第2章-金属结晶的基本规律(3).ppt

1、第一节金属结晶的基本规律：凝固：材料从液态变为固态的过程，结晶：材料从液态变为晶态的过程，结晶过程存在于金属冶炼、铸造、焊接等生产过程中。1.金属结晶的微观现象材料从一个相变为另一个相的过程称为相变。结晶是一个相变过程：液相和固相。晶核，晶核生长，全部结晶，液相晶化过程中的等轴晶粒在三维方向上尺寸大致相同，近似球形(理想情况下为十面体)，晶化过程：在熔点以下，液态金属形成随机取向的晶核，晶核根据金属固有晶格的原子排列连续生长，成核和生长是同时进行的过程。晶核越多，形成的晶体(即晶粒)越小。颗粒相互接触后，就形成了一整块金属。结晶潜热：曲线上的横切面是由结晶潜热引起的，纯金属的冷却曲线，2。金属

2、结晶的宏观现象1。冷却曲线金属结晶过程中温度与时间的关系曲线实际结晶温度T1:曲线上的水平线，对应于阶段的温度，4。所有液态金属结晶后的固态金属冷却阶段。冷却曲线各阶段：1 2 3，孵化阶段：成核和核长不明显；结晶开始时，结晶潜热和温度升高；在结晶阶段保持温度恒定；理论冷却曲线和实际冷却曲线：结晶条件之一：过冷，在理论结晶温度(熔点或平衡结晶温度)下，液体和晶体处于动态平衡状态；结晶只能在低于熔点的实际结晶温度下进行。纯金属的冷却曲线。过冷现象和过冷度：金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度(即熔点)。液态金属在熔点以下保持液态的现象称为过冷。过冷度：理论结晶温度和实际起始结晶温度之间的差

3、值。过冷值：与金属性能和冷却速度有关；冷却速率越大，过冷度越大，过冷度t越大，液固自由能差g越大，结晶驱动力越大，金属结晶的热力学条件、结晶的结构条件和结构波动越大：液态金属的结构模型认为“时间聚集和时间分散，一个接一个”的短程有序现象称为结构波动或相波动。具有规则排列的小簇随机排列原子、具有波动结构的晶体胚是液态金属产生晶核的基础。晶体胚：液态金属中有规则排列的小原子，称为晶体胚。4.晶核的形成，均匀成核，非均匀成核，成核，晶体胚，核生长，1均匀成核：在过冷液态金属中，液态金属本身的晶体胚，形成晶核的过程称为均匀成核(或均匀成核)2不均匀成核：晶体胚附着在其他固体杂质的表面。能量，体积自由能

4、，晶核，r，rc，界面自由能从晶体胚转变为G*，G，1)临界晶核当r，rc时，晶体胚可能消散或变成晶核。半径为rc的晶体胚称为临界核。1.均匀成核，rrc:表面自由能占优势，G增加，晶胚消失；Rrc:体积自由能占优势，G减小，晶胚生长形成晶核，晶核，r，rc，界面自由能，晶胚G*的体积自由能变为G，rrc:晶胚可能消散或形成晶核，rc称为临界晶核半径。过冷度越大，rc越小。2)成核功的概念，当rrc、晶体胚形成晶核时，液体向固体、状态和金属的体积自由能的减少只能补偿界面自由能，体积自由能，晶核，r，rc，晶胚G*，自能转换G，过冷度越大，成核功越小，临界过冷度，有效过冷度，大量金属液成核所需的

5、过冷度，液态金属过冷度越大，最大晶胚半径rmax越大，临界晶核半径rc越小。3)过冷度对形核、过冷的影响在结晶开始时，这种过冷度称为临界过冷度。晶核能量波动，成核函数成核。随着过冷度的增加，临界晶核随着晶胚半径的增加而变小。液态金属均匀结晶的三个条件：过冷度和较小的形核函数有利于形核和生长。例如，纯锡均匀成核的过冷度为183；纯铝为160，非常大，2，非均匀成核，非均匀成核：液体中的固体杂质为核心成核，称为非均匀成核。非均匀成核的边界表面能低于均匀成核的边界表面能。也就是说，相变的阻力减小，异质成核图，同质成核和异质成核的区别：异质成核可以减少成核功。固体界面：随着润湿角的增加，润湿角减小(晶

6、格匹配)，促进成核，减少成核功。过冷度大大降低，表面自由能大大降低，相变所需的固液自由能差减小。在实际生产中，异质形核的过冷度一般不超过20；在实际的金属凝固条件下，几乎所有的都是非均匀形核的；加入“成核剂”或“细化剂”达到晶粒细化目的。均匀成核、非均匀成核、晶格匹配原理：晶格类型相似，原子间距相等、晶核生长晶粒，最终形成晶界、晶体生长影响因素、界面前沿液相温度梯度、动态过冷度：使晶核表面向液相推进的晶面过冷度。1，2，5。晶体生长的液-固界面结构，液-固界面结构，原子的规则排列，一般来说，密堆积的晶面排列成混沌状态，界面粗糙，界面光滑，1。液-固界面的结构，同一族的密堆积面，具有一定的角度，

7、客观上是轻而光滑的界面，称之为小平面界面或晶体界面，而液-固界面之所以有粗糙光滑的界面是为了保持界面自由能最低。这与晶体结构中原子的配位数等因素有关。正温度梯度2。液-固界面温度梯度正温度梯度：随着液-固界面距离的增加，液相中的温度增加，称为正温度梯度。在液固界面前端，过冷度降低，热量和结晶潜热只能由固相耗散。界面向液相的推进速率：在正温度梯度下，受固相传热能力的控制；平面生长形式：界面光滑、界面结构粗糙的金属，界面生长方式为平面，面向液体，点击播放。这种生长模式称为平面生长形式。负温度梯度：随着液固界面距离的增加，液相温度降低。这种温度分布称为负温度梯度。在负温度梯度下，液固界面前沿的过冷度

8、增大，结晶热和潜热可以在固相和液相中耗散。实际金属结晶主要以树枝状生长，这是由于负温度梯度的存在，晶核棱角处散热条件好，生长迅速。首先，形成主轴，然后生成副轴，最后，填充分支。点击播放，在负温度梯度下，靠近金属的液-固界面，进入液相越深，s越大枝晶，金属枝晶，金属枝晶，冰枝晶，第二段晶粒尺寸控制。1.粒度、粒度：表示粒度的尺度和表示方法：粒度可以用颗粒的平均面积或平均直径来表示。在工业生产中，粒度等级用来表示粒度。将100倍显微镜下的粒度与标准图进行对比分级；标准粒度分为八个等级：一级最厚；八级最薄；粒度级别越高，粒度越细。工业上常用的细晶粒为7-8级，晶粒尺寸为0.022毫米，晶粒尺寸级、2

9、、决定晶粒尺寸的因素，晶粒尺寸取决于晶核的形成速度和生长速度。成核率(n):单位时间内形成的晶核数量和体积，生长率(g):单位时间内晶核生长的长度。可以看出，促进形核和抑制晶粒长大的因素可以细化，过冷度对形核率和长大的影响：过冷度对氮和锗的影响，过冷度增加，形核率增加；相反，过冷度对形核率的影响减小，氮/锗最大，氮/锗比越大，晶粒越小。过冷对成核速率和成核生长的影响，临界过冷，有效过冷，过冷，动态过冷临界过冷：在最大胚半径处过冷临界核半径有效过冷：金属液体大量成核所需的数值远小于有效过冷度，接近实际结晶温度。3。控制粒度的方法：1 .控制过冷度，并快速冷却以提高过冷度、形核率、形核生长、氮/锗

10、值和晶粒细化。如果冷却速度足够快(107/s)，金属将不会结晶，并且将形成非晶材料(金属玻璃)，其具有高强度和韧性、软磁和良好的耐腐蚀性。变质处理：也称孕育处理，加入的非均匀成核材料称为变质剂(或孕育剂)(根据晶格匹配原理)，非均匀成核材料加入液态金属中以促进成核速率，或分布在液固界面，阻碍晶粒生长，从而细化晶粒。这叫做变质。低合金铸钢：钛铁粉、金属化合物；奥氏体钢：氮化铬，金属粉末；根据晶格匹配原理：液态金属本身是理想的变质剂或孕育剂、电磁搅拌晶粒细化示意图、超声振动晶粒细化示意图、3。振动和搅拌等。振动或搅拌正在结晶的金属，一方面可以通过可靠的外部输入能量促进成核，另一方面，它也可以破坏正

11、在生长的枝晶并显著增加晶核的数量。方法：机械振动、电磁振动、超声振动、晶粒度与金属强度的关系。四.晶粒尺寸对金属性能的影响。常温下，晶粒越细，晶界面积越大，金属的强度和硬度越高，塑性和韧性越好，即细晶强化。高温下：晶界处于粘性状态，在外力作用下，容易滑动，细小颗粒无用；太粗的颗粒会导致应力集中。正因为如此，太大、太小和太小的颗粒都不适合高温。纯铁的异构化转化第三节异构化转化异构化转化：固态物质的晶体结构随温度变化的现象。1.铁的类质同象转变在固态冷却过程中有两种晶体结构变化，分别是：液态铁，1394 912 -Fe -Fe-Fe，-Fe，-Fe为体心立方结构，(bcc)，-Fe为面心立方结构，

12、(fcc)。Bcc和fcc都是铁的同素异形体，但它们的晶格常数不同。铁和铁的显微结构观察。固相转变也是成核和生长的过程，但它不同于结晶。其特点如下：1 .成核通常发生在某些特定位置(如晶界、晶内空位、凹陷、特定晶面等)。)；2.由于的困难第四节钢锭的结构和缺陷在实际生产中，液态金属被倒入钢锭模中制成钢锭，然后注入铸模中形成铸件。铸锭(零件)的显微组织和缺陷直接影响其加工和使用性能。铸锭(零件)的宏观结构通常由三个部分组成：1.表面细晶区：浇注过程中，由于冷型壁的过冷(激冷)和形核不均匀，表面形成一层细晶。1.铸锭结构(零件)，2。柱状晶区：随着结晶器壁温的升高，结晶过程中释放出潜热，使细晶区前

13、方液体的过冷度降低，成核困难。结合模具壁的定向散热，现有晶体沿着与散热相反的方向生长，以形成柱状晶体区域。3，中心粗等轴晶区：由于结晶潜热的不断释放，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止。在中心，当液体完全冷却到低于实际结晶温度T1时，在杂质的作用下，以非均匀成核的方式形成中心等轴晶粒。铸造缺陷有多种类型，如缩孔、气孔、气孔、偏析、夹渣和白点等，对性能有害。收缩：收缩是由液态金属结晶时的体积收缩和进料不足引起的。可以通过改变冷却条件和在结晶过程中添加提升管来控制。钢锭中的缩孔应在锻造和轧制前清除。偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。宏观偏析：铸锭(片)结晶时，由于不同部位的凝固和结晶顺序不同，合金中的低熔点元素集中在最终结晶区，导致宏观成分不均匀，称为宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可以减少宏观偏析。3，孔隙：孔隙是指液态金属中溶解的气体或反应产物，形成的气体在结晶过程中不会逸出，而是保留在锭(块)中。铸件中的气孔只能丢弃。第五节结晶理论定向凝固技术又称定向凝固技术，它将定向凝