第1章5节金属结晶

1、1Materials For Mechanical Engineering 1冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度二二. 结晶的一般过程结晶的一般过程三三 晶粒大小及其控制晶粒大小及其控制四四. 同素异构转变（现象）同素异构转变（现象）l物质由液态转变为固态的过程物质由液态转变为固态的过程称为称为凝固凝固。l物质由液态转变为晶态的过程物质由液态转变为晶态的过程称为称为结晶结晶。l物质由一个相转变为另一个相物质由一个相转变为另一个相的过程称为的过程称为相变相变。因而结晶过因而结晶过程是相变过程。程是相变过程。玻璃玻璃制品制品水水晶晶l一、冷却曲线与过冷一、冷却曲线与过冷l1、冷却曲线、冷却曲线l金属

2、结晶时温度与时间的金属结晶时温度与时间的关系曲线称关系曲线称冷却曲线。冷却曲线。曲曲线上水平阶段所对应的温线上水平阶段所对应的温度称度称实际结晶温度实际结晶温度T1。l曲线上水平阶段是由于结曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的晶时放出结晶潜热引起的. 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线l2、过冷与过冷度、过冷与过冷度l纯金属都有一个纯金属都有一个理论结晶温度理论结晶温度T0(熔点熔点或或平衡结晶平衡结晶温度温度)。在该温度下。在该温度下, 液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态动平衡状态。l结晶只有在结晶只有在T0以下的实际以下的实际 结晶温度下才能进行。结晶温度下才能进行。雾凇雾凇l液

3、态金属在理论结晶温液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象度以下开始结晶的现象称称过冷过冷。l理论结晶温度与实际结理论结晶温度与实际结晶温度的差晶温度的差 T称称过冷度过冷度 T= T0 T1l过冷度大小与冷却速度过冷度大小与冷却速度有关，有关，冷速越大，过冷冷速越大，过冷度越大度越大。l1、结晶的基本过程、结晶的基本过程l结晶由结晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核晶核的长大的长大两个基本过程组成两个基本过程组成.l液态金属中存在着原子排液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们列规则的小原子团，它们时聚时散，称为时聚时散，称为晶坯晶坯。在。在T0以下以下, 经一段时间后经一段时间后(即即孕育

4、期孕育期), 一些大尺寸的晶一些大尺寸的晶坯将会长大，称为坯将会长大，称为晶核晶核。T0T1T液体和晶体自由能随温度变化液体和晶体自由能随温度变化晶核半径与晶核半径与G关系关系气体、液体、晶体的结构气体、液体、晶体的结构l晶核形成后便向各方向生长，同晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。时又有新的晶核产生。晶核不断晶核不断形成，不断长大，直到液体完全形成，不断长大，直到液体完全消失。消失。每个晶核最终长成一个晶每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。粒，两晶粒接触后形成晶界。l2、晶核的形成方式、晶核的形成方式l形核有两种方式形核有两种方式，即，即均匀形核均匀形核和和非均匀形

5、核非均匀形核。l由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核均匀形核。l以液体中存在的固态杂质为核心形核称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。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。均匀形核均匀形核非均匀形核示意图非均匀形核示意图l3、晶核的长大方式、晶核的长大方式l晶核的长大方式有两种，晶核的长大方式有两种，即即均匀长大均匀长大和和树枝状长大树枝状长大。均匀长大均匀长大树枝状长大树枝状长大l在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。l界面处的结晶潜热只能通过固相传导出去，所以界面的推进速度受到固相

6、传热界面处的结晶潜热只能通过固相传导出去，所以界面的推进速度受到固相传热速度的控制。由于界面处的液体具有最大的过冷度，当界面上偶尔发生晶体凸速度的控制。由于界面处的液体具有最大的过冷度，当界面上偶尔发生晶体凸起，就会进入温度较高的液体中，晶体生长速度立即减慢甚至停止。因此固起，就会进入温度较高的液体中，晶体生长速度立即减慢甚至停止。因此固-液液界面保持为稳定的平面状，晶体生长以平面状态向前推进。宏观上为锯齿（或界面保持为稳定的平面状，晶体生长以平面状态向前推进。宏观上为锯齿（或称为台阶）状的光滑界面，也是如此，界面保持着原状向前平面式推进称为台阶）状的光滑界面，也是如此，界面保持着原状向前平面

7、式推进 正温度梯度正温度梯度 在金属结晶时会放出潜热，造成界面的温度大于液相处和固相处，产生负温度梯度。 在负的温度梯度下，界面前方的液体具有更大的过冷度，因此，当界面某处固相偶然伸入液相，便能够以更大的速率生长。伸入液相的晶体形成一个晶轴，称为一次晶轴。由于一次晶轴生长时也会放出结晶潜热，其侧面周围的液相中又产生负的温度梯度。这样，一次晶轴上又会产生二次晶轴。同理，二次晶轴上也会长出三次晶轴（见下图）。由于这样生长的结果很像树枝，所以被称为树枝状生长，晶体以树枝状生长时，晶体树枝逐渐变粗，树枝间的液体最后全部转变为固体，使每个枝晶成为一个晶粒。l实际金属结晶主要以树枝状长大实际金属结晶主要以

8、树枝状长大.l这是由于存在这是由于存在负温度梯度，负温度梯度，且且晶晶核棱角处的散热条件好核棱角处的散热条件好，生长快，生长快，先形成先形成一次轴一次轴，一次轴又会产生，一次轴又会产生二次轴二次轴，树枝间最后被填充。，树枝间最后被填充。负温度梯度负温度梯度树枝状长大的实际观察树枝状长大的实际观察金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶 构转变构转变。同素异构转变属于同素异构转变属于相变之一相变之一固态相变固态相变。l1、铁的同素异构转变、铁的同素异构转变l铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其

9、变化为：1394912 -Fe -Fe -Fel物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异同素异纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变l -Fe、 -Fe为为体心立方结构体心立方结构(BCC)， -Fe为为面心立面心立方结构方结构(FCC)。都是铁的。都是铁的同素异构体同素异构体。 -Fe -Fel2、固态转变的特点、固态转变的特点l形核一般在某些特定部形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。陷、特定晶面等）。l由于固态下扩散困难，由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。因而过冷倾向大。l固态转变伴随着体积变固态转变伴

10、随着体积变化，易造成很大内应力。化，易造成很大内应力。固态相变的晶界形核固态相变的晶界形核(Sn-0.5%Cu铸态，铸态，255K)锡疫锡疫l1 1、晶粒度、晶粒度l表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶晶粒度粒度。可用晶粒的平均面可用晶粒的平均面积或平均直径表示。积或平均直径表示。l工业生产上采用工业生产上采用晶粒度等晶粒度等级级来表示晶粒大小。来表示晶粒大小。l标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过。通过100100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。l一、结晶后的晶粒大小及其控制一、结晶后的晶粒大

11、小及其控制l2、决定晶粒度的因素、决定晶粒度的因素l晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶核的形成速度晶核的形成速度和和长大速度长大速度。过冷度对过冷度对N、G的影响的影响l单位时间、单位体积内形成单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫的晶核数目叫形核率形核率(N)。l单位时间内晶核生长的长度单位时间内晶核生长的长度叫叫长大速度长大速度(G)。lN/G比值越大，晶粒越细小比值越大，晶粒越细小.因此，凡是促进形核、抑制因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒长大的因素，都能细化晶粒.l 控制过冷度：控制过冷度： 随过冷随过冷度度增加，增加，N/G值增加，晶值增加，晶粒变细。粒变细。l 变质处理

12、：变质处理： 又称又称孕育孕育处理处理。即有意向液态金属即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。而细化晶粒的方法。所加所加入的非均匀形核物质叫入的非均匀形核物质叫变变质剂质剂（或称（或称孕育剂孕育剂）。）。Al-Si合金组织合金组织缓冷缓冷快冷快冷未变质未变质变质变质变质处理前变质处理前变质处理后变质处理后变质处理使组织变质处理使组织细化。变质剂为细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。硅铁或硅钙合金。电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图l 振动、搅拌等：振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或对正在结晶的金属进行

13、振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，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另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显枝晶破碎，使晶核数目显著增加。著增加。细晶的熔模铸件细晶的熔模铸件(上上)普通铸件普通铸件(下下)l常温下常温下，晶粒越细，晶界面积晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好越高，同时塑性、韧性也越好,即即细晶强化细晶强化。l高温下高温下，晶界呈粘滞状态，在，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集

14、中。因而高温下晶粒生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。过大、过小都不好。 晶粒大小与金属强度的关系晶粒大小与金属强度的关系单晶叶片单晶叶片s= i+Kd-1/2二、铸锭二、铸锭( (件件) )组织与缺陷组织与缺陷l在实际生产中，液态金属被在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则而注入到铸型模具中成型则得到铸件。得到铸件。l铸锭铸锭(件件)的组织及其存在的的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。着直接的影响。l1 1、铸锭、铸锭( (件件) )的组织的组织l铸锭铸锭(件件)的宏观组织通常由三个区

15、组成的宏观组织通常由三个区组成:l 表层细晶区表层细晶区 柱状晶区柱状晶区中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区l 表层细晶区：表层细晶区：浇注时，浇注时，由于冷模壁产生很大的过由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等使表面形成一层很细的等轴晶粒区。轴晶粒区。l 柱状晶区：柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，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。方向生长而形成

16、柱状晶区。l中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散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体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以下时，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。以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。l 缩孔：缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加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冒口等来进行控制。钢锭

17、出现缩孔在锻轧前应切除.l2、铸造缺陷、铸造缺陷l铸造缺陷的类型铸造缺陷的类型较多，常见的有较多，常见的有缩孔缩孔、气孔、疏气孔、疏松松、偏析偏析、夹渣夹渣、白点白点等，它们对等，它们对性能是有害的性能是有害的.缩孔缩孔l偏析：偏析：合金中各部分化合金中各部分化学成分不均匀的现象称为学成分不均匀的现象称为偏析偏析。铸锭。铸锭(件件)在结晶时在结晶时,由于各部位结晶先后顺序由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造素偏聚于最终结晶区，造成成宏观上的成分不均匀，宏观上的成分不均匀，称称宏观偏析宏观偏析。适当控制浇。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻注温度

18、和结晶速度可减轻宏观偏析。宏观偏析。硫在钢锭中偏析的模拟结果硫在钢锭中偏析的模拟结果l气孔气孔: 气孔气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成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的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件件)中的气泡中的气泡.铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气铸件中的气孔铸件中的气孔孔需要切除。铸件中出现气孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。孔则只能报废。缩松缩松课后作业：课后作业： 课内作业：课内作业： 1 1、对某碳素钢进行金相分析，其组织为、对某碳素钢进行金相分析，其组织为P+FeP+Fe3 3

19、C C网网，其中，其中P P为为98%98%，请问此碳素钢的含碳量大约是多少？，请问此碳素钢的含碳量大约是多少？2 2、铁碳合金中的组织有哪些，简述其性能特点。、铁碳合金中的组织有哪些，简述其性能特点。 4.某仓库中的钢材经金相分析后发现组织为某仓库中的钢材经金相分析后发现组织为P+F，其，其中中F占占80%。问此钢的含碳量大约为多少？。问此钢的含碳量大约为多少？5. 现有形状和尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合现有形状和尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们的含碳量金，它们的含碳量wc分别为分别为0.20%、0.40%、1.2%、3.5%，根据你所学的知识可用哪些方法来区别它们？，根据你

20、所学的知识可用哪些方法来区别它们？ 习 题 1 1、如果将一软焊料反复弯曲数次，会发现它仍、如果将一软焊料反复弯曲数次，会发现它仍旧很软。而对一退火铜也作同样弯曲就会明显旧很软。而对一退火铜也作同样弯曲就会明显变硬，以至经过几次之后就不能用手弯曲了。变硬，以至经过几次之后就不能用手弯曲了。这是为什么？这是为什么？2 2、钨在、钨在10001000变形加工，锡在室温下变形加工变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工？（钨熔点，请说明它们是热加工还是冷加工？（钨熔点是是34103410，锡熔点是，锡熔点是232)232)。3 3、在室温下对铅板进行弯折，愈弯愈硬，而稍、在室温下对

21、铅板进行弯折，愈弯愈硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又象最初一样柔软隔一段时间再行弯折，铅板又象最初一样柔软，这是什么原因？，这是什么原因？ 习 题课内作业：课内作业： 课内作业：课内作业：1 1、在正火热处理过程中，为什么加热后要有一段保、在正火热处理过程中，为什么加热后要有一段保温时间？温时间？2 2、锯条、弹簧和重要的轴在淬火后一般分别应进行、锯条、弹簧和重要的轴在淬火后一般分别应进行什么回火热处理，并简述理由。什么回火热处理，并简述理由。 1将将5mm的的T8钢加热至钢加热至760并保温足够时间，问并保温足够时间，问采用什么样的冷却工艺可得到如下组织：采用什么样的冷却工艺可得到如下组织：珠光体，索氏体，托氏体，上贝氏体，下贝氏体，托珠光体，索氏体，托氏体，上贝氏体，下贝氏体，托氏体氏体+马氏体，马氏体马氏体，马氏体+少量残余奥氏体；少量残余奥氏体；请画出请画出C曲线并在其上描绘出工艺曲线示意图。曲线并在其上描绘出工艺曲线示意图。2. 指出下列零件的锻造毛坯进行正火的主要目的及正指出下列零件的锻造毛坯进行正火的主要目的及正火后的显微组织：火后的显微组织： 20钢齿轮；钢齿轮； 45钢小轴；钢小轴； T12钢锉刀。钢锉刀。3生产中常用增加钢中珠光体量的方法来