液态金属地结晶.ppt

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1、第四章液态金属的结晶第一节液态金属的结晶过程第二节结晶的热力学条件第三节晶核的形成第四节晶体的生长第五节单相合金的结晶第六节共晶合金的结晶第七节液态金属的流动性及其对结晶过程的影响第一节液态金属的结晶过程铸件铸态组织的形成过程的两个阶段：（1）液—固转变，即液态金属的结晶，常称为一次结晶。（2）固态转变，金属凝固后在继续冷却过程中固相内部产生的相变，称为二次结晶。一次结晶和凝固的区别：前者研究液态金属的形核、生长、结晶组织的形成规律。后者研究铸件与铸型的传热过程、铸件断面凝固区域大小、凝固方式与铸件质量的关系、铸件的凝

2、固时间等。1.液态金属结晶对铸件质量的影响（1）液态结晶决定铸件的晶粒组织，如晶粒形状和尺寸，晶粒内和晶粒间的成分不均匀性及非金属夹杂物的分布形态等。（2）液态结晶的组织对随后冷却过程中相得转变、非金属夹杂物的析出及铸件的热处理过程有很大影响。（3）液态结晶时晶体的生长过程和生长方式影响着凝固过程中的其他现象。如成分偏析、液态金属补缩及裂纹的形成等。第一节液态金属的结晶过程大量实验观察说明：结晶过程是由生核和晶体生长两个阶段组成。例如：卤水晒盐。第一节液态金属的结晶过程雪花食盐2.液态金属的结晶过程结晶过程春秋《演繁露

3、》“盐已成卤水，暴烈日中，即成方印，洁白可爱，初小渐长，或数十印累相连。”第一节液态金属的结晶过程2.液态金属的结晶过程铸件晶体结构的形成，也是由两个阶段组成：（1）生核：在液体中先形成一些很小而稳定的固体质点，称为晶核。（2）晶体生长：晶核不断生长成为晶体，直到互相相遇。晶核越多，则得到铸件的晶粒越细。控制生核过程是改变铸件晶粒组织的重要手段。（1）铸件的晶粒组织根据结晶条件的不同，可得到不同的晶粒组织，铸件的晶粒组织一般比较粗大，可用宏观分析的方法显示。第一节液态金属的结晶过程3.铸件的晶粒组织（2）枝晶状组织第一

4、节液态金属的结晶过程3.铸件的晶粒组织（3）柱状晶和等轴晶树枝晶是铸造中最常见的生长方式，但不是唯一的生长方式。柱状晶本身比较致密，有良好的强度和塑性，但柱状晶较粗大，晶界上富集易熔而力学性能较差的杂质和缺陷，使晶粒间的联系大大削弱。故柱状晶力学性能有明显方向性，纵向好，横向差，铸件在凝固冷却过程中还容易沿晶界开裂。等轴晶的晶界长，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒的位相都不同，故方向性小，比较稳定。晶粒越细，其综合性能越好，抗疲劳性也高。铸件通常希望获得细密的等轴晶。柱状晶叶片与等轴晶叶片的比较返回3.晶粒组织对性能的

5、影响To时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台(是由结晶潜热导致)0第二节结晶的热力学条件从热力学推导系统由液体向固体转变的相变驱动力ΔG由于液相自由能G随温度上升而下降的斜率大于固相G的斜率当T＜Tm时，有：ΔGV=Gs－GL＜0即：固-液体积自由能之差为相变驱动力进一步推导可得：Tm及ΔHm对一特定金属或合金为定值，所以过冷度ΔT是影响相变驱动力的决定因素。过冷度ΔT越大，凝固相变驱动力ΔGV越大。第二节结晶的热力学条件由麦克斯韦尔热力学关系式：根据数学上的全微分关系得：比较两式可知：等压时，dP=0，由于熵

6、恒为正值→物质自由能G随温度上升而下降又因为SL＞SS，所以：＞即：液相自由能G随温度上升而下降的斜率大于固相G的斜率。G=H-ST，所以：ΔGV=GS-GL=（HS-SST）-（HL-SLT）=（HS-HL）-T（SS-SL）即ΔGV=ΔH-TΔS当系统的温度T与平衡凝固点Tm相差不大时，ΔH≈-ΔHm（此处，ΔH指凝固潜热，ΔHm为熔化潜热）相应地，ΔS≈-ΔSm=-ΔHm/Tm，代入上式得：第三节晶核的形成均质形核：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程，所以也称“自发形核”（实际生产中均

7、质形核是不太可能的，即使是在区域精炼的条件下，每1cm3的液相中也有约106个边长为103个原子的立方体的微小杂质颗粒）。非均质形核：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程，亦称“异质形核”或“非自发形核”。生核过程是液体中的游动原子集团逐渐长大到一定的尺寸，形成固定质点（稳定的原子集团），使周围原子能向上堆砌的过程。生核的两种方式：1、均匀形核功及临界半径晶核形成时，系统自由能变化由两部分组成，即作为相变驱动力的液-固体积自由能之差（负，固态晶核出现使系统自由能降低）和阻碍相变的液-固界面能（正，新相出现，增加

8、了界面能）：r＜r*时，r↑→ΔG↑r=r*处时，ΔG达到最大值ΔG*r＞r*时，r↑→ΔG↓液相中形成球形晶胚时自由能变化令：得临界晶核半径r*：r*与ΔT成反比，即过冷度ΔT越大，r*越小；ΔG*与ΔT2成反比，过冷度ΔT越大，ΔG*越小。1、均匀形核功及临界半径临界晶核的表面积为：即：临界形核功ΔG*的大小为临界晶核表面能的