金属学--第3章金属及合金的凝固与组织.doc

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1、第三章：金属及合金的凝固与组织1．凝固与结晶：金属和合金由液态转变为固态的过程称为凝固，凝固的过程主要是晶体或晶粒的生成和长大过程，所以也称结晶。2．同分结晶：结晶出的晶体和母液的化学成分完全一样，或者说在结晶过程中只发生结构改组而无化学成分的变化。3．异分结晶：结晶出的晶体和母液的化学成分不一样，或者说在结晶过程中，成分和结构同时都发生变化，也称选分结晶。4．匀晶结晶：结晶过程中只产生一种晶粒，结晶后的组织有单一的均匀晶粒所组成，即得到单相组织。5．非匀晶结晶：结晶时由液体中同时或先后形成两种或两种以上的成分和结

2、构都不相同的晶粒。6．凝固过程的宏观特征：液体必须具有一定的过冷度（实际凝固温度与其熔点的差值），凝固才能自发进行，凝固只能在过冷液体中进行；凝固过程中伴随着潜热的释放，这种潜热称为结晶潜热。7．晶核的自发形成——均匀形核8．非均匀形核：当晶核不是完全在液体自身内部产生，而是借助外来物质的帮助，依附于已存在与液相中的固态现成界面上，或容器表面上优先产生时，称非均匀形核。实际的结晶能够在很小的过冷度下进行，就是由于非均匀形核的结果，悬浮在液体中的杂志粒子，液体表面的氧化膜及铸型模壁等大都可以促进晶核的提前形成，这是由

3、于非均匀形核比均匀形核的界面能较低，即相变阻力减少了，因而晶核所要求的临界尺寸以及所需要的形核功也小了。9．晶体的成长。条件：要求液相能继续不断的向晶体扩散供应原子，要求晶体表面能不断牢靠的接纳原子机理：连续成长——适用于粗糙型界面；借台阶侧向扩展成长——适用于有台阶的平滑界面；二维晶核式的成长——当晶体界面既无台阶也无缺陷，而成理想界面时，液相单个原子很难稳定在那里，在这种情况下，依靠系统能量涨落，使一定数量的液相原子差不多同时落在平滑界面上的临近位置，而形成一个具有单原子厚度并有一定宽度的平面原子集团。该集团必

4、须超过结晶条件的临界值才能稳定住，称为二维晶核，形成后它的四周即出现了台阶，当整个界面铺满后又须依靠新的二维晶核的形成。所以成长速度缓慢；借晶体缺陷成长——晶体中各种不同形式的缺陷会促进晶体成长，甚至可以使平滑界面的晶体连续成长，如晶体借螺型位错的螺旋式成长。1．晶体的形貌：2．固溶体合金结晶特点：一是结晶过程发生在一个温度范围内，二是结晶过程所形成的晶体与其母液的化学成分不一样，而且无论是晶体或液体的成分，都随着温度的下降而不断变化。3．平衡凝固：指在结晶过程的各个不同温度阶段，处处都能随时达到相应的平衡状态，即

5、随着温度的变化，液、固两相的平衡成分都分别沿着液线和固线而变化，只有当冷却非常缓慢或分段冷凝的条件下才可能实现。4．非平衡凝固：5．偏析：随条件的不同，固溶体凝固后其浓度分布可以在很大范围内变化，除了平衡凝固可得到完全均匀的固相外，其它条件下凝固后的固相都是不均匀的，而且固态扩散越差，则其不均匀性也越大，这种现象称为偏析。6．显微偏析：固溶体的结晶只要偏离平衡态，都会引起偏析，一般发生在几个晶粒距离范围内，称为显微偏析。其表现形式有晶内偏析（或晶枝偏析）、晶粒之间的偏析、晶界偏析等。一般，K0>1的组元即升高熔点的

6、组元总是易于富集在晶粒中心或枝干的中心部分，而K0<1的组元即降低熔点的组元总是易于富集在晶界或晶枝之间，这是显微偏析的一个普遍规律。1．共晶系合金的凝固和组织：2．组成过冷：对同分凝固的金属或合金来说来说，由于他们具有单一的熔点（或凝固点），所以只要知道液体的实际温度，就可以判断液体是否过冷及过冷度是多大，而对于异分凝固的合金来说，由于它的凝固温度随成分而变化，且处于一个温度范围，所以判断这类合金液体是否过冷及过冷度大小时，要考虑液体的实际温度和液体的实际成分。液体的成分在结晶过程中是随着结晶的进行及与界面的距离

7、而变化的，这就铸锭这类合金结晶时液相的过冷度具有二重性，即一方面由于温度真正降低引起的过冷，称温度过冷，另一方面由于液体浓度变化而表现（或换算）的过冷，称浓度过冷，二者合起来才是真正对结晶起实际作用的过冷，故称之为组成过冷。3．铸锭的一般组织：（1）细晶粒外壳（激冷层）由许多细小的等轴晶粒所组成。一般很窄，有时只有几毫米厚，甚至难于分辨。（2）柱晶区紧接着细晶外壳出现的一层是由相当粗大的长柱状的晶粒所组成的区域，称柱晶区，它是定向结晶的产物。从外形看各柱晶的长轴大致与模壁垂直，表现出几何取向的一致性，并且还具有晶体

8、学取向一致性，即择优取向。（3）等轴晶区这个区位于铸锭的心部，由许多较粗大的、各方向尺寸近乎一致的晶粒所组成。4．铸锭的冷凝过程：金属铸模冷却能力强，液体主要依靠模壁的传导吸热，另外有液体本身的对流、传导和辐射等散热方式。一、流体进入铸模后，首先靠近模壁的部分激冷，液体中立即出现陡峭的正温度梯度，与此同时，液体也就会因此发生较强的自然对流，四周下降中心上升，