工程材料ch2-1纯金属的结晶

1、第一章材料的结构与性能,金属材料 （金属键） 高分子材料 （共价键、分子键） 陶瓷材料 （离子键、共价键）,晶体结构(BCC、FCC)；缺陷(点,线,面)；合金；相(固溶体、金属间化合物)；组织 工艺性能；强度 塑性 硬度 韧性；腐蚀,C H O大分子链；线 支化 体型；热固性 热塑性 线型非晶态玻璃 高弹 粘流态；老化,原料制备,坯料成型,烧结；晶体相,玻璃相,气相 脆性极大,第二章 金属材料组织和性能的控制,第一节 纯金属的结晶 第二节 合金的结晶 第三节 金属的塑性加工 第四节 钢的热处理 第五节 钢的合金化 第六节 表面技术,一、纯金属的结晶 二、同素异构转变 三、铸锭的结构 四、结晶

2、理论的工程应用,第一节 纯金属的结晶,第一节纯金属的结晶,结晶：金属从液态转变为固体晶态的过程 一次结晶：液态固体晶态 二次结晶（重结晶）：固体晶态另一种固体晶态,冶,结晶,结晶： 液体 晶体,凝固： 液体 固体（晶体 或 非晶体）,一、纯金属的结晶,T0,Tn,理论结晶温度,开始结晶温度,T,过冷度,T= T0 - Tn,1.纯金属结晶的条件（必须过冷）,液体金属在结晶时的温度-时间曲线冷却曲线,有一定的过冷度（克服界面能）,V冷越大，过冷度越大，即实际结晶温度越低,（3）cd回升 结晶时释放的结晶潜热大于向环境中散失的热量,（4）de平台,过冷度,（1） ab液态逐渐冷却,（2） bc过冷

3、现象,（5）ef固态逐渐冷却,t孕育期,为什么有过冷度（存在过冷现象）？,dF=VdP-SdT,结晶等压过程，即dP=0,自由能也就随温度的升高而降低,图2-2 金属在聚集状态时自由能与温度的关系的示意图,自发过程=体系自由能降低=高能态到低能态,液相自由能曲线斜率较固相的大 两曲线交点， T0 ，液固两相自由能相等 TnT0时，F固F液，液态金属可以自发地转变为固态金属 两相的自由能之差F成为结晶的驱动力,图2-2 金属在聚集状态时自由能与温度的关系的示意图,2.金属的结晶过程：生核和长大,（1）形核,1）自发形核：,由液体金属本身原子自发形成晶核,2）非自发形核：,依附于杂质而生成晶核,杂

4、质符合“结构相似，尺寸相当” 原则,实际金属和合金中以非自发形核为主,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,（2）晶核的长大：平面长大和树枝状长大,1）平面长大：冷却速度较小，表面向前平行推移长大,2）树枝状长大：冷却速度较大，存在杂质时，树枝状的 形状长大。,金属结晶示意图,树枝状结晶,一、纯金属的结晶 二、同素异构转变 三、铸锭的结构 四、结晶理论的工程应用,第一节 纯金属的结晶,二、同素异构转变(二次结晶、重结晶),同素异构转变：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。,理解广义结晶的含义,三个特殊温度： 1538 C、1394C、912C,固态相变,一、纯金属的结晶

5、二、同素异构转变 三、铸锭的结构 四、结晶理论的工程应用,第一节 纯金属的结晶,三、铸锭的结构,表层细等轴晶区,中间柱状晶区,心部粗等轴晶区,铸锭晶粒形状的影响因素,柱状晶特点： 晶质较致密； 性能有方向性，单面载荷有利； 接触面由于常有非金属夹杂或低熔点杂质而为弱面,等轴晶没有弱面，性能均匀，无方向性,铸锭的缺陷,1）缩孔（集中缩孔）-最后凝固的地方 2）疏松（分散缩孔）-枝晶间和枝晶内 3）气孔（皮下气孔）,一、纯金属的结晶 二、同素异构转变 三、铸锭的结构 四、结晶理论的工程应用,第一节 纯金属的结晶,四、结晶理论的工程应用,措施：“促进形核、抑制长大”,晶粒度表示晶粒的大小，晶粒度号越

6、大晶粒越细,晶粒细化，强度、塑性和韧性提高细晶强化,比较： 细晶强化 强度、硬度、塑性、韧性 固溶强化 强度、硬度，塑性、韧性,细化铸态金属晶粒的措施,提高液体金属的冷却速度 金属模 超高速急冷技术,1. 增大过冷度,成核速率N： 个/(m3s) 长大速度G： m/s,温度对扩散的影响 过冷度对成核速率的影响更大,2.变质处理（自发形核和非自发形核）,变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂， 以细化晶粒和改善组织。,作用：增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大,例： 形核剂：钢水，Ti、V、Al；铝液体，Ti、Zr 长大抑制剂：铝合金中加入钠盐,3.振动 机械、超声波，破碎树枝晶，更多的结晶核心,

7、4.电磁搅拌 电磁感应，液态金属翻滚，冲断晶枝,第二章 金属材料组织和性能的控制,第一节 纯金属的结晶 第二节 合金的结晶 第三节 金属的塑性加工 第四节 钢的热处理 第五节 钢的合金化 第六节 表面技术,第二节 合金的结晶,纯金属：冷却曲线，状态（相）温度、时间,合金：相图，状态（相）温度、成分,图2-11Cu-Ni合金相图,相图（状态图、平衡图）：表示合金系中合金的状态与温度、成分间的关系的图解。,图中的每一点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态,液相线： 结晶开始点的连线 固相线： 结晶终了点的连线,三个区：L、L+、 ,相图的建立(热分析法):,铅-锡合金共晶相图,铂-银合金包晶

8、相图,共析相图,A,B,T,C, + , + , + ,c,e,d,L + ,L,含有稳定化合物的相图,杠杆定律,1,2,a,b,a1,b1,c1,T1,T2,1. 在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。,2. 随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。,杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即 QL/Q=b1c1/a1b1,杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为 QL/QH=b1c1/a1c1 Q/QH=a1b1/a1c1 =1- QL/QH,杠杆定律的适用范围： （1）只适用于相图中的两相区； （2）只能在平衡