时，均以树枝状长大。冷却速度，T,树枝状长大趋势，分枝。,.,树枝状长大示意图,.,金属的树枝晶,冰的树枝晶,.,五、晶粒大小的控制,1、晶粒度,晶粒度：晶粒大小，分8级。,形核率和长大速度与过冷度关系,影响因素：形核率N和长大速度G的比值，N/G,晶粒越细小。,.,2、细化晶粒的措施,a、控制过冷度提高冷却速度,促进动核产生机械振动、超声波处理、电磁搅拌等。,N,G，则晶粒细化。,V冷却，T,N,G,N/G,晶粒细小。,b、变质处理(孕育处理),形核剂非均匀形核，细化晶粒。,c、振动、搅拌,.,第二节铸锭组织与缺陷,一、铸锭的典型组织,1、表层细晶区：表面激冷,2、柱状晶区：背着散热方向平行向液相择优生长。,3、中心等轴晶区：散热方向不明显，均匀冷却。,.,晶核,激冷晶粒,柱状晶粒,等轴晶粒,.,二、铸态组织的控制,柱状晶区组织致密，晶面较平直，彼此结合不强，互相垂直的两组柱状晶的交界面为“弱面”，轧制时易沿着弱面开裂；,塑性较好的金属及合金如铜、铝可加大柱状晶区；,塑性较差的金属及合金如钢铁、镍和金要避免形成柱状晶；,.,等轴晶没有明显的弱面，加工时不易开裂，一般要求获得等轴晶组织。,二、铸锭缺陷,1.缩孔：金属液凝固收缩后得不到补充。,孔大而集中集中缩孔,孔细小且分散分散缩孔(疏松),.,3Cr3Mo3VNb锻棒的残余缩孔,TC4钛合金锻棒中的残余缩孔,WNr2713轧棒中的残余缩孔,.,2.气孔：凝固过程中气体析出产生。,5CrNiMo模具锻坯气泡,镁合金铸造缺陷气泡,.,3.夹杂物：浇注过程中混入的外来夹杂物。凝固过程中反应产生