纯金属的结晶.ppt

第二章纯金属的结晶,结晶金属由液态转变为晶体金属的过程金属生产的第一步本章目的1介绍金属结晶的基本概念和基本过程2阐明金属实际的结晶组织及其控制,一、结晶的概念与现象结晶概念物质由液态转变为具有晶体结构的固相的过程称为～,1金属的结晶,纯金属结晶时的热分析曲线特点冷却曲线T-t低于熔点才发生结晶存在结晶平台,1金属结晶的宏观现象1过冷现象金属在低于熔点的温度结晶的现象2结晶过程伴随潜热释放结晶潜热液相结晶为固相时释放的热量。,2金属结晶的微观过程,金属结晶的微观过程,（1）形核从液体中形成具有一定临界尺寸的小晶体晶核的过程（2）长大晶核由小变大长成晶粒的过程实际金属最终形成多晶体注单个晶粒由形核→长大多个晶粒形核与长大交错重叠**当只有一个晶核时→单晶体**晶核越多，最终晶粒越细,二金属结晶的条件1热力学条件热力学研究系统转变的方向和限度转变的可能性热力学第二定律在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。即ΔGG转变后－G转变前S固,结晶时只有存在ΔT才能保证ΔGVGS－GLr0时，①系统的ΔGrK。2、rK与ΔT成反比。ΔT↑rK↓。3、均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏液体中的自然现象。4、结晶必须在一定温度下进行扩散条件5、在工业生产中，液态金属凝固总是以非均匀形核进行。均匀形核ΔT0.2Tm非均匀形核ΔT0.02Tm,二晶核的长大1液固界面类型,光滑界面粗糙界面┗为原子尺度当显微观察时，恰好相反,金属多为粗糙界面,2晶核长大的机制光滑界面有两种机制1二维晶核长大机制速度很慢,2晶体缺陷长大机制结构上存在台阶时如螺型位错速度较1快,粗糙界面主要有一种机制3垂直长大机制（连续长大）界面上所有位置均为生长点垂直界面连续长大；长大速度远较12快；金属晶体长大的主方式,3晶体的生长形态（1）液固界面前沿温度分布,正温度梯度温度分布液相温度随至界面距离增加而提高。靠近模壁处,负温度梯度温度分布液相温度随至界面距离增加而降低。,,,,,,（2）晶体的生长形态,一正温度梯度下光滑界面易于形成具有规则形状的晶体。,最终外表面为密排面,粗糙界面,“平面长大”方式平面晶,二负温度梯度下,“枝晶生长”方式树枝晶常见会解释树枝晶形成1粗糙界面,2光滑界面多为小平面树枝状晶体有时为规则外形晶体,三、晶粒大小及控制1晶粒大小对材料性能的影响常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。但高温下晶界为弱区，晶粒细小强度反而下降，但晶粒过于粗大会降低塑性。此时须采用适当粗晶粒度。,2铸造中晶粒大小的控制形核率越大，长大速度越小，则单位体积中的晶粒数目越多，晶粒越细小。单位体积中的晶粒数目为ZV0.9（N/G）3/4细化晶粒提高形核率N，降低晶核长大速度G,工业上常用的方法（1）增加过冷度过冷度增大，N、G均增大，但N提高的幅度远高于G增加过冷度加大冷却速度,（2）变质处理添加固相微粒或表面非均匀形核变质处理定义在浇注前往液体中加入变质剂孕育剂，促进形成大量的非均匀晶核，该工艺称为。,孕育剂选择原则Ⅰ点阵匹配即结构相似、尺寸相当。Ⅱ孕育剂熔点远高于金属本身,如γ-Fe为fcc结构a≈0.3652nmCu也为fcc结构a≈0.3688nm在液体Cu中加入少量Fe，可促进形核。又如Zr能促进Mg的非均匀形核Ti能促进Al的非均匀形核。（3）振动、搅动机械方法、电磁波搅拌、超声波搅拌等。,,2金属铸锭的组织与缺陷1、铸锭三晶区,1表层细晶区,2中间柱状晶区,3中心等轴晶区,铸锭结构图,（一）表层细晶区形成原因（1）过冷度ΔT大。（2）模壁作为非均匀形核的位置。特点晶粒细小，组织致密，机械性能好，,薄，无实用意义,（二）柱状晶区形成原因1细晶区形成后，模壁温度升高，结晶前沿过冷度ΔT较低，不易形成新的晶核；2细晶区中某些取向有利的晶粒可以显著长大；,,3晶体沿垂直于模壁散热最快相反方向择优生长成柱状晶。,,,特点组织粗大而致密；为“铸造织构”,铸造织构铸造过程中形成的一种晶体学位向一致的铸态组织称为～。又称“结晶织构”,,注意晶粒外形外貌与晶粒取向的差别另有形变织构,,（三）中心等轴粗晶区形成原因（1）液体温度全部降到结晶温度以下，可同时形核。（2）未熔杂质、冲断的枝晶分枝可作为非均匀形核的核心。（3）散热失去了方向性，各方向长大速度相差不大。长成等轴晶。由于过冷度ΔT不大，晶粒较粗大。,等轴晶和柱状晶体性能比较,,2铸锭组织的控制一般有三个晶区，凝固条件复杂，在某些情况下只有柱状晶区，而有的只有等轴晶区。,,塑性好金属铝、铜等发展柱状晶塑性相对较低的金属、钢等发展等轴晶,（一）促进柱状晶生长的方法总体1加大液相沿垂直铸锭模壁方向的散热能力促进散热的方向性2降低液相内部非均匀形核的可能性,具体1提高铸锭模的冷却能力。如金属模代替砂型模；增加金属铸模的厚度等注意此方法仅适于尺寸较大的铸件，但不适于尺寸较小的铸件原因若铸模冷却能力很大，反而促进等轴晶的发展（增加形核率）。例连铸小截面钢坯时，采用水冷结晶器，连铸锭全部获得细小的等轴晶粒。,（2）提高铸模中心区温度，增大温度梯度。具体提高浇注温度与浇注速度。,（3）提高熔化温度，减少非均匀形核数目。熔化温度越高，液态金属过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶区的发展。,例如1、磁性铁合金方向导磁率最大，柱状晶的一次轴正好也是这个方向。发展柱状晶，获得最好的磁学性能。2、燃气轮机叶片，其负荷具有方向性，要求在叶片轴线方向有较高的强度。使柱状晶的长度方向和叶片轴线方向平行。,（二）控制铸锭组织在实际生产中的应用,柱状晶制备,燃气轮机叶片定向凝固生产技术与装置,叶片,,感应加热炉,,单晶制备方法,（三）、发展等轴晶，限制柱状晶的方法降低浇注温度和浇注速度，减小液体过热度，在液体中保留较多非均匀形核核心；小铸件可用↑过冷度的方法↑形核率；大铸件变质处理；,3、金属铸锭组织缺陷自学缩孔气孔夹杂物,小结具有临界晶核尺寸的晶胚,第二章习题与思考题,1什么是晶体，什么是非晶体简述二者在结构与性能上的差别。2金属常见的晶体结构由哪几种，Fe、Cu、Al、Ni、Pb、W、Mo、V、Ti、Zn、Mg等各属于哪种晶体结构3在体心立方晶胞中画出以下晶面或晶向（121）（101）（321）（121），［121］［101］［321］［121］,,,4金属结晶包括哪两个过程，结晶的条件是什么什么叫过冷度5晶粒大小对材料的机械性能有何影响，影响铸态晶粒大小的主要因素是什么铸造实际中如何控制金属晶粒大小何谓变质处理6金属铸锭的组织有何特点，存在哪些缺陷7讨论什么是金属材料的组织结构金属的实际结构是怎样的金属中晶体缺陷主要有哪些这些缺陷是否是性能上的缺陷,