金属材料概论第三章讲课教案

1、第一页，共37页。第二页，共37页。凝固凝固：金属由液态：金属由液态 固态的过程固态的过程形成的固态物形成的固态物 质为质为晶体晶体、非晶体非晶体 转变转变一次结晶：物质一次结晶：物质(wzh)从液态转变为固体晶态的过程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 态的转变态的转变(zhunbin)过程过程 结晶结晶：金属由：金属由液态液态 固态固态的过程的过程 原子由原子由不规不规 则的排列则的排列转变到转变到有规则的排列有规则的排列，凝固后的固态，凝固后的固态 物质通常是物质通常是晶体晶体转变转变( (一一) )概念

2、概念第三页，共37页。( (二二) )学习学习(xux)(xux)的意的意义：义：形状、大小和分布形状、大小和分布 极大的影响极大的影响着金属的着金属的工艺性能工艺性能和和使用性能使用性能液态金属经过液态金属经过(jnggu)结晶得到的组织结晶得到的组织铸态组铸态组织织掌握结晶过程的基本规律掌握结晶过程的基本规律为研究其它相变奠定基础为研究其它相变奠定基础液相向固相的转变液相向固相的转变是一个是一个(y )相变过相变过程程研究和控制金属的结晶过程研究和控制金属的结晶过程 提高金属提高金属使用性能使用性能和和工艺工艺性能性能的一个重要手段的一个重要手段 第四页，共37页。第二节第二节 纯金属纯金

3、属(jnsh)(jnsh)结结晶晶一、结晶一、结晶(jijng)条件条件把纯金属置于坩埚内加热成均匀熔体把纯金属置于坩埚内加热成均匀熔体使其缓慢冷却使其缓慢冷却在冷却过程中，每隔一定时间在冷却过程中，每隔一定时间(shjin)测定温度变测定温度变化化直至结晶完毕后冷却到室温直至结晶完毕后冷却到室温冷却曲线冷却曲线：将温度随时间变化的关系绘制成曲线：将温度随时间变化的关系绘制成曲线温温度度T时间时间第五页，共37页。理论结晶理论结晶(jijng)温度（温度（Tm ）金属的熔化和结晶应在同一温度金属的熔化和结晶应在同一温度(wnd)下进行，该温度下进行，该温度(wnd)称为称为平衡结晶温度平衡结晶

4、温度(wnd)（理论结晶温度（理论结晶温度(wnd)）液体中金属液体中金属(jnsh)原子结晶到晶体上的速原子结晶到晶体上的速度度晶体上的原子溶解入液体中的速度晶体上的原子溶解入液体中的速度晶体与液体处于平衡状态晶体与液体处于平衡状态第六页，共37页。（一）结晶过程（一）结晶过程(guchng)的的宏观现象宏观现象过冷现象过冷现象结晶潜热结晶潜热液态金属冷却到理论液态金属冷却到理论(lln)结晶结晶 温度温度Tm（熔点）时（熔点）时 未未 开始结晶；开始结晶；1、过冷现象、过冷现象(xinxing)温温度度T时间时间第七页，共37页。冷却到冷却到Tm 之下之下Tn (实际结晶温度实际结晶温度)

5、 液态液态(yti)金属开始金属开始结晶结晶过冷度过冷度T 金属金属(jnsh)的实际结晶温度的实际结晶温度Tn与理论结晶与理论结晶温度温度 Tm 之差：之差：T 越大，越大， Tn 越低！越低！温温度度T时间时间nmTTT第八页，共37页。影响影响(yngxing)过冷度的因素过冷度的因素金属的本性：金属不同金属的本性：金属不同(b tn) T 的大小的大小不同不同(b tn)金属的纯度金属的纯度(chnd)：纯度：纯度(chnd)(杂质越杂质越少少)T冷却速度：冷却速度：v 冷却冷却 T v 冷却冷却 T 实际结晶实际结晶温度越低温度越低过冷是金属结晶的必要条件；过冷是金属结晶的必要条件；

6、不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论结晶温度进行结不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论结晶温度进行结晶晶 即对于一定的金属，过冷度有一最小值，若过冷度小于即对于一定的金属，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！该值，结晶过程就不能进行！nmTTT第九页，共37页。当液体当液体(yt)金属缓慢冷至理金属缓慢冷至理论论 凝固温度凝固温度Tm时时,并未开始凝并未开始凝 固固,当温度降至熔点以下某当温度降至熔点以下某 一个温度一个温度Tn时开始结晶时开始结晶;温温度度T时间时间随后温度迅速回升，一直回升至接近熔点随后温度迅速回升，一直回升至接近熔点(rngdin)，温度不温度不 再上

7、升，也不下降。出现恒温结晶阶段，即曲线上再上升，也不下降。出现恒温结晶阶段，即曲线上 出现出现“平台平台”；结晶终止后，温度继续均匀下降！结晶终止后，温度继续均匀下降！第十页，共37页。2 2 结晶结晶(jijng)(jijng)潜热潜热相变潜热：相变潜热：1mol 物质从一个相转变为另一个相时，伴物质从一个相转变为另一个相时，伴 随着放出或吸收随着放出或吸收(xshu)的热量的热量熔化潜热熔化潜热：金属熔化时从：金属熔化时从固相固相 液相液相吸收的热量吸收的热量转变转变结晶潜热结晶潜热：金属结晶时从：金属结晶时从液相液相 固相固相放出的热量放出的热量转变转变结晶过程中，释放结晶过程中，释放(

8、shfng)的结晶潜热的结晶潜热 散失散失的热量的热量温度温度回升回升，甚至已结晶的局部区域，甚至已结晶的局部区域重熔重熔温温度度T时间时间第十一页，共37页。TTn ：结晶：结晶(jijng)潜热释潜热释放放结晶过程结束，结晶潜热释放结晶过程结束，结晶潜热释放(shfng)完毕，冷却曲线继续下降完毕，冷却曲线继续下降补偿补偿(bchng)散失到周围环散失到周围环境的热量境的热量冷却曲线上出现冷却曲线上出现平台平台t 就是结晶过程所用的时间就是结晶过程所用的时间1点：结晶过程的开始点：结晶过程的开始2点：结晶过程的结束点：结晶过程的结束温温度度T时间时间t12第十二页，共37页。2图：图： T

9、n ，尺寸较大的原子团簇，尺寸较大的原子团簇 开始变的稳定开始变的稳定 成为结晶成为结晶(jijng) 核心核心 晶核晶核二、结晶过程二、结晶过程(guchng)：晶体形核：晶体形核 长大过程长大过程(guchng)1图图：Tm ，液态金属中的原子团，液态金属中的原子团 簇极不稳定簇极不稳定 不能成为结不能成为结 晶核心晶核心12第十三页，共37页。3图：图：晶核按各自方向吸收液体中的金属原子晶核按各自方向吸收液体中的金属原子 逐渐逐渐(zhjin)长大长大同时，液态同时，液态(yti)中不断产生新的晶核中不断产生新的晶核 也逐渐长大也逐渐长大3不断发展不断发展4、5图：图：相邻晶体相互相邻晶

10、体相互(xingh)接触接触 液体金属耗尽液体金属耗尽 金属结束金属结束4 5第十四页，共37页。对结晶过程的描述，揭示对结晶过程的描述，揭示(jish)了一个十分重要的规律：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，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。而且两者交错重叠进行。结晶终止结晶终止(zhngzh)获得多晶粒的组织，其中一个晶粒获得多晶粒的组织，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。各个晶粒的位向各不相同。如果在结晶过程中只有一颗晶

11、核并长大，而不出现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一块金属单晶体。第十五页，共37页。均质形核：由熔液自发形成新晶核，液体均质形核：由熔液自发形成新晶核，液体(yt)中出现中出现新新 相晶核的几率是相同的相晶核的几率是相同的 自发形核自发形核异质形核：新相优先异质形核：新相优先(yuxin)出现于液相中的某些区出现于液相中的某些区域的域的 形核方式形核方式 非自发形核非自发形核杂质（未熔杂质（未熔 质点）质点）形核形核：第十六页，共37页。一定过冷度下，晶粒长大过程中保持规则外形一定过

12、冷度下，晶粒长大过程中保持规则外形(wi xn)；长大到互相接触时，规则外形长大到互相接触时，规则外形(wi xn)被破坏；被破坏；长大结束后长大结束后 , 液态金属完全消失，成为多边形的晶粒液态金属完全消失，成为多边形的晶粒长大长大(chn d)：长大长大(chn d)过程实质：液体中金属原子向晶核表面迁过程实质：液体中金属原子向晶核表面迁移过程移过程晶体生长最常见的方式：晶体生长最常见的方式：树枝状结晶树枝状结晶枝晶枝晶长大条件长大条件：过冷度：过冷度第十七页，共37页。1）形成）形成(xngchng)的晶核具有规则外型；的晶核具有规则外型；2）棱角处长出数枝晶细长的树干）棱角处长出数枝晶

13、细长的树干3）树干与周围过冷液体的）树干与周围过冷液体的 界面不稳定，出现凸出界面不稳定，出现凸出(t ch) 尖端，长大成为新的晶枝尖端，长大成为新的晶枝树枝晶生长示意图树枝晶生长示意图一次晶轴一次晶轴二次晶枝二次晶枝/晶轴晶轴第十八页，共37页。4）二次晶枝发展）二次晶枝发展(fzhn)到一定程度后，在其上面长出三到一定程度后，在其上面长出三 次晶枝次晶枝 所有枝晶严密和缝对接起来（液态金属所有枝晶严密和缝对接起来（液态金属 完全消失）完全消失） 形成一个个多边形晶粒形成一个个多边形晶粒树枝晶生长示意图树枝晶生长示意图第十九页，共37页。由树枝状长成晶粒由树枝状长成晶粒第二十页，共37页。

14、Al 77Sr23(wt.%)Al 90Sr10(wt.%)第二十一页，共37页。结晶初期生成的微小晶粒与结晶初期生成的微小晶粒与 液相间的平衡温度低于大晶液相间的平衡温度低于大晶 体与液相间的平衡温度体与液相间的平衡温度 小小 晶体的熔点晶体的熔点大晶体的熔点大晶体的熔点 而通常金属的熔点是与大晶而通常金属的熔点是与大晶 体相对应的体相对应的 结晶过程只能结晶过程只能(zh nn) 在金属熔点以下的温度进行在金属熔点以下的温度进行过过 冷条件下发生！冷条件下发生！解释结晶为什么必需在过冷条件解释结晶为什么必需在过冷条件(tiojin)下进行？下进行？Tn=T小晶粒小晶粒温温度度T时间时间Tm

15、=T大晶粒大晶粒第二十二页，共37页。结晶过程中晶核数目越多，凝固后晶粒数目也越多，结晶过程中晶核数目越多，凝固后晶粒数目也越多， 晶粒越细小晶粒越细小(xxio)；反之，晶粒数目越少，晶粒越粗大；反之，晶粒数目越少，晶粒越粗大；晶核是随机晶核是随机(su j)形成的，位向各不相同，故晶粒的位向形成的，位向各不相同，故晶粒的位向 也不相同也不相同 金属在一般条件下凝固得到的是多晶体金属在一般条件下凝固得到的是多晶体第二十三页，共37页。 晶粒度：晶粒的大小晶粒度：晶粒的大小 晶粒的平均面积晶粒的平均面积(min j)或平均或平均直直 径表示径表示取决于形核率取决于形核率N 和长大速度和长大速度

16、G 形核率形核率N（cm-3.s-1)：单位时间：单位时间(shjin)单位体积液相中形单位体积液相中形成的成的 晶核数目晶核数目第二十四页，共37页。三者之间的关系三者之间的关系(gun x)：N , G 单位体积中晶核数目越多，晶核长大单位体积中晶核数目越多，晶核长大(chn d)空空 间小间小晶粒越细小；反之，晶粒越粗化晶粒越细小；反之，晶粒越粗化单位体积中的晶粒数目单位体积中的晶粒数目(shm)ZV 和单位面积和单位面积中的晶粒数目中的晶粒数目(shm)ZS分别为分别为2/14/311,9 . 0GNZGNZSV第二十五页，共37页。金属结晶后形成的晶粒度对其性能金属结晶后形成的晶粒度

17、对其性能(xngnng)有很大有很大的影响：的影响：有利于提高金属材料的有利于提高金属材料的常温力学性能常温力学性能工业生产中常工业生产中常(zhngchng)采用采用的细化方法：的细化方法：1、控制过冷度、控制过冷度2、变质处理、变质处理3、振动处理、振动处理晶粒越细小晶粒越细小 金属的强度金属的强度(qingd)、硬度越高，塑性、韧性、硬度越高，塑性、韧性 越好越好第二十六页，共37页。纯铁的晶粒度与机械性能的关系纯铁的晶粒度与机械性能的关系 50.01162780.1048.8572630.2039.5442112.528.8401659.7延伸率延伸率100屈服强度屈服强度（MN.m-

18、2)抗拉强度抗拉强度/（MN.m-2)晶粒平均晶粒平均直径直径/mm第二十七页，共37页。过冷度再大过冷度再大 凝因后的金属凝因后的金属(jnsh)不是晶体，而是非晶态。不是晶体，而是非晶态。形核形核组织组织长大长大1、过冷度的影响、过冷度的影响(yngxing)冷却冷却(lngqu)较快较快T大大 形核率形核率N，长大速度，长大速度G N/G ,晶粒多而晶粒多而细小细小缓慢冷却缓慢冷却T 小小形核率形核率N，长大速度，长大速度GN/G ,晶粒少而晶粒少而粗大粗大第二十八页，共37页。2/14/311,9 . 0GNZGNZSV形形核核率率N长长大大速速度度GGN过冷度过冷度T第二十九页，共3

19、7页。2 2、变质处理、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，促使成核率大大中起到了晶核的作用，促使成核率大大(d d)(d d)，细化了晶粒。因此常有意地往其中加一定量的难熔金属细化了晶粒。因此常有意地往其中加一定量的难熔金属或合金或合金(Ti,B,Zr)(Ti,B,Zr)，来细化晶粒的处理。，来细化晶粒的处理。3 3、振动、振动(zhndng)(zhndng)处理处理液态金属中输入一定频率的振动波，形成的对流使成液态金属中输入一定频率的振动波，形成的对流使成长中的数枝晶臂长中的数枝晶臂折断折断 增大晶核数

20、目增大晶核数目 提高形提高形核率核率，细化晶粒，细化晶粒常用的方法常用的方法(fngf)(fngf)：电磁搅拌，机械振动等：电磁搅拌，机械振动等第三十页，共37页。Macroetched test samples of commercial purity Al (left: unrefined; right: refined by Al-5Ti-1B master alloy) 纯纯 Al50 mmAl-5Ti-1B第三十一页，共37页。1 magnet 2 crucible 3 transformer磁场搅拌装置磁场搅拌装置123BNS第三十二页，共37页。-Fe -Fe -Fe 1394 912体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方四、金属四、金属(jnsh)的同素异构性的同素异构性铁具有铁具有(jyu)典型