第2章2.1纯金属的结晶、2.2二元合金的结晶(I)技术方案.doc

课 题：第2章 2.1纯金属的结晶、2.2? 二元合金的结晶（I） 目的要求：1了解纯金属结晶的条件、理解其结晶过程，掌握细化铸 态金属晶粒的措施；2掌握二元合金的结晶。 教学重点：纯金属结晶的过程、细化铸态金属晶粒的措施、二元合金 的结晶、相图。 教学难点：匀晶相图、共晶相图、包晶相图。 教学课时：2 教学方法：多媒体，板书 教学内容与步骤： 本章介绍金属材料组织和性能的影响因素及其控制方法。重点阐明铁碳相图、铁碳合金平衡结晶过程、铁碳合金的成分-组织-性能关系。重点阐明钢的热处理原理和热处理工艺。简要阐述纯金属的结晶、金属的塑性加工、钢的合金化。 本章是工程材料课程的重点章。着重掌握：铁碳相图，铁碳合金的平衡结晶过程，铁碳合金的成分-组织-性能关系。过冷奥氏体的转变，钢的淬透性、淬硬性。常用热处理等热处理工艺。合金元素对钢的热处理、钢的机械性能的影响。熟悉纯金属、合金的结晶，金属的塑性加工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。2.1? 纯金属的结晶 2.1.1 纯金属的结晶 金属材料要经过液态和固态的加工过程。钢材经过冶炼、注锭、锻造、轧制、机加工和热处理等工艺过程。 金属浇注、冷却后，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。 液态金属中金属原子作不规则运动。在小范围内，原子会出现规则排列，称短程有序。短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。通常的固态金属属于晶体材料，金属原子规则排列，叫长程有序。 金属从液态到固体晶态的转变称为一次结晶。简称金属结晶。 一、纯金属结晶的条件 纯铜的冷却曲线中T0为纯铜的熔点(理论结晶温度), Tn为开始结晶温度。 自发转变的能量条件： 自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。 在一定温度条件下，只有引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。 液态金属结晶条件：液态金属要结晶，温度必须低于理论结晶温度T0，要有一定的过冷度ΔT ，使金属在液态和固态之间存在自由能差ΔF 。液态金属结晶的动力：ΔF 二、纯金属的结晶过程 包括两个基本过程：形核、长大 1. 形核 液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。生成的核心叫做晶核。 实际金属结晶时，以非自发形核为主。晶核形成、晶体长大时晶体表面能的增加是金属结晶的阻力。 2. 晶体的长大 晶体的长大有两种方式: (1)平面长大 冷却速度较慢时，晶体表面向前平行推移长大。不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢。 (2)树枝状长大 冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热快，长大较快，成为晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长时，在侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。 实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。 2.1.2 同素异构转变 金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。 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。 2.1.3 细化铸态金属晶粒的措施 金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体。实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。 晶粒大小可用晶粒度来表示，晶粒度号越大晶粒越细。?一般情况下, 晶粒越小, 金属的强度、塑性和韧性越好。使晶粒细化, 提高金属机械性能的方法称为细晶强化。　 细化铸态金属晶粒措施 1. 增大金属的过冷度 成核速率N ：单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3·s；长大速度G ：单位时间晶体长大的长度, m/s；实际工程中，过冷度常处于曲线的左边部分。 随着过冷度的增大，成核速率和长大速度都增大，成核速率增大更快，比值N/G也增大, 晶粒细化。 增大过冷度的主要方法： 提高液态金属的冷却速度、采用冷却能力较强的模子。 采用金属型铸模, 比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。　 超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。 非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。 2. 变质处理 在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织的方法叫变质处理。 变质剂的作用：增加晶核数量，阻碍晶核长大。 如： ●铝合金液体中加入钛、锆， ●钢水中加入钛、钒、铝， ●铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金， 都可使晶粒细化。 3. 振动? 在结晶过程中采用机械振动、超声波振动方法，破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。　 4. 电磁搅拌 将