工程材料-金属材料组织与性能的控制-纯金属结晶.ppt

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。 1、铸锭结构铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成: ⑶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Tn以下时，在杂质作下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。 1、铸锭结构铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成: 表面细晶粒层 中间柱状晶粒层 中心等轴晶粒层 1、铸锭结构 缩孔形成过程图解 2、铸锭缺陷 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. ⑴ 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. 缩松：树枝状晶体所分隔的晶间液体区得不到补缩形成的小孔隙。 2、铸锭缺陷 (3)偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。 偏析 (4)气孔: 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡。 气孔 四、单晶的制取 单晶是电子元件和激光元件的重要材料。 （1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。 （2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。 五、快速凝固技术与应用 快速凝固技术是使液态金属以极大的冷速进行冷却，获得的组织结构和性能都与模铸的同成份合金有很大变化的金属的技术。 方法主要分为三大类，即模冷技术、雾化技术和表面快熔急冷技术。 单辊法快速凝固 雾化法快速凝固 快速凝固技术可以制造非晶态合金、微晶合金、准晶合金和纳米超细微晶等材料。 1. 非晶态合金 非晶态材料的特殊结构导致其具有优异的物理和化学性能。例如 很高的室温强度、硬度和刚度，良好的韧性、耐蚀性。有些成分 的非晶合金（Fe基）具有高导磁性、高磁感、低矫顽力等特性。 2. 微晶合金 晶粒尺寸在μm级的合金成为微晶合金。微晶材料也具有高强度、 硬度和刚度，良好的韧性、耐蚀性等。 3. 纳米级超细微晶 是指几个原子到几百个原子大小的结晶集团。主要特点是1) 晶界 比例大。2）晶界状态处于大块晶体和纳米微晶之间。 结晶不是在任何情况下都能自发进行。 只有引起体系自由能降低的过程才能自发进行。 金属在聚集状态下的自由能随温度的升高而降低。 液态的自由能－温度曲线更陡。 液态金属要结晶，必须处于T0以下。自由能差－ΔF, 结晶驱动力。 结晶时建立固液界面需能量A, ΔFA时，发生结晶。 * * * * * * * 金属材料组织与性能的控制 1、结晶的基本概念 金属从液态转变为固态（晶态）的过程称为结晶。 通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。 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。 结晶： 第一节 纯金属的结晶 一、纯金属的结晶 晶体 液体 结晶 结晶： 液体 -- 晶体 凝固： 液体 -- 固体（晶体 或 非晶体） 物质从液态冷却转变为固态的过程叫做凝固，凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。如果凝固后的物质是晶体，则这种凝固称为结晶。 冷却曲线 t T T0 Tn ?T ?T= T0 - Tn 纯金属结晶应当有一定的过冷度 2、纯金属的结晶 理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。 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：理论结晶温度与实际结晶温度的差?T。 a b c d e f 过冷度大小与冷却速度有关:冷速越大，过冷度越大. （3）自由能： 物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这部分能量（F）称为自由能。结晶或凝固的过程就是一个降低能量的过程，其驱动力，就是“自由能差”（ΔF） T↑ ?? F↓； 但FL↓＞FS↓， 交点T0 当Tn＜T0时 ΔF=FL-FS L →S晶 当Tn＞T0时 ΔF=FS-FL S晶→L 当Tn＝T0时 ΔF=0 S晶?L 可见，自由能差ΔF是靠ΔT=T0－Tn来获得的，所以，ΔT是结晶过程中的一个重要参数。 说明：金属的实际结晶温度Tn总是要低于理论结晶温度T0。 液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程来实现的。 2. 纯金属的结晶过程 液态金属 形核 晶核长大 完全结晶 2. 纯金属的结晶过程 (1) 晶核的形成 形核有两种方式，即自发形核和非自发形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核。 (自发晶核） 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核。 (非自发晶核） 非自发形核比自发形核更重要。 两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长。 平面生