金属热处理(哈工大)第三章详解.ppt

金属材料及热处理 第二篇 纯金属与合金的凝固 为什么要研究凝固？ 原材料的组织（毛坯） 两种毛坯组织形式 铸锭组织 型材与锻件组织 获得相应毛坯组织的方法 （铸造）结晶 （压力加工）塑性变形 焊接熔池形成焊缝组织及其性能 铸造生产——砂模铸造 铸造 铸造 钢锭的组织示意图 钢锭的组织示意图 本篇的核心内容： 不同的结晶过程 ——不同的合金组织 ——不同的合金性能 通过控制结晶过程来获得需要的合金性能 第三章 纯金属的凝固 晶体的凝固即为结晶 本章提要 金属结晶的宏观与微观过程 结晶条件 形核与长大规律 控制铸件晶粒的措施 3.1 纯金属的结晶过程 3.1.1 结晶过程 不断的形核以及晶核不断长大的过程 形核率（N）：单位时间、单位体积液相中形成晶核的数量。（m-3.s-1） 晶核长大速率（G）：单位时间内晶核长大的线速度。（ m.s-1 ） 3.1 纯金属的结晶过程 3.1.2 液态金属的结构 不是完全无序的 不断有近程有序的原子 集团（晶胚）出现 这种结构时而形成，时 而散开，称为结构起伏 液态结构特点：长程无序，存在各种尺寸短程有序的结构起伏 金属结晶的结构条件 液相的结构起伏提供了各种尺寸的有序原子集团，成为结晶时核胚的来源。 3.2 结晶的热力学条件 3.2.1 过冷现象 金属结晶是在平衡 结晶温度以下开始的 过冷度ΔT=Tm-Tn 3.2.2 凝固的热力学条件 为什么降温发生凝固？ 等温等压条件下化学 反应自发进行的条件 是体系的自由能降低。 凝固时自由能如何变化？ 金属结晶的热力学条件 等温等压条件下 3.3 形核规律 3.3.1 均匀形核 指通过在均匀的母相中自发形成新相结晶核心的过程。 1.均匀形核的能量变化 均匀形核能量条件的推导 假设形成的晶胚为球体，半径r 2.形核功 即：相变时体系的体积自由能的降低未能完全抵消新相形成时增加的界面能 纯金属结晶的条件 结构条件 要求原子排列接近晶体 可由液相结构起伏满足 热力学条件 要求结晶过程体系自由能降低 可由液相具有的过冷度满足 能量条件 要求能克服体系增加的临界形核功 可由液相中的能量起伏满足 过冷度对临界晶核形成的影响 3.形核率 形核率，N（/m3s）: 指单位时间、单位体积内形成的晶核的数量 形核率影响结晶后晶粒的大小 影响均匀形核率的因素 形核功 原子扩散 过冷度对均匀形核率的影响 金属结晶主要考虑过冷度因素 有效成核温度 该处ΔT=0.2Tm 纯净金属的均匀形核需要很大过冷度 金属均匀形核总结 形核时能量变化包含体积自由能的降低和新相界面能的增加 形核时需要满足结构、热力学、能量三方面条件 临界形核功等于新相界面能的1/3 过冷度显著影响均匀形核，金属材料的形核率随过冷度增大而增大。存在一个有效形核温度 有效形核需要的过冷度较大 3.3.2 非均匀形核 非均匀形核：实际金属结晶时依附于液相中的外来固体表面形核的方式 高熔点的杂质、铸型的型壁等 1.非均匀形核的能量变化 2.非均匀形核的临界形核功 接触角对形核功的影响 接触角对形核的影响 非均匀形核对形核剂的选择 固体杂质表面形状对形核的影响 3.非均匀形核的形核率 形核功的影响 扩散的影响 有效形核过冷度 ΔT=0.02Tm 4.形核过程的控制（——理解） 促进形核 抑制形核 选择形核 均匀形核与非均匀形核的比较 3.4 长大规律 影响结晶后晶体形态的因素 液固界面形态 界面的生长方式 结晶界面前沿液相的温度分布 3.4.1 液固界面的微观结构 微观光滑界面 又称小平面界面 非金属 特点： 界面可将两相截然分开 界面由小平面组成 界面与等温面有一定角度 宏观粗糙 微观粗糙界面 金属与半导体材料 特点： 界面上固相与液相原子各占一半 界面厚度为几个原子层 界面与等温面大致平行 宏观光滑 3.4.2 晶核长大机制 长大过冷度 动态过冷度（ΔTk）：晶核长大需要的界面附近的过冷度。 粗糙界面与光滑界面的动态过冷度不 同。 粗糙界面的晶核长大机制 垂直长大机制 原子直接添加 界面法向推进 界面与等温面基本平行 生长速度快 光滑界面的晶核长大机制 二维晶核长大 依靠晶体缺陷长大 小平面与等温面之间 有一定角度 生长速度慢 3.4.3 界面的生长形态 1.两种温度梯度 dT/dx0 dT/dx0 两种温度梯度的物理意义 正温度梯度： 晶核长大时热量散失仅沿液相-界面-固相方向向外散失 负温度梯度： 热量散失可同时由固相与液相排出 2.正