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1、,第三节 金属的结晶与铸锭,3.1.1 金属结晶的微观现象,凝固：物质从液态冷却转变为固态的过程。若凝固后的物质为晶体，则称为结晶。是否形成晶体，主要有液态物质的黏度和冷却速度决定。黏度高，冷速大易形成非晶态。结晶的基本过程：形核和长大,两者交错重叠进行。描述结晶过程的两个参数：形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数 量。用N表示。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。,金属结晶的基本规律,3.1.2 金属结晶的宏观现象,冷却曲线：冷却过程中温度随时间的变化曲线。测定方法：热分析法,金属结晶的基本规律,金属结晶温度：开始结晶温度Tn，理论结晶温
2、度Tm（两相平衡）,平台过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。T=Tm-Tn 影响因素：金属纯度，冷却速度金属越纯，过冷度越大；冷却速度愈快，过冷度愈大。,纯金属的冷却曲线,结晶潜热,结晶潜热：金属结晶过程中释放的热能。,相变驱动力：单位体积自由能的变化,3.2.1 金属结晶的热力学条件,G-T曲线G=H-TS dG/dT=-S0（推导见教材）G-T曲线为下降曲线，液态下降更快,金属结晶的基本条件,为什么需要过冷？,GB=GL-GS=(HL-TSL)-(HS-TSS)=(HL-HS)-T(SL-SS)=Lm-T(SL-SS)(SL-SS)变化
3、很小，视为常数，T=Tm时 GB=Lm-Tm(SL-SS）=0所以：SL-SS=Lm/Tm,相变驱动力：单位体积自由能的变化,3.2.1 金属结晶的热力学条件,金属结晶的基本条件,为什么需要过冷？,a.T0,GB0是结晶的必要 条件（之一）。b.T越大,|GB|越大过冷度越大，越有利于结晶。c.GB的绝对值为凝固过程的驱动力。,3.2.2 金属结晶的结构条件,（1）液态金属结构长程无序而短程有序。液态与固态相比：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。,金属结晶的基本条件,液态结构模型：微晶无序模型，拓扑无序模型（密集无序堆垛模型）,实际液体结构是动态的,固态金属,液态金属,3.2.2
4、金属结晶的结构条件,（2）结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之一）。晶胚：尺寸较大、能长大为晶核的短程规则排列结构。,金属结晶的基本条件,一定温度下，最大的晶胚尺寸有一个极限值，液态金属的过冷度越大，实际可能出现的最大晶胚尺寸也越大。,3.3.1 均匀形核,均匀形核：在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的能量变化获得驱动力，由晶胚直接成核的过程。非均匀形核：在过冷液态金属中，晶胚依附在其他物质表面上成核的过程。（凝固形核的主要方式）,晶核的形成,形核：母相（液相）中形成等于或大于一定临界尺寸的新相晶核的过程。形核方式：均匀形核，非均匀形核,3
5、.3.1 均匀形核,3.3.1.1 晶胚形成时能量的变化体积自由能GV 降低（结晶驱动力）表面自由能GS 升高（结晶阻力）,晶核的形成,设 晶胚为球形，半径为r，表面积为S，体积为V，过冷液体中出现一个晶胚时的总的自由能变化（G）：G-GV+GS=-VGB+S=-(4/3)r3GB+4r2,rrk,G最大;称为临界晶核半径rrk,晶胚成为稳定的晶核。,3.3.1 均匀形核,3.3.1.2 临界晶核临界晶核半径rk减小或增大GB，rk减小。增大过冷度，rk减小。,晶核的形成,3.3.1 均匀形核,3.3.1.3 形核功临界形核功(A)：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。,晶核的形成,能量起伏：
6、系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之二）。高能原子附上低能晶胚，释放能量，提供形核功。,3.3.1 均匀形核,形核率（N=N1.N2）单位时间单位体积内所形成的晶核数目影响形核率的因素：形核功的影响：过冷度增大，rk、A降低，N1增加扩散的影响过冷度增大，温度降低，扩散减慢，N2减小,晶核的形成,由于N受N1.N2两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。,均匀形核是依靠结构起伏形成大于临界晶核 的晶胚，同时从能量起伏中获得形核功，形成稳定的晶核。,3.3.2 非均匀形核,3.3.2.1 非均匀形核的形核功模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。
7、LW=SW+SLcos,晶核的形成,Gk非/Gk=(2-3cos+cos3)/4 a)=0时，Gk非0，杂质本身即为晶核；b)1800时,Gk非Gk,杂质促进形核；c)=180时，Gk非Gk，杂质不起作用。,3.3.2 非均匀形核,非均匀形核的形核率影响因素：过冷度，固体质点的性质、数量、形貌等。(1)过冷度的影响远低于均匀形核过冷度。,晶核的形成,(2)固体杂质结构的影响越小，形核率越大 LW=SW+SLcos 点阵匹配原则：晶核与固体杂质结构相似、原子间距相当时促进形核。,3.3.2 非均匀形核,非均匀形核的形核率影响因素：过冷度，固体质点的性质、数量、形貌等。,晶核的形成,(3)固体杂质
8、表面形貌的影响：凹曲面上、粗糙模壁形核率高,(4)物理因素的影响：晶核的机械增殖机械增殖，动力学成核,液相的宏观流动会增加形核率；强电场或强磁场能增加形核率。,3.3.2 非均匀形核,晶核的形成,非均匀形核是利用过冷液相中的活性质点或固体界面作基底,同时依靠液相中的相起伏和能量起伏来实现的形核。,在非均匀形核时,临界半径只是决定晶核的曲率半径,接触角才决定晶核的形状和大小。角越小，晶核的体积和表面积也越小，形核越容易。,3.4.1 晶体长大的条件,晶体的长大,晶体长大：液体中原子迁移到晶体表面，即液-固界面向液体中推移的过程。,晶体长大的条件:(1)动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度(必要条
9、件)。(2)足够高的温度，原子能够扩散。(3)晶核表面能够接纳扩散来的原子。,3.4.2 液-固界面的微观结构,晶体的长大,光滑界面：液-固界面上的原子排列较规则，界面处两相截然分开。微观上界面光滑，微观上有若干小平面。粗糙界面：液-固界面上的原子排列较混乱，原子分布高低不平整，在几个原子厚度的界面上，液、固两相原子各占位置的一半。微观上界面平直。,稳定长大过程，界面能量始终保持最低。两种能量低的界面结构：光滑界面，粗糙界面,3.4.4 晶体长大的形态,长大形态：长大过程中液-固界面的形态。两种：平面状长大，树枝状长大取决于：液-固界面结构的类型，界面前沿液相中温度分布,3.4.4.1 液-固
10、界面前沿液相中的温度梯度正温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越高。负温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越低。,晶体的长大,3.4.4 晶体长大的形态,3.4.4.2 平面状长大形态,液-固界面始终保持平直的表面向液相中长大，长大中的晶体也一直保持规则的形态。,条件：正温度梯度，粗糙界面结构的晶体为主,晶体的长大,3.4.4 晶体长大的形态,3.4.4.3 树枝状长大形态液-固界面不断分支发展,条件：负温度梯度特点：有方向性，取决于晶体结构,最先长成的细长的晶体，称为主干，即为一次晶轴或一次晶枝。在一次晶轴上长出二次晶轴或二次晶枝。形成树枝状骨架，称为树枝晶，简称枝晶。,如果一次晶轴
11、在各个方向上均衡发展，所形成的晶粒叫做等轴晶粒。如果一次晶轴在某个方向上长的很长，形成的细长晶粒叫做柱状晶粒。,晶体的长大,3.5.1 铸态晶粒的控制,晶粒度：用于表示晶粒大小的一个概念。用晶粒的平均面积或平均直径表示。,凝固理论的应用,晶粒越小，材料强度、硬度、塑性、韧性越高。这种方法称为细晶强化，能同时提高金属材料的强度、硬度、塑性、韧性。,钢的标准晶粒度：分为8级，一级最粗，八级最细。,3.5.1 铸态晶粒的控制,凝固理论的应用,细化晶粒的途径1.增加形核率N；2.降低长大速度；,细化晶粒的方法1.增大金属的过冷度：增加形核数目2.变质处理：液态金属加入变质剂，异质形核 或阻碍晶粒长大3
12、.振动和搅拌,3.5.3 非晶态金属,非晶态金属（金属玻璃）：快速冷却使金属保留液态时的原子排列。强度高，韧性大，耐腐蚀，导磁性强,凝固理论的应用,形成条件：快冷至Tg温度（玻璃化温度）以下。Tg=Tm-Tg 越小，越易获得非晶态。在熔点到结晶温度区间加快冷却速度（超过106K/S)。,制备方法：离心急冷法、轧制急冷法,金属铸锭的铸态组织及缺陷,金属结晶后的组织统称铸态组织。铸锭的铸态组织是指晶粒的形态、大小、取向及缺陷(疏松、夹杂、气孔等)和界面的形貌等，组织决定性能。,1、表层细晶粒区2、柱状晶粒区3、中心等轴晶粒区,金属铸锭的的三个晶区,铸锭的组织,1、表层细晶粒层 液体金属浇入铸模后，
13、由于模壁温度较低，表层金属剧烈冷却，过冷度大，且模壁的异质形核作用，故铸锭表层形成细晶粒层。2、柱状晶粒层 表层细晶粒层形成后，铸锭的冷却速度下降，晶核的形成速率不如成长率大，各晶粒成长较快。由于沿垂直于模壁方向散热较快，故晶粒编沿这一方向长大，形成柱状晶粒层。3、中心等轴晶粒区 柱状晶粒区成长到一定厚度时，散热的方向性已不明显，内部液体处于均匀冷却状态，晶核在不同方向的成长速度相同，因此在铸锭的中心便形成粗大的等轴晶粒区。,金属铸锭的三个晶区的形成,铸锭的组织,对于钢锭，一般是等轴晶区愈大愈好。铸造组织是由合金的化学成分和浇注条件等因素来决定的。化学成分一定时，通常情况下，提高浇注温度、加快冷却速度或采用定向冷却散热方法，并减少非自发晶核等条件有利于柱状晶区扩展。相反，有利于等轴晶区的扩展。根据需要，可以制成纯柱状晶铸锭和纯等轴晶铸锭。,铸锭组织的控制,铸锭的组织,铸锭的缺陷,铸件缺陷：缩孔、缩松、气孔、偏析、夹杂等。,缩孔：结晶收缩和固态收缩造成,缩松(分散缩孔)：树枝状长大，枝晶间液态没有补充,气孔：溶解的气体没有溢出,偏析：铸锭内部化学成分不均匀,夹杂：外来的杂质或内部反应 生成的金属氧化物等,铸锭的组织,over,
