第二章金属的结晶

.,第二章材料的凝固,物质由液态转变为固态的过程称为凝固。材料的凝固分为两种类型：1。一种形成晶体，称为结晶。结晶过程是相变过程2。另一种是形成非晶体，非晶材料在凝固过程中是逐渐变硬的。,.,有固定的凝固温度,逐渐变硬,结晶,非晶体,看图回答那个是晶体那不是？,.,第一节纯金属的结晶,1、冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。,一、冷却曲线与过冷度,.,每一种物质都有自己的平衡结晶温度或者称为理论结晶温度，但是，在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，这种现象称为过冷现象，两者的温度差值被称为过冷度,概念解说,2。过冷与过冷度,.,纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。,雾凇,.,液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度。T=T0T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。,.,金属结晶时为什么必须过冷的根本原因：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。而过冷度是指金属的理论结晶温度T0与实际结晶温度T1的差值，要获得结晶过程所必需的驱动力，一定要使实际结晶温度低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。过冷度越大，固、液两相自由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度便越快。所以存在过冷度是结晶的必要条件。,同学们有想过为什么存在过冷度吗？,现在是否明白了。,.,二、结晶的一般过程,1、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。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。在T0以下，经一段时间后(即孕育期)，一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。,晶核半径与G关系,.,晶核形后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。,晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失,每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。,.,2、晶核的形成方式形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。,.,3、晶核的长大方式晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。,正温度梯度,.,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。,负温度梯度,.,树枝状结晶,.,温度梯度G和冷却速率R对晶体形貌的影响,.,第二节晶粒大小的控制,一、晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。,标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。,.,二、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，因而金属的强度、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。,.,三、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。,过冷度对N、G的影响,单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。,.,四、控制晶粒度的方法,1、控制过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。例1快速凝固和亚快速凝固,.,快速凝固的定义由液相到固相的冷却速度相当快，从而获得了传统铸锭冷却速率下所不能获得的成分、相结构或显微结构快速凝固冷却速率105/s一般工业上冷却速率范围：10-310/s大铸锭：10-2/s中等铸锭：1/s薄的铸锭：102/s金属粉末的普通气雾化工艺：103/s,.,实现快速凝固的两个基本条件：,（a）金属熔液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，便于散热；（b）必须有能带走热量的介质。,.,例2控制过冷度,对于大体积铸件，如何控制过冷度？,.,4137H低合金钢（35CrMo）的大过冷凝固,图实验装置示意图,1氩气；2耐火砖；3感应线；圈4石英管；5记录仪；6数据在线采集系统；7坩埚；8热电偶；9金属液,坩埚容量10kg,.,钢液的冷却曲线4137H低合金钢的理论结晶温度为1503,1503,.,稀土加入量与过冷度的关系,.,晶粒尺寸与过冷度随稀土加入量的变化关系,.,在纯净钢生产过程中,随钢液纯净度提高,钢中杂质和非均质形核质点数量减少,影响钢液过冷度和凝固组织的晶粒度。许多研究结果表明,钢中加入稀土能起到净化钢液的作用。,作业,为什么添加稀土过冷度增加、晶粒化？,下面以钢来加以说明,.,.,4137H低合金钢的强度和硬度值随稀土加入量的变化,.,2、变质处理：又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。,(a),(b),(c),(d),Al-6wt%Si合金的变质处理效果,.,铸铁变质处理前后的组织,变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。,.,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。,.,气轮机转子的宏观组织(纵截面),.,例1电磁搅拌电磁搅拌装置示意图,Fig.Schematicoffixingpositionsofthermocouples1-moltenmetal,2-mold,3-thermocouples,4-electromagneticstirrer,Topview,.,电磁搅拌对凝固组织和凝固时间的影响,(a)WithoutEMS,(b)WithEMS,Ingotsurface,AxisofIngot,Ingotsurface,Fig.Solidificationtimeofdifferentpositionoftheingots,7s,27s,AxisofIngot,.,超声场对铸坯中Si元素分布的影响,施加1000W的超声场后，晶界偏析得到了抑制，基体中析出的Si的形貌由条状变为颗粒状。,结论：,.,第三节同素异构转变,构转变。同素异构转变属于相变之一固态相变。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：,物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异,.,-Fe、-Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。,.,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。,固态相变的晶界形核,.,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便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。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。,.,一、铸锭(件)的组织,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及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。,.,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方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。,.,二、铸造缺陷,疏松、偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的。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。,铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、,.,缩松,2、缩松（疏松）设计不合理，外部先凝固，内部补缩不足引起,.,3、偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭(件)在结晶时，由于各部位结晶先