机械工程材料教学课件作者封金祥第2章.ppt

２.４　金属的铸锭组织 由于晶核数目很多，故邻近的晶粒很快彼此相遇，不能继续生长。可以说，人工晶核作用也是这层晶粒细化的原因之一。这样便在靠近型壁处形成一层厚度较薄、晶粒很细的表层细晶区。 ２.中间柱状晶区 紧接细晶区的为柱状晶区，这是一层粗大且垂直于型壁方向生长的柱状晶粒。其原因是一方面型壁温度由于液态金属加热而迅速升高，金属液冷却速度变慢；另一方面，细晶区结晶潜热的释放也使型壁温度升高，液态金属冷却速度减慢。 上一页 下一页 返回 ２.４　金属的铸锭组织 此时，只有细晶区中与液体相接触的某些晶粒可沿垂直型壁方向继续生长。因晶粒生长方向与散热方向一致，所以晶粒生长较快，而且它们的生长也不至于因相互抵触而受限制，所以只有这些晶粒才能优先得到成长，从而形成柱状晶粒。而另一些倾斜于型壁的晶粒的生长受到阻碍，不能继续长大，这样便形成了柱状晶区。 ３.中心等轴晶区 中心等轴晶区是由随机取向的较粗大的等轴晶粒组成的。随着柱状晶粒发展到一定程度，通过已结晶的柱状晶层和型壁向外散热的速度越来越慢，结晶进行到铸锭中心时，剩余液相温度已比较均匀，几乎同时进入过冷状态。 上一页 下一页 返回 ２.４　金属的铸锭组织 再加上液态金属的流动可能将一些未溶杂质推至铸锭中心，或将柱状晶枝分枝冲断，漂移到铸锭中心，它们都可以成为剩余液体的晶核，这些晶核由于在不同方向上的成长速度相同，因此便形成了较粗大的等轴晶粒。当它们长到与柱状晶区相遇，全部液体凝固完毕后，就形成了明显的中心等轴晶区。 ２.４.２　铸锭三晶区的组织与性能 铸锭中三个晶区具有不同的组织，从而也具有不一样的性能。 １.表层细晶区 表层细晶区完全是紧密排列的细小晶粒，具有较好的力学性能。但由于其厚度只有几毫米，因此实际应用的意义不大。 上一页 下一页 返回 ２.４　金属的铸锭组织 ２.中间柱状晶区 一般情况下，不希望铸件得到柱状组织。因为相互平行的柱状晶的界面较脆弱，常聚集着易熔杂质和非金属夹杂物，因此铸锭在热压力加工时易沿此脆弱面开裂。 柱状晶区由于晶粒沿着一个方向生长，故其性能具有方向性。对于塑性较好的金属或合金，如铝、铜合金等，往往希望得到柱状晶组织，因为其组织致密，力学性能好，即使在压力加工时，因塑性好也不至于开裂；而对于塑性较差的金属或合金，如钢铁和镍合金等，则应力求避免形成发达的柱状晶区，否则往往导致热轧开裂而产生废品。 上一页 下一页 返回 ２.４　金属的铸锭组织 但在某些特殊情况下，则希望获得单一方向的柱状晶组织，通常采用定向凝固方法获得。此方法特别适用于加工需要在工作中沿一定方向并承受较大负荷的构件，可达到良好的使用性能要求。 ３.中心等轴晶区 与柱状晶区相比，等轴晶区的各个晶粒在长大的过程中彼此交叉，枝杈间搭接牢固，裂纹不易扩展，不存在明显的脆弱界面，性能均匀，无方向性。但是等轴的树枝状晶体比较发达，分枝较多，因此收缩孔较多，组织不够致密，并且一般情况下晶粒较粗大。 上一页 下一页 返回 ２.４　金属的铸锭组织 确切地说，晶粒越细小，金属材料的强度值越高。不仅如此，晶粒细小还可以提高材料的韧性。因此细化晶粒是少有的能同时提高金属材料强度和韧性的方法之一。因此，在生产实践中通常采用适当的方法获得细小晶粒，以提高金属材料的强度。这种强化金属材料的方法就称为细晶强化。 上一页 返回 图２－１　晶体、晶格、晶胞示意图 返回 图２－２　体心立方晶格模型 返回 图２－３　面心立方晶格模型 返回 图２－４　密排六方晶格模型 返回 图２－５　纯铁的冷却曲线 返回 图２－７　空位、间隙原子和置换原子示意图 返回 图２－８　简单立方晶格中刃型位错模型 返回 图２－９　晶界和亚晶界结构示意图 返回 图２－１０　纯金属的冷却曲线 返回 图２－１１　纯金属结晶时的冷却曲线示意图 返回 图２－１２　纯金属结晶过程示意图 返回 图２－１３　晶体枝晶长大示意图 返回 图２－１４　形核率和晶核长大速度与过冷度的关系示意图 返回 图２－１５　铸锭组织示意图 返回 * 第２章　金属的晶体结构与结晶 ２.１　金属的晶体结构 ２.２　实际金属的晶体结构 ２.３　纯金属的结晶 ２.４　金属的铸锭组织 返回 ２.１　金属的晶体结构 金属材料的性能与其内部的原子排列密切相关，金属在冷!热加工过程中的许多变化也与晶体结构有关，因此必须首先了解金属的晶体结构。 ２.１.１　晶体结构的基本概念 １.晶体与非晶体 自然界中一切固态物质内部，凡原子呈有序!有规则排列的物质称为晶体；相反，凡原子呈无序堆积状况的称为非晶体。 自然界中除少数物质（如松香!普通玻璃和石蜡等） 属于非晶体外，大多数固态物质都是晶体（如结晶盐!水晶和天然金刚石等）。 下一页 返回 ２.１　金属的晶体结构 但晶体的外形不一定都是有规则的，如金属和合金等，这