工程材料与成形技术基础第2版教学课件ppt作者庞国星第二章金属与合金的晶体结构和二元合金相图2第二节金属的结晶与同素异晶转变课件.pptVIP

第二节 金属的结晶与同素异晶转变 物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 一、 纯金属的结晶 1、冷却曲线与过冷度 金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。 纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。 结晶只有在T0以下的实际 结晶温度下才能进行。 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差?T称过冷度。 ?T= T0 –T1 过冷度大小与冷却速 度有关，冷速越大， 过冷度越大。 2. 结晶过程（1）晶核的形成 结晶由晶核的形成和晶核 的长大两个基本过程组成。 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。 晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 晶核的形成有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。 （2）晶核的长大 晶核的长大方式有两种，即 均匀长大和树枝状长大。 在正温度梯度下，晶体生长 以平面状态向前推进。 实际金属的结晶主要以树枝状长大。 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。 树枝状结晶 3. 结晶后的晶粒大小 表示晶粒大小的尺度叫晶 粒度。晶粒度可用晶粒的 平均面积或平均直径表示。 工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。 （1）晶粒大小对金属性能的影响 高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。 （2）晶粒大小的控制 晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。 单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。 单位时间内晶核生长的长度 1）控制过冷度：随过冷度增 加，N/G值增加，晶粒变细。 2）变质处理：又称孕育处理。 即有意向液态金属内加入非 均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。 3）振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶 破碎，使晶核数目显著增加。 二、金属的同素异构转变 物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于 相变之一—固态相变。 1. 铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次晶 体结构变化，其变化为： ?-Fe、 ?-Fe为体心立方结构(BCC)，?-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。 2. 固态转变的特点 固态下的相变也是一个形核和长大的过程，但有着与结晶不同之处，其特点为： （1）形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。 （2）由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 （3）固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。 三、铸锭(件)组织与缺陷 在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。 （一）铸锭(件)的组织 铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成: 1、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。 2、 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。 3、中心粗等轴晶区：由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。 （二）铸造缺陷 铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的。 1、缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。 2、偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭(件)在结晶时，由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结