材料制备的过程课件.ppt

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1、本章主要知识：第三章材料制备的过程纯金属的结晶聚合物的合成陶瓷材料的制备过程粉末冶金本章重点：纯金属结晶时晶粒大小的控制13.1纯金属的结晶1.凝固：物质由液态转变为固态的过程。由于材料通常是在固态下使用，所以凝固是材料制备的最基本的手段。一、结晶的基本概念2.结晶：物质由液态转变成固态并形成晶体的过程。一般金属溶液凝固就形成晶体。23.液态金属特点：长程无序，短程有序结构起伏现象，也叫相起伏（它是金属结晶重要的结构条件）从金属学角度，结晶过程实际就是原子由短程有序过渡到长程有序的过程。金属结晶即内部原子由不规则排列转变到规则排列

2、。344.冷却曲线液态金属在冷却时的温度和时间的关系曲线称为冷却曲线。热分析装置55.结晶潜热当液态金属下降到一定温度时，液态金属结晶时释放出了热量，称此热量为结晶潜热。出现平台是由于液态金属结晶时放出的潜热与散失的热量相等，平台延续的时间就是结晶过程所用的时间。实际结晶温度结晶平台(是由结晶潜热导致)理论结晶温度61.结晶的必要条件：过冷二、结晶的条件过冷：纯金属的实际结晶温度总是低于其熔点（理论结晶温度Tm)的现象，即在Tm以下金属仍处于液态的现象。7雾凇8自由能下降（热力学条件）：ΔG<0液相和固相自由能随温度变化图92.结

3、晶的充分条件过冷度：ΔT=Tm–T，一般为10℃—30℃；冷却速度愈大，开始结晶温度愈低，金属过冷度愈大。只有过冷度到达一定大小，才会使结晶的驱动力达到极限，开始结晶。10三、结晶的过程结晶过程:形核和晶核长大。晶核：一定尺寸的短程有序的小晶体。111.形核短程有序的原子团（晶胚）→⑴形核方式A自发形核是从过冷液体中直接产生晶核，需要很大的过冷度。由大尺寸的近程有序排列的原子发展而成。例:Fe需要ΔT=295℃；Ni需要ΔT=319℃。时聚时散（结构起伏）→晶胚的尺寸大于某一临界值时→自发地长大而成为晶核12B非自发形核:是指晶

4、胚依附于液态金属中的固态杂质表面或容器壁表面而形核的方式。⑵形核率是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量，用N表示。在实际的液态金属中，总是或多或少地含有某些杂质。所以实际金属的结晶主要以非自发形核方式进行，其液态金属过冷能力不强，过冷度较小。13142.长大结晶过程除了形核，还要不断长大。⑴长大方式:树枝状长大晶核长大实质就是原子由液体向固体表面的转移。15⑵长大速率:是指单位时间内晶核生长的线长度，用G表示。金属的树枝晶1617四、晶粒大小的控制1.晶粒度(晶粒大小)（1）表示方法：晶粒的平均直径（mm）单位面积的晶粒数(

5、个/mm2）（2）晶粒度等级（实际应用较广）晶粒度的评定一般采用比较法，即金相试样在放大100倍的显微镜下，与标准的图谱相比。分为八级，一级最粗，八级最细。晶粒度12345678单位面积晶粒数(个/mm2)16326412825651210242048晶粒平均直径(mm)0.2500.1770.1250.0880.0620.0440.0310.022182.晶粒大小对金属力学性能的影响在一般情况下，晶粒越细，常温强度越高，塑性韧性有所改善。19晶粒的大小取决于形核率和长大速率的相对大小，即N/G比值越大，晶粒越细小。可见，凡是能促

6、进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。在结晶过程中通常采用如下几种方法：3.晶粒大小的控制（1）增加过冷度V冷△TNG20在通常的过冷度范围内（曲线左半部），过冷度越大，则N/G比值越大，因而晶粒越细小。21B.当冷却速度>106-108℃/s非晶态材料。A.当冷却速度>102-104℃/s微晶材料（微晶合金、纳晶合金）。但增加过冷度却是制备高性能新材料的重要手段:增加过冷度的方法：提高冷却速度。例如，选用吸热和导热性较强的铸型材料（用金属型代替砂型）；采用水冷铸型等。这些措施只对小型或薄壁的铸件有效。22（2）变质处理是在浇注前

7、往液态金属中加入某些难熔的固态粉末（变质剂），促进非自发形核，从而提高结晶时的形核率，来细化晶粒。例如在铝和铝合金以及钢中加入钛、锆等。该方法易实现、效果明显、最常用。（3）振动、搅拌对正在结晶的金属进行振动或搅动，可使晶核数目显著增加，因为：可依靠外部能量促进形核可使成长中的枝晶破碎常用的方法有机械振动、超声波振荡和电磁搅拌。23五、金属的同素异构转变有些金属在不同温度、压力等外界条件下，会发生晶格类型的转变，这种现象称为同素异构转变。铁、钛、锡、钴、锰等都有同素异构转变体，如图所示为铁的同素异构转变。当发生同素异构转变时，材料

8、的许多性能如密度、塑性、强度、磁性、导电性等将发生突变。多晶型转变对于材料能否通过热处理来改变其性能具有重要的意义。24与结晶相比，有如下特点：转变的过冷度大；转变后引起体积变化；新相晶核往往在旧相晶界或特定晶面上产生。25六、金属铸锭（件）的组织