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凝固与固态相变 机设13-A1 朱铭书 凝固与固态相变 内容提要：纯金属的结晶部分主要介绍纯金属结晶的条件和结晶过程，同素异构转变，细化铸态金属晶粒的措施。??? 合金的结晶部分主要介绍发生匀晶反应的合金的结晶过程和发生共晶反应的合金的结晶过程。???? 铁碳合金的结晶部分主要介绍铁碳相图、典型铁碳合金的平衡结晶过程。并介绍铁碳合金的成分-组织-性能关系。? 在一定条件下物质的三种状态可以互相转化。通常把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。物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。 凝固的基本概念 金属材料熔炼后，浇注到锭模或铸模中，通过冷却，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。固态金属处于晶体状态，因此金属从液态转变为固态（晶态）的过程称为结晶过程。 液态金属中，金属原子作不规则运动，但并非完全呈不规则排列，在小范围内，原子会出现规则排列。这些小范围内的规则排列称短程有序。这种短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。结晶实质上是原子由近程有序转变为长程有序状态的过程。 通常的固态金属属于晶体材料，金属原子是规则排列，也叫长程有序。 结晶的一般过程 结晶由晶核的形成和晶核 的长大两个基本过程组成。 液态金属中存在着大量尺寸不同原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，极不稳定，称为晶坯。 当液态金属过冷到一定温度时，一些尺寸较大的原子集团开始变得稳定，而成为结晶核心，一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。 晶粒大小的控制 一、晶粒度 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。 一、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： ??????液态纯铁在1538℃进行结晶， 得到具有体心立方晶格的δ-Fe。 继续冷却到1394℃时发生同素异构转变, 成为面心立方晶格的 γ -Fe。再冷却到912℃时又发生一次同素异构转变, 成为体心立方晶格的α - Fe。 ?-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。 二、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。 * 通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶，而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶 纯金属的冷却曲线 金属的结晶过程 冷却曲线 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 实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度, 这种现象称为过冷现象。理论结晶温度T0与开始结晶温度 Tn之差叫做过冷度, 用 ΔT 表示。?????????????????????????? ΔT =T0- Tn 自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。就像水总是流往低处，降低自己的势能一样。在一定温度条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。 冷却速度越大, 则开始结晶温度越低, 过冷度也就越大，液态与固态之间能量状态差就愈大，促使液态结晶的驱动力就愈大。只有当结晶的驱动力达到一定值时，结晶过程才能进行。 所以，结晶的必要而且充分条件是具有一定的过冷度。 非晶体的凝固 非晶体的凝固虽然也是由液态转化为固态，但在本质上与晶体的结晶有区别。在非晶体的凝固中熔体实质是粘滞系数加大的过程，非晶固态可以看作粘滞系数很大的“熔体”。所以。非晶体的凝固是在一个温度范围内逐渐完成的。从能量观点看，若熔体在凝固时能完全释放内能，它将转变成晶体，若部分释放内能，则转变成非晶体。所以，非晶体处于亚稳转态。 形核有两种方式。　 ???(1) 自发形核 　　在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。这种由液态金属内部由金属原子自发形成的晶核叫自发晶核。 ??(2) 非自发形核 　　实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。这种依附于杂质而形成的晶核叫做非自发晶核。 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