第二章-纯金属的结晶

第二章纯金属的结晶主要内容：

金属结晶的热力学条件金属结晶的一般过程晶核形成与长大晶粒大小的控制铸锭的组织与控制一、凝固与结晶的概念凝固—物质由液态变为固态的过程。第一节纯金属的结晶结晶是凝固过程的一种特殊形式。特点：恒温点完成。结晶—晶体物质由液态变为固态的过程。二、结晶的现象和规律(1)、过冷现象与过冷度过冷现象：纯金属的实际开始结晶温,Tn

总是低于理论结晶温度Tm,

这种现象称为过冷。过冷度：△T=Tm—Tn结晶平台(是由结晶潜热导致)时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线TmTn过冷度↑，实际开始结晶温度↓。冷却速度↑，过冷度↑。金属冷却曲线为什么需要过冷条件？——满足热力学条件自由能：G=H-TS或

dG=VdP-SdT(2)、纯金属结晶的热力学条件热力学第二定律：自由能G较高状态自由能G较低态自发结晶条件下：<0ΔTG固G液自由能

G温度TΔG

Tm

过冷是结晶的必要条件。结晶驱动力：△G=G固-G液≤0。只有当Tn<Tm，G固<G液，结晶才能自发进行。V冷却↑，△T↑，△G↑，结晶驱动力↑(3)、金属结晶的一般过程结晶后的固态金属一般由大小不一、取向各异、外形不规则的等轴晶粒组成的多晶体。结晶过程：形核和核长大的过程，是交错重叠进行。若结晶只形成一个晶核并长大，则得到单晶体。三、晶核形核方式1、两种形核方式均匀形核——

晶核在均匀液相中由液相的原子集团直接形成，不受杂质粒子或外表面影响。非均匀形核——

晶核依附于固态杂质或模壁上直接形成。2、均匀形核近程有序：液态金属在微小范围内紧密接触排列规则的原子集团。结构起伏：近程有序原子集团在液相中不断变化。晶胚：温度降至熔点以下，过冷液相中某些近程有序原子集团可能成为均匀形核的晶胚。

在一定△T下的晶胚，当晶胚尺寸>此△T下临界尺寸时→稳定晶胚。

形核率：单位时间单位体积液相中形成的晶核数目，用N表示。形核率与实际过冷度关系：以下两个因素：△T△G2)、原子的迁移能力或扩散系数D。1)、固相与液相的自由能差△G,即形核驱动力；

△TTD中等过冷条件下N达到最大值。有效过冷度：形核率骤然增加时的过冷度称为有效过冷度△Tp。△Tp=0.2Tm。金属形核率与过冷度关系3、非均匀形核1)、特点：所需过冷度很小晶核依附在固体杂质或模壁上形成，降低界面能，降低形核阻力。2)、条件：作为结晶核心的固相粒子与晶核之间要符合点阵匹配原则——“结构相似、尺寸相当”。相似、相当程度越大，形核作用越明显，所需过冷度越小。四、晶体长大1、长大的驱动力和条件①.晶体长大时——体积△G降低>表面△G增加；一般，△T，长大速度越快。②.液相温度相对足够高，以使原子有足够的扩散能力。中等过冷度下长大速度最大。符合山形曲线长大条件：在过冷液相中进行2、长大方式影响因素：固—液界面前沿液相的温度梯度a.正温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增大而增大，过冷度降低。b.负温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增大而降低，过冷度增大。平面状长大：在正温度梯度下，晶体始终保持液、固平直表面长大——规则外形离界面距离↑，△T↓——突出部分长大速度↓甚至熔化，使周围部分赶上。b.遵循表面能最小法则密排晶面，比表面能↓——晶体成长成以密排面为外表面的规则形状。平面状长大树枝状长大树枝状长大：在负温度梯度下，局部突出的晶芽在较大过冷度下，比周围晶体更快长大和分枝——树枝状晶体。离界面距离↑，△T↑——晶体易于突出长大，不断分叉(一次轴、二次轴、三次轴)成树枝状。一般金属结晶时，均以树枝状长大。冷却速度↑，△T↑,树枝状长大趋势↑，分枝↑。

树枝状长大示意图金属的树枝晶冰的树枝晶五、晶粒大小的控制1、晶粒度

晶粒度：

晶粒大小，分8级。形核率和长大速度与过冷度关系影响因素：形核率N和长大速度G的比值，N/G↑,晶粒越细小。2、细化晶粒的措施a、控制过冷度——提高冷却速度促进动核产生—机械振动、超声波处理、电磁搅拌等。N↑,G↓，则晶粒细化。

V冷却↑，△T↑,N↑↑,G↑,N/G↑,晶粒细小。b、变质处理(孕育处理)

形核剂→非均匀形核，细化晶粒。c、振动、搅拌第二节铸锭组织与缺陷一、铸锭的典型组织1、表层细晶区：表面激冷2、柱状晶区：背着散热方向平行向液相择优生长。3、中心等轴晶区：散热方向不明显，均匀冷却。晶核激冷晶粒柱状晶粒等轴晶粒二、铸态组织的控制

柱状晶区组织致密，晶面较平直，彼此结合不强，互相垂直的两组柱状晶的交界面为“弱面”，轧制时易沿着弱面开裂；塑性较好的金属及合金如铜、铝可加大柱状晶区；塑性较差的金属及合金如钢铁、镍和金要避免形成柱状晶；等轴晶没有明显的弱面，加工时不易开裂，一般要求获得等轴晶组织。二、铸锭缺陷1.

缩孔：金属液凝固收缩后得不到补充。孔大而集中——集中缩孔孔细小且分散——分散缩孔(疏松)3Cr3Mo3VNb锻棒的残余缩孔TC4钛合金锻棒中的残余缩孔WNr2713轧棒中的残余缩孔2.

气孔：凝固过程中气体析出产生。5CrNiMo模具锻坯气