工程材料-金属材料组织与性能的控制-纯金属结晶ppt课件.ppt

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1、金属材料组织与性能的控制1、结晶的基本概念金属从液态转变为固态（晶态）的过程称为结晶。通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。结晶：第一节纯金属的结晶一、纯金属的结晶晶体液体结晶结晶：液体-->晶体凝固：液体-->固体（晶体或非晶体）物质从液态冷却转变为固态的过程叫做凝固，凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。如果凝固后的物质是晶体，则这种凝固称为结晶。冷却曲线tTT0TnTT=T0-Tn纯金属结晶应当有一定的过冷度2、纯金属的结晶

2、理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。过冷：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差T。abcdef过冷度大小与冷却速度有关:冷速越大，过冷度越大.（3）自由能：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这部分能量（F）称为自由能。结晶或凝固的过程就是一个降低能量的过程，其驱动力，就是“自由能差”（ΔF）T↑F↓；但FL↓＞FS↓，交点T0当Tn＜T0时ΔF=FL-FSL→S晶当Tn＞T0时ΔF=FS-FLS晶→L当Tn＝T0时ΔF=0S晶L可见，自由能差

3、ΔF是靠ΔT=T0－Tn来获得的，所以，ΔT是结晶过程中的一个重要参数。说明：金属的实际结晶温度Tn总是要低于理论结晶温度T0。液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程来实现的。2.纯金属的结晶过程液态金属形核晶核长大完全结晶2.纯金属的结晶过程(1)晶核的形成形核有两种方式，即自发形核和非自发形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核。(自发晶核）以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核。(非自发晶核）非自发形核比自发形核更重要。两种长大方式——平面生长与树枝状生长。平面生长树枝状生长(2)晶

4、核的长大均匀长大(2)、晶核的长大方式均匀长大冷却速度较小情况下，以表面向前平行推移的方式长大。实际金属结晶较少见到。(2)、晶核的长大方式树枝状长大当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形状长大。原因：晶核尖角处散热快，因而生长较快；尖角处缺陷较多，原子易固定。(2)、晶核的长大方式树枝状长大金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶2、同素异构转变铁的同素异构转变1394℃912℃-Fe⇄-Fe⇄-Fe物质在固态下晶体

5、结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于相变之一:固态相变。纯铁的同素异构转变固态转变的特点⑴形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。⑵由于固态下扩散困难，因而需要较大过冷度。⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力，严重时导致工件变形和开裂。固态相变的晶界形核(Sn-0.5%Cu铸态，255K)锡疫3、结晶后的晶粒大小及其控制（1）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。

6、通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。3、结晶后的晶粒大小及其控制（2）决定晶粒度的因素－－－细晶强化晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核速率(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.控制过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。变质处理：又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。（3）控制晶粒

7、度的方法变质剂的作用：作为非均质形核的核心，或阻碍晶粒长大。Al-Si合金组织缓冷快冷未变质变质AZ31镁合金铸态组织未加细化剂加细化剂3、结晶后的晶粒大小及其控制机械振动、超声振动、电磁搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。电磁搅拌细化晶粒示意图振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。超声振动细化晶粒示意图(4)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,

8、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。但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。3、结晶后的晶粒大小及其控制三、铸锭结构及其控制在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。三、铸锭结构及其控制整模造型⑴细等轴晶区：浇注