金属学与热处理解析.ppt

当r rK时，随着晶胚尺寸r的增大，则系统的自由能增加，显然这个过程不能自动进行，这种晶胚不能成为稳定的晶核，而是瞬间形成，又瞬间消失； 当r rK时，随着晶胚尺寸r的增大，则系统的自由能降低，这一过程可以自动进行，晶胚可以自发地长成稳定的晶核； 当r = rK时，这种晶胚既可能消失，也可能长大成为稳定的晶核，因此把rK称为临界晶核半径。 形核功 形成临界晶核时自由能的变化为正值，表示形成临界晶核所要克服的能量障碍，又称为形核功。 将 代入自由能变化公式，求出形核功的最大 值： 这表明，形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3，还有1/3的表面能没有得到补偿，需要另外供给，即需要对形核作功，故称ΔGK为形核功。 晶核的长大 　　长大条件不同，则树枝晶的晶轴在各个方向上的发展程度也会不同，如枝晶在三维空间得以均衡发展，各方向上的一次轴近似相等，这时所形成的晶粒叫做等轴晶粒。 　　如果枝晶某一方向上的一次轴长的很长，而在其它方向长大时受到阻碍，这样形成的晶粒叫做柱状晶粒。 　　具有光滑界面的物质在负的温度梯度下，既有可能形成带有小平面界面特征的树枝状晶体，也有可能长成规则形状的晶体。 细化晶粒的方法－－变质处理。 变质处理是在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。 有的变质剂，虽不能提供结晶核心，但能起阻止晶粒长大作用，因此又称为长大抑制剂。 细化晶粒的方法－－振动、搅动。 振动或搅拌可使正在长大的晶体碎裂成几个结晶核心，又可使受振动的液态金属中的晶核提前形成。 金属铸锭的宏观组织与缺陷 一、铸锭三晶区的形成 表层细晶区、中间柱状晶区、心部等轴晶区 （一）表层细晶区 当高温的液体金属被浇注到铸型中时，液体金属首先与铸型的模壁接触，一般来说，铸型的温度较低，产生很大的过冷度，形成大量晶核，再加上模壁的非均匀形核作用，在铸锭表层形成一层厚度较薄、晶粒很细的等轴晶区，又称激冷区。 表层细晶区的形核数目取决于下列因素： 型壁的形核能力 型壁所能达到的过冷度的大小：铸型的表面温度、热传导能力和浇注温度等。 （二）柱状晶区 表层细晶区形成后，由于液态金属的加热及凝固时结晶潜热的放出，使模壁的温度逐渐升高，冷却速度下降，结晶前沿过冷度减小，难以形成新的结晶核心，结晶只能通过已有晶体的继续生长来进行。由于散热方向垂直于模壁，因而晶体沿着与散热相反的方向择优生长而形成柱状晶区。 铸造织构（结晶织构） 穿晶组织 （三）中心等轴晶区 三、铸锭缺陷（一）缩孔 铸件在冷却和凝固过程中，由于金属的液态收缩和凝固收缩，原来填满铸型的液态金属，凝固后就不再能填满，此时如果没有液体金属继续补充，就会出现收缩孔洞，称之为缩孔。 集中缩孔、二次缩孔 分散缩孔（缩松） （一） 相律及其应用 相律：表示平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。 表达式： F=C-P+2 （压力：不等） F=C-P+1 （压力：常数） C－组元数（component）； P－相数（phase）； F－自由度数（free） 平衡系统的自由度数：平衡系统的独立、可变的因素数。 （在保持合金系的相数不变的条件下，合金系中可改变的、影响合金状态的内部因素和外部因素的数目） （成分、温度、压力） （一） 相律（ F=C-P+1 ）及其应用 （1）确定系统中可能存在的最多平衡相数。 （自由度F=0时，共存的平衡相数具有最大值） 0＝1－P＋1→P=2（单元系）； 0＝2－P＋1→P=3（二元系）； …… （2）解释纯金属与二元合金的结晶差别。 纯金属结晶，液固两相共存， P=2 ，F=1-2+1＝0，恒温 二元合金结晶， P=2 ，F=2-2+1＝1，一个因素可变（温度） 确定二元合金两相共存时平衡相成分 根据相律(P=2，F=2-2+1＝1)，自由度为1，若温度一定，则平衡相成分随之确定。 确定两相的相对含量。 注意：只适用于两相区；三点（一支点和两端点）要选准 二元合金相图的一般几何规律 相律：F=3-P（ F=C-P+1 ；C=2） 1、P=1，F=2 ——位于相图中的单相区（Single Phase Region） 任意一点的成分和温度都可以独立变化而不影响系统的状态。 可以是任意形状。 （恒压下，最大F=2，成分、温度均可变） 2、 P=2，F=1 ——位于相图中的两相区（Two Phase Region）