第二章5-6节.ppt

1、复杂的学习，金属结晶的宏观现象和冷却现象，发生结晶平台，冷却速度，T，金属结晶的微观过程核和晶体核生长过程，金属结晶的热力学条件G0 T，G，相变驱动力，金属结晶的结构条件过冷液体上的相变(晶体)，原子核的形成条件rmaxrk能量波动，结晶过程：新的核不断生成核，并生长。晶体生长：宏观是晶体界面向液体的持续移动。微细性是液体中原子一个一个扩散到晶体表面，按照晶体晶格定律，各自占据适当位置，与晶体稳定牢固结合的过程。晶体生长条件：要求液体具有足够的温度，以便液体原子具有足够的扩散能力；晶体表面必须能够连续且牢固地接受液体的原子，即G0。需要足够的过冷度。决定晶体生长方法和生长速度的主要因素：晶核

2、界面结构，界面前沿液体的温度梯度。以下将围绕这两个因素进行说明。5晶体核生长，1液-固界面的微观结构从原子尺度分为光滑界面(经常是固体-相高密度面)和粗糙界面。在光学显微镜下，光滑的界面由多个锯齿小平面组成，也称为小平面界面。粗糙介面是平面的，也称为非平面介面。大多数金属为粗糙界面，王嘉尔系数(P46)，界面自由能量为2，x=50%时的最小值。粗糙的界面，如纯金属和合金。5，x=0%或100%时，接口自由能量为最小水平，在接口中原子位置很少或很多。像很多有机化合物一样光滑的边界。如何判断材料界面的特性？2核增长机制，(1)二维核增长机制增长很慢，光滑的界面有两种机制：原子核的形成：主要依靠液体

3、的结构起伏和能量波动，使一定大小的原子团几乎同时降落在光滑的界面上，形成一个原子厚度和一定宽度的原子群。这些原子团造成的体积自由能Gv的减少要大于表面能量的增加，才能在光滑的界面上形成稳定的晶核。核的生长：后来液体原子填充在核的周围阶段，再次形成核。这样循环。即可从workspace页面中移除物件。即可从workspace页面中移除物件。即可从workspace页面中移除物件。即可从workspace页面中移除物件。即可从workspace页面中移除物件。不连续生长，二维核生长机制，(2)蜗牛电位生长机制结构阶段速度更快，(1)。例如，许多有机化合物、Bi、Sb、As、Ge、Si、液体原子在每

4、个原子层的台阶上堆叠在一起，阶段向前移动一个原子间距，形成“生长蹲伏线”(边缘角速度中心角速度)。请参阅P48。此阶段对光滑界面的晶体生长至关重要。晶体缺陷是无止境的阶段，螺旋电位露头，(3)垂直生长机制(连续生长)界面的所有位置，生长点垂直界面连续生长。(1)比(2)长得快得多。金属晶体生长的主要方法，粗糙界面主要指3固液界面前沿液体的温度梯度，定义正温度梯度分布方法：液体温度随界面距离的增加而增加。结晶潜热从液体流向固体，来自类型壁。模具壁附近最低温度结晶前沿液体中的过冷度随界面距离的增加而减少。模具，(2)负温度梯度分布意味着液体的温度随接口距离的变化而减少。如何理解负温度梯度？核形成前

5、的过冷液体成分过冷(杂质)过冷随着界面距离的增加而增加。结晶潜热从固体流向过冷液体，分布在尚未结晶的过冷液体中。4晶体的生长形态，(1)在正温度梯度下生长的界面形态，研究结果表明，简单立方体中100致密，生长速度慢。晶体形态与生长机制、界面微结构、界面前沿温度分布和生长动力学规律有关。光滑接口：易于形成具有规则形状的稠密表面的晶体。在此条件下，晶体潜热只能通过晶体固体和类型壁分布，相界面移向液体的速度由冷却速度控制。，粗糙界面：“平面生长”方法平面确定，具有粗糙界面结构的晶体生长所需的过冷度极低，界面温度非常接近熔点，界面随冷却液体均匀推进。局部突出的部分就融化。(2)在负温度梯度下生长的界面

6、形态，“枝晶生长”方法分支确定(共同) (需要对分支形成进行说明)，粗糙的界面，平滑的界面大部分小平面分支确定规则形态确定(负温度梯度为时间)，每种长度为一个晶粒；最后，只有粒子边界可见，分支不可见。枝晶的特征：根据生长条件，等轴和柱状晶的结晶形成。5生长速度、晶体生长速度主要与生长机制有关。具有粗糙界面的金属是生长机制持续增长的方式，快速增长速度和所需的过冷度较小。具有光滑界面的金属化合物、半金属(Si，Sb)、非金属等生长机制可能是二维核生长方法、螺旋电位生长方法、生长方法缓慢、所需的过冷度大。晶体生长的界面状态与界面前端的温度梯度和界面的微结构有关，正温度梯度下的光滑界面呈锯齿状。粗糙界

7、面是平行于Tm等温面的直线界面，是平面生长的形式。在阴极温度梯度中，普通金属和半金属的界面都看起来像树枝，只有王嘉尔系数值高的物质保持着光滑的界面形态。郑秀晶生长点：颗粒大小对材料特性的影响常温下，金属颗粒越小，强度和硬度越高，塑性和韧性越好。但是在高温下，晶界是薄弱的领域，晶粒微强度反而下降，而粒子太粗的话，塑性就会下降。这时要使用适当的粗糙粒度。6粒子大小控制，粒子大小取决于成核速度和生长速度的相对大小。成核速度越大，生长速度越小，单位体积中的粒子数越多，粒子越小，反之则越粗。单位体积的颗粒数为ZV=0.9(N/G)3/4。细化晶粒的措施：提高成核速度N，降低原子核的生长速度G .即N/G

8、，如果晶粒越小。所有促进核形成的因素都能使粒子变得精细。控制铸造中的粒度，提高过冷度(即提高液态金属冷却速度)和冷却率，N，G都增加，但N比G，即N/G大得多，小得多。工业上精整模具的一般方法：例如，用金属型、石墨型代替沙子，提高冷却速度；降低浇注温度和浇注速度。仅适用于小薄壁铸件，变质处理添加了固体颗粒不均匀的核变质处理：添加到液体中的改性剂(孕育剂)，促进了许多不均匀核的形成，使颗粒精细化。英泰制选择原则：点阵匹配：即结构相似，大小相等。在Al中添加Ti，b后，在铁中添加钛、锆、钒。铸铁中加入硅铁和硅酸钙合金。接种物的熔点比金属本身高得多。适用于大厚壁铸件，振动，搅拌：机械方法，电磁搅拌，

9、超声波搅拌等。形成原因：壁温低，冷却t .模具壁为非均匀核形态的位置。特点：颗粒小，组织致密，力学性能好。薄，没有实际意义，表面微细粒子区，1，锭3晶体区形成，6金属锭的宏观组织和缺陷，影响锭表面成核的因素：过冷大小，通过的冷却程度取决于模具表面温度。t表，成核速度注入温度。t注入，成核速度热传导能力。导向能力越好，核的形成原因：表面微粒区空气间隙的形成和潜热释放都使模具壁温度升高，液态金属难以冷却。结晶前沿过冷t低，不容易形成新的原子核，在微细粒子区，一些有方向的晶粒可能会生长得很大。晶体在垂直于模具壁最快散热的相反方向上通过柱状晶生长得很好。24，由柱状晶区、热方向、柱状晶区形成的外部原因

10、是热方向，内部原因是晶体生长的各向异性。，精细粒子区：粒子的无序方向，圆周晶体区：粒子的一致方向，冷却方向，立方晶体系统中圆周晶体的主轴为001方向，圆周晶体生长特性和特性：固相温度梯度越大，或液相温度梯度越小，圆周晶体生长速度越大。晶体固体上的热导率很好，保持方向热，在液体中没有形成新阶段的情况下，柱状晶体可以生长到珠光体的中心，直到与其他柱状晶体相遇，这称为磨损组织。徐璐不同方向的柱状晶徐璐相遇时形成晶界，这里杂质、气泡、收缩孔比较丰富，称为弱面，加工时弱面容易开裂。对塑性好的金属，即使整体是柱状晶，轧制时也不会出现裂纹。相反，容易出现钢等裂纹。具有大而致密的组织，铸造组织的方向性。铸造组

11、织：铸造过程中形成的结晶度达到一致的铸造组织。“结晶织构”，穿透结晶组织及其薄弱面；“连铸板坯”结构，“小钢锭”特征：从板坯端面来看，“迂回”是规则的，每510厘米出现一个“凝固桥”，伴随有松散的孔和收缩孔。形成原因：如果液体温度全部下降到结晶温度以下，则可以同时发生核。未熔化的杂质，破碎的枝晶可以用作不均匀核的核心。随着热量的散发，方向性丢失，每个方向的生长速度没有太大差别。等轴晶体生长。中心等轴粗晶区，等轴晶的优点：每个粒子比圆周晶徐璐相交，坚硬，裂纹不容易扩展；没有明显的薄弱环节。即可从workspace页面中移除物件。晶粒方向不同，对性能没有方向性。中心等轴晶体的缺点：由于过冷度低，树

12、枝晶晶体比较发达，分枝多，微收缩多，组织不够密集。但是，微收缩孔通常不会氧化，并且可以在热压力加工后焊接，因此对性能影响很小。因此，铸件需要发达的等轴晶体组织。板的正常凝固结构如下：表面小等轴测定；确定中间圆周；中心等轴测定，中心等轴测定和圆周测定特性比较，2，铸锭组织控制，塑料好金属铝，铜等发展圆周测定塑料相对较低的金属，钢等发展等轴测定，铸锭组织一般只有三个晶体区域，凝固条件复杂，在某些情况下只有圆周晶体区域或等轴晶体区域。整体：沿垂直锭模壁提高液体的冷却能力。热释放促进方向性降低了液体内部不均匀成核的可能性。如何促进柱状晶体生长，具体方法：提高金属模具(如金属模具)的冷却能力，而不是砂模

13、具；金属模具的厚度增加等(t较小，生核不利)。注：此方法仅适用于大小大的铸件，不适用于大小小的铸件。原因：模具的冷却能力大，反而促进等轴晶体的发展(提高核形成速度)。例如：在连续铸造小截面坯时，使用水冷模具，连铸坯都得到小的等轴模。提高模具中心区域的温度，增加温度梯度(具体地说，提高铸造温度和铸造速度)。熔体温度增加，核数不均匀减少，熔体温度越高，液态金属过热非金属夹杂溶解得越多，异质核数越少，柱状前沿液体的成核可能性越小，有利于柱状晶区的开发。定向凝固技术是通过单向冷却使整个铸件成为柱状晶的技术。例如：最大的磁性铁合金方向渗透率，柱状晶体的主轴就是这个方向。开发柱状晶体，获得最佳磁性能。负载

14、定向且沿刀片轴方向强度高的燃气轮机叶片。使圆周决定的长度方向与刀片轴方向平行。柱状晶体组织在实际生产中的应用，柱状晶体准备，等轴晶体开发，柱状晶体限制方法，注入温度和注入速度降低，液体过热降低；在液体中保存更多的非均匀核芯。小铸件：可用于增加过冷度的方法成核速度；大型铸件：变质处理；大多数铸件想要尽可能多的等轴晶体，限制柱状晶体，精炼模具是提高铸件性能的重要方法。铸锭的一般缺陷包括收缩和松弛、气泡、分离和夹杂等。收缩和松弛：在确定钢条时，由体积收缩引起。据悉，集中体积收缩称为收缩孔，分散体积收缩是松散的。收缩孔必须完全切开，松开后，在锻造或轧制过程中焊接，比收缩孔危险小。气泡：钢水凝固时产生的

15、气体从铸锭中逸出，储存在钢中太迟了。分离：铸锭的化学成分取决于结晶。锭上部杂质元素，如s、p等含量；中间杂质少，成分均匀。下高熔点氧化物，如SiO2。3，金属锭组织的缺陷，夹杂物：有两种。一种是钢液中掺入的耐火材料等外部夹杂物。内生夹杂的另一种是在金属冷却过程中形成的，例如金属氧化物等。液体合金在凝结过程中由于液体收缩和凝固收缩而减少的体积没有补充的话，在铸件的最终凝固部分形成了一些孔。大而集中的称为收缩孔，小而分散的称为收缩。收缩和收缩形成图，收缩和收缩形成机理，高铝含量(0.035%)造成的灰铁铸件气孔缺陷，熔化过程中污染引起的铜合金铝夹杂物，电子显微镜下看到的非金属夹杂物粒子示例，(发现有重大网状裂纹，裂纹沿着晶体裂开。连铸板坯内部裂纹，摘要，1液-固界面类型：粗糙界面