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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.1,纯,金属的结晶,2.2,合金的结晶,2.3,金属的塑性加工,2.4,钢的热处理,2.5,钢的合金化,2.6 表面技术,第2章 金属材料组织 和性能的控制,1.,纯金属的结晶,2.,同素异构转变,3.,细化铸态金属晶粒的措施,4.,铸锭的结构,2.1,纯金属的结晶,1.纯金属的,结晶,结晶,( crystal ),： 液态- 晶态。,凝固,(coagulation),：液态 - 固态（晶体或非晶体）。,广义结晶概念：一种原子排列状态 -,另一种原子,规则排列,状态,(,晶态,),液态- 晶态（,一次结晶,）,晶体- 晶态（,二次结晶,）,晶体,液体,结晶,热分析装置示意图,实验室测定液态金属结晶时温度与时间对应关系的曲线,冷却曲线,t,T,T,0,T,n,理论结晶温度,开始结晶温度,T,T=,T,0,-,T,n,纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度,（,克服界面能）,过冷现象,）,液态和固态自由能之差,F,热力学定律：自然界一切自发转变过程总是从能量较高的状态趋向能量较低的状态,。,液态和固态自由能随温度变化曲线,结晶驱动力,纯金属都有一个理论结晶温度,T,0,(,熔点或平衡结晶温度,),。在该温度下,液体和晶体处于,动态平衡,（即结晶出的小晶坯与熔化进入液体的小晶坯在数量上相等）。,要实现结晶（即结晶出的小晶坯数熔化进入液体的小晶坯数），只有在,T,0,以下的某一温度，结晶才可能进行。,液态金属在理论结晶温度以下暂不结晶的现象称,过冷,。,理论结晶温度与实际结晶温度之差,T,称为,过冷度,。,T=,T,0,Tn,过冷度与冷却速度有关。冷却速度越大，实,际结晶温度越低，,过冷度越大。,冷却速度越大，过冷度越大。,晶坯,长大,晶体,液态金属中时刻存在着原子规则排列的小原子集团，它们时聚时散，称为,晶坯,。在,T,0,以下,经一段时间后,(,即孕育期,),一些尺寸较大的晶坯，可能长大成为,晶核,。晶核继续以一定方式长大，就成为,晶体,。,晶核,形核,结晶的一般过程,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,金属的,结晶,是由,晶核的形成（,形核）,和,晶核的长大,两个基本过程组成的。,形核,和,晶核长大,过程示意：,金属结晶微观过程示意图,结晶的一般规律：,形核、,晶核,长大,晶核的形成,两种形核方式,自发形核与非自发形核,自发形核,由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。,非自发形核,依附于外来杂质生成的晶核。,非,自发形核,示意图,自发形核,由液体中规则排列的原子集团形成晶核的过程称为,自发形核,。,以液体中固态杂质为核心形成晶核的过程称为,非,自发形核,。,自发形核和,非,自发形核同时存在，,非自发形核,更普遍、更重要，往往起着优先和主导作用。,自发形核的,T,约,200,；非自发形核的,T,约,20,。,晶核长大过程,晶核,两种长大方式,平面生长,与,树枝状生长,。,平面生长,界面为平行于熔点,Tm,的平直面，与散热垂直，晶体生长所需过冷度小，界面温度与熔点接近，晶体长大时界面均匀一致地向液相推进，如果,偶有突出,，便进入过冷度小的温区，长大立刻慢下来。,正温度梯度下（帮助理解，不作要求）,“,平面状”长大方式,平面晶,负温度梯度下（帮助理解，不作要求）,由于界面前沿液体的过冷度较大，如果界面的某一部分发展较快,偶有突出,，它将进入过冷度更大的液体中，从而突出尖端生长得更快，最后长成树枝状晶体。,“,树枝状,”,长大方式,晶核的树枝状长大,金属的树枝晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,实际金属主要以,树枝状方式长大,。,这是由于晶核长大过程中有潜热放出，晶核尖角处,散热条件较好,，生长较快，先形成,一次晶轴,，一次晶轴形成后又会产生,二次晶轴,，如此不断成长和分枝，直至液体全部消失为止。,在结晶过程中，如果金属液体,供应不充分,，树枝晶之间的间隙不被填满，可保留树枝状晶体的形态。这证明树枝晶之间的空隙是最后被填充的。,2,同素异构转变,金属在固态下,随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。,纯铁的同素异构转变：,-,Fe,（,bcc,）,-,Fe,（,fcc,）,-,Fe,（,bcc,）,1394,C,912,C,-,Fe,-,Fe,912,C,纯铁的冷却曲线,T,t,1538,1394,912,-,Fe，bcc,-,Fe，bcc,-,Fe，fcc,两次同素异构转变,770,铁磁性,固态转变的特点：,形核一般易在某些,特定部位,发生，如晶界、晶内缺陷、特定晶面等。,由于固态下扩散困难，因而需要较大的,过冷度,。,固态转变伴随着,体积变化,，易造成很大的内应力。如,-Fe,向,-Fe,转变时体积会膨胀,1%,。,-Fe,、,-Fe,为体心立方结构,(BCC),，,-Fe,为面心立方结构,(FCC),，都是铁的,同素异晶体,。,固态下的同素异构转变与液态金属的结晶过程类似，新同素异晶体的形成也包括,形核,和,长大,两个过程，故称为二次结晶或重结晶。,同素异构转变是在固态下进行的,固态转变,过程。,3,.,细化晶粒的措施,晶粒度,1,2,3,4,5,6,7,8,单位面积晶粒数,（个/,mm,2,）,16,32,64,128,256,512,1024,2048,晶粒平均直径,（m）,250,177,125,88,62,44,31,22,一个晶粒是由一个晶核长大形成的晶体。,晶粒度, 表示晶粒的大小，通常分为8级。晶粒度号数越大，晶粒越细。,比较：,细晶强化,-,强度、硬度、塑性、韧性,。,固溶强化,-,强度、硬度,，塑性、韧性,。,细晶强化,晶粒细化使金属机械性能提高的现象。,在各种强化方法中，,细晶强化,是唯一同时提高强度和塑性的方法。,形核率,(N),：,单位时间、单位体积内形成,的晶核数目，,单位为,cm,-3,s,-1,。,长大速度,(G),：,单位时间内晶体生长的长度，,单位,cm,s,-1,。,影响晶粒度的因素,晶粒的大小取决于晶核的形成速度（,形核率,）和长大速度,。,形核率越大，在单位体积中形成的晶核数量就越多，每个晶粒长大的空间就越小，晶粒就越细小；长大速度越小，在晶体长大的过程中，可能形成的晶粒数目就越多，晶粒越细小。,凡,促进形核,N,、抑制长大,G,或,使,N/G,的因素，都能细化晶粒。,单位体积中的晶粒数目为：,Z,V,=0.9,（,N / G,）,3 / 4,细化铸态金属晶粒的措施,（,1）,增大过冷度,（,2）,变质处理,（,3）,振动或搅拌,（1）提高过冷度,形核率,N,、,长大速度,G,与 过冷度,T,的关系,T,G，N,G,N,过冷度对,N,、,G,的影响,随过冷度增加，形核速度和长大速度都增加，但前者增加更快，,N/G,比值,增大，晶粒细化。,增大过冷度的办法：,采用冷却能力较强的模子，金属型铸模；,急冷技术等。,Al-Si,合金组织,（2）变质处理,在液体金属中加入变质剂(或孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。,变质剂的作用：,作为非自发形核的核心，增加晶核的数量。,阻碍晶核的长大，如,富集于晶体的结晶前缘，阻碍晶粒长大。,未变质处理,变质处理后,变质处理使铸铁组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。,（3）振动或搅拌,振动或搅拌的作用,：,对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可以依靠外部输入的能量促进形核，,另一方面使成长中的枝晶破碎，形成更多结晶核心，使晶核数目显著增加，从而,细化,晶粒。,机械振动、超声波振动或电磁搅拌等。,4.,铸锭的结构,特征晶区：,1表层细晶区,2柱状晶区,3中心等轴晶区,表面细晶区,柱状晶区,中心等轴晶区, 表层细晶区,：液态金属注入锭模时，由于冷模壁产生,很大的过冷度,及,模壁起到,非自发晶核,的作用,，使表面形成一层很细的等轴晶区。, 柱状晶区,：由于模壁温度升高，结晶释放出潜热，使细晶区前沿液体的,过冷度减小,，形核速率降低。加上垂直模壁方向,散热最快,，使已有的晶体沿着与散热相反的方向,优先生长,而形成一维方向尺寸较大的柱状晶区。,中心粗等轴晶区,:,结晶潜热不断放出，固态金属层的厚度不断增加，散热速度不断减慢，,散热逐渐失去方向性,；液体金属的冷却速度很快降低，,过冷度大大减小,，,温度趋于均匀化,；,在杂质作用,下非自发形核，晶核,自由生长,形成许多尺寸较大的等轴晶粒。,铸造缺陷类型较多，常见的有：,缩孔、,疏松、,气孔、偏析等等，,它们对铸锭性能是有害的。,缩孔,铸锭的缺陷,ingot defect,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保温帽等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。,缩孔,疏松,即分散缩孔，是树枝晶结晶时不能保证液体的补给而在枝晶间和枝晶内形成的细小分散的缩孔。,偏析,segregation,：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，合金中的高熔点元素先结晶，低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上成分不均匀的现象，称为宏观偏析,。,气孔,pore,：,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,),中形成气泡。铸锭中封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气,孔需要切除。铸件中出现气孔只能报废。,Cast Product Pore,Cast product internal porosity,气孔,小结,重点要求,1、结晶和过冷度的概念。,2,、晶核形成有哪两种方式？晶体长大有哪两种方式？,3,、铁的同素异构转变。,4,、晶粒度的影响因素，细化铸态金属晶粒的措施。,5,、铸锭的结构：三个特征晶区。,The End,of Chapter 2.1,
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