机械制造基础第2版 教学课件 作者 孙学强 主编第三章 金属与合金的结晶.ppt

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1、第三章金属与合金的结晶教学要求主要内容本章重点本章小结习题机械制造基础第三章教学要求通过学习，学生应熟悉纯金属和合金的结晶过程及其组织特点。机械制造基础第三章主要内容第一节纯金属的结晶第二节合金的结晶机械制造基础第三章本章重点二元合金相图的基本知识;二元合金的结晶过程。机械制造基础第三章第三章金属与合金的结晶金属与合金从液态到固态的转变过程，是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程，这一过程称为结晶。金属材料结晶后形成的组织(铸态组织)对金属材料的铸态性能及经过各种加工后的性能都有影响

2、。研究金属和合金的结晶过程及规律，对探索改善金属材料的组织和性能具有重要的意义。机械制造基础第三章第一节纯金属的结晶一、纯金属的冷却曲线和过冷现象将纯金属加热熔化成液体，然后让液态金属缓慢冷却下来，并在冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，然后将记录下来的数据绘制在温度－时间坐标中，这样便获得如图3-1所示的冷却曲线。机械制造基础第三章冷却曲线分析：1、冷却曲线出现平台的原因，是由于金属结晶过程中会释放出结晶潜热，补偿了向外界散失的热量，使温度不随冷却时间的增长而下降，直到金属结晶终了后，温度又重新下降。2、在实

3、际生产中，金属的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度的差值，称为过冷度，用ΔT表示，即ΔT=T0-T1。实践证明，金属总是在一定的过冷度下结晶的，所以过冷是金属结晶的必要条件。机械制造基础第三章二、纯金属的结晶过程1、形核当液态金属冷却到接近理论结晶温度时，形成一批类似于晶体中原子有规则排列的小集团。这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当温度下降到低于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就稳定下来，成为结晶核心。这种最先形成的、作为结晶核心的微小晶体称为

4、晶核。晶核的形成过程称为形核。晶核的形成有两种方式：自发形核和非自发形核。机械制造基础第三章2、长大随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，同时液态金属中又会不断地形成新的晶核并不断长大，直到液态金属全部消失，晶体彼此产接触为止，如图3-2所示。结晶时每一个晶核长成的晶体就是一个晶粒。固态金属是由许多晶核长大并形成晶粒后嵌镶为一体而组成的多晶体。晶粒是构成金属晶体的最小单位，晶粒与晶粒之间的接触面叫晶界。晶界处比晶粒内部凝固的晚，故金属中的低熔点杂质往往聚集在晶界上，从而使晶界处的性能不同于晶粒内部。机械制造基础第

5、三章三、金属结晶后的晶粒大小晶粒大小是金属组织的重要标志之一。金属晶粒大小的表示方法：1、用单位体积内的晶粒数目来表示，数目越多，晶粒越细小。2、以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。工业生产中细化晶粒的方法：1、增加过冷度液态金属结晶时的形核率N、长大速率G与过冷度ΔT之间的关系如教材中图3-3所示。机械制造基础第三章增加过冷度，就是要提高金属凝固时的冷却速度。但在实际生产中，对于大铸锭、大铸件，过高的冷却速度往往导致铸件产生裂纹而报废。因此，对于大

6、型铸件则需要用其它方法来细化晶粒。2、变质处理在液态金属结晶前加入一些细小的难熔质点（变质剂），以增加形核率或降低长大速率，从而细化晶粒的方法，称为变质处理。例如，往铝液中加钛、硼；往钢水中加入钛、锆、铝等；往铸铁水中加入硅铁、硅钙合金，都能使晶粒细化，从而提高金属的力学性能。3、附加振动金属结晶时，对金属液附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎，而破碎的枝晶尖端又可起晶核作用，增加了形核率N，达到细化晶粒的目的。机械制造基础第三章四、金属的同素异构转变金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类

7、型转变为另一种晶格类型的变化，称为金属的同素异构转变。图3-4为纯铁的冷却曲线，它表示了纯铁的结晶和同素异构转变的过程。由于纯铁能够发生同素异构转变，生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织和性能。机械制造基础第三章金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程相似，实质上是一个重结晶过程。它遵循液态金属结晶的一般规律。金属的同素异构转变的特点：1、由于同素异构转变是在固态下发生的，原子扩散比在液态中困难得多，这使同素异构转变具有较大的过冷度；2、由于转变时晶体结构的致密度改变引起晶体体积的变化,从而产生

8、较大的内应力。金属的同素异构转变是钢在淬火时引起应力、导致工件变形和开裂的重要因素。机械制造基础第三章第二节合金的结晶合金与纯金属结晶时的不同点：1、合金的结晶不一定在恒温下进行；2、合金在不同的温度范围内会存有不同数量的相，且各相的成分有时也会变化；3、同一合金系，因成分不同，其组织也不同，即便是同一成分的合金，其组织也会随温度的不同而发生变化。一、二元合金相图的基本知