第一章 §3金属的结晶与铸锭

§3金属的结晶与铸锭本章学习要点：∆

形核条件∆

结晶过程及结晶的微观机理∆影响铸造中晶粒大小的因素及控制

∆

结晶后的组织特征液体-->

固体（晶体或非晶体）--

凝固液体-->

晶体--结晶

晶体液体结晶金属结晶现象1热力学条件热力学——系统转变的方向和限度——转变的可能性热力学第二定律：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。

ΔG=G(转变后)

－G(转变前)

<0

只有存在ΔT

时，才能保证ΔG<0，

使L→S——存在过冷度ΔT的原因。2.金属结晶的宏观现象

1.过冷现象

2.结晶潜热(Lm)ΔGv=LmΔT/Tm二

结晶的过程结晶的过程：形核与长大

1形核：形核方式有两种：均匀形核，即新相晶核在母相内自发地形成；非均匀形核，即新相晶核在母相与外来夹杂的相界面处优先形成。工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进行，但均匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研究晶体材料凝固问题的理论基础，而且也是研究固态相变的基础。（1）、均匀形核

均匀形核（均质形核）是指在均匀单一的母相中形成新相结晶核心的过程。均匀形核的能量和结构条件

在过冷的液态金属中，晶胚形成的同时，体系自由能的变化包括转变为固态的那部分体积引起的自由能下降和形成晶胚新表面引起的自由能的增加。假设单位体积自由能的下降为ΔGv(ΔGv<0)，比表面能为σ，晶胚假设为球体，其半径为r,则晶胚形成时体系自由能的变化为:ΔG=4πr3ΔGv/3+4πr2σ

当r<rc

时，晶胚的长大使系统自由能增加，晶胚不能长大。当r>rc

时，晶胚的长大使系统自由能降低，这样的晶胚称为临界晶核，rc为临界晶核半径。

可见，过冷度ΔT越大，rc

越小，即形核的机率增加。形成临界晶核需要的能量称为临界晶核形核功ΔGc,即上式表明，形成临界晶核时液、固相之间的自由能差只能供给所需要的表面能的三分之二，另外的三分之一则需由液体中的能量起伏来提供。金属形核三个条件：

(1).过冷度（ΔT

）(2).结构起伏(3).能量起伏

瞬时1瞬时2经研究发现在略高于熔点时，液态金属的结构具有以下特点：是近程有序远程无序结构，见右图；存在着能量起伏和结构起伏。局部的近程有序（2）、非均匀形核假定固相晶胚α以球冠状形成于基底B的平面上，如图5-9所示,设固相晶核表面的曲率半径为r，晶核与基体面的接触角为θ，球冠底圆半径为R..在（0，π）之间（2-3cosθ+cos3θ）恒小于1即非均匀形核功很小，在很小的ΔT下即可形核。而且，θ角越小，润湿越好，则越易生核。总之，非均匀形核比均匀生核容易。(3)形核率（N=cm-3s–1）：单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。意义:N越大，结晶后获得的晶粒越细小，材料的强度高，韧性也好。控制因素:N=N1•N2N1─受形核功影响的因子；（ΔT↑N1↑）

N2─受扩散控制的因子。（ΔT↑N2↓）实际生产中过冷度均匀形核(自发形核)：核来源于结构起伏过冷度：ΔT=0.2Tm

非均匀形核（非自发形核）：核来源于金属溶液中的第二相杂质粒子。形核功下降故其过冷度：ΔT=0.02Tm

2晶核的长大

——“枝晶生长”方式——常见三、晶粒大小及控制（1）晶粒大小对材料性能的影响常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。（2）铸造中控制晶粒大小每个晶核长成一个晶粒，形核率越大，长大速度越小，则单位体积中的晶粒数目越多，晶粒越细小。凡促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒。在工业上常用的方法有：增加过冷度ΔT

变质处理振动、搅动：机械方法、电磁波搅拌、趋声波搅拌等。四

金属铸锭的组织与缺陷

1、铸锭三晶区（一）表层细晶区形成原因：（1）过冷度ΔT大。（2）模壁作为非均匀形核的位置。（二）柱状晶区形成原因：

(1)细晶区形成后，模壁温度升高，结晶前沿过冷度ΔT逐渐减小，不易形成新的晶核，而已形成的细晶区中某些晶粒可以长大。

(2)垂直于模壁方向散热最快，晶体沿相反方向择优生长成柱状晶。（三）中心等轴粗晶区形成原因：

（1）液体温度全部降到结晶温度以下，可同时形核。

（2）杂质集中与此，降低了液体的熔点，满足了结晶对过冷度的要求。（3）散热失去了方向性，各方向长大速度相差不大。

——长成等轴晶。由于过冷度ΔT不大，晶粒较粗大。等轴晶柱状晶优点：无方向性，无明显弱面，热加工性能好。缺点：显微缩孔多，致密性差。优点：结构致密缺点：1、由于结晶位向一致，性能有方向性，热加工性能差。

2、两个不同方向柱状晶的结合处，杂质多，强度低，称为弱面，热轧时易破断。等轴晶和柱状晶体性能比较2铸锭组织的控制一般有三个晶区，凝固条件复杂，在某些情况下只有柱状晶区，而有的只有等轴晶区。（一）影响柱状晶生长的因素：（1）铸锭模的冷却能力柱状晶的长大速度与己凝固固相的温度梯度和液相的温度梯度有关，固相的温度梯度越大，或液相的温度梯度越小，则柱状晶的长大速度便越大。铸锭模及刚结晶的固体的导热能力越大，越有利于柱状晶的生长。对尺寸较大的铸件，若增加金属铸模的厚度，提高铸模的冷却能力，都会增加柱状晶。但对尺寸较小的铸件，若铸模冷却能力很大，反而促进等轴晶的发展（增加形核率），如在小连铸小截面钢坯时，采用水冷结晶器，就可使连铸锭全部获得细小的等轴晶粒。（2）浇注温度与浇注速度提高浇注温度和浇注速度，使温度梯度增大，有利于柱状晶发展。（3）熔化温度熔化温度越高，液态金属过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，非均匀形核数目减少，从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶区的发展。3铸锭缺陷常见的缺陷有缩孔、气孔及夹杂物等。（一）缩孔大多数金属液态密度要小于固态，因此结晶时要发生体积收缩。缩孔分为集中缩孔和分散缩孔（缩松）两类。

1、集中缩孔

2、分散缩孔(二)气孔(气泡)

铸锭中的主要气体是