《金属的结晶》PPT课件.ppt

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1、第二章材料的凝固物质由液态转变为固态的过程称为凝固。材料的凝固分为两种类型：1。一种形成晶体，称为结晶。结晶过程是相变过程2。另一种是形成非晶体，非晶材料在凝固过程中是逐渐变硬的。有固定的凝固温度逐渐变硬结晶非晶体看图回答那个是晶体那不是？第一节纯金属的结晶1、冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。一、冷却曲线与过冷度纯金属的冷却曲线理论实际每一种物质都有自己的平衡结晶温度或者称为理论结晶温度，但是，在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，

2、这种现象称为过冷现象，两者的温度差值被称为过冷度概念解说2。过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。雾凇液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度。T=T0–T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。金属结晶时为什么必须过冷的根本原因：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。而过冷度是指金属的理论结晶温度T0与实际结晶温度T1的差值，要获得结晶过程所必需

3、的驱动力，一定要使实际结晶温度低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。过冷度越大，固、液两相自由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度便越快。所以存在过冷度是结晶的必要条件。同学们有想过为什么存在过冷度吗？？现在是否明白了。二、结晶的一般过程1、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下，经一段时间后(即孕育期)，一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。T0T1ΔT液体和晶体自由能随温度变化晶核半径与ΔG关系晶核形后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不

4、断形成，不断长大，直到液体完全消失每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。2、晶核的形成方式形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。非均匀形核示意图均匀形核3、晶核的长大方式晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。正温度梯度均匀长大实际金属的结晶主要以树枝状长大。这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。负温度梯度树枝状

5、结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶温度梯度G和冷却速率R对晶体形貌的影响第二节晶粒大小的控制一、晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。二、晶粒大小对金属性能的影响常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好。即细晶强化。高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。晶粒大小与金属强度的关系单晶叶片三、决定晶粒度的因素晶粒的大小取决于

6、晶核的形成速度和长大速度。过冷度对N、G的影响单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。四、控制晶粒度的方法1、控制过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。例1快速凝固和亚快速凝固快速凝固的定义由液相到固相的冷却速度相当快，从而获得了传统铸锭冷却速率下所不能获得的成分、相结构或显微结构快速凝固冷却速率>105℃/s一般工业上冷却速率范围：10-3～10℃/s大铸锭：10-2℃/s中等铸锭：1℃/s薄的铸锭：102℃/s金属粉

7、末的普通气雾化工艺：103℃/s实现快速凝固的两个基本条件：（a）金属熔液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，便于散热；（b）必须有能带走热量的介质。熔体可成为冷却借助于液滴带形液流圆形液滴固体液体气体例2控制过冷度对于大体积铸件，如何控制过冷度？均匀形核如何实现均匀形核？4137H低合金钢（35CrMo）的大过冷凝固图实验装置示意图1．氩气；2．耐火砖；3．感应线；圈4．石英管；5．记录仪；6．数据在线采集系统；7．坩埚；8．热电偶；9．金属液坩埚容量10kg钢液的冷却曲线4137H低合金钢的理论结晶温度为1503℃1503℃稀土加入

8、量与过冷度的关系晶粒尺寸与过冷度随稀土加入量的变化关系在纯净钢生产