晶粒平均直径μm.PPT

凝固：物质从液态冷却转变为固态的过程。 结晶：物质从液态冷却转变为晶体的过程。结晶过程是相变过程。 凝固后是否形成晶体，取决于液态物质的黏度和冷却速度：黏度愈高愈易形成非晶体；冷却速度大于107℃/s时，金属也能获得非晶态。 金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型材、棒材、板材和线材。 金属及合金的结晶组织对其性能以及随后的加工有很大的影响，而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。 3.1 金属结晶的基本规律 3.1.1 金属结晶的微观现象 液态金属冷却到熔点以下某温度开始等温停留，经过一段孕育期开始形核，晶核长大同时不断有新的晶核形成和长大，至所有晶体彼此相遇，结晶完成：形核与长大过程交错重叠进行；结晶终止得到多晶体组织；由于各个晶核随机生成，故各晶粒的位向不同。 单位时间、单位液态金属中形成的晶核数叫做形核率，用N表示，单位为cm-3·s-1。单位时间内晶核增长的线长度叫做长大速度，用u表示，单位为cm·s-1。 冷却速度越大，过冷度则大；反之亦然。杂质越多，过冷度越小。 过冷度越大，形核数目越多，结晶后晶粒越细，铸件是机械性能越高。 细晶强化：通过细化晶粒使金属的强度、硬度提高，塑性、韧性改善的方法。 3.2 金属结晶的基本条件 3.2.1 金属结晶的热力学条件 温度升高，原子活动能力提高，因而原子排列的混乱程度增加，即熵值增加，系统的自由能随温度的升高而降低。由于液态原子的有序度远比固态低，故液态的熵值远大于固态，并且随温度的变化也较大，所以液态的自由能-温度曲线的斜率较固态大，因而两条曲线必然相交。 TTm,GLGS,处于液态； T=Tm,GL=GS,两相共存； TTm,GLGS,处于固相。 TTm时，液、固两相的自由能差值是两相间发生相转变（L—S〉的驱动力。液—固，单位体积自由能的变化ΔGB为： 其中HL-HS=Lm为熔化潜热。 3.2.2 金属结晶的结构条件 在略高于熔点的液态金属中，存在着许许多多与固态金属中原子排列近似的微小原子集团。由于液态金属中原子热运动比较激烈，这些近程规则排列的原子集团不稳定，时聚时散，此起彼伏，与无序原子形成动态平衡，这种结构不稳定现象称为结构起伏（/相起伏）。 晶胚：过冷液态金属中尺寸较大的近程规则排列结构。过冷度越大，实际可能出现的最大晶胚尺寸越大，则越稳定。 3.3.2.2 非均匀形核的形核率 非均匀形核可在较小过冷度下获得较高的形核率。 非均匀形核的最大形核率小于均匀形核。其原因是非均匀形核需要合适的“基底”，而基底数量是有限的，当新相晶核很快地覆盖基底时，使适合新相形核的基底大为减少。 树枝状结晶 初晶组织的形态：取决于液-固界面的微观结构。1．粗糙界面：一般呈树枝状（树枝状长大形态）2．光滑界面：一般具有较规则的外形（平面状长大形态） 液态金属在铸模中凝固时，往往由于模壁温度比较低，使靠近模壁的液体首先过冷而凝固。而在铸模中心的液体温度最高，液体的热量和结晶潜热通过固相和模壁传导而迅速散出，这样就造成了液-固相界面前沿液体的温度分布为正的温度梯度。 在缓慢冷却条件下，液体内部的温度分布比较均匀并同时过冷到某一温度。这时在模壁上的液体首先开始形核长大，液-固相界面上所产生的结晶潜热将同时通过固相和液相传导散出，这样使得界面前沿的液体中产生负的温度梯度。 1.平面状长大形态（正温度梯度） 整个液-固相界面保持稳定的平面状态，不产生明显的突起。 正温度梯度下两种界面形态 (a) 粗糙界面 (b) 光滑界面 晶体各表面长大速度遵守表面能最小法则。只有各表面到晶体中心的距离与各表面的比表面能成正比时，总表面能才最小，因此，晶体各表面的长大速度应与各表面能成正比。 越密排的晶面，比表面能越小，其法向长大速度越小，此表面不断扩大，最终导致晶体长成主要以密排面构成的规则形状。 2.树枝状长大形态（负温度梯度） 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，同时在晶轴上又会发展出二次晶轴、三次晶轴等等。在树枝晶生长时，伸展的晶轴具有一定的晶体取向以降低界面能。 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（即树枝状生长方式不很明显），某些亚金属则具有小平面的树枝状结晶特征。 树枝生