4第4章纯金属的结晶与细晶强化1.pptVIP

晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。 在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。 实际金属结晶主要以树枝状长大. 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。 树枝状结晶 Al-Si合金组织 铸铁变质处理前后的组织 3.振动、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， 气轮机转子的宏观组织(纵截面) 1.表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。 2.柱状晶区：稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶区。枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速 。 3.中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。 大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件抑制晶体的柱状长大，而促使内部等轴晶的形成和等轴晶细化。 就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展(特别是存在着溶质及杂质偏析时)。柱状晶相碰的地带溶质及杂质聚积严重，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中易成为集中的腐蚀通道。 1.缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除. ⑵偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。 ⑶气孔: 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡.铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气 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： ?-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。 2、固态转变的特点 铸 型 液态金属 柱状晶生长过程的动态演示 4.5.2 铸锭结构的特性 几种不同类型的铸件宏观组织示意图 （a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶 柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件反而更具优点。 金属加热温度高，冷却速度大，铸造温度高和浇注速度大等，在铸锭或铸件的截面上将保持较大的温度梯度，有利于获得较发达的柱状晶；相反，铸造温度低，冷却速度小时，截面温度趋向均匀，有利于等轴晶的形成。 缩孔 4.5.3 铸锭的缺陷 硫在钢锭中偏析的模拟结果 铸件中的气孔 孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。 缩松 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。同素异构转变属于相变之一—固态相变。 4.6 金属的同素异晶转变 1394 °C 912 °C bcc fcc bcc δ - Fe γ - Fe α - Fe 1394℃ 1538℃ 1000 600 800 1200 温度 时间 1600 1500 500 700 900 1100 1300 1400 912℃ δ - Fe α - Fe γ - Fe 纯铁的冷却曲线 ?-Fe ?-Fe * 第4章 纯金属的结晶与细晶强化 4.1 结晶的基本概念 1.凝固 ( coagulation ) 物质由液态转变成固态的过程。 2.结晶 ( crystal ) 晶体物质由液态转变成固态的过程。 玻璃制品 水晶 气体： 全无序为特征 液体：长 程 无 序、近 程 有 序 晶体：平移、对称性特征（长程有序） 1200 ℃ 1400 ℃ 1550 ℃ 1700 ℃ 4.2 冷却曲线与过冷度 4.2.1 冷却曲线 热分析法 Tm 时间 温度 理论冷却曲线 实际冷却曲线 Tn 纯金属的冷却曲线 1.过冷现象和过冷度 过冷现象 ( supercooling ) 过冷度 ( degree of supercooling ) ΔT = Tm – Tn 过冷是结晶的必要条件 为什么？ 雾凇 时间 温度 Tn 结晶平台(是由结晶潜热导致) 纯金属的冷却曲线 2.结晶潜热 4.2.2 冷却曲线的热力学分析 G T ΔT ΔG0 Tn Tm TL GL GS 自由能与温度的关系示意图 4