第二章金属热处理.ppt

第一节 金属结晶的现象 利用图2-1所示的试验装置，先将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后插入热电偶以测量温度，让液态金属缓慢而均匀地冷却，并用X-Y记录仪将冷却过程中的温度与时间记录下来，便获得了图2-2所示的冷却曲线。这一试验方法称为热分析法，冷却曲线又称热分析曲线。从热分析曲线可以看出结晶过程的两个十分重要的宏观特征。 结晶过程的宏观现象 结晶过程的宏观现象 结晶时首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后这些晶核再不断凝聚液体中的原子继续长大。形核过程与长大过程既紧密联系又相互区别。图2-3示意地表示了微小体积的液态金属的结晶过程。 金属结晶的微观过程 当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并未立即出生，而是经一定时间后才开始出现第一批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同时，液态金属中又产生第二批晶核。依次类推，原有的晶核不断长大，同时又不断产生新的第三批、第四批晶核……就这样液态金属中不断形核，不断长大，使液态金属越来越少，直到各个晶体相互接触，液态金属耗尽，结晶过程便告结束。由一个晶核长成的晶体，就是一个晶粒。由于各个晶核是随机形成的，其位向各不相同，所以各晶粒的位向也不相同，这样就形成一块多晶体金属。如果在结晶过程中只有一个晶核形成并长大，那么就形成一块单晶体金属。 第二节 金属结晶的热力学条件 热力学第二定律指出：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。这就说明，对于结晶过程而言，结晶能否发生，取决于固相的自由能是否低于液相的自由能。如果液相的自由能高于固相的自由能，那么液相将自发地转变为固相，即金属发生结晶，从而使系统的自由能降低，处于更为稳定的状态。液相金属和固相金属的自由能之差，就是促使这种转变的驱动力。 金属结晶的热力学条件 要获得结晶过程所必需的驱动力，一定要使实际结晶温度低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。过冷度越大，固、液两相自由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度便越快。这就是金属结晶时为什么必须过冷的根本原因。 第三节 金属结晶的结构条件 大量的试验结果表明，液态金属的结构与固态相似，而与气态金属根本不同。说明固态金属与液态金属的原子间距相差不大；液态金属的配位数比固态金属的有所降低，但变化不大，而气态金属的配位数却是零；金属熔化时的熵值较室温时的熵值有显著增加，这意味着其原子排列的有序程度受到很大的破坏；液态金属结构的X射线研究结果表明，在液态金属的近邻原子之间具有某种与晶体结构类似的规律性，这种规律性不像晶体那样延伸至长距离。 金属结晶的结构条件 根据以上的试验结果，可以勾画出液态金属结构的示意图，如图2-6所示。在液体中的微小范围内，存在着紧密接触规则排列的原子集团，称为短程有序，但在大范围内原子是无序分布的。而在晶体中大范围内的原子却是呈有序排列的，称为长程有序。 金属结晶的结构条件 应当指出，液态金属中短程规则排列的原子集团并不是固定不动、一成不变的，而是处于不断地变化之中。由于液态金属原子的热运动很激烈，而且原子间距较大，结合较弱，所以液态金属原子在其平衡位置停留的时间很短，很容易改变自己的位置，这就使短程有序的原子集团只能维持短暂的时间即被破坏而消失。 金属结晶的结构条件 与此同时，在其他地方又会出现新的短程有序的原子集团。前一瞬间属于这个短程有序原子集团的原子，下一瞬间可能属于另一个短程有序的原子集团。短程有序的原子集团就是这样处于瞬间出现，瞬间消失，此起彼伏，变化不定的状态之中，仿佛在液态金属中不断涌现出一些极微小的固态结构一样。这种不断变化着的短程有序原子集团称为结构起伏，或称为相起伏。 金属结晶的结构条件 液态金属的一个重要特点是存在着相起伏，只有在过冷液体中的相起伏才能成为晶胚。但是，并不是所有的晶胚都可以转变成为晶核。要转变成为晶核，必须满足一定的条件，这就是形核规律所要讨论的问题。 第四节 晶核的形成 在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式：一种是均匀形核，又称均质形核或自发形核；另一种是非均匀形核，又称异质形核或非自发形核。若液相中各个区域出现新相晶核的几率都是相同的，这种形核方式即为均匀形核；反之，新相优先出现于液相中的某些区域称为非均匀形核。 （一）形核时的能量变化和临界晶核半径 在一定的过冷度条件下，固相的自由能低于液相的自由能，当在此过冷液体中出现晶胚时，一方面原子从液态转变为固态将使系统的自由能降低，它是结晶的驱动力；另一方面，由于晶胚构成新的表面，形成表面能，从而使系统的自由能升高，它是结晶的阻力。 均 匀 形 核