金属学与热处理课件2

1、第二章第二章 纯金属的结晶纯金属的结晶 结晶结晶 ： 金属由液态转变为晶体金属的过程金属由液态转变为晶体金属的过程 金属生产的第一步金属生产的第一步 本章目的：本章目的： 1 介绍金属结晶的基本概念和基本过程介绍金属结晶的基本概念和基本过程 2 阐明金属实际的结晶组织及其控制阐明金属实际的结晶组织及其控制一、结晶的概念与现象一、结晶的概念与现象 结晶概念结晶概念: 物质由液态转变为具有晶体物质由液态转变为具有晶体 结构的固相的过程称为结构的固相的过程称为1 金属的结晶金属的结晶 纯金属结晶时的热纯金属结晶时的热分析曲线特点：分析曲线特点： 冷却曲线冷却曲线( T-t ) 低于熔点才发生结晶低于

2、熔点才发生结晶(1)存在结晶平台存在结晶平台1 金属结晶的金属结晶的宏观现象：宏观现象： (1) 过冷现象过冷现象 金属在低于熔点的温度结晶的现象金属在低于熔点的温度结晶的现象 (2) 结晶过程伴随潜热释放结晶过程伴随潜热释放 结晶潜热：液相结晶为固相时释放的热量。结晶潜热：液相结晶为固相时释放的热量。2 金属结晶的微观过程金属结晶的微观过程:金属结晶的金属结晶的微观过程微观过程: （1）形核形核 从液体中形成具有一定临界尺寸的从液体中形成具有一定临界尺寸的小小晶体晶体(晶核晶核)的过程的过程 （2）长大长大 晶核由小变大长成晶粒的过程晶核由小变大长成晶粒的过程 实际金属最终形成多晶体实际金属

3、最终形成多晶体注：注： 单个晶粒由形核单个晶粒由形核长大长大 多个晶粒形核与长大交错重叠多个晶粒形核与长大交错重叠 * 当只有一个晶核时当只有一个晶核时 单晶体单晶体 * 晶核越多，最终晶粒越细晶核越多，最终晶粒越细二二 金属结晶的条件金属结晶的条件1 热力学条件热力学条件 热力学：研究系统转变的方向和限度热力学：研究系统转变的方向和限度 转变的可能性转变的可能性 热力学第二定律：在等温等压条件下，热力学第二定律：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。向自由能较低的状态转变。 即即G = G(转变后转变后) G(转变前

4、转变前) S固固结晶时需要满足：结晶时需要满足：G V= GS GL r0 时时， 系统的系统的G 0 结晶过程可发生；结晶过程可发生； 形成稳定晶核形成稳定晶核 随随 r ， G 晶核长大为系统自晶核长大为系统自由能降低过程；由能降低过程； 晶核可长大晶核可长大r0当当 r 0, 热力学上结晶热力学上结晶不可发生，但液相中结构不可发生，但液相中结构起伏的稳定状态不同：起伏的稳定状态不同： 当当 r rk 时时， 随随 r ， G 晶胚尺寸减小为晶胚尺寸减小为自发过程自发过程会会瞬间离散瞬间离散, 只能保持结构起伏状态，只能保持结构起伏状态，不能长大。不能长大。r0 当当 rk r r0时时，

5、 随随 r ， G 晶胚长大为自发过程晶胚长大为自发过程 即该尺寸区域的晶即该尺寸区域的晶胚不再瞬间离散，而为胚不再瞬间离散，而为稳定且可长大的稳定且可长大的 。r0注意注意： 实际当实际当rk r 0, 按热力学理论按热力学理论LS不能发生，然而不能发生，然而: rk ：为为临界晶核尺寸临界晶核尺寸 原因原因:过冷液体中存在过冷液体中存在能量能量起伏起伏, 其中高能区可能使其中高能区可能使G rk, 即为稳定晶核。即为稳定晶核。原因：原因： 液体中除结构起伏外，还存在液体中除结构起伏外，还存在能量起伏能量起伏 故故形核功形核功可以依靠能量起伏来补偿可以依靠能量起伏来补偿结论：结论： 除除结构

6、起伏结构起伏外，形核还借助外，形核还借助能量起伏能量起伏条件条件 形核功的影响因素形核功的影响因素 ：222321316)2(34TLTTLTGmmmmK随随T ，G即：即：增大过冷度，可显著降低形核阻力增大过冷度，可显著降低形核阻力 （3） 形核率（形核率（N = cm -3 s 1）：）： 单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。 意义意义: N 越大，结晶后获得的晶粒越细小，越大，结晶后获得的晶粒越细小，材料的强度高，韧性也好。材料的强度高，韧性也好。形核率形核率控制因素控制因素: N = N1 N2 N 1 受形核功影响的因子；受形核功影响的因子

7、；(T, N 1) ) N 2 受扩散控制的因子。受扩散控制的因子。(T, N 2) T对对N的影响矛盾、复杂的影响矛盾、复杂实际纯金属：实际纯金属： 随随T, N; 且且T =0.2Tm金属玻璃金属玻璃2 非均匀形核（非自发形核）：非均匀形核（非自发形核）： 晶核依附于液态金属中现成的微小固相晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。杂质质点的表面形成。非均匀形核特点：非均匀形核特点： 形核功形核功； T=0.02Tm 远小于均匀形核远小于均匀形核对于外来固相的平面衬底，促进非均匀形核的能力决定于结晶相与它之间的润湿角的大小。但对于非平面衬底的固相，其界面几何形状对形核能力也有影

8、响。它们具有相同的曲率半径和润湿角，但晶核所包含的原子数不同：凸面上形成的晶核原子数最多，平面上次之，凹面上最少。 凹面衬底 平面衬底 凸面衬底 三个形状不同的衬底上形成的晶核 结晶时形核要点结晶时形核要点1、必须要有过冷度、必须要有过冷度T，晶胚尺寸，晶胚尺寸rrK。2、rK与与T成反比。成反比。T rK。3、均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏、均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏 液体中的自然现象。液体中的自然现象。4、结晶必须在一定温度下进行、结晶必须在一定温度下进行(扩散条件扩散条件)5、在工业生产中，液态金属凝固总是以非、在工业生产中，液态金属凝固总是以非均匀形核进行。均匀形核进行。

9、均匀形核均匀形核T=0.2Tm 非均匀形核非均匀形核T=0.02Tm 二二 晶核的长大晶核的长大 1 液固界面类型液固界面类型 光滑界面光滑界面 粗糙界面粗糙界面 为原子尺度为原子尺度当显微观察时，当显微观察时， 恰好相反恰好相反小平面界面小平面界面非小平面界面非小平面界面光滑界面光滑界面: 液固界面截然分开液固界面截然分开 粗糙界面粗糙界面: 液固界面液固界面犬牙交错犬牙交错 金属多为粗糙界面金属多为粗糙界面根据界面能最小原理, Jackson提出将固/液界面划分为粗糙界面和光滑界面的判据 。JacksonJackson界面结构判据界面结构判据 假定在界面上沉积了一层原子，所引起自由能变化G

10、S为 ： 恒压下在固/液界面叠加一层原子后内能的变化,由热力学第二定律 VpUHGS= H-TS从液态转变为固态，其体积变化V很小，可以认为V=0 。 所以， 结晶潜热H 是原子在液态时的结合能与固态时的结合能之差。 对于一个原子, 视液态原子的结合能为“零”，则H0就是一个固态原子所具有的结合能。 假设这个固态原子的配位数为，则固态原子的一个结合键的键能为H0/。 GS= U-TS 在界面上的原子呈铺满或未铺满两种情况下，所引起表面层单个原子的结合能变化： （1）固/液界面上有 N个原子沉积位置，并且沉积了N个原子（全铺满状态）， 在该表面层内每个原子与同层周围原子的配位数，与下层固体内原子

11、的配位数为， 则表面层内每个原子所具有的结合能为: )(0AH （2）如果固/液界面上有N个原子沉积位置，只沉积了N个原子（未铺满状态）， 表面层原子沉积密度为N/N=x， 则表面层内每个原子所具有的结合能为)(0AxH 就一个原子而言，由于表面层内原子铺满程度所引起的结合能之差为: 如果界面上只铺满了N=Nx个原子，则导致表面层原子总的结合能差值，即体系内能U变化量为:)1 ()()(000 xHAxHAH)1 (0 xHxNU 在能够容纳N个原子的界面上只沉积了N个原子，N个原子在界面上就会有多种排列组合。 由于表面层内原子的紊乱排列所引起的表面组态熵变S为 ： K 波尔兹曼常数 )1ln

12、()1 (lnxxxxNKS 将U和S代入在熔点温度时，将T=Tm代入上式，整理得 其中 以GS/NKTm为纵坐标，（即N/N）为横坐标，并选用不同的Sm值作为参数值，将上式绘成曲线 )1ln()1 (ln)1 (xxxxxxNKTFms)1ln()1 (ln)1 (0 xxxxNKTxHNxSTUFs)(0mKTHGS= U-TSGSJackson因子因子 上图曲线两类： 一类曲线的极小值约在N/N=0.5处； 另一类曲线的极小值则有两个, N/N很小处及N/N接近1处。 影响曲线形状的因素是，值在23之间曲线的形状产生质的变化。 2时，GS/NKTm对任何取值皆为负值， 表明液态中原子可以

13、任何充填率x向界面上沉积。 在X=0.5处GS/NKTm达到极小值，即在表面层内沉积50%个左右原子时固/液界面层最稳定， 这样的界面是粗糙的（大多数金属属于这种结构）。 5时，极小值出现在X接近0和1处。 这样的界面是平整的，且值越大，界面越平整。（非金属及化合物属于这种结构）局限： Jackson界面模型建立在单原子层界面基础上。 Jackson讨论的是界面的平衡结构，而晶体生长的本身却是一个非平衡过程。 因此还应考虑到动力学因素对界面结构的影响，如过冷度大，易形成粗糙界面；浓度低，易形成光滑界面。 2 晶核长大的机制晶核长大的机制 光滑界面光滑界面有两种机制：有两种机制：(1) 二维晶核

14、长大机制二维晶核长大机制 速度很慢速度很慢 (2) 晶体缺陷长大机制晶体缺陷长大机制 结构上存在台阶时结构上存在台阶时 如螺型位错如螺型位错速度较速度较 (1) 快快KTbeR2R=T2 粗糙界面粗糙界面主要有一种机制：主要有一种机制：(3) 垂直长大机制（连续长大）垂直长大机制（连续长大） 界面上所有位置均为生长点：界面上所有位置均为生长点： 垂直界面连续长大；垂直界面连续长大； 长大速度远较长大速度远较(1)(2)快；快； 金属晶体长大的主方式金属晶体长大的主方式R= T 3 晶体的生长形态晶体的生长形态（1）液固界面前沿温度分布）液固界面前沿温度分布 正温度梯度正温度梯度温度分布温度分布

15、: 液相温度随至界面距离增液相温度随至界面距离增加而提高。加而提高。靠近模壁处靠近模壁处负温度梯度负温度梯度温度分布温度分布: 液相温度随至界面距离增液相温度随至界面距离增加而降低。加而降低。（2） 晶体的生长形态晶体的生长形态 (一一) 正温度梯度下正温度梯度下 光滑界面光滑界面: 易于形成具有规则形状的晶体。易于形成具有规则形状的晶体。(100)密排面密排面(简单立方中简单立方中)，长大速度慢，长大速度慢(101)非密非密排面，长排面，长大速度快大速度快最终外表最终外表面为密面为密排面排面 粗糙界面粗糙界面: “平面长大平面长大”方式方式平面晶平面晶 (二二) 负温度梯度下负温度梯度下 “

16、枝晶生长枝晶生长”方式方式树枝晶树枝晶常见常见 会解释树枝晶形成会解释树枝晶形成 1 粗糙界面粗糙界面 2 光滑界面光滑界面 多为小平面树枝状晶体多为小平面树枝状晶体 有时为规则外形晶体有时为规则外形晶体三、晶粒大小及控制三、晶粒大小及控制 1 晶粒大小对材料性能的影响晶粒大小对材料性能的影响 常温下常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬，金属的晶粒越细小，强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。度越高，塑性和韧性也越好。 但高温下晶界为弱区，晶粒细小强但高温下晶界为弱区，晶粒细小强度反而下降，但晶粒过于粗大会降低塑性度反而下降，但晶粒过于粗大会降低塑性 。此时须采用适当粗晶粒度。此时须采用适当粗晶粒度

17、。 2 铸造中晶粒大小的控制铸造中晶粒大小的控制 形核率越大，长大速度越小，则单位体形核率越大，长大速度越小，则单位体积中的晶粒数目越多，晶粒越细小。积中的晶粒数目越多，晶粒越细小。 单位体积中的晶粒数目为：单位体积中的晶粒数目为： ZV=0.9（N / G）3 / 4 细化晶粒：细化晶粒： 提高形核率提高形核率N， 降低晶核长大速度降低晶核长大速度G工业上常用的方法：工业上常用的方法：（1）增加过冷度增加过冷度 过冷度增大，过冷度增大，N、G均增大，但均增大，但N提高的提高的幅度远高于幅度远高于G增加过冷度增加过冷度 加大冷却速度加大冷却速度（2）变质处理变质处理 添加固相微粒或表面添加固相

18、微粒或表面非均匀形核非均匀形核 变质处理变质处理定义定义：在浇注前往液体中加入：在浇注前往液体中加入变质剂变质剂(孕育剂孕育剂)，促进形成大量的非均匀晶，促进形成大量的非均匀晶核，该工艺称为核，该工艺称为。孕育剂选择原则孕育剂选择原则： 点阵匹配点阵匹配：即：即结构相似、尺寸相当。结构相似、尺寸相当。 孕育剂熔点远高于金属本身孕育剂熔点远高于金属本身 如如- - Fe为为 f c c 结构结构 a0.3652nm Cu也为也为 f c c 结构结构 a0.3688nm 在液体在液体Cu中加入少量中加入少量Fe，可促进形核。，可促进形核。 又如又如 Zr 能促进能促进 Mg 的非均匀形核的非均匀

19、形核 Ti 能促进能促进 Al 的非均匀形核。的非均匀形核。（3）振动、搅动振动、搅动： 机械方法、电磁波搅拌、机械方法、电磁波搅拌、 超声波搅拌等。超声波搅拌等。2 金属铸锭的组织与缺陷金属铸锭的组织与缺陷 1、铸锭三晶区、铸锭三晶区1表层细晶表层细晶区区2中间柱状晶区中间柱状晶区 3中心等轴晶区中心等轴晶区铸锭结构图铸锭结构图（一）表层细晶区（一）表层细晶区 形成原因：形成原因： （1）过冷度）过冷度T大。大。 （2）模壁作为非均匀）模壁作为非均匀形核的位置。形核的位置。特点：特点：晶粒细小，组织致晶粒细小，组织致密，密， 机械性能好，机械性能好， 薄，无实用意义薄，无实用意义（二）柱状晶

20、区（二）柱状晶区 形成原因：形成原因： (1) 细晶区形成后，模壁温细晶区形成后，模壁温度升高，结晶前沿过冷度度升高，结晶前沿过冷度T较低，不易形成新的晶核；较低，不易形成新的晶核； (2) 细晶区中某些取向有利细晶区中某些取向有利的晶粒可以显著长大；的晶粒可以显著长大； (3)晶体沿垂直于模壁晶体沿垂直于模壁 (散热最散热最快快)相反方向择优生长成柱状晶。相反方向择优生长成柱状晶。柱状晶生长过程的动态演示铸铸型型液液态态金金属属特点：组织粗大而致密；特点：组织粗大而致密； 为为“铸造织构铸造织构”铸造织构铸造织构：铸造过程中形成的一种：铸造过程中形成的一种晶体学位向一致的铸态组织称为。晶体学

21、位向一致的铸态组织称为。 又称又称“结晶织构结晶织构”注意：晶粒外形注意：晶粒外形(外貌外貌)与晶粒取向的差别与晶粒取向的差别另有：形变织构另有：形变织构细晶区中：细晶区中：晶粒的晶粒的无序无序取向取向柱状晶区中：柱状晶区中：晶粒的晶粒的一致一致取向取向最大散热方向最大散热方向（三）中心等轴粗晶区（三）中心等轴粗晶区 形成原因：形成原因：1、“成分过冷成分过冷”理论理论2、表层等轴晶型壁脱落与游离理论、表层等轴晶型壁脱落与游离理论3、 枝晶熔断枝晶熔断4、结晶雨理论、结晶雨理论相比于表层细晶区，中心等轴晶由于过相比于表层细晶区，中心等轴晶由于过冷度冷度T不大，晶粒较粗大。不大，晶粒较粗大。 等

22、等 轴轴 晶晶 柱柱 状状 晶晶优点优点： 无方向性，无无方向性，无明显弱面，热加明显弱面，热加工性能好。工性能好。缺点缺点： 显微缩孔多，显微缩孔多，致密性差。致密性差。优点优点：结构致密：结构致密缺点缺点： 1、由于结晶位向一致，性、由于结晶位向一致，性能有方向性，热加工性能差能有方向性，热加工性能差 2、两个不同方向柱状晶、两个不同方向柱状晶的结合处杂质多、强度低，的结合处杂质多、强度低，称为弱面，热轧时易破断。称为弱面，热轧时易破断。 等轴晶和柱状晶体性能比较等轴晶和柱状晶体性能比较2 铸锭组织的控制铸锭组织的控制 一般有三个晶区，凝固条件复杂，在某些一般有三个晶区，凝固条件复杂，在某

23、些情况下只有柱状晶区，而有的只有等轴晶区。情况下只有柱状晶区，而有的只有等轴晶区。塑性好金属铝、铜等塑性好金属铝、铜等发展柱状晶发展柱状晶塑性相对较低的金属、钢等塑性相对较低的金属、钢等发展等轴晶发展等轴晶（一）促进柱状晶生长的方法：（一）促进柱状晶生长的方法： 总体总体：(1) 加大液相沿垂直铸锭模壁方向的散热能力加大液相沿垂直铸锭模壁方向的散热能力 促进散热的方向性促进散热的方向性(2) 降低液相内部非均匀形核的可能性降低液相内部非均匀形核的可能性具体：具体： (1) 提高铸型的冷却能力。提高铸型的冷却能力。 如：如： 金属型代替砂型；金属型代替砂型； 增加金属铸型的厚度等增加金属铸型的厚

24、度等 注意注意：此方法仅适于尺寸较大的铸件，：此方法仅适于尺寸较大的铸件，但不适于尺寸较小的铸件但不适于尺寸较小的铸件 原因原因：若铸型冷却能力很大，反而促进：若铸型冷却能力很大，反而促进等轴晶的发展（增加形核率）。等轴晶的发展（增加形核率）。 例：连铸小截面钢坯时，采用水冷结晶例：连铸小截面钢坯时，采用水冷结晶器，器， 连铸锭全部获得细小的等轴晶粒。连铸锭全部获得细小的等轴晶粒。（2）提高铸模中心区温度，增大温度梯度。）提高铸模中心区温度，增大温度梯度。 具体具体：提高浇注温度与浇注速度。：提高浇注温度与浇注速度。（3）提高熔化温度，减少非均匀形核数目。）提高熔化温度，减少非均匀形核数目。

25、熔化温度越高，液态金属过热度越大，熔化温度越高，液态金属过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，从而减少了柱状晶非金属夹杂物溶解越多，从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶区前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶区的发展。的发展。例如：例如： 1、磁性铁合金、磁性铁合金方向导磁率最大，柱方向导磁率最大，柱状晶的一次轴正好也是这个方向。状晶的一次轴正好也是这个方向。 发展柱状晶，获得最好的磁学性能。发展柱状晶，获得最好的磁学性能。 2、燃气轮机叶片，其负荷具有方向性，要、燃气轮机叶片，其负荷具有方向性，要求在叶片轴线方向有较高的强度。求在叶片轴线方向有较高的强度。 使柱状晶的长度方向和叶片

26、轴线方使柱状晶的长度方向和叶片轴线方向平行。向平行。（二）控制铸锭组织在实际生产中的应用（二）控制铸锭组织在实际生产中的应用柱状晶制备柱状晶制备燃气轮机叶片定向凝燃气轮机叶片定向凝固生产技术与装置固生产技术与装置叶片叶片感应加热炉感应加热炉 单晶制备方法单晶制备方法（三）、发展等轴晶，限制柱状晶的方法（三）、发展等轴晶，限制柱状晶的方法 降低浇注温度和浇注速度，减小液体过降低浇注温度和浇注速度，减小液体过热度，在液体中保留较多非均匀形核核心；热度，在液体中保留较多非均匀形核核心； 小铸件：可用小铸件：可用过冷度的方法过冷度的方法形核率；形核率； 大铸件：变质处理；大铸件：变质处理；3、金属铸锭

27、组织缺陷、金属铸锭组织缺陷 缩孔缩孔 气孔气孔 夹杂物夹杂物 a）明缩孔）明缩孔 b）凹角缩孔）凹角缩孔 c）芯面缩孔）芯面缩孔 d）内部缩孔）内部缩孔铸件中的缩孔铸件中的缩孔铸件热节处的缩孔与缩松缩松形成的示意图 铸件中的气孔铸件中的气孔v 气体在金属中的含量超过其溶解度，或侵入的气体不被金属溶解时，会以分子状态的气泡存在于液态金属中。若凝固前气泡来不及排除，就会在金属内形成孔洞。这种因气体分子聚集而产生的孔洞称为气孔。v 气孔是铸件最常见的缺陷之一。气孔的存在不仅气孔是铸件最常见的缺陷之一。气孔的存在不仅减小金属的有效承载面积，而且使局部造成应力集中，减小金属的有效承载面积，而且使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些形状不规则的气孔，则成为零件断裂的裂纹源。一些形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度下降和抗疲劳能会增加缺口的敏感性，使金属的强度下降和抗疲劳能力降低。力降低。析出性气孔反应性气孔侵入性气孔气孔分类v 夹杂物的来源及分类 v 铸件中的夹杂物 铸件中的非金属夹杂物铸件中的非金属夹杂物夹杂物的来源外来夹杂内生夹杂主要来源炉料中的杂质炉料中的杂质焊材、母材中的杂质焊材、母材中的杂质熔炼过程反应产物熔炼过程反应产物与周围介质与周围介质（气、固、（气、固、液态）液态）间的反应产物间的反应产物按夹杂物来