工程材料金属与合金的结晶.ppt

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。因而结晶过程是液-固相变过程。 结晶的重要性： 结晶之后得到的金属材料显微组织称为结晶组织、凝固组织(铸态组织)。结晶组织决定着材料的使用性能和加工工艺性能。掌握结晶规律可以帮助我们有效地控制金属的凝固条件，从而获得性能优良的金属材料。 第一节 纯金属的结晶 冷却曲线与过冷度 结晶的一般过程 金属结晶后晶粒大小 同素异构转变 一、纯金属冷却曲线与过冷 测定： 冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。 曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。 过冷现象与过冷度 纯金属都有一个理论结晶温度T0，在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。 理论结晶温度与实际结晶温度的差?T称过冷度，是结晶的必要条件。 ?T= T0 –T1 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。 二、纯金属结晶的过程 结晶的基本过程 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成. 形核长大同时进行 形核：液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。 长大晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 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。 树枝状长大的实际观察 树枝状结晶 三、金属结晶后晶粒的大小 晶粒度：单位体积内晶粒数目。为测量方便，常以单位界面内晶粒数目 对金属材料的影响： 细晶强化。通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。 物理化学性能。如：硅钢片中晶粒愈大磁滞损耗愈少；耐蚀不锈钢中晶粒愈大耐腐蚀性愈好。 影响和控制：形核率N和长大速率G （一）提高过冷度 结晶时的过冷度主要取决与液体的冷却速度，因此，结晶时冷却速度越大，得到的晶粒也越小。 对大铸件或厚薄差别大的铸件，冷速过快→ 变形、开裂 只适用于小铸件，简单件 （二）孕育与变质处理 孕育处理：作为非均匀成核的晶核(人工晶核)，从而通过增加成核率来细化晶粒。如：向钢中加 Ti、Zr、B、Al；向铸铁中加Si、Ca等。 变质处理：作为长大率的阻碍物，通过降低长大速度来细化晶粒。如：在铝硅合金中加入一些钠盐的变质处理就是通过钠来降低硅的长大速度来细化硅的晶粒。 （三）附加振动和搅拌 在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以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 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。 铝硅合金在不同处理条件下的晶粒形态 气轮机转子的宏观组织(纵截面) 四、金属的同素异晶转变 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。同素异构转变属于固态相变。 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。 固态转变的特点 重结晶过程 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）； 转变时也需要过冷度； 由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大； 固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。 第二节 合金的结晶 合金结晶的基本规律与纯金属的结晶基本相同，也是在一定过冷度下形核和长大来完成结晶的。 结晶过程更复杂，得到的组织可以是单相或是多相，既可是纯固溶体也可是化合物或两相组成的机械混合物 结晶过程是在一个温度区间完成的 用相图来表述合金的结晶及冷却的相变状况 2.1 冷却曲线与相图 测定方法 配制不同成分的合金试样，如纯铜；70%Cu+30%Ni；50%Cu+50%Ni；30%Cu+70%Ni；纯Ni。 用热分析法测定各组试样合金的冷却曲线 确定其相变临界点； 将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上； 将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu-Ni合金相图。 相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。 相图是表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、