工程材料第一节 金属材料组织与性能的控制.ppt

第二章 金属材料组织与性能的控制 第一节 纯金属的结晶 一、纯金属的结晶 1. 纯金属结晶的条件 纯金属都有一个理论 结晶温度T0(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。 结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。 液态金属在理论结晶温 度以下开始结晶的现象称 过冷。 理论结晶温度与实际结 晶温度的差?T称过冷度 ?T= T0 –T1 过冷度大小与冷却速度 有关，冷速越大，过冷度 越大。 (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。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核。 非自发形核比自发形核更重要。 2. 纯金属的结晶过程 均匀长大 树枝状长大 (2)、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种， 即均匀长大和树枝状长大。 二、同素异构转变 构转变。同素异构转变属于 相变之一—固态相变。 1、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： 1394℃ 912℃ ?-Fe ? ?-Fe ? ?-Fe 物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异 纯铁的同素异构转变 三、铸锭结构及其控制 在实际生产中，液态金属被 浇注到锭模中便得到铸锭，而 注入到铸型模具中成型则得到 铸件。 铸锭(件)的组织及其存在的 缺陷对其加工和使用性能有着 直接的影响。 ⑴ 细晶等轴区：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。 1、铸锭结构铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成: 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T1以下时，在杂质作用下以非均匀 形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。 2、铸锭晶粒形状的影响因素 晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。 单位时间、单位体积内形成 的晶核数目叫形核率(N)。 单位时间内晶核生长的长度 叫长大速度(G)。 N/G比值越大，晶粒越细小. 因此，凡是促进形核、抑制 长大的因素，都能细化晶粒. 3、细化铸态金属晶粒的措施 ⑴ 增大过冷度： 随过冷 度增加，N/G值增加，晶粒 变细。 ⑵ 变质处理： 又称孕育 处理。即有意向液态金属内 加入非均匀形核物质从而细 化晶粒的方法。所加入的非 均匀形核物质叫变质剂（或 称孕育剂）。 电磁搅拌细化晶粒示意图 超声振动细化晶粒示意图 ⑶ 振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或 搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核， 另一方面也可使成长中的 枝晶破碎，使晶核数目显 著增加。 四、单晶的制取 单晶是电子元件和激光 元件的重要材料。制备 单晶的基本要求是液体 结晶时只存在一个晶核， 要严格防止另外形核。