金属材料及热处理课件第三章金属结晶

《金属材料及热处理》第3章金属结晶目录CONTENTS2341纯金属结晶同素异构转变铸锭的结构合金结晶PPART01纯金属结晶纯金属结晶思维导图银、铜、锌、铅、铸铁、高速钢等的结晶之美，你感受过吗？晶体中原子或分子的排列具有三维空间的周期性，隔一定的距离重复出现，这种周期性规律是晶体结构中最基本的特征。晶体是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列。纯金属结晶情景说明纯金属结晶图3-1-1金属铜的晶体形成过程纯金属结晶图3-1-2金属铅的晶体形成过程纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的。实验证明：金属结晶时，首先从液体金属中自发形成一批结晶核心，与此同时，某些外来的难熔质点也可以充当晶核，形成非自发晶核。纯金属结晶纯金属结晶图3-1-3金属银的晶体形成过程图3-1-4金属锌的晶体形成过程纯金属结晶图3-1-5白口铸铁的晶体形成过程纯金属结晶图3-1-6高速钢的晶体形成过程纯金属结晶图3-1-7Na2CO3的晶体形成过程纯金属结晶随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，并继续产生新的晶核，直到液体金属全部消失，晶体彼此接触为止。所以结晶过程就是不断地形核和晶核不断长大的过程。那么结晶的条件是什么？晶粒的大小对力学性能有何影响？晶粒大小受那些因素的影响呢？如何获得细小晶粒呢？纯金属结晶物质由液态转变为固态的过程称为凝固。如果凝固后的固态物质是晶体，则这种凝固过程称为结晶。实际使用的大多数固态金属，一般都要经过冶炼和铸造的过程，即要经过由液态转变为固体晶态的结晶过程。纯金属结晶从广义上讲，金属从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列状态的过程均属于结晶过程。通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶，而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。纯金属结晶纯金属结晶金属结晶后的组织对金属的性能有很大影响，因此，研究金属结晶的基本规律对改善金属组织、提高金属性能具有十分重要的意义。纯金属结晶1.金属的冷却曲线纯金属的结晶常通过热分析法进行测定，即把纯金属置于坩埚内加热成均匀液体，然后使其缓慢冷却，在冷却过程中，观察记录温度随时间变化的数据，并将其绘制成曲线，此曲线称为冷却曲线，如图3-1-12所示。纯金属结晶图3-1-12纯金属结晶的冷却曲线由图3-1-12可以看出，当液态金属冷却到理论结晶温度T0时，结晶并未开始，而是继续冷却到T0以下的某一温度Tn才开始结晶。这种实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷。纯金属结晶理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差称为过冷度，用△T表示，即纯金属结晶过冷度的大小与冷却速度、金属的性质和纯度等因素有关。冷却速度越大，金属越纯，过冷度越大。实验证明，金属都是在过冷情况下结晶的，所以，过冷是金属结晶的必要条件。为什么液态金属在理论结晶温度不能结晶，而必须在一定的过冷度条件下才能进行呢？由金属结晶的热力学条件来进行解释。纯金属结晶我们知道热力学第二定律是在等温等压的条件下，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。解释一下，自由能是物质能自动向外界释放多余的热量或能够对外做功的那部分热量。由自由能曲线性质（如图3-1-13所示），我们知道T=T0时，GS=GL，处于热平衡状态，T0是理论结晶温度。纯金属结晶图3-1-13纯金属液、固两相自由能随温度变化的示意图T＜T0时，GL＞GS，液态金属自发地转为固态金属，两相自由能差（△G），构成金属结晶的驱动力。纯金属结晶综上所述：只有当T＜T0时，即存在一定的过冷度，液态金属才能结晶。由于结晶是在一定的过冷度下进行的，因此，结晶开始时，结晶速度很快，会释放大量的结晶潜热。这部分热量除了补偿向外散热外，剩余部分会使液态金属的温度升高，结晶速度减慢，释放的潜热随之减少，纯金属结晶当释放的潜热恰好等于补偿向外散失的热量时，液态金属的温度保持不变，冷却曲线上出现一个平台。直到金属结晶完毕，不再有潜热放出时，温度才继续降低。纯金属结晶2.金属的结晶过程同时，液体中又会不断地产生新的晶核并逐渐长大，直至液态金属全部结晶。液态金属的结晶是一个形核和长大的过程。液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体，称为晶核，然后它们不断吸收周围的原子而长大。纯金属结晶图3-1-14金属的结晶过程示意图金属的结晶过程如图3-1-14所示。金属结晶包括两个基本过程：晶核的形成和长大，它们是同时进行的。纯金属结晶由图3-1-14可知，液态金属内部存在有规则排列的原子团时聚时散，并不是完全地无规则排列。在理论结晶温度以上时，这些原子集团极不稳定，纯金属结晶1晶核的形成但当温度降低到结晶温度以下，且达到足够大的过冷度时，某些大于一定尺寸的原子集团可以稳定下来，成为结晶核心。这种由液态金属内部自发形成结晶核心的过程称为自发形核。实际金属中或多或少地总会存在一些杂质，当杂质的晶体结构和晶格参数与金属的相似或相当时，金属原子就会以它们为基底形成结晶核心，这种形核方式称为非自发形核。纯金属结晶自发形核和非自发形核同时存在于金属液体中，但在实际金属和合金中，非自发形核往往比自发形核更为重要，起优先和主导作用。纯金属结晶2晶核的长大晶核形成后，即开始长大。晶体主要以树枝状方式长大。开始时，晶核外形比较规则，在晶体继续长大的过程中，由于晶核的尖角处散热和对流条件好，容易获得液态金属原子，所以生长速度较快，形成晶体的主干，称为一次晶轴。纯金属结晶在晶轴长大过程中，又会不断生出分支，随着结晶过程的发展，逐渐长出二次晶轴、三次晶轴等，图3-1-15枝晶生成过程示意图如此不断生长和发展下去，最终形成树枝状晶体，简称枝晶，如图3-1-15所示。探究实验用显微镜观察纯铁晶粒的大小、形态和分布，如图3-1-16所示。可以看出，纯铁内部的晶粒形状并不规则。纯金属结晶图3-1-16显微镜下纯铁晶粒组织金属材料的晶粒越细、晶界总面积越大，强度也就越高，而且晶粒越细，相同体积内的晶粒数目就越多。在相同的变形条件下，变形分散在更多的晶粒中进行，变形量分配得更均匀，金属不会因变形过大而断裂，有效提高了塑性。纯金属结晶有色金属的晶粒比钢铁的大一些，有时甚至可以用肉眼直接观察。例如，镀锌钢板表面的锌晶粒尺寸可达到数毫米，甚至十几毫米，可以直接观察到晶粒及晶粒表面枝晶组成的花纹，如图3-1-17所示。纯金属结晶图3-1-17锌枝晶纯金属结晶3.晶粒大小对金属力学性能的影响实际金属结晶后，一般都会形成由许多晶粒组成的多晶体。在多晶体中，晶粒的大小对其力学性能的影响很大。一般来说，晶粒越细小，金属的强度越高，塑性和韧性越好。所以，细化晶粒是提高金属材料力学性能的一个重要途径。

纯金属结晶金属在结晶后所得到的晶粒的大小，取决于结晶过程中的形核率N和长大率G。其中，形核率是指单位时间内在单位体积中产生的晶核数；长大率是指单位时间内晶核长大的线速度。促进形核率N，抑制长大率G，即可细化晶粒。生产中，主要采用增大过冷度、变质处理和附加振动等方法细化晶粒。纯金属结晶3-1增大过冷度金属结晶时，形核率N和长大率G均与过冷度有关，如图3-1-18所示。随着过冷度的增大，形核率和长大率均会增大，而且在很大范围内形核率N增大得更快，结晶时增大过冷度△T会使金属结晶后晶粒变细。纯金属结晶3-1增大过冷度密度生产中常采用散热快的金属铸型、降低金属铸型的预热温度、减小涂料层的厚度、采用水冷铸型等方法来提高冷却速度，但这种方法只适用于中、小型铸件。纯金属结晶3-1增大过冷度图3-1-18形核率和长大率与过冷度的关系纯金属结晶3-2变质处理对于形状复杂的铸件，为防止快速冷却使应力过大产生开裂，通常不允许过多地提高冷却速度，生产上多采用变质处理来细化晶粒。

膨胀系数变质处理是在液体金属中加入变质剂或孕育剂，增加非自发晶核的数量或阻碍晶核的长大，从而达到细化晶粒的目的。纯金属结晶

(a)变质处理前

（b）变质处理后

图3-1-19Ti和Zr的复合变质对ZA27合金显微组织的影响纯金属结晶3-3附加振动在金属结晶过程中，对其采用机械振动、超声波振动、电磁振动及搅拌等方法，可使枝晶破碎、折断，这样不仅使已形成的晶粒因破碎而细化，而且破碎了的细小枝晶又可起到新晶核的作用，增加了结晶核心，达到晶粒细化的目的。纯金属结晶(a)未经超声波处理

（b)超声波处理后

3-3附加振动图3-1-20经超声波处理前后纯铝的凝固组织纯金属结晶

金属的结晶过程主要受过冷度和难熔杂质的影响，而过冷度的大小取决于结晶时冷却速度的快慢。因此，凡是影响冷却速度的因素，如浇注温度、浇注方式、铸型材料及铸件大小等，均影响金属结晶后晶粒的大小、形态和分布。PPART02同素异构转变纯金属结晶思维导图大多数金属在固态下只有一种晶体结构，而有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，如铁(Fe)、钴(Co)、钛(Ti)、锡(Sn)、锰(Mn)等。这类金属在冷却或加热过程中，它们是怎么结晶的呢？纯金属结晶情景说明金属的同素异构转变是指金属在固态下，由于晶格结构的变化，产生不同形态的现象。大多数金属在固态下只有一种晶体结构，而有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。1.定义与性质纯金属结晶金属在固态下随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。由同素异构转变得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。这种转变在纯金属或合金中均可发生，是金属热力学中的一个重要过程。同素异构体之间通常具有不同的物理和化学性质，如硬度、热导率、电导率等。纯金属结晶影响金属同素异构转变的因素有很多，主要有温度、压力、金属的纯度以及合金的成分等。其中，温度是最重要的影响因素，一般情况下，温度的降低会使金属发生同素异构转变。2

.影响因素纯金属结晶有许多金属可以发生同素异构转变，如铁(Fe)、钴(Co)、钛(Ti)、锡(Sn)、锰(Mn)等。例如，纯铁(Fe)在固态下就有α-Fe和γ-Fe两种同素异构体，它们的晶体结构分别为体心立方和面心立方。3.常见金属纯金属结晶图3-2-1纯铁在结晶时的冷却曲线如图3-2-1所示为纯铁在结晶时的冷却曲线。纯金属结晶液态纯铁在1538℃时开始结晶，形成具有体心立方晶格的δ-Fe，温度继续降低到1394℃时发生同素异构转变，体形立方晶格的δ-Fe转变为面形立方晶格的γ-Fe，纯金属结晶在冷却至912℃时又发生一次同素异构转变，面心立方晶格的γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe。再继续冷却，纯铁的晶格类型不再变化。纯金属结晶纯铁的三种同素异构转变可表示为通过热处理改变组织状态，进而便于加工及去除材料应力，提高材料物理及磁性能。纯金属结晶在热处理生产中正是利用铁的这种固态变化，使我们可以完成各种热处理工艺。在锻造生产中，往往将钢加热到较高的温度，使其变为面心立方结构。因这时钢的塑性、韧性较好，硬度低，所以成型比较容易。同素异构转变往往要产生较大的内应力，这是由于转变时晶体结构发生变化引起体积变化。例如铁从面心立方转变为体心立方时，体积约膨胀1%。由于这种变化是在温度相对较低的固态下发生，而且这种变化在金属的表面和心部存在着不同时性而导致出现内应力。这在一定程度上造成了零件的变形和开裂。纯金属结晶实验研究是探索金属同素异构转变的重要手段。通过热力学实验，可以研究转变温度、转变压力等对同素异构转变的影响；通过X射线衍射、中子衍射等实验手段，可以研究晶格结构的变化。此外，理论计算也在预测和解释同素异构转变中起到了重要作用。纯金属结晶4.实验研究金属的同素异