金属材料组织与性能的控制概述.ppt

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1、时间：3月23日（星期三上午1、2节）地点：教学B楼东地下室（靠近操场）实验一金相试样的制备及其显微组织观察基本概念结晶，一次结晶，重结晶（二次结晶，同素异构转变）理论结晶温度，实际结晶温度过冷、过冷度影响过冷度的因素：冷却速度、金属本性改变熔体的过冷度即可改变相变驱动力，控制结晶过程的进行。结晶过程：形核、长大金属材料组织和性能的控制纯金属的结晶同素异构转变（重结晶）金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象；如：铁、钴、钛同素异构晶体同属于一种金属，但具有不同晶体结构的晶体；如δ－Fe、γ－Fe、α－Fe纯金属的结晶－同素异构转变金属的同素异构转变

2、-Fe-Fe-Fe1394℃912℃纯金属的结晶－同素异构转变纯金属的结晶－同素异构转变固态相变的晶界形核同素异构转变的特点有过冷现象，有固定的转变温度新晶体的形成也包括形核和长大两个过程；要较大的过冷度；转变时引起体积发生变化，产生较大的内应力纯金属的结晶－同素异构转变铸锭结构铸锭结构不均匀;主要分三个典型晶区：细等轴晶区在金属的表层形成的一层厚度不大、晶粒很细、三维方向尺寸相近的区域；原因：由于外层金属的过冷度大，模壁具有自发形核的作用，因而导致生成的晶核多；纯金属的结晶－铸锭的结构柱状晶区表层细晶粒层形成后，铸锭的冷却速度下降，晶核的形成速率不如成长率大，各晶

3、粒成长较快。由于沿垂直于模壁方向散热较快，故晶粒编沿这一方向长大，形成柱状晶粒层。纯金属的结晶－铸锭的结构柱状晶区尽管柱状晶晶质致密，但在柱状晶的接触面由于杂质的存在而成为弱面，在热轧、锻造时容易开裂。对高熔点和杂质多的金属（如铁、镍及其合金），应控制柱状晶的生成；柱状晶的性能具有方向性，沿其长轴方向强度较高。对于承受单向载荷的构件，可采用柱状晶结构；纯金属的结晶－铸锭的结构粗等轴晶区随着柱状晶区的发展，过冷度大大减小，温度趋于均匀化，同时散热的方向性已不明显，内部液体处于均匀冷却状态，晶核在不同方向的成长速度相同，因此在铸锭的中心便形成粗大的等轴晶粒区。注意：等轴晶没

4、有弱面，性能均匀，无方向性.纯金属的结晶－铸锭的结构金属铸锭的组织1－细晶区2－柱状晶区3－中心等轴晶区表面细晶粒层：综合性能好柱状晶粒层：各向异性中心粗大等轴晶粒层：高温性能好影响铸锭晶粒形状的因素在铸锭上保持较大的温度梯度（如加热温度高，冷却速度大，铸造温度高，浇注速度大），可获得较发达的柱状晶；结晶时单向散热，也有利于柱状晶的形成；保证铸件截面温度的均匀性（如铸造温度低，冷却速度小等）能够促进等轴晶的形成；此外，通过机械振动、电磁搅拌等方法可破坏柱状晶，有利于等轴晶的形成；纯金属的结晶－铸锭的结构铸造缺陷主要有：缩孔、疏松、气孔缩孔由液体凝固时体积收缩造成的。如果

5、最后凝固的地方液体得不到补充，即可形成缩孔；疏松（分散缩孔）结晶时不能保证液体的补给，在枝晶间和枝晶内形成的细小分散的缩孔。在热轧过程中疏松可以闭合纯金属的结晶－铸锭的缺陷气孔气体来不及逸出，留在金属内部，形成气孔；轧制中气孔可引起裂纹等缺陷，故应严格控制。纯金属的结晶－铸锭的缺陷工程应用：细化铸铁金属晶粒定向结晶制取单晶纯金属的结晶－结晶理论的工程应用细化晶粒基本定义晶粒度:用于描述晶粒大小的参数;常用的表示方法：单位体积的晶粒数目（ZV）；或单位面积内的晶粒数目（ZS）或晶粒的平均线长度（或直径）表示;纯金属的结晶－结晶理论的工程应用工业生产上采用晶粒度等级来表示晶

6、粒大小。标准晶粒度共分8级，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒。一般晶粒度越大，也就是越细越好，其原因主要为以下两条：纯金属的结晶－结晶理论的工程应用晶粒粗细决定了晶界面积的大小。晶粒细小，金属材料总晶界面积增加。晶粒愈细，晶界愈多，位错运动困难，则金属材料的强度和硬度显著提高。纯金属的结晶－结晶理论的工程应用当晶粒细小时，同一位向的晶粒数目增加，在外力作用下，变形的晶粒也多，可使应力分散，变形均匀，并使得金属具有较好的塑性和韧性，所以晶粒细化不仅是提高金属强度、硬度，而又是提高塑性和韧性的重要途径。纯金属的结晶－结晶理论的工程应用纯铁晶粒度与力学性能的关系晶粒度(晶

7、粒数/mm2)b(N/mm2)s(N/mm2)(％)6.32374635.3512747044.819429410847.5§4金属的结晶细晶强化：通过细化晶粒的方法，提高材料的强度、塑性和韧性等机械性能，这是一种重要的材料强化途径。措施：增大金属的过冷度主要取决于液态金属的冷却速度。通过采用冷却能力强的模子，提高液体金属冷却速度：①采用金属型铸造，增大铸件的冷却速度。②铸件壁厚设计适当，薄壁铸件可提高冷却速度，细化晶粒。纯金属的结晶－结晶理论的工程应用过冷度的影响过冷度增大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加