金属材料概论第三章.ppt

1、第三章 材料的凝固与结晶组织,一、概述 二、纯金属结晶 三、合金的结晶与相图 四、铸件组织与冶金缺陷,学习内容:,第一节 概述,一次结晶：物质从液态转变为固体晶态的过程,二次结晶：物质从一种固体晶态过渡为另一种固体晶 态的转变过程,(一)概念,(二)学习的意义：,液态金属经过结晶得到的组织铸态组织,液相向固相的转变是一个相变过程,研究和控制金属的结晶过程 提高金属使用性能和工艺性能的一个重要手段,第二节 纯金属结晶,一、结晶条件,把纯金属置于坩埚内加热成均匀熔体 使其缓慢冷却 在冷却过程中，每隔一定时间测定温度变化 直至结晶完毕后冷却到室温,冷却曲线：将温度随时间变化的关系绘制成曲线,理论结晶

2、温度（Tm ）,金属的熔化和结晶应在同一温度下进行，该温度称为 平衡结晶温度（理论结晶温度）,液体中金属原子结晶到晶体上的速度,晶体上的原子溶解入液体中的速度,（一）结晶过程的宏观现象,液态金属冷却到理论结晶 温度Tm（熔点）时 未 开始结晶；,1、过冷现象,冷却到Tm 之下Tn (实际结晶温度) 液态金属开始结晶,过冷度T 金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度 Tm 之差：,T 越大， Tn 越低！,影响过冷度的因素,金属的本性：金属不同 T 的大小不同,金属的纯度：纯度(杂质越少)T,冷却速度：v 冷却 T v 冷却 T ,过冷是金属结晶的必要条件；,说明,不管冷却速度多么缓慢，也不可能在

3、理论结晶温度进行结晶 即对于一定的金属，过冷度有一最小值，若过冷度小于该值，结晶过程就不能进行！,当液体金属缓慢冷至理论 凝固温度Tm时,并未开始凝 固,当温度降至熔点以下某 一个温度Tn时开始结晶;,随后温度迅速回升，一直回升至接近熔点，温度不 再上升，也不下降。出现恒温结晶阶段，即曲线上 出现“平台”； 结晶终止后，温度继续均匀下降！,说明,2 结晶潜热,相变潜热：1mol 物质从一个相转变为另一个相时，伴 随着放出或吸收的热量,结晶过程中，释放的结晶潜热 散失的热量,TTn ：结晶潜热释放,结晶过程结束，结晶潜热释放完毕，冷却曲线继续下降,补偿散失到周围环境的热量,1点：结晶过程的开始

4、2点：结晶过程的结束,2图： Tn ，尺寸较大的原子团簇 开始变的稳定 成为结晶 核心 晶核,二、结晶过程：晶体形核 长大过程,1、举例：小块金属结晶微观过程,1图：Tm ，液态金属中的原子团 簇极不稳定 不能成为结 晶核心,2,3图：,晶核按各自方向吸收液体中的金属原子 逐渐长大,同时，液态中不断产生新的晶核 也逐渐长大,3,不断发展,4、5图： 相邻晶体相互接触 液体金属耗尽, 金属结束,4,5,对结晶过程的描述，揭示了一个十分重要的规律： 金属的结晶与其他有机物一样，都是形核与长大的过程，而且两者交错重叠进行。,总之：金属的结晶过程中形核 和长大过程是交错重叠在一起的！,结晶终止获得多晶

5、粒的组织，其中一个晶粒是由一颗晶核形成的，由于各个晶核随机生成，所以各个晶粒的位向各不相同。,如果在结晶过程中只有一颗晶核并长大，而不出现第二颗晶核那么由这一颗晶核长大的金属，就是一块金属单晶体。,均质形核：由熔液自发形成新晶核，液体中出现新 相晶核的几率是相同的 自发形核,异质形核：新相优先出现于液相中的某些区域的 形核方式 非自发形核杂质（未熔 质点）,2、形核和长大,形核：,一定过冷度下，晶粒长大过程中保持规则外形； 长大到互相接触时，规则外形被破坏； 长大结束后 , 液态金属完全消失，成为多边形的晶粒,长大：,长大过程实质：液体中金属原子向晶核表面迁移过程,晶体生长最常见的方式：树枝状

6、结晶枝晶,长大条件：过冷度,3、枝晶长大过程,1）形成的晶核具有规则外型； 2）棱角处长出数枝晶细长的树干,3）树干与周围过冷液体的 界面不稳定，出现凸出 尖端，长大成为新的晶枝,树枝晶生长示意图,4）二次晶枝发展到一定程度后，在其上面长出三 次晶枝 所有枝晶严密和缝对接起来（液态金属 完全消失） 形成一个个多边形晶粒,由树枝状长成晶粒,结晶初期生成的微小晶粒与 液相间的平衡温度低于大晶 体与液相间的平衡温度 小 晶体的熔点大晶体的熔点 而通常金属的熔点是与大晶 体相对应的 结晶过程只能 在金属熔点以下的温度进行 过 冷条件下发生！,解释结晶为什么必需在过冷条件下进行？,说明：,结晶过程中晶核

7、数目越多，凝固后晶粒数目也越多， 晶粒越细小；反之，晶粒数目越少，晶粒越粗大；,晶核是随机形成的，位向各不相同，故晶粒的位向 也不相同 金属在一般条件下凝固得到的是多晶体,三、结晶晶粒大小及控制,晶粒度：晶粒的大小 晶粒的平均面积或平均直 径表示,取决于形核率N 和长大速度G,形核率N（cm-3.s-1)：单位时间单位体积液相中形成的 晶核数目,三者之间的关系：,N , G 单位体积中晶核数目越多，晶核长大空 间小晶粒越细小；反之，晶粒越粗化,单位体积中的晶粒数目ZV 和单位面积中的晶粒数目ZS分别为,金属结晶后形成的晶粒度对其性能有很大的影响：,工业生产中常采用的细化方法：,晶粒越细小 金属

8、的强度、硬度越高，塑性、韧性 越好,过冷度再大 凝因后的金属不是晶体，而是非晶态。,1、过冷度的影响,冷却较快T大 形核率N，长大速度G ,N/G ,晶粒多而细小,缓慢冷却T 小形核率N，长大速度G,N/G ,晶粒少而粗大,2、变质处理 液体金属中的杂质（结构与金属的相似），在结晶过程中起到了晶核的作用，促使成核率大大， 细化了晶粒。因此常有意地往其中加一定量的难熔金属或合金(Ti,B,Zr)，来细化晶粒的处理。,3、振动处理,常用的方法：电磁搅拌，机械振动等,Macroetched test samples of commercial purity Al (left: unrefined;

9、right: refined by Al-5Ti-1B master alloy),纯 Al,四、金属的同素异构性,铁具有典型的同素异构转变 TmFe =1535,同素异构转变: 固态金属随温度变化而发生晶格改变的 现象，称为同素异构转变。,金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，是通过金属原子的重新排列来完成的，故称其为再结晶故称为二次结晶或重结晶！,学习内容：,合金的应用比纯金属广泛得多 因为合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯 金属高许多；某些合金还具有特殊的电、磁、耐 热、耐蚀等物理、化学性能。,一 概念 二 合金相结构 三 二元合金相图,1 合金：两种或两种以上的金属，或金属与

10、非金属，经 熔炼或烧结、或采用其它方法组合而成的具有 金属特性的物质。,2 组元：组成合金最基本的、独立的物质，简称为元。 一般指组成合金的元素，或稳定的化合物。,例如：黄铜的组元是铜和锌；碳钢的组元是铁和碳， 或是铁和金属化合物Fe3 C,黄铜:Cu与Zn的合金。Zn的含量越高，其强度也较高，塑性稍低。工业中采用的黄铜含Zn量不超过45%，含Zn量再高将会产生脆性，使合金性能变坏。 青铜:Cu和Sn的合金。为了改善合金的工艺性能和机械性能，大部分青铜内还加入其它合金元素，如铅、锌、磷等。由于锡是一种稀缺元素，所以工业上还使用许多不含锡的无锡青铜，它们不仅价格便宜，还具有所需要的特种性能。 白