纯金属的结晶课件

第二章纯金属的结晶第二章纯金属的结晶.1、概念：概念：金属由液态转变为固态的过程，称结晶。q特点：特点：(2个个)1）存在过冷现象和）存在过冷现象和过冷度过冷度：过冷现象：过冷现象：由热分析法测得纯金属的冷却曲线 看出：金属结晶前，温度连续下降，冷却到理论结晶温度Tm（熔点）时，并未结晶，需继续冷却到Tm之下某一温度Tn（实际结晶温度）时，才开始结晶，此过程称过冷现象。过冷度过冷度：金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，称过冷度，以T表示。T=TmTn；第一节.v结晶的必要条件：有一定过冷度v影响过冷度的因素：金属的本性：金属不同，过冷度不同；金属的纯度：纯度越高，过冷度越大；冷却速度：冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温度越低；.2）结晶潜热）结晶潜热：金属在结晶时，从液态转变为固态时会放出能量，此能量称为结晶潜热。从图中可以看出：当液态金属的温度达到结晶温度T1时，由于结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境中的热量，所以在冷却平曲线上出现了平台，平台延续的时间就是结晶过程所需的时间。.第二节第二节 金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件q问题：问题：为什么液态金属在理论结晶温度不能结晶，而必须在一定的过冷度条件下才能进行？q原因：原因：这是由热力学条件所决定的。热力学第二定律指出：在等温等压的条件下，物质系统总是自发地从自由能高的状态向自由能低的状态转变。由液相和固相自由能随温度变化的曲线可见，GL（纯金属的液态自由能）、GS（纯金属的固态自由能）都随温度的升高而降低，而液相自由能曲线的斜率较固相的大，所以两曲线必然在某一温度相交。.交点处的温度用T0（Tm)表示：当T=Tm时，GS=GL，两相可以同时共存，具有同样的稳定性，既不熔化也不结晶，处于热力学平衡状态，所以Tm就是理论结晶温度，即熔点。当TTm时，GSGL，所以液态金属可以自发地转变为固态金属，而两相的自由能差G就构成了金属结晶的驱动力。当TTm时，GSGL，所以固态金属可以自发的熔化为液态。综上所述，只有当TT0时，即存在一定的过冷度时，液态金属才能结晶。.5.其中,m：熔化潜热，：过冷度；m：熔点；v看出：G 与成正比；v结论：结论：要获得结晶过程所需的驱动力G，一 定要有过冷度，这样才能满足结晶的热力学条件；同时，过冷度越大，相变的驱动力G越大，结晶速度便越快；v 过冷度与结晶驱动力（G）的关系：.第三节金属结晶的结构条件第三节金属结晶的结构条件1、液态金属的结构：、液态金属的结构：v近程有序集团：利用射线研究金属结构时发现，在液态金属中的微小范围内，存在着紧密接触规则排列的原子集团，称近程有序集团；v相起伏：近程有序集团不是固定不动的，而是处于不断变化之中，它会瞬时消失，瞬时产生，此起彼伏，不断变化，这种不断变化的近程有序集团称“结构起伏”或“相起伏”。v晶胚晶胚：液态金属中，每一瞬间都会涌现大量尺寸不等的相起伏，尺寸较大的相起伏在结晶时，有可能转变为晶核。这些相起伏就是晶核的胚芽，尺寸较大的相起伏叫做晶胚。.v影响晶胚的主要因素为过冷度过冷度rmax；一定温度下，不同尺寸相起伏出现几率不同-正态分布。只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏，才有可能在结晶时转变为晶核；.2、金属结晶的微观过程：、金属结晶的微观过程：v孕育期-一个晶核-一个晶粒-多晶体；v单晶体:只有一个晶核形成并长大;v形核与长大过程交替进行。.第四节第四节 晶核的形成晶核的形成形核方式有均匀形核和非均匀形核两种1、均匀形核均匀形核（自发形核）：v概念：概念：液相中各区域出现新相晶核的几率相同，这种形核方式称为均匀形核。v条件：条件：液态金属绝对纯净、足够大的过冷度；.1）形核时的能量变化）形核时的能量变化 在某一过冷度下，如图25所示：体积自由能GV是结晶的驱动力，界面能是结晶的阻力。设晶核为球形，半径为r，当从液体中形成晶核时，其自由能的变化：.vG与晶粒半径r之间的关系如图：在系统总的自由能曲线上出现极大值GK，与之对应的r 值称为临界晶核半径rK。rrK时，晶胚长大导致系统自由能G增大，这种晶胚不稳定，会重新熔化而消失。rrK时，晶胚长大，G降低，结晶自动进行。rrK时，晶胚可能长大，也可能消失。因此，将半径为rK的晶胚称为临界晶核。.2）临界晶核半径）临界晶核半径rK：.v过冷度对形核的影响：过冷度对形核的影响：增大过冷度，可减小临界晶核半径，使形核数量增多。Tk：临界过冷度 实际过冷度TTk时，rmax rk，不能形核 T=Tk时，rmax=rk，可能形核 TTk时，rmax rk，能形核.T 0.2Tm，r k1010m，约约200个原子。个原子。常见金属液滴均匀形核的过冷度如表常见金属液滴均匀形核的过冷度如表21：.3）形核功：）形核功：形核时所需的最低能量v 形核时系统自由能的变化：v 可见：可见：形成临界晶核时，临界形核功GK等于临界晶核表面能的1/3。v 表明：形成临界晶核时，体积自由能的降低只补偿2/3的表面能，还有1/3的表面能需由外界供给，即需要对形核做功；.v形核功的来源：形核功的来源：液相中的能量起伏；能量起伏：在一定温度下，液相各微区的能量是此起彼伏、不断变化的，这种微区暂时偏离平衡能量的现象称为能量起伏。v形核条件：形核条件：相起伏 rK，存在能量起伏GKv临界形核功临界形核功GK 与与T的关系：的关系：过冷度越大，临界形核功越小，形核越容易.4）形核率：）形核率：v概念：概念：单位时间、单位体积液相中形成的晶核数目。用表示，单位cm-3s-1；v影响形核率的因素：影响形核率的因素：过冷度和原子的扩散能力；因此，N=N1N2N1：受过冷度影响的形核率因子，过冷度越大，N1越大。N2：受原子扩散能力影响的形核率因子。温度越高，原子的扩散能力越大，则N2越大。vN、N1、N2与温度关系的示意图如下：.v由图：，2，即结晶刚开始，随的增大而增大；超过极大值时，又随的增大而减小v大多数金属的形核率总是随过冷度的增大而增大，如图。在开始一段过冷度范围内，几乎不产生晶核；当降低到某一温度，形核率急剧增加，对应温度称有效成核温度。.2、非均匀形核（非自发形核、异质形核）、非均匀形核（非自发形核、异质形核）依附于液体中现存固体杂质或容器表面进行形核，这种形核方式称非均匀形核(现象、原因）1)临界晶核半径和形核功：临界晶核半径和形核功：假设一晶核在基底上形成，的形状是半径为r 圆球的球冠。L为液相。:晶核与基底的接触角，称润湿角。L:晶核与液相之间的表面能。:晶核与基底之间的表面能。L :液相与基底之间的表面能。.当晶核稳定时，三种表面张力（表面能）在交点处达到平衡，即.rK，rK均匀形核与非均匀形核的形核功与临界形核半径均匀形核与非均匀形核的形核功与临界形核半径可知：.可见：可见：非均匀形核的临界晶核半径与均匀形核的临界晶核半径相等，rK，rK ；在0之间变化，cos 在11之间变化，所以，GK GK 。表明：非均匀形核可以在较小的过冷度下形核，且 越小，GK 也越小，形核时所需的过冷度也越小。当0时，GK0。.讨论：讨论：（不同润湿角的晶核形状）：（不同润湿角的晶核形状）：0时，GK 0，不需要形核功就可以 在现成的基底上直接长大。18000时，GK GK。1800 时，GK GK，相当于均匀形核，晶核为一球体。.2)形核率的影响因素：形核率的影响因素：过冷度过冷度：由于GK GK ，故非均匀形核在较小过冷度（0.02Tm）时，就会有较高的形核率，随后中断（有利的形核基底全部被覆盖）。图中：（1）非均匀形核率（2）均匀形核率.固态杂质结构的影响：固态杂质结构的影响：.点阵匹配原理：与的结构相同，原子尺寸相近。满足点阵匹配原理的质点称为活性质点。v如在Cu中加入Fe在Cu的结晶温度10830C以下，Fe和Cu为fcc。晶格常数：-Fe a0.3652nm，Cu a0.3688nm在液态Cu中加入少量Fe，能促进Cu的非均匀形核。v又如：在Al中加入少量Ti(Ti3Al)；Mg中加Zr（hcp)。.固体杂质形貌的影响：固体杂质形貌的影响：相同，曲率半径r 相同，三个晶核的体积V1 V2 V3 时，N1 N2 N3（凹面平面凸面）。.过热度的影响：过热度的影响：过热度：金属熔点与液态金属温度之差T。nT 较小时，现成质点的表面状态不变，对形核无影响；nT 较大时，使质点内微裂纹及小孔减小，凹面变为平面，N下降；nT很大时，固态质点全部熔化，使非均匀形核变为均匀形核，N大大下降。振动、搅拌：振动、搅拌：在液态金属凝固过程中进行振动和搅拌，使枝晶碎断，形核率增加。.形核要点：形核要点：过冷度T Tk；晶胚尺寸r rk；T 越大，则r k越小，N越高；均匀形核，既需要结构起伏r rk，也需要能量起伏 Gk；结晶必须在一定温度下进行（扩散）；在生产中，液态金属的凝固总是以非均匀形 核方式进行。.第五节晶核长大第五节晶核长大长大：宏观-；微观-；长大的条件：需要一定的过冷度，使GVGS ，即需要一定的过冷度，但所需的较小，仅为103104 0C；液相温度要足够高，以完成原子由液相到固相的迁移。决定晶核长大方式和速度的因素：扩散；界面结构；界面温度分布.1、固、液界面的微观结构：、固、液界面的微观结构：1）光滑界面：）光滑界面：以原子尺寸观察时，表现为固相界面上原子排列的光滑、平整，固液两相以界面分开，界面以上，所有原子处于液体状态；在界面以下，所有原子处于固体状态。显微尺度：参差不齐的锯齿状。界面-密排面小平面界面.2）粗糙界面：粗糙界面：以原子尺寸观察时，固相界面上的原子高低不平，犬牙交错分布。微观上：平整非小平面界面。.3）界面微观结构的判断：杰克逊因子界面微观结构的判断：杰克逊因子界面的平衡结构应当是界面能最低的结构，当在光滑界面上任意添加原子时，其界面能的变化Gs 可用下式表示：.n若x50%，界面上有50%的位置被固相原子所占据粗糙界面；n若x0或100，则该界面为光滑界面。n取不同值，作关系曲线，如图，得以下结论：当2，在x0.5处，界面能最小，该界面为粗糙界面；Al、Fe、Cu 等。当5,在x0或x1处，界面能最小，该界面为光滑界面。有机化合物。当=25，混合型界面，Be、Sb、Ge、Si等。.2、晶体长大机制：、晶体长大机制：晶体长大靠原子由液相逐渐转移到固相来完成。1）二维晶核长大机制光滑界面）二维晶核长大机制光滑界面靠能量起伏、结构起伏使一定大小的原子集团同时降落在界面上，使GsGV。相当于0的非自发形核，形成台阶-长大速度十分缓慢。.2）螺位错长大机制缺陷界面（光滑界面）螺位错长大机制缺陷界面（光滑界面）台阶-堆砌-线速度相等螺钉状晶体。长大速度较二维晶核长大快。.3）垂直长大机制粗糙界面垂直长大机制粗糙界面界面上一半位置空着-空位置接受原子的能力是等效的-连续、垂直的添加原子速度快-大部分金属。.3、固液界面前沿液体中的温度分布、固液界面前沿液体中的温度分布3.1 正温度梯度正温度梯度3.2.负温度梯度负温度梯度.4、长大方式：、长大方式：大多数金属的液固界面为粗糙界面。1）正温度梯度下：以平面方式长大（界面前沿的过冷度越来越小，取决于散热条件。）光滑界面？（密排面为表面，具有规则的几何外形.2）在负温度梯度下以枝晶方式长大（界面前沿的过冷度越来越大）.n说明：说明：v面心立方晶格、体心立方晶格的金属，其树枝晶的各次晶轴均沿100的方向长大，各次晶轴之间相互垂直；v等轴晶粒：如枝晶在三维空间得以均衡发展，各方向上的一次轴近似相等，则形成等轴晶粒。v柱状晶粒：如果枝晶某方向上的一次轴长得很长，而在其它方向长大受到阻碍，则形成柱状晶粒。v光滑界面的物质有两种形态：光滑界面的物质有两种形态：值不大时，树枝晶，仍有小平面特征；过冷度小时，规则几何外形。值很大时，规则形态的晶体。.5、长大速度、长大速度Gv概念：概念：单位时间晶体向周围长大的线速度。具有粗糙界面的金属，其长大基理为垂直长大，长大速度大，所需过冷度小。具有光滑界面的非金属或金属化合物，将以二维晶核长大方式或螺型位错方式长大，它们的长大速度很慢，所需过冷度较大。.v 过冷度对长大速度的影响：过冷度对长大速度的影响：非金属：当T较小时，固液相自由能差小，结晶的驱动力小，所以长大速度也小。当T很大时，原子扩散困难使长大速度减小。在中间某个过冷度时，G足够大，原子活动能力也足够大，所以长大速度达到极大值。.金属：由于结晶温度较高，形核和长大都快，不等过冷到较低的温度时结晶过程已经结束，所以其长大速度一般都不超过极大值。.6、晶粒大小的控制、晶粒大小的控制1）晶粒大小对金属性能的影响：）晶粒大小对金属性能的影响：常温下，晶粒越细小，强度和硬度越高，塑韧性越好。n细晶强化：细晶强化：细化晶粒来提高材料常温下强度.n晶粒度：晶粒度：晶粒的大小称为晶粒度。通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。.2）决定晶粒度的因素决定晶粒度的因素v形核率形核率N：形核率越大，则单位体积中的晶核数目越多，每个晶核的长大余地越小，则最后现成的晶粒越细小。v长大速度长大速度G：长大速度越小，形成的晶粒越小；反之，形核率越小，长大速度越大，则晶粒越粗大。v晶粒度取决于形核率N与长大速度G之比。N/G越大，晶粒越小。.3）控制晶粒度的方法控制晶粒度的方法v增大过冷度：增大过冷度：用于小件、薄件；N/G，晶粒越细小，通过提高金属凝固时的冷却速度来增大过冷度。方法：降低铸型温度；采用散热快的金属模。-薄带浇铸。v 变质处理：变质处理：用于大件；浇铸前往液态金属中加入形核剂（变质剂），促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。方法：铝合金中加入钛、锆。钢中加入钛、锆、钒。铸铁中加入硅铁或硅钙合金。.v振动、搅拌振动、搅拌在液态金属凝固过程中，通过振动和搅拌由于能量的输入，可促使形核。使正在成长中的枝晶破碎，而使晶核数大大增加，从而细化晶粒。方法：机械振动，超声波振动，电磁振动.第六节金属铸锭的组织与缺陷第六节金属铸锭的组织与缺陷一、铸锭组织：一、铸锭组织：纯金属铸锭的宏观组织通常由三个区所组成：外表层的细晶区、中间的柱状晶区、心部的等轴晶区.1、表层细晶区：表层细晶区：v 特点：晶粒细小、组织致密，性能好v 原因：过冷度大、模壁可以作为非均匀形核的基底，会形成大量晶核，并同时向各方向生长，形成细等轴晶；v 影响因素：模壁的形核能力、过冷度、浇注温度。.2、柱状晶区、柱状晶区：如图如图 由垂直模壁的粗大柱状晶组成v原因：原因：表面细晶粒区形成后，液固界面前沿的过冷度较小，不能形核，但有利于某些晶粒的长大；在垂直于模壁方向散热最快，则一次轴垂直于模壁方向的晶粒可优先发展，形成彼此平行的粗大的柱状晶；铸造织构。性能：界面平直，气泡缩孔小。穿晶区-弱面-易形成裂纹或开裂。各向异性。v特点：特点：优点：晶粒间的界面较平直，气泡、缩孔小、组织致密，具有各向异性；缺点：存在弱面；穿晶组织。.3、中心等轴晶区：、中心等轴晶区：由较粗大的等轴晶粒组成；v原因：原因：经过散热，剩余在锭模中心的温度已全部降到熔点以下、中心有些未溶杂质、散热已没有方向性；自由生长，各方向的长大速度相同。v性能：无明显脆弱面；无各向异性；枝粗大，缩孔较多，组织不致密。压力加工可焊合。v特点：特点：优点：在等轴晶区中，各晶粒的取向不同，没有方向性，没有脆弱面，同时取向不同的晶粒彼此咬合，裂纹不易发展；缺点：显微缩孔多，组织不致密；.二、铸锭组织的控制：二、铸锭组织的控制：v有利于柱状晶区发展的因素：锭模的导热能力要大：高温浇注、高速浇注：高的熔化温度：v有利于等轴晶区发展的因素：低温、低速浇注：降低熔化温度：变质处理：搅拌、振动：.三、铸锭缺陷：v缩孔:集中缩孔,分散缩孔（缩松）v气孔（气泡）v夹杂物：.晶体结构与结晶习题一、填空1、面心立方晶胞的原子数为 ，配位数为 ，致密度为 。2、FCC晶格中，原子密度最大的晶面为 ，原子密度最大的晶向为 ；BCC晶格中，原子密度最大的晶面 ，原子密度最大的晶向 。3、纯金属铸锭的宏观组织由三个区组成：，。.二、名词：晶体，晶格，晶胞，单晶体，多晶体，晶粒，晶界，晶面，晶向，致密度，配位数，结晶，过冷度.三、作图：1、画出（122）的晶面指数 2、立方晶系中，一晶面在X轴截距为1，Y轴截距为1/2，且平行于Z轴；一晶向上某点坐标为x=0.5，y=0，z=1，另一点通过原点，求晶面和晶向指数，绘图。.四、简答：四、简答：1、常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？2、-Fe、-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、Mg、Zn各属何种晶体？.3、实际金属晶体中存在哪些缺陷？对金属机械性能有何影响？4、晶体的各向异性是如何产生的？为何实际晶体一般都显示不出各向异性？.5、何谓过冷度与过冷现象？出现过冷度的原因？过冷度大小 与哪些因素有关？6、过冷度对铸件晶粒大小有何影响？7、晶粒大小对力学性能有什么影响？可采用哪些措施控制晶粒的大小？在生产中如何应用变质处理？举例？.8、如果其他条件相同，比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小：金属模浇注与沙模浇注；高温浇注与低温浇注；铸成薄件与铸成厚件；浇注时采用振动与不采用振动；.