纯金属的凝固 材料科学基础教学PPT课件.ppt

2. 晶粒大小力学性能的影响---细晶强化 细晶强化：金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。称为细晶强化。通过控制铸造和焊接时的结晶条件来控制晶粒度的大小，便成为改善机械性能的重要手段。 金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的。晶粒的大小取决于形核率和长大速度的相对大小。形核率越大，则单位体积中晶核数目越多，每个晶核的长大余地越小，因而长成的晶粒越细小。反之，形核率越小而长大速度越大，则会得到越粗大的晶粒。 3. 决定晶粒度的因素 单位体积中的晶粒数目ZV 因此，晶粒度取决于形核率N和长大速度G之比，N/G比值越大，晶粒越细小。 4. 控制铸件晶粒度的方法 2）变质处理：就是在液态金属中加入变质剂，在金属液中形成大量的固体质点，起非自发形核的作用，促进形核，抑制长大，从而达到细化晶粒，改善性能的目的。如在铝或铝合金中加入微量钛，钢中加入微量钛、铝等，就是变质处理的典型例子。 1）控制过冷度： 过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。 V冷↑ △T↑ N↑ 晶粒细小 N/G↑ 能量起伏 在液相各微观区域内的自由能并不相同，有的微区高些，有的微区低些，即各微区的能量也是处于此起被伏、变化不定的状态。这种微区内暂时偏离平衡能量的现象即为能量起伏。 图 液相的能量起伏 如何获得形核功？ 形核功是由液体中的能量起伏来提供的， 最大的形核功为临界形核功。 图 不同结晶温度下rc和ΔG的关系 临界晶核大小，临界形核功与过冷度关系 ΔT =ΔTk时， rmax=rc ，最大晶核刚好能够转变为晶核，这个过冷度称为临界过冷度。 临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。 过冷度必须大于形核所需要的临界过冷度，ΔT ≥ΔTk这是结晶的动力学条件。 图 最大晶胚尺寸（a）和临界晶核半径（b）与过冷度的关系 临界过冷度ΔTk 思考题 试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量条件及结构条件。 分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力学条件为ΔG0。只有过冷，才能使ΔG0。 动力学条件为液相的过冷度必须大于形核所需的临界过冷度。 由临界晶核形成功可知，当形成临界晶核时，还有1/3的表面能必须内液体中的能量起伏来提供。 液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础，因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。 2.形核率 形核率受两个矛盾因素控制：一方面是随着过冷度的增加，晶核的临界半径和形核功减小，有利晶核形成，形核率增加（形核功因子N1）；另一方面增加过冷度，降低原子的扩散能力，结果给形核造成困难，使形核率减少（原子扩散能力因子N2） 综合两方面因素，形核率表示为： N＝N1·N2 单位时间、单位液态金属中形成的晶核数 图 温度对N1、N2的影响（a）和形核率与温度的关系（b） 形核率与过冷度的关系 §3.3.2 非均匀形核 均匀形核需要很大的过冷度，如纯铝为130℃，纯铁295 ℃，而实际形核过冷度一般不超过20℃。原因是非均匀形核。 1.非均匀形核临界晶核半径 依附于外来物表面形核，晶胚为一球冠 当θ＝0°时，则⊿Gc非＝0，杂质本身即为现成晶核，图a 当θ＝180°时，则⊿Gc非＝⊿Gc均 ，杂质不起作用，图c 当 0°＜θ＜180°时，Gc非＜⊿Gc均，杂质促进形核，产生非均匀形核，图b。 2.非均匀形核临界形核功 图非均匀形核功与均匀形核功对比的示意图 ⊿ Gc非＜⊿Gc均 rc非= rc均 3.比较均匀形核与非均匀形核的临界半径和形核功 可以看出，非均匀形核临界球冠半径与均匀形核的临界半径是相等的。 非均匀形核的形核功小于均匀形核的形核功，θ越小，ΔGc非越小，非均匀形核越容易，需要的过冷度也越小。 由于Gc非＜⊿Gc均，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。 4．非均匀形核的形核率 图 均匀形核率和非均匀形核率的对比 5.影响非均匀形核的形核率的因素 (1)过冷度的影响。非均匀形核所需形核功很小，可在较小过冷度条件下形核。 (2)固体杂质结构的影响。θ角越小，形核功越小，形核率越高。（点阵匹配原理：结构相似、尺寸相当，） (3)固体杂质形貌的影响。凹曲面形核效能最高，因为较小体积的晶胚便可达到临界晶核半径，平面的效能居中，凸曲面的效能最低。 (4)过热度的影响。过热度较大，会改变质点的表面状态，（如微裂缝及小孔减少，凹曲面变为平面），甚至使质点熔化，不利于非均匀形核。 (5)其它影响因素。在凝固过程中进行振动或搅动，可使晶体碎裂，形成更多晶核，又输入能量促进形核。 3.5 晶核长大 （1）晶体的长大