工程材料2 1纯金属的结晶1

1、ChangzhouUniversity常州大学第二章金属材料组织和性能的控制第一节第二节第三节第四节第五节第六节纯金属的结晶合金的结晶金属的塑性加工钢的热处理钢的合金化表面技术1材料学院金属材料系ChangzhouUniversity常州大学第一节纯金属的结晶一、纯金属的结晶二、同素异构转变三、细化铸态金属晶粒的措施四、铸锭的结构五、单晶的制取2材料学院金属材料系第一节纯金属的结晶冶结晶：金属从液态转变为固态（晶态）的过程一次结晶：液态固体晶态二次结晶（重结晶）：固体晶态另一种固体晶态3一、纯金属的结晶结晶：液体晶体凝固：液体固体（晶体或非晶体）液体晶体短程有序长程有序41.纯金属结晶的条件1

2、）热力学条件（必须过冷）TT0Tna理论结晶温bDT=T0-Tned c度开始结晶温度绝大多数纯金属（如铜、铝、银等）的冷却曲线ft纯铜的冷却曲线液体金属在结晶时的温度-时间曲线冷却曲线5（1） ab液态逐渐冷却（2） bc温度低于理论结晶温度过冷现象DT = T0 - Tn过冷度t（3）cd正在结晶回升结晶时释放的结晶潜热大于向环境中散失的热量（4） de正在结晶平台结晶时释放的结晶潜热与向环境中散失的热量相等（5） ef固态逐渐冷却t孕育期6 V冷越大，过冷度越大，即实际结晶温度越低7为什么金属结晶时一定要有过冷度（存在过冷现象）？热力学第二定律表明，在等温等压的条件下，物质系统是自发地从

3、自由能高的状态向自由能较低的状态转变。 G相的自由能随温度的升高而降低dG=-SdT+VdPG结晶为等压过程，即dP=0dG = -SdTdG = -SGGdT液、固态金属的自由能-温度曲线两条曲线交点的温度T0即为理论结晶温度或熔点。液态金属 要结晶，温度必须低于T0，也就是说要有一定的过冷度。8有一定的过冷度G两相的自由能之差G成为结晶的驱动力GG结晶时建立晶体界面消耗能量 A结晶过程的热力学条件G A即过冷度要足够大液、固态金属的自由能-温度曲线过冷度T 越大，结晶的驱动力也越大。9G2）结构条件（结构起伏）在液态金属中的微小范围内，存在着紧密接触规则排列的原子集团，称为近程有序。但在大

4、范围内原子是无序分布的。液态金属结构的特点是，“远程无序，近程有序”。在晶体中大范围内的原子却是有序排列的，称为远程有序。不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏，或称为相起伏，这是金属结晶重要的结构条件。结构起伏的尺寸大小与温度有关，温度越低，结构起伏的尺寸愈大。凝固时的晶核就是在结构起伏的基础上形成， 故又将其称为“晶胚”。在液体中的晶胚为形核准备了结构上的条件。102.金属的结晶过程：形核和长大（1） 形核1） 自发（均匀）形核：由液体金属本身原子自发形成晶核2） 非自发（非均匀）形核：依附于杂质而生成晶核金属结晶过程示意图杂质符合“结构相似，尺寸相当”原则实际金属和合金中以非自发形核为

5、主11（2）晶核的长大：（实质就是原子由液体向固体表面的转移。）1）平面长大：冷却速度较小，表面向前平行推移长大2）树枝状长大：冷却速度较大，形成负温度梯度，树枝状的形状长大。金属结晶示意图12平面长大的规则形状晶体树枝状长大的树枝状晶体金属的树枝晶金属的树枝晶13第一节纯金属的结晶一、纯金属的结晶二、同素异构转变三、细化铸态金属晶粒的措施四、铸锭的结构五、单晶的制取14二、同素异构转变(二次结晶、重结晶)u 在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银（FCC）和钨、钼、钒（BCC）等。u 存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等。同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种

6、晶格的现象。纯铁的冷却曲线15d - Fe 1394g - Fe 912a - Febccbccfcc三个特殊温度：1538 C 、1394C 、912C770C ：居里点，磁性转变温度 固态相变形核和长大过冷度较大 钛、锡、钴、锰等金属也存在同素异构转变。16第一节纯金属的结晶一、纯金属的结晶二、同素异构转变三、细化铸态金属晶粒的措施四、铸锭的结构五、单晶的制取17三、细化铸态金属晶粒的措施1、晶粒度晶粒度表示晶粒的大小，可用晶粒的平均面积或平均直径来表示。晶粒度号越大晶粒越细182、晶粒度对金属性能的影响退火态7030黄铜晶粒尺寸与硬度的关系图细化金属晶粒是提高其金属机械性能的最佳手段之一

7、。在高温下工作的金属材料，晶粒过大或过小都不好。但对于制造电 动机和变压器的硅钢片来说，其晶粒越大性能越好。19比较：细晶强化 强度、硬度、塑性、韧性 固溶强化 强度、硬度，塑性、韧性3、 晶粒大小的控制1） 增大过冷度成核速率N： 个/(m3s)长大速度G：m/s比值N/G越大，晶粒越细小 实际过冷度对成核速率的影响更大措施：提高液体金属的冷却速度金属模超高速急冷技术202）变质处理（自发形核和非自发形核）变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。作用：增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大形核剂长大抑制剂变质剂（孕育剂）例：形核剂：钢水，Ti、V、Al；铝液体，Ti、Zr长

8、大抑制剂：铝合金中加入钠盐213）振动机械、超声波，破碎树枝晶，更多的结晶核心4）电磁搅拌电磁感应，液态金属翻滚，冲断晶枝，增加结晶核心细化晶粒的基本途径：“促进形核、抑制长大”22第一节纯金属的结晶一、纯金属的结晶二、同素异构转变三、细化铸态金属晶粒的措施四、铸锭的结构五、单晶的制取23四、铸锭的结构表层细等轴晶区中间柱状晶区心部粗等轴晶区24铸锭晶粒形状的影响因素柱状晶特点：晶质较致密；性能有方向性，单向载荷有利；（如汽轮机叶片）接触面由于常有非金属夹杂或低熔点杂质而为弱面熔点高和杂质多的金属（如铁、镍及其合金）不希望生成柱状晶；熔点低，不含易熔杂质，塑性好的金属（铝、铜等有色金属及其合金）希望得到柱状晶结构等轴晶没有弱面，晶枝彼此嵌入，结合较牢，性能均匀，无方向性，是一般情况下金属特别是钢铁铸件所要求的结构。加热温度高、冷速大、铸造温度高和浇注速度大，有利于在铸锭或铸件的截面上保持较大的温度梯度，获得较发达的柱状晶。铸造温度低，冷速小，利于截面温度的均匀化，促进等轴晶的形成。25铸锭的缺陷1） 缩孔（集中缩孔）-最后凝固的地方2） 疏松（分散缩孔）-枝晶间和枝晶内3） 气孔（皮下气孔）26第二章金属材料组织和性能的控制第一节第二节第三节第四节第五节第六节纯金属的结晶