工程材料---金属的结晶与凝固剖析.ppt

第三章  金 属 的 结 晶 与 凝 固 引言 金属都是冶炼后，经历液态到固态的凝固得到的。 本章主要内容： 结晶的概念、结晶的条件、结晶的过程、结晶时晶粒大小的控制、金属铸锭（件）组织的特点。 第一节 金属的结晶过程 一、 金属结晶的过冷现象 （一）冷却曲线和过冷度 冷却曲线：T = f (时间)的函数曲线 1、过冷现象与过冷度 理论结晶温度: Tm 实际结晶温度: T1 △T过=Tm-T1 冷却实验表明: V冷↑ → T1↓ → △T过↑ 即：存在△T过导致L、S两相之间产生能量差△F; △F提供了一个结晶的推动力 二、结晶过程 当液体金属冷到实际结晶温度后，首先从液体中形成一些尺寸极小的、原子呈规则排列的晶体－晶核形成，在已形成的晶核逐渐长大，同时液态金属的其它部位也产生新的晶核，新晶核又不断长大，直到液态金属全部消失，结晶结束。 2、变质处理（孕育处理） 变质处理：在液态金属中加入孕育剂或变质剂，以 细化晶粒和改善组织。 其目的是：增加晶核数目或阻碍晶核的长大 应用：铝合金的结晶 3、振动、搅拌 第三节 铸锭的组织及缺陷 一、金属铸锭的宏观组织 1、表层：细等轴晶粒带 2、中部：柱状晶带 3、心部：中心粗大等轴晶带 二、铸造缺陷 缩孔、疏松、气孔、偏析、夹杂、裂纹 1、缩孔和疏松 集中缩孔 分散缩孔---疏松 2、偏析和夹杂 成分偏析 区域偏析（杂质偏析） 3、内应力和裂纹 4、气孔 本章小结 1.结晶过程中的过冷现象; 2.结晶过程中的能量条件; 3.结晶的一般过程; 4.影响结晶晶粒大小的元素; 5.细化结晶晶粒大小的方法; 6.铸锭的组织与缺陷. * 研究“凝固”具有重要意义 加深对组织的理解 寻求改善质量的途径 有两种“凝固” 得到晶体叫结晶，如合金 得到非晶体叫凝固，如玻璃 晶体 液体 结晶 结晶： 液体 ? 原子排列具有周期性 ? 晶体 凝固： 液体 -- 固体（晶体 或 非晶体） 结晶的基本概念： 时间 温度 Tm T1 △T过=Tm-T1 图 纯金属冷却曲线 （二）结晶的能量条件 1、热力学定律:自发过程朝系统自由能降低的方向进行. 2、结晶的能量变化 F新相、F母相（或FS、FL） △F= FS－FL ＜0 ＝0 ＞0 T1Tm T1=Tm T2Tm 能量条件： △F= FS－FL0 3、V冷↑ → △T过↑ → △F↑ →结晶驱动力↑ → 越有利于结晶的进行 温度条件：T1Tm，即存在过冷度 结晶的一般过程是形核和晶核长大 （一）晶核的形成 1、自发形核（均匀形核） 2、非自发形核（异质形核） （二）晶核的长大 1、实质：原子向晶核表面的不断转移 2、长大方式： 一般以树枝状方式长大 第二节 结晶时晶粒大小的控制 47.5 294 108 194 44.8 274 70 51 35.3 237 46 6.3 伸长率 δ% σb MN/m2 σs MN/m2 晶粒度 (晶粒数/毫米2) 一、晶粒大小对金属性能的影响 二、决定晶粒大小的因素 1、形核率 N：单位时间、单位体积内形核数 2、成长速率 G：单位时间内界面向前推进的距离 显然： N ↑ G ↓或N/G↑→ 晶粒越细小 三、控制晶粒大小（晶粒度）方法 1、控制过冷度 应用：小型和薄壁铸件的晶粒细化 实际生产中： 金属型铸模代替砂型铸模； 增大金属型的厚度； 降低金属型的预热温度等。 打碎树枝状晶 促进自发形核 N↑ 细化晶粒 作业：P28 2、3、4、7、9