金属材料及热处理 第三节 金属的结晶与铸锭学习资料

炼钢浇注第三节

金属的结晶与铸锭12结晶：物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。结晶过程影响材料的工艺性能、使用性能和寿命。3一、结晶的概念1液态材料的结构结构：长程无序而短程有序。

42结晶过程（微观现象）（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）53过冷现象

supercooling（宏观现象）（1）过冷：金属的实际开始结晶温度Tn总是低于理论结晶温度Tm的现象。

（2）过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实际温度之差。△T=Tm-Tn(见冷却曲线)Tm:理论结晶温度（熔点）Tn:实际开始结晶温度6冷却曲线的几个特点：1.冷却曲线上出现温度回升现象在实际开始结晶温度，大量晶核形成释放的结晶潜热多于金属向外界散失的热量，导致出现温度的回升。Tm:理论结晶温度（熔点）Tn:实际开始结晶温度2.在纯金属的冷却曲线上出现“平台”液态金属在结晶过程中释放的结晶潜热与金属向外界散失的热量达到平衡。3.“平台”的温度与熔点的关系“平台”的温度低于熔点（理论结晶温度）。冷却速度越慢，“平台”的温度越接近理论结晶温度。7注:

过冷是结晶的必要条件(结晶过程总是在一定的过冷度下进行)。

为什么？81热力学条件

热力学第二定律指出：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能高的状态向自由能低的状态转变。金属状态不同，自由能也不同。状态的自由能可表示为G＝H－TS

式中：G

为吉布斯自由能，H为焓（热函），

T为绝对温度，S为熵。

熵是表征系统中原子排列有序度的参数，恒为正值。温度升高，熵值增加。液相的熵值比固相大。91热力学条件（2）热力学条件△GB=Lm△T/Tma△T>0,△GB>0——过冷是结晶的必要条件（之一）。

b△T越大,△GB越大——过冷度越大，越有利于结晶。

c△GB为凝固过程的驱动力。△GB=GL-GS10液态金属的结构结构：长程无序而短程有序。

晶核从何而来？2、结构条件11结构起伏：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。结构起伏是产生晶核的基础。只有尺寸比较大的结构起伏才有可能转变为晶核，称为晶胚。在一定的温度下，不同尺寸的结构起伏出现的几率不同（左图）。

rmax

大小与过冷度有关（右图）。rmax△T出现几率结构起伏大小rmax121液态金属的形核方式有两种：

（1）均匀形核在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的能量变化获得驱动力，由晶坯直接成核的过程。

（2）非均匀形核在过冷的液态金属中，晶坯是依附在其他物质表面上成核的过程。非均匀形核较均匀形核容易。在实际金属中或多或少存在许多的杂质以及外表面，实际金属的结晶主要按非均匀形核方式进行。二、结晶时晶核的形成和成长过程132液固界面微结构

粗糙界面：微观粗糙、宏观平整－金属或合金材料的界面。

光滑界面：微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料亚金属铋、锑、镓、砷和半导体锗、硅等的界面。这两种界面结构存在时，界面能量最低。光滑界面粗糙界面143晶体长大的机制粗糙界面：垂直长大。15光滑界面：横向长大（二维晶核长大、螺型位错长大）。二维晶核长大模型3晶体长大的机制16光滑界面：横向长大（二维晶核长大、螺型位错长大）。3晶体长大的机制螺型位错长大模型173晶体长大机制几种晶体长大机制的比较：1.垂直长大是一种连续长大方式，长大速度快（如定向凝固）；需要过冷度小（0.01-0.05℃)。2.二维晶核长大不能连续进行，长大速度很慢。3.螺型位错长大是一种连续长大方式(有永不消失的台阶）。但由于只能在台阶侧面生长，长大速度也较慢；需在较大的过冷度（1-2℃）下进行。184晶体的长大形态固-液前沿液相中的温度梯度（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）正梯度负梯度194晶体的长大形态平面状长大形态（正温度梯度）粗糙界面：平面状。光滑界面：台阶状（小平面状）。20树枝状长大形态（负温度梯度）粗糙界面：树枝状。光滑界面：α较小时，呈树枝状－多面体—台阶状。

α很大时，规则形状。4晶体的长大形态21©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.4晶体的长大形态负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）22形核率N

：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。长大速度G

：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。三、影响晶核的形成和长大速率的因素231、过冷度的影响形核率与过冷度的关系

N=N1(∆GK).N2(∆

GA)

由于N受N1(形核）.N2（扩散）两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。形核率与过冷度的关系金属形核率与过冷度的关系工业中通常通过快速凝固获得细晶粒和非晶。24孕育处理孕育——向液态金属中添加少量孕育剂促进液态金属内部形核，以达到增加晶核数、细化晶粒、改善组织之目的。

A.形核剂：

a）熔点高，直接作为外加晶核

b）通过与液态金属的相互作用形成高熔点化合物而产生非均匀晶核－能与液相中某些元素组成较稳定的化合物

如，铝液中加入Ti，形成TiAl3；钢中加入Ti、V等生成TiC、VC可起到细化晶粒的作用。2、未熔杂质的影响25孕育处理26铸件的典型晶粒凝固组织（三个晶区）：表面细晶粒区：紧靠型壁的外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成，仅几个晶粒厚。柱状晶区：由自外向内沿着热流方向彼此平行排列的柱状晶所组成。中心等轴晶区：由紊乱排列的粗大等轴晶所组成。四、金属铸锭的组织27晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的相对宽度随合金性质和具体凝固条件而变化，在一定条件下，可获得完全由柱状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织：完全柱状晶完全等轴晶28

形成原因：（1）铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。（2）各种形式的晶粒游离（浇注时液体冲刷、液体对流造成）。细化程度取决于（1）浇注温度、铸型导热能力：浇注温度越高、铸型导热能力越强，不利于细晶区形成；（2）合金成分：溶质含量越多，造成“颈缩”，利于细晶区形成。（3）非金属夹杂物含量：型壁附近熔体内大量的“非均匀形核”，利于细晶区形成。

1、表面细晶粒区的形成29稳定凝固壳层产生→→柱状晶区开始内部等轴晶区形成→→柱状晶区结束柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因素综合作用结果。生长方式：择优生长2、内部柱状晶区的形成择优生长:各枝晶主干方向互不相同，主干与热流方向相平行的枝晶生长迅速，优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。竞争淘汰:离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰得就越多，柱状晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大。30柱状晶区影响因素：（1）铸型导热能力：铸型导热能力越强，有利于柱状区形成；（2）合金成分：溶质含量越少，有利于柱状晶区形成。（3）非金属夹杂物含量：非金属夹杂物含量少，有利于柱状晶区形成。2、内部柱状晶区的形成穿晶组织凝固壳层→界面处晶粒单向散热→晶粒逆热流方向择优生长而形成柱状晶

31晶核来源：（1）过冷液态金属直接形核溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均匀形核（2）随对流漂移到铸件中心的自由小晶体

1）激冷游离晶

2）型壁晶粒脱落

3）液面晶粒沉降（结晶雨）上述晶粒随着液流漂移到铸件心部，通过增殖（枝晶熔断），长大形成内部等轴晶（3）共格的非金属夹杂物的非均匀形核3、中心等轴晶区的形成

－－液态金属内部晶核自由生长的结果

321）激冷游离晶因浇注温度低，浇注中形成的激冷游离晶凝固初期形成的激冷游离晶非均质形核的激冷游离晶33图型壁晶粒脱落示意图型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖——理论基点为溶质再分配。2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离34图枝晶分枝“缩颈”的形成2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离352）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离363）“结晶雨”游离晶液面处形成的晶粒+顶部凝固层脱落的分枝→→密度比液体大→下沉→产生晶粒游离。多发生在大型铸锭的凝固过程中37铸件中三晶区的形成相互联系、彼此制约稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成。晶区的形成和转变是过冷熔体独立形核能力和各种形式晶粒游离、漂移与沉积的程度这两个基本条件综合作用的结果。决定了铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细。38铸件晶粒组织的控制铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒大小。

39（1）柱状晶（组织致密、晶粒粗大、各向异性）：生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密。但柱状晶比较粗大，晶界面积小，排列位向一致，其性能具有明显的方向性：纵向好、横向差。凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质，将导致铸件热裂。40（2）等轴晶（组织疏松、各向同性）：晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。晶粒越细综合性能越好。

41铸件晶粒组织的控制对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱状晶，增加其致密度；对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组织；对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶界降低蠕变抗力。421.等轴晶组织的获得和细化

强化非均匀形核:变质处理促进晶粒游离：机械振动、搅拌

432.柱状晶组织的获得

定向凝固发热剂法、功率降低法、高速凝固法、液态金属冷却法等发热剂法442.柱状晶组织的获得定向凝固

452.柱状晶组织的获得定向凝固

功率降低法461材料铸态晶粒度的控制Zv=0.9(N/Vg)3/4

（1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，适用于小件。（