工程材料第4章 纯金属的结晶与细晶强化.ppt

第4章 纯金属的结晶与细晶强化 4.1 结晶的基本概念 4.2 冷却曲线与过冷度 4.3 金属的结晶过程 4.4 晶粒大小及细晶强化 4.5 铸锭组织与缺陷 §4.1 结晶的基本概念 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。 结晶的实质是原子由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。 §4.2 冷却曲线与过冷度 过冷：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象 过冷度：理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn的差?T ?T= Tm –Tn 热力学定律：一切自发过程都是朝着系统自由能降低的方向进行。 液体和晶体自由能曲线的交点温度Tm称为理论结晶温度 (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。 在Tm以下，GSGL 结晶的驱动力：液固两相的 自由能之差 结晶的充分必要条件:液态 金属必须具有一定的过冷度。 一、 形核 当液态金属过冷至实际结晶温度后，经过一段孕育期，在液态金属内部开始出现微小的固态颗粒，称之为晶胚。当晶胚达到某一临界尺寸后，就成为可以稳定存在并自发长大的晶核。这一过程称为形核。 1. 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。 晶胚的产生，会导致系统的体积自由能降低，同时，由于晶胚产生了新界面，增加了界面自由能。总的系统自由能变化ΔG总是体积自由能和界面自由能的代数和，假定晶胚为球形，晶胚半径为r则有如下表达式： rrk时，随晶胚尺寸增大，系统自由能增加，晶胚不能成为稳定的晶核，而是瞬时形成，瞬时消失。 rrk时，随着晶胚尺寸增大，系统的自由能降低，晶胚就可以自发地长大成稳定的晶核而不会消失。 r＝rk时，晶胚可能长大成为稳定的晶核，也可能消失。 因此，把尺寸为rk的晶胚称为临界晶核，rk称为临界晶核半径。 以液体中存在的固态杂质或容器壁为核心形核称非均匀形核。 非均匀形核方式形核所需的临界过冷度大大降低。而形核所需的结构起伏和能量起伏也较低，因此形核比均匀形核要容易的多。非均匀形核更为普遍。 二、长大 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 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。 实际金属结晶时冷速较大，主要以树枝状长大 原因：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。 树枝状长大的实际观察 树枝状结晶 一、晶粒大小对金属性能的影响 常温下，晶粒越细，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好,即细晶强化。 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。 多晶铁的拉伸变形 三、控制晶粒度的方法 1. 提高金属的过冷度 随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。 (1) 提高液态金属的冷却速度. 如铸造中采用金属型代替砂型。 (2) 提高液态金属的过冷能力。如采用慢速浇注。 2. 变质处理 又称孕育处理。即液态金属内加入变质剂（或称孕育剂、形核剂），以增加异质核心的数量，促进非均匀形核的进行从而细化晶粒的方法。 3. 振动、搅拌等 上节要点 1.结晶：物质由液态转变为晶态的过程 2.纯金属结晶的宏观现象 1）过冷 冷速越大，过冷度?T 越大 2）恒温 结晶潜热的释放弥补了向外界损失的热量 3.纯金属的结晶过程：边形核，边长大 形核 均匀形核：由液体中排列规则的原子团形成晶核 非均匀形核：以液体中存在的固态杂质或容器壁为核心形核 长大 均匀长大 树枝状长大 4.细晶强化 细晶强化：常温下，晶粒越细，金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好 细化晶粒的措施 1）提高过冷度 2）变质处理 3)振动，搅拌 §4.5 铸锭的组织与缺陷 在实际生产中，液态金属被浇注到铸模中便得到铸锭。 铸锭的组织（晶粒大小、形状、取向、元素和杂质分布） 及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。 一、铸锭的宏观组织 ⑴ 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。 ⑵ 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。 ⑶中心等轴晶区: 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熔点以下时