金属材料的微观组织

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1、第5章纯金属的凝固通常凝固条件下，金属及其合金凝固后都是晶体，因此也称金属及合金的凝固为结晶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，也可以是非晶体凝固后的物质是晶体，则这种凝固称为结晶研究金属凝固的意义金属制品在其加工制造的最初阶段，一般都要熔炼后铸造，使其成为铸锭或铸件铸锭（件）及焊接件组织和性能与凝固过程有密切的关系研究结晶过程，已经成为提高金属机械性能和工艺性能的主要手段之一获得固体材料，绝大多数要经历由液态到固态的凝固过程粉末冶金产品要经过制粉，也是熔化、凝固阶段结晶过程是一个相变过程，了解结晶过程同时也为研究固

2、态金属中的相变奠定基础凝固与材料性能的关系同样合金成分在不同的凝固条件下可以获得不同的微观结构，使材料具有不同的宏观性能微观组织决定固态金属材料的宏观性能金属材料铸造后的微观组织又主要是由凝固前熔体结构本身和冷却速度决定5.1金属液态结构与性能特点结晶是液态金属转变为金属晶体的过程，液态金属的结构对结晶过程有重要的影响，因此，下面我们对液态金属的结构作以简单介绍。对于液态结构的认识很不够，至今仍未有一个比较全面、完善的理论。液态是介于固态和气态之间的一种物质状态像固态那样具有一定的体积、不易被压缩像气体那样没有固定的形状、具有流动性和各向同性

3、早期凝固理论研究工作仅仅局限于夹杂、气体、微量元素等异质组成对最终组织的影响最近逐渐认识到，即使在纯净的熔体体系中，液态结构变化对凝固以后的材料组织、性能和铸锭（件）质量也存在直接和重要的影响从熔体结构控制的角度来改善和控制凝固尚是经验性的，远远没有形成系统的理论凝固研究的现状与展望液态和固体结构之间的联系在小尺寸范围存在相似性，某些熔体来说在较大尺寸范围上也存在关联这种关联对于液－固相变的微观机制，把握相变的条件和方向，生产高质量的材料或产生新的物相（如准晶、非晶、亚稳相等）具有重要意义组织的遗传性熔体的组织和缺陷、在液态合金中加入可以改变

4、元素之间的相互作用的合金元素、液态金属的结构（如过冷度、净化程度）对凝固后铸件或毛坯的组织和缺陷及性能有影响金属熔化时体积的增加在2.5%～5%之间，最大也不超过6%金属名称晶体结构熔点（℃）熔化时体积变化率（%）Ag面心立方960.54.99Al面心立方660.26.6Fe体心立方/面心立方15363.0Cu面心立方10834.15Mg密排六方6504.1Bi三方271-3.25Li体心立方1791.51）金属熔化时的体积变化1、液态金属的性质体积增大可以认为是由两部分引起：一部分是质点间距离加大，另一部分是形成了大量空位有少数非密排结构的

5、金属如Sb、Bi、Ga、Ge等熔化时体积有少量收缩2）液态金属的压缩液态金属和固态金属一样具有很小的可压塑性，同时随着压力增加，液态金属的压缩系数逐渐接近固态金属这表明液态金属质点间距虽然比固态略大，但其值已经很小，外界给液态金属施加压力时只表现出很小的压缩系数气态有很大的压缩系数，表明气体质点间距很大3）熔化时热容的变化金属在固-液转变时热容量仍有突变，但是变化不大，在液体中质点热运动的特点与固体很接近金属FeMnCrNiAl固态Cp,m41.846.442.635.732.6液态Cp,m34.146.440.535.729.3某些金属在熔

6、点附近的摩尔热容[J/(mol·K)]4）熔化热的变化金属的熔化潜热远小于其气化潜热金属熔点℃熔化潜热ΔHm沸点℃气化潜热ΔHbΔHm/ΔHbAg960.511.2221225823Al66010.4248029127.8Au106312.8295034226.7Cd3216.476599.515.6Fe153615.2307034022.4Mg6508.69110311516.0某些金属的熔化潜热及气化潜热（KJ/mol）金属的气化潜热与熔化潜热的比值ΔHm/ΔHb都较大，这表明固体熔化成液体时原子间的破坏不大，配位数变化较小。5）熔化熵的

7、变化熔化时熵的增加比较大，金属熔化时配位数改变很小金属从298K到熔点的熵变ΔS熔化熵ΔSmΔSm/ΔSMg31.57.00.31Al31.411.50.37Au40.99.240.23Cd18.910.30.54Fe64.88.360.13部分金属从室温（25℃）至熔点的熵变（KJ/mol）及熔化熵金属熔化时，原子间距或最近邻原子数目没有多大变化，无序程度大为增加2、液体金属的结构宏观上金属和合金的液态结构不均匀，熔体中原子存在着原子围绕平衡中心以频率的振动和单个原子从一些平衡位置向另一些位置活化迁移的过程金属和合金的液态结构是均匀、各向同

8、性的原子尺寸时1）长程无序，短程有序液态结构长程序的消失的影响主要特征是长程无序，晶体的熔化消除了三维的周期性不存在周期性，但在一定程度上仍然保持原子排列的短程序不