工程材料及成型技术基础第2章 金属材料的凝固与固态相变课件.ppt

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1、第二章金属材料的凝固与固态相变凝固与结晶的概念结晶的现象与规律同素异晶(构)转变金属的铸锭组织第一节纯金属的结晶1一、凝固与结晶的概念1.凝固物质由液态转变成固态的过程。2.结晶晶体物质由液态转变成固态的过程。2研究目的：铸造生产过程直接影响机件的晶体质量。而铸态组织（凝固得到）也影响工件锻造、轧制的各种性能。31、金属的结晶（1）结晶：结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。或从原子的近程有序排列过渡到远程有序排列。从广义上讲，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡到另一种原子排列状态（晶态）的转变均属

2、结晶。4故金属从液态过渡为固体晶态的转变为一次结晶；而金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变为二次结晶。（2）理论结晶温度：原子由近程有序到远程有序排列共存的固定温度（Tm）。纯金属都有一定的熔点，在熔点温度时液体和固体共存。因此，金属熔点又称平衡结晶温度或理论结晶温度。5To二、结晶的现象与规律一）.结晶的一般过程1）纯金属结晶时的冷却曲线时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台(是由结晶潜热导致)6将待测的纯金属在坩埚内加热熔化，用热电偶测温，然后停止加热缓慢冷却。每隔一段时间记录一次温度。用所得数据绘制液态金属在冷却时的温

3、度和时间的关系曲线，称此曲线为冷却曲线。7图3-21热分析装置示意图2）.结晶潜热通过冷却曲线可以看出，当液态金属下降到一定温时，在冷却曲线上出现了平台。产生这种现象的原因是液态金属结晶时释放出了热量，称此热量为结晶潜热。冷却曲线上往往会出现一个平台，这是由于液态金属结晶时放出的潜热与散失的热量相等，使得坩埚内的温度保持不变。9如图，金属冷到低于平衡结晶温度（T1）后才开始结晶，有一过冷度ΔT（ΔT=T1—T0）。在平衡结晶温度下，液态金属与其晶体处于平衡状态。这时，液体中的原子结晶为晶体的速度与晶体溶入液体的速度相等。从宏观上看，既

4、不结晶也不溶解。只有冷到低于理论结晶温度T0才能有效地进行结晶。10过冷现象过冷度ΔT=T0–T1过冷是结晶的必要条件。11二).结晶的一般规律形核长大12实践证明，结晶总是从形成一些微小的晶体（晶核）开始，然后晶核不断长大；同时液体中不断产生新的晶核并不断长大，直到每个晶粒长大到相互接触、液体消失为止——结晶的普遍规律（形核——长大）(图)。13图3-23结晶过程示意图形核、长大151.形核液态金属中原子排列呈现短程有序，这些短程有序的原子团尺寸各异，时聚时散，称为晶胚。当晶胚的尺寸大于某一临界值时，晶胚就能自发地长大而成为晶核。1

5、6⑴形核方式液态金属结晶时，有两种形核方式：一种是均匀形核，另一种是非均匀形核。晶核形成的形式:*自发形核△T=200℃*非自发形核△T=20℃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。172.长大结晶过程的进行一方面要依靠新晶核连续不断地产生，另一方面还要依靠巳有晶核的不断长大。18⑴长大方式晶核长大初期外形比较规则，但随着晶核的长大，晶体形成棱角。由于棱角处散热速度快，因而优先长大，如树枝一样先形成枝干，称一次晶轴，然后再形成分枝，称为二次晶轴，依此类推。晶核的这种成长方式称为树枝状长大(图）。⑵长大速率:是指

6、单位时间内晶核生长的线长度。用G表示。19晶核的长大方式—树枝状20晶核的长大方式—树枝状21金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶223.影响晶核的形核率和晶体长大率的因素过冷度的影响未熔杂质的影响23过冷度的影响24形核率和长大速率都随过冷度的增大而增大。但两者的增加速率不同，形核率的增长率大于长大速率的增长率，如图所示。在通常金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，则N/G比值越大，因而晶粒越细小。25三）细化晶粒的途径人们通常希望金属材料晶粒细小均匀，因为晶粒越小，材料的强度越高，塑性和韧性越好。晶粒的大小称为晶粒度，通

7、常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。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，凡是能促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。261）提高冷却速度V冷△TN晶粒细小2）变质处理3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。在工业生产中通常采用如下几种方法：27１．提高冷却速度增加过冷度的方法是提高液态金属的冷却速度。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；降低浇注温度等。但这些措施只对小型或薄壁的铸件有效282.变质处理是在浇注前往液态金属中加入某些难熔的固态粉末（变质剂），

8、促进非均匀形核来细化晶粒。例如在铝和铝合金以及钢中加入钛、锆等。但是铝硅合金中加入钠盐不光是起形核作用，主要作用是阻止硅的长大来细化合金晶粒。293.振动、搅拌对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可依靠外部输入的能量来