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金属工艺学---2 主讲: 朱明 高级技师、经济师、工程师 高级技能专业教师 汽车维修高级考评员 　　　第二章 金属材料的基本知识　　　 　　　三、纯金属的结晶 什么叫结晶？前面我们已经知道：金属在固态下一般都是晶体，其原子在空间呈有规律排列；而在液态下，则原子的排列并不规则。因此，金属的结晶就是金属液体转变为晶体的过程，亦即金属原子有无序到有序的排列过程。 这里有两个知识点：一是什么是理论结晶温度和实际结晶温度，理论结晶温度和实际结晶温度之差称为“过冷度”；二是结晶的两个过程。 下面请先看描述理论结晶温度和实际结晶温度的“纯金属的冷却曲线”。 　 金属结晶时随时间的增长，温度逐渐降低，为什么到实际结晶温度时会出现一个平台呢？原因是： 1.这时虽然液体金属向外散热，但其温度并没下降，这是由于在这一温度液体开始结晶，其结晶释放潜热，补偿了液体对外的热量散失。 2.温度的平衡就出现了水平台阶，这台阶对应的温度正是实际结晶温度。 3.台阶的开始时间即结晶的开始，终了时间即结晶的终了，结晶终了后就没有结晶潜热来补偿热量的散失，所以温度又开始下降。 再看结晶的过程，它实际上分为“晶核的形成”和“晶核的长大”两个过程。 1.晶核的形成—当液态金属温度下降到实际结晶温度时，在某些局部微小的体积内，原子自发的聚集在一起，并按金属晶体的固有规律排列成有规则的原子集合体，形成结晶的核心，称为晶核。实际生产中，金属液体内常存在各种固态的杂质微粒。金属结晶时，依附于这些杂质的表面形成晶核比较容易。比如，铸造发动机活塞的铝合金ZL103时，加入Ti（钛）和B（硼）比不加这两种元素，晶核数增加了22.5～25倍！这种依附于杂质表面而形成晶核的过程称为非自发形核（外来形核），它在生产中所起的作用更为重要。 2.晶核的长大—晶核形成后，它可以吸附周围液体中的原子，向晶核靠拢，使晶核不断长大(见下图）。 晶粒以树枝状方式长大： 晶核→长出棱角→树枝状的一次晶轴→二次晶轴→三次晶轴→四次晶轴……相邻的晶轴相遇→晶轴变粗→再生出新的晶轴…… 可以看到，每个晶核长成的晶体就是晶粒。晶粒的粗细对金属的力学性能影响很大。同一成分的金属，晶粒愈细，其强度、硬度愈高，而且塑性和韧性也愈好。(当然，晶粒粗也有其特性，比如，粗晶粒的金属的耐蚀性好；作为软磁材料的纯铁，晶粒越粗大，则导磁率越大，磁滞损耗减少。)就利用金属的力学性能而言，促使和保持晶粒细化是金属冶炼和热加工过程中的一项重要任务。细化铸态金属晶粒的主要途径有： 1.加快冷却速度，以增加晶核数目。 2.在金属浇注之前，向金属液内加入变育剂（孕育剂）进行变质处理，以增加外来晶核。 3.附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，输入能量，促进均匀形核，打碎枝晶，增加形核率。 纯铁晶粒度与力学性能的关系： 冷却速度不同形成的晶粒度不同示意图 加入孕育剂进行变质处理得到不同的晶粒大小： 四、铁碳合金 （一）纯铁的同素异构转变 就像碳有同素异构转变：木炭、石墨、金刚石一样，铁及锡、钛、锰等金属在结晶之后，会在不同温度范围内将呈现出不同的晶格，如纯铁就可以形成体心立方和面心立方两种晶格。这种随着温度的改变，固体金属晶格也将随之改变的现象，称为“同素异构转变”，也称“同素异晶转变”，属于金属的二次结晶或重结晶。 下面请看“纯铁的同素异构转变”图。 （二）铁碳合金的基本组织(P11) （三）铁碳合金状态图 从 1868 年俄国学者切尔諾夫注意到只有把钢加热到某一溫度以上再快冷﹐才能使钢淬硬﹐从而有了临界点的概念起，到1899年罗伯茨-奧斯汀制定了第一张铁碳相图，随着科学技术的发展﹐铁碳平衡图得到不断的修订﹐日臻完善。 铁碳平衡图相当复杂，但它也很有规律：遵循“相区接触法则”、“相律”和“杠杆定律”。对机械热加工有重要的指导意义，与“C曲线”和“CCT曲线”合称冶炼和热处理工艺的“三盏明灯”。显然，要一下子弄懂不容易，但又是学习好金属工艺学者必须跨过的门槛。下面我只做一个简介。 我们就以“钢和铁的区别指标：C＝2.11％的深度解释是什么？”这个问题讲起。 钢与铁的组织区别： 1.铁为共晶转变的产物—莱氏体或莱氏体＋渗碳体；钢则为共析转变的产物—珠光体或珠