(金属材料与热处理)模块三金属的结晶.ppt

随着ΔT增大，N和G都会增大，但增速不同，N大于G。在一定的ΔT范围内， ΔT越大，N/G值越大，晶粒越细小。 当ΔT增大到一定值后，N和G都会下降。 凡能促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒 形核率N N G 过冷度△T 长大速度G 2、细化晶粒的方法 增大过冷度：增大过冷度的主要方法之一是提高金属熔液冷却速度。 加入变质剂(孕育剂、形核剂)：用以增加异质晶核数量或阻碍晶核长大。在铝合金中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，都可使晶粒细化。 振动、搅动：对即将凝固的金属进行振动或搅动，使树枝晶破碎，晶核数增加，从而达到细化晶粒的目的。可以采用机械、超声波、电磁等方法振动或搅拌来细化晶粒。 相变细化：利用金属在固态下发生相变的方法来细化晶粒，因为只要发生相变，就会有新相晶核的形成与长大过程，控制这个过程，就能够细化固态金属的晶粒。 塑性变形细化：塑性变形可以迫使原有的晶粒发生破碎和变形，形成亚结构，从而细化了晶粒，当冷变形金属在加热的时候，发生再结晶，通过控制再结晶也可以细化晶粒。 知识拓展 一、铸锭的结晶 二、焊缝的结晶 一、铸锭的结晶 在实际生产中，液态金属是在铸锭模或铸型中凝固的，前者得到铸锭，后者得到铸件。 冶炼后的液态金属及其合金，除少数直接铸成铸件外，绝大部分要先铸成铸锭，然后再进行轧制，制成各种型材。 铸锭的组织和质量，不但影响到它的压力加工性能，还影响到压力加工后的金属材料的组织和性能。 1、三晶区的形成 铸锭的宏观组织分为外表层的细晶区、中间的柱状晶区和心部的等轴晶区。 1―细晶区 2―柱状晶区 3―等轴晶区 铸锭三晶区示意图 表面细等轴晶区?? ? 液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区 中间柱状晶区?? 细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷 却速度降低，过冷度减小， 生核速率降低，但此时长大 速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次 晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方 向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。 心部粗等轴晶区?? 随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区。 2、铸锭结晶的控制 影响铸锭结晶的主要是合金的成分、浇注条件等因素，控制这些因素就可以改变三晶区的相对厚度和晶粒大小，甚至于可以得到只有两个晶区或一个晶区组成的铸锭。 提高液体的过热度、提高浇注温度、增加铸锭模冷却能力、不附加振动和搅拌等措施，均有利于形成柱状晶。反之，利于形成等轴晶。 二、焊缝的结晶 焊接熔池一般比较小，热容量较小，且周围被散热快的冷金属包围，因此，焊缝的冷却速度非常快，过冷度很大。 焊接过程中，焊接熔池随着焊接热源的移动而移动，使熔池金属在动态下结晶，同时加上热源对熔池金属的搅拌作用，易于获得致密的、性能较好的结晶组织。 焊接熔池金属的温度很高，使得外来杂质熔化，减少了熔液异质形核的数目，同时，熔池母材又提供了异质形核的基底，故此，焊缝结晶将直接在母材金属晶粒上面长大，成为垂直于熔池与母材间熔合线向焊缝中心发展的柱状晶。 小结 金属的结晶包含形核与长大两个过程。结晶首先必须得形成晶核，形核方式有均质形核和异质形核两类，异质形核相对容易一些。纯金属结晶过程需要满足过冷度、相起伏、大于临界晶核和能量起伏这些条件，如果一个条件不满足，则结晶过程是不能够进行的。 金属结晶后的形态是树枝晶，当所有的枝晶都严密地对接起来，液相消失时，就分不出树枝状了，只能看到各个晶粒的边界。因此，金属一般是多晶体。 金属晶粒的大小对金属材料的性能产生重要的影响，可以通过控制形核率和长大速度来控制晶粒大小，具体操作中，通过控制过冷度、冷却速度、孕育处理、振动处理、相变等影响形核率和长大速度的因素来控制晶粒大小。 综合训练： 知识训练 一、填空题 1、金属的结晶是指由原子 不规则 排列的近程有序， 转变为原子 规则 排列的晶体 过程。 2、纯金属的冷却曲线是用 热分析 法测定的。冷却曲线的纵坐标表示 温度 ，横坐标表示 冷却时间 。 3、金属的理论结晶温度 和 金属的实际结晶温度 之差称为过冷度。 4、过冷度的大小与冷却速度 有关， 冷速 越快，金属的实际结晶温度越，过冷度也就越大。 5、金属的结晶过程是由 形核 和