金属学与热处理2.2.ppt

上节要点; 物质由液态到固态的转变过程称为凝固。 如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为结晶。 纯金属的实际凝固温度Tn总比其熔点Tm低，这种现象叫做过冷。 Tm与Tn的差值⊿T叫做过冷度。 形成临界晶核所需的能量ΔG*称为临界形核功。 ;;;1、液态金属的结构？;2、描述金属凝固的过程。;3、试述结晶的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。;2.5 晶核长大;晶体长大：液体中原子迁移到晶体表面，即液-固界面向液体中推移的过程。;固-液界面(Solid-liquid interface)按微观结构可以分为光滑界面(Smooth interface)和粗糙界面(Rough interface)两种。;光滑界面是指固相表面为基本完整的原子密排面，固液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从宏观来看，界面呈锯齿状的折线。;粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度的过渡层。但是宏观上看，界面反而是平直???。 光滑界面和粗糙截面是根据微观结构进行分类的，光滑界面在微观上是光滑的，在宏观上是粗糙的；粗糙界面在微观上是粗糙的，在宏观上是光滑的。;假设界面上可能的原子位置数为N，其中NA个位置为固相原子所占据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x= NA/N。 如果x=50%，即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的界面为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占据，这样的界面为光滑界面。 界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加原子时，其界面自由能的变化;不同α值下⊿GS／(NkTm)与x的关系 ;晶核长大机制是指在结晶过程晶体结晶面的生长方式，与其液-固相界面的结构有关。;（1）具有粗糙界面的物质的长大机制; 二维晶核台阶生长模型 ; 晶体缺陷台阶生长机制 ; 螺旋长大的SiC晶体; 纯金属凝固时晶体的生长形态取决于界面的微观结构和界面前沿液相中的温度分布。; 正温度梯度是指液—固界面前沿的液体温度随到界面的距离的增加而升高，这时结晶过程的潜热只能通过已凝固的固体向外散失。 负温度梯度是指液—固界面前沿的液体温度随到界面的距离的增加而降低，这时结晶过程的潜热不仅可通过已凝固的固体向外散失，而且还可向低温的液体中传递。; 粗糙界面：生长界面以垂直长大方式推进。由于前方液体温度高，所以生长界面只能随前方液体的逐渐冷却而均匀地向前推移。整个液-固相界面保持稳定的平面状态，不产生明显的突起。; 光滑界面：生长界面以小平面台阶生长方式推进。小平面台阶的扩展同样不能伸入到前方温度高于Tm的液体中去，因此，从宏观来看液-固相界面似与Tm等温线平行，但小平面与Tm等温线呈一定角度。 ;在正的温度梯度下，晶体的这种生长方式称为平面状生长。晶体生长方向与散热方向相反，生长速度取决于固相的散热速度。 ;晶体生长界面一旦出现局部凸出生长，由于前方液体具有更大的过冷度而使其生长速度增加。在这种情况下，生长界面就不可能继续保持平面状而会形成许多伸向液体的结晶轴。; 在晶轴上又会发展出二次晶轴、三次晶轴等等。 在负的温度梯度下，对于粗糙界面结构的金属晶体，明显以树枝状方式生长。对于光滑界面结构的晶体，仍以平面生长方式为主。 ;树枝状长大的晶粒示意图;树枝状晶体形貌 ;（6）晶粒大小的控制;细化晶粒的好处：提高强度、硬度、塑性和韧性。 工业上将通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。 细化铸件晶粒的基本途径：形成足够多的晶核，使它们在尚未显著长大时便相互接触，完成结晶过程。 大的形核率以保证单位时间、单位体积液体中形成更多的晶核。要求结晶时有小的长大线速度以保证有更长的形核时间。 ;过冷度增加，形核率N与长大线速度G均增加，但形核率增加速度高于长大线速度增加的速度，因此，增加过冷度可以使铸件的晶粒细化。 在工业上增加过冷度是通过提高冷却速度来实现的。 采用导热性好的金属模代替砂模；在模外加强制冷却；在砂模里加冷铁以及采用低温慢速浇铸等都是有效的方法。 对于厚重的铸件，很难获得大的冷速，这种方法的应用受到铸件尺寸的限制。;外来杂质能增加金属的形核率并阻碍晶核的生长。 如果在浇注前向液态金属中加入某些难熔的团体颗粒，会显著地增加晶核数量，使晶粒细化。这种方法称为变质处理，加入的难熔杂质叫变质剂。 变质处理是目前工业生产中广泛应用的方法。 如往铝和铝合金中加入锆和钛；往钢液中加入钛、锆、钒；往铸铁铁水中加入Si—Ca合金都能达到细化晶粒的目的。; Al-Mg合金变质处理前后的对照; 在浇注和结晶过程中实施搅拌和振动，也可以达到细化晶粒的目的。 搅拌和振动能向液体中输入额外能量以提供形核功，促进晶核形成； 可使结晶的枝晶碎化，增加晶核数量。 搅拌和振动的方法有