金属材料与热处理教学课件作者朱黎江第4章金属及其合金的结晶.ppt

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1、第4章金属及其合金的结晶12334.1结晶过程概述4.2晶粒大小及控制4.3铸锭的结晶(凝固)组织返回第4章金属及其合金的结晶本章简介:一般情况下，金属制品都要经过熔炼和浇铸工序，因此金属的结晶过程也影响着它的使用性能和使用寿命。本章主要介绍了金属材料的结晶原理及结晶后的组织，如何控制晶粒大小，提高金属材料的性能和产品质量重点:(1)金属结晶的一般规律(2)晶粒大小对金属材料性能的影响和细化晶粒的措施(3)过冷现象与过冷度难点:结晶时的形核与长大。返回4.1结晶过程概述所有通过冶炼和铸造得到的金属材料必然要经历由液态到固态的凝固过程，凝固过程包括晶体或晶粒的生成和长大的过程，因此也称为结

2、晶过程，研究金属由液态转化为固态的结晶过程，可知其实质是物质内部原子重新排列的过程，即从液态的不规则排列转变为固态的规则排列。广义上讲，物质从一种原子排列状态(晶态或非晶态)过渡为另一种原子规则排列状态(晶态)的转变过程称为结晶。为区别起见，我们将物质从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶，而物质从一种固体晶态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。研究金属结晶过程的基本规律，对改善金属材料的组织和性能，都具有重要的意义。4.1.1金属结晶过程特征1.液态金属结构——近程有序和远程有序下一页返回4.1结晶过程概述固体材料的结构在原子、分子范围内规则排列称为近程有序。远程有序(长程有序)的

3、长程具有周期性，即在短程看来无序的原子排列在长程范围内则是在三维空间的重复排列。2.结晶的定义从状态上看，结晶是指金属从液态向固态过度时晶体形成的过程，一般称为一次结晶。从金属学的观点来讲，结晶则是指物质的结构从近程有序向远程有序过渡的过程。3.结晶过程的宏观现象如果我们把熔融的金属液体放在一个散热缓慢的容器中，让金属液体以极其缓慢的速度进行冷却，同时记录其温度随时间的变化。上一页下一页返回4.1结晶过程概述并作出温度一时间关系曲线即冷却曲线，见图4-1。通过对冷却曲线的分析，我们可以了解以下现象。(1)结晶过程伴随着结晶潜热的释放。从冷却曲线上可以看到一个温度平台，在温度平台所对应的时

4、间内表明金属正在结晶，即金属结晶在恒温下进行。这说明该时间段内，金属内部有热量释放，从而弥补了向外散失的热量，我们把这个热量称为结晶潜热。冷却曲线上温度平台的温度称为实际结晶温度Tn。(2)过冷现象。结晶发生时，实际结晶温度并不是金属的熔点。如果我们把金属的熔点称为理论结晶温度界T0，那么实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度，这个现象称为过冷现象。它们的温度差T0-Tn称为过冷度，用ΔT表示。上一页下一页返回4.1结晶过程概述纯金属结晶时的ΔT大小与金属本质、纯度和冷却速度等有关，可以在很大的范围内变化。实验表明，液态金属的纯度低，ΔT小;冷却速度慢，ΔT小;反之亦然。4.金属结晶微观过

5、程由于金属是不透明的，我们无法直接观察到其结晶的微观过程，但通过对透明有机物结晶过程的观察，发现金属结晶的微观过程，就是原子由液态的短程有序逐渐向固态的长程有序转变的过程。当温度低于T,时，液态金属内部某一瞬间存在的尺寸最大的短程有序原子集团(晶胚)，可能获得足够的能量稳定存在并逐步成为长程有序的小晶体，我们把该小晶体称为晶核，此过程称为形核。晶核一旦形成就可以不断地长大，同时其他晶胚又可以形成新的晶核，并不断长大。上一页下一页返回4.1结晶过程概述因此纯金属的结晶过程就是晶核的不断形成和长大的交替重叠进行的过程，如图4-2所示。4.1.2形核与长大金属结晶是液态金属原子规则排列的过程，

6、这个过程不可能在一瞬间完成，而是分两个步骤进行:晶核的形成和晶核的长大。1.形核液态金属在结晶时，其形核方式有两种:均质形核(对称自发形核)和异质形核(又称非自发形核)。(1)均质形核。均质形核是纯净的过冷液态金属依靠自身原子的规则排列形成晶核的过程。它形成的具体过程是液态金属过冷到某一温度时，其内部尺寸较大的近程有序原子集团达到某一临界尺寸后成为晶核。上一页下一页返回4.1结晶过程概述形核速度的快慢用形核率N表示，它是单位时间内单位体中形成的晶核数目，它与过冷度即结晶驱动力大小有关，还与原子活动能力(扩散迁移能力)有关。由于过冷提供了结晶的驱动力，但晶核形成后会产生新的液固界面，使体系

7、内能升高，所以并不是一有过冷就能形核，而是要达到一定的过冷度后，才能形核。即形核率N受两个相互制约因素的控制。ΔT大，结晶驱动力大，但温度低，原子活动能力小，也难以形成晶核，形核率也小。(2)异质形核(非自发形核)。当晶核不是完全在液体自身内部产生，而是靠依附于模壁或液相中未熔固相质点表面，优先形成晶核，称为非自发形核，实际结晶之所以能够在很小的过冷度下进行，就是由于非自发形核的结果。上一页下一页返回4.1结晶过程概述实际液态金属中