金属材料概论第三章.ppt

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1、第三章材料的凝固与结晶组织一、概述二、纯金属结晶三、合金的结晶与相图四、铸件组织与冶金缺陷学习内容:第一节概述凝固：金属由液态固态的过程→形成的固态物质为晶体、非晶体转变一次结晶：物质从液态转变为固体晶态的过程二次结晶：物质从一种固体晶态过渡为另一种固体晶态的转变过程结晶：金属由液态固态的过程→原子由不规则的排列转变到有规则的排列，凝固后的固态物质通常是晶体转变(一)概念(二)学习的意义：形状、大小和分布→极大的影响着金属的工艺性能和使用性能液态金属经过结晶得到的组织→铸态组织掌握结晶过程的基本规律为研究其它相变奠定基础液相

2、向固相的转变是一个相变过程研究和控制金属的结晶过程→提高金属使用性能和工艺性能的一个重要手段第二节纯金属结晶一、结晶条件把纯金属置于坩埚内加热成均匀熔体→使其缓慢冷却→在冷却过程中，每隔一定时间测定温度变化→直至结晶完毕后冷却到室温冷却曲线：将温度随时间变化的关系绘制成曲线温度T时间τ△TTmTn理论结晶温度（Tm）金属的熔化和结晶应在同一温度下进行，该温度称为平衡结晶温度（理论结晶温度）液体中金属原子结晶到晶体上的速度晶体上的原子溶解入液体中的速度晶体与液体处于平衡状态（一）结晶过程的宏观现象过冷现象结晶潜热①液态金属冷却

3、到理论结晶温度Tm（熔点）时→未开始结晶；1、过冷现象Tm温度T时间τ②冷却到Tm之下Tn(实际结晶温度)→液态金属开始结晶过冷度△T—金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差：∴△T越大，Tn越低！温度T时间τ△TTmTn△T★影响过冷度的因素金属的本性：金属不同→△T的大小不同金属的纯度：纯度↑(杂质越少)→△T↑冷却速度：v冷却↑→△T↑v冷却↓↓→△T↓↓实际结晶温度越低★过冷是金属结晶的必要条件；说明不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论结晶温度进行结晶—即对于一定的金属，过冷度有一最小值，若过冷度小于该值，结晶

4、过程就不能进行！☆当液体金属缓慢冷至理论凝固温度Tm时,并未开始凝固,当温度降至熔点以下某一个温度Tn时开始结晶;温度T时间τ△TTmTn☆随后温度迅速回升，一直回升至接近熔点，温度不再上升，也不下降。出现恒温结晶阶段，即曲线上出现“平台”；☆结晶终止后，温度继续均匀下降！说明2·结晶潜热相变潜热：1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量熔化潜热：金属熔化时从固相液相吸收的热量转变结晶潜热：金属结晶时从液相固相放出的热量转变结晶过程中，释放的结晶潜热>散失的热量温度回升，甚至已结晶的局部区域重熔温度T时间

5、τ△TTmTnT→Tn：结晶潜热释放→结晶过程结束，结晶潜热释放完毕，冷却曲线继续下降补偿散失到周围环境的热量冷却曲线上出现平台△t就是结晶过程所用的时间1点：结晶过程的开始2点：结晶过程的结束温度T时间τ△TTm△tTn122图：Tn，尺寸较大的原子团簇开始变的稳定→成为结晶核心—晶核二、结晶过程：晶体形核—长大过程1、举例：小块金属结晶微观过程1图：Tm，液态金属中的原子团簇极不稳定→不能成为结晶核心123图：晶核按各自方向吸收液体中的金属原子→逐渐长大同时，液态中不断产生新的晶核→也逐渐长大3不断发展4、5图：相邻晶体

6、相互接触→液体金属耗尽→金属结束45对结晶过程的描述，揭示了一个十分重要的规律：金属的结晶与其他有机物一样，都是形核与长大的过程，而且两者交错重叠进行。总之：金属的结晶过程中形核和长大过程是交错重叠在一起的！结晶终止获得多晶粒的组织，其中一个晶粒是由一颗晶核形成的，由于各个晶核随机生成，所以各个晶粒的位向各不相同。如果在结晶过程中只有一颗晶核并长大，而不出现第二颗晶核．那么由这一颗晶核长大的金属，就是一块金属单晶体。均质形核：由熔液自发形成新晶核，液体中出现新相晶核的几率是相同的→自发形核异质形核：新相优先出现于液相中的某些

7、区域的形核方式→非自发形核←杂质（未熔质点）2、形核和长大形核：一定过冷度下，晶粒长大过程中保持规则外形；长大到互相接触时，规则外形被破坏；长大结束后,液态金属完全消失，成为多边形的晶粒长大：长大过程实质：液体中金属原子向晶核表面迁移过程晶体生长最常见的方式：树枝状结晶—枝晶长大条件：过冷度3、枝晶长大过程1）形成的晶核具有规则外型；2）棱角处长出数枝晶细长的树干3）树干与周围过冷液体的界面不稳定，出现凸出尖端，长大成为新的晶枝树枝晶生长示意图一次晶轴二次晶枝/晶轴4）二次晶枝发展到一定程度后，在其上面长出三次晶枝→所有枝晶

8、严密和缝对接起来（液态金属完全消失）→形成一个个多边形晶粒树枝晶生长示意图由树枝状长成晶粒Al77Sr23(wt.%)Al90Sr10(wt.%)∵结晶初期生成的微小晶粒与液相间的平衡温度低于大晶体与液相间的平衡温度—小晶体的熔点<大晶体的熔点而通常金属的熔点是与大晶体相对应的→结晶过程只