第二章 金属材料的组织与性能控制ppt课件.ppt

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1、2.1纯金属的结晶2.2合金的结晶2.3金属的塑性加工2.4钢的热处理2.5钢的合金化2.6表面技术第2章金属材料的组织与性能控制1.　纯金属的结晶条件2.　纯金属的结晶过程3.　同素异构转变4.　细化铸态金属晶粒的措施2.1纯金属的结晶金属结晶的概念物质由液态转变为固态的过程称为凝固。物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。液态金属中存在许多近程有序排列的原子集团，但不稳定，瞬时出现瞬时消失。在熔点以下，具有一定尺寸的、稳定的有序原子集团转变为长

2、程有序的状态，即固体。过冷度和冷却曲线：实际结晶温度（Tn）在冷却曲线上表现为一平台（曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的），其与理论温度（T0）之差为过冷度ΔT（ΔT=Ｔ0-Tn）。冷却速度越大，过冷度则大;反之亦然。杂质越多，过冷度越小。纯金属的冷却曲线结晶的条件：存在ΔT=Ｔ0-Tn,F液态＞F固态。结晶的过程形核：具有一定尺寸的、稳定的近程有序原子集团不再消失，成为结晶核心。长大：液态金属中的原子向晶核表面扩散聚集，使其尺寸增大。在晶核长大的同时，又有新的晶核不断形成和长大，直到相邻晶体彼此接

3、触，液体金属完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界，最后得到多晶体。晶核的形成自发形核：在熔点以下，由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核：实际金属中不纯洁，存在有杂质，熔点以下依附于外来杂质上生成的晶核。非均匀形核更为普遍。晶体的长大方式平面长大方式：在过冷度较小时，纯金属晶体长大须服从表面能最小的原则，沿原子密排面的垂直方向长大速度最慢，沿非原子密排面的垂直方向长大速度最快。这样，晶体获得表面为原子最密排面的规则形状，当许多晶体彼此接触后，规则形状才被破坏

4、。树枝状长大方式：在过冷度较大并存在杂质时，晶核生长为很小的形状规则的晶体，然后沿一定方向生长出空间骨架，此被称为一次晶轴。在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面长出新的枝芽，长成枝干，此称为二次晶轴。以此方式，二次晶轴上长出三次晶轴，三次晶轴上长出四次晶轴，直到消耗完全部液体。树枝状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同素异构转变1、铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：1394℃912℃-Fe⇄-Fe⇄-Fe物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同

5、素异构转变属于相变之一—固态相变。纯铁的同素异构转变-Fe、-Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。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，因而过冷倾向大。⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。细化铸态金属晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分8级。晶粒度12345678单位面积晶粒数（个/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直径（μm）25017712588624431

6、22细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较：细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓晶粒度的控制晶粒的大小主要取决于形核速度和晶核的长大速度。形核速度越大，则晶粒越小;长大速度越快，则晶粒越大。1、提高金属的过冷度：形核速度和长大速度与过冷度的关系如图所示：从图中可以看出，过冷度增大，晶粒越小。提高过冷度的主要办法是提高液体金属的冷却速度。2、变质处理：在液体金属浇注前向其中加入细小的、高熔点的孕育剂(变质剂)，促进非自发形核，以细化晶粒，从而改善机械性能的工艺

7、措施。变质剂的作用：增加晶核的数量，促进非自发形核;附着在结晶的前缘，阻碍晶核的长大。3、振动、搅拌：对在凝固过程中的金属进行振动和搅拌，使成长中的枝晶破碎，从而增大晶核数量，使晶粒细化。铸锭的结构表层细等轴晶区：液体金属注入锭模时，外层金属受到激冷，过冷度大，形核率高。同时模壁促进非自发形核。这样在铸锭表面形成一层较薄、晶粒细的细晶区。柱状晶区：细晶区形成的同时，锭模温度升高，过冷度减小，形核率降低，由于垂直于摸壁方向散热最快，因此，垂直于模壁的一次晶轴沿散热最快的反方向平行长大，最终形成了柱状晶层。中心粗

8、等轴晶区：随着柱状晶区的发展,液体金属的冷却速度降低，过冷度大大减小，温度趋于均匀，散热失去方向性。此时，剩余液体中被推出来的、漂浮耒的、从柱状晶上被冲下耒的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区。铸锭结构的特点：1、柱状晶是由外向里顺序结晶的，较为致密。但柱状晶的接触面是低熔点杂质和非金属夹杂集中的地方，对于高熔点金属和杂质多的金属，如铁、镍及其合金，在热轧和