工程材料 第四章 凝固与细晶

工程材料第四章凝固与细晶第1页，课件共18页，创作于2023年2月

第四章凝固与结晶

4.1液态金属的结构

4.2金属结晶的基本规律

4.3聚合物、陶瓷的凝固与结晶凝固：液体→固体（晶体或非晶体）结晶：液体→晶体第2页，课件共18页，创作于2023年2月4.1液态金属的结构射线衍射分析，证明液态的结构比较接近于固态。其内部原子排列从长程看是不规则的。但从短程看，则存在有规则排列的小原子集团。在原子周围存在大量空隙或孔洞。这种原子团尺寸不一，瞬时存在，瞬时形成，在金属液中此起彼伏地不断变化，这种现象即称为结构起伏。

结构起伏是发生结晶的基础。液态金属结构

第四章凝固与结晶第3页，课件共18页，创作于2023年2月4.2金属结晶的基本规律1、冷却曲线与金属的结晶温度

图1热分析装置示意图图2纯金属冷却曲线

第四章凝固与结晶第4页，课件共18页，创作于2023年2月4.2金属结晶的基本规律2、过冷现象与过冷度►

纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷。

过冷度

△T=Tm-TnTm-----理论结晶温度，Tn------实际结晶温度。►金属结晶，必须过冷，否则，就不会产生结晶。纯金属的△T不是一个恒定值，对同一种纯金属液，冷却速率越大，△T就越大。

第四章凝固与结晶结晶的条件：液态金属具有一定的过冷度。第5页，课件共18页，创作于2023年2月

3、结晶的条件★热力学第二定律：自由能差△E是物质中能够自动向外界释放出其中多余或者能够对外做功的这一部分能量。△E=EL-ES图3金属在不同状态下的自由能随温度的变化自由能高自由能低等温等压状态

第四章凝固与结晶★T=Tm时，EL=ES

△E=0，两相平衡；★T<Tm时，△E<0，结晶过程可自动进行。★△E=△T·（Lm/Tm）过冷度△T越大，结晶的驱动力也越大第6页，课件共18页，创作于2023年2月4.2金属结晶的基本规律图4纯金属结晶过程示意图图5钢锭中的树枝状晶体

第四章凝固与结晶第7页，课件共18页，创作于2023年2月4、晶核的形成与长大

①自发形核与非自发形核►自发形核:金属液在过冷的条件下，一定尺寸以上的原子团即可成为晶核而长大。这种由金属本身原子团形成晶核的过程称为自发形核。►

非自发形核:在过冷条件下，金属本身原子依附于外来物质或外来微粒表面而形成晶核并长大的过程叫非自发形核。

第四章凝固与结晶结构相似尺寸相当非自发形核所需的过冷度比自发形核时要小得多，例如小液滴纯铁均匀形核时的过冷度可达295℃，这样大的过冷度在实际生产中是不可能看到的。实际金属结晶的过冷度一般不超过20℃，就是因为金属液中总含有微量的难熔杂质微粒或铸型壁等可作为非均匀形核的基底。第8页，课件共18页，创作于2023年2月4、晶核的形成与长大

②晶核的长大

(1)平面长大当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。平面长大的结果，晶体获得表面为密排面的规则形状。(2)树枝状长大当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后得到具有树枝状的晶体。

第四章凝固与结晶第9页，课件共18页，创作于2023年2月5、金属结晶后晶粒的大小

自发形核时临界晶核半径形核功为非自发形核时

临界晶核半径形核功为一般情况下0＜θ＜π则►

尽管非自发临界晶核半径与自发临界半径相等，但实际上差异较大。如图所示：图9自发形核与非自发形核的临界晶核半径比较均质时rKrK非均质所以

第四章凝固与结晶第10页，课件共18页，创作于2023年2月4.2金属结晶的基本规律6、金属结晶后晶粒大小的控制①增加过冷度增加过冷度，△T增大，rK减小，形核率增加，晶粒越细，A均匀/非均匀减小，形核越容易；但是，△T不能太大，否则，原子扩散速度减慢，结构起伏减小，形核率减小。

主要措施：增加凝固过程的冷却速度；降低浇注温度，选择吸热能力和导热能力较大的铸型材料。

成核速率、长大速度与过冷度的关系

第四章凝固与结晶

晶粒越小,金属的强度、塑性和韧性越好。细晶强化提高金属机械性能的重要途径之一。第11页，课件共18页，创作于2023年2月6、金属结晶后晶粒大小的控制②变质处理

变质处理就是人为向金属液中加入某些物质（称为变质剂），作为非自发形核的基底，从而细化晶粒。例如，铅合金中加入微量Ti、Zr，钢中加入微量Al或Ti。③附加振动

采用机械、超声波、电磁振动使铸型中金属液产生运动，晶轴碎裂，增加结晶核心，从而细化金属晶粒。4.2金属结晶的基本规律思考题如果其他条件相同，试比较不同铸造条件下铸锭晶粒的大小（1）金属模铸造与砂模铸造（2）高温浇铸与低温浇铸（铸型温度）（3）铸成薄件与铸成厚件（4）浇铸时采用振动与不采用振动

第四章凝固与结晶第12页，课件共18页，创作于2023年2月4.2金属结晶的基本规律7、铸件的凝固组织图8为铸锭截面的典型宏观组织示意图。图中可以看到具有不同组织特征的三个晶区。即细晶区、柱状晶区和等轴晶区。

第四章凝固与结晶第13页，课件共18页，创作于2023年2月4.2金属结晶的基本规律7、铸锭组织图9铸件的宏观组织形成过程示意图

第四章凝固与结晶第14页，课件共18页，创作于2023年2月4.2金属结晶的基本规律7、铸锭组织铸锭组织三个晶区的形成原因？1)表层细晶区剧烈冷却，产生很大的过冷度，形成大量晶核，故得到很细的晶粒组织。2)柱状晶区模壁被熔液加热而升高温度，结晶潜热释放，形核迅速下降，择优生长。3)中心粗等轴晶粒区接近铸锭中心，液相中的温度已比较均匀，剩余液相几乎同时进入过冷状态。中心区的过冷度变小，形核率也较低，由表层细晶区形成的小晶块或柱状晶体的多次晶轴受液流冲击而破碎的小晶块，它们被金属液的流动带进中心区，作为晶核而长大，形成中心等晶轴区。

第四章凝固与结晶第15页，课件共18页，创作于2023年2月4.2金属结晶的基本规律7、铸锭组织

第四章凝固与结晶第16页，课件共18页，创作于2023年2月4.3陶瓷、聚合物的凝固与结晶

陶瓷结晶规律与金属相类似，需要一定的过冷度，也是晶核形成与核长大的过程，组织变化规律与合金相似。聚合物结晶过程也是晶核形成与长大过程，有自发形核与非自发形核之分，所不同的是“大分子结构链段”替代了液态金属中的“原子团（或临界晶核）”。

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