ch3 纯金属的结晶null第二章 纯金属的结晶第二章 纯金属的结晶定义:金属由液态转变为晶体金属的过程
主要内容:
金属结晶的基本规律;
晶核的形成与长大;
晶粒大小对金属力学性能的影响及晶粒尺寸的控制;
金属铸锭的组织。
重点:纯金属结晶过程
难点:过冷现象。
液态金属的凝固过程液态金属的凝固过程 结构起伏(相起伏)
不断变换着的近程有序原子集团,大小不等,时而产生,时而消失,此起彼伏,与无序原子形成动态平衡,这种结构不稳定现象称为结构起伏。温度越低,结构起伏尺寸越大。null1 金属...
null第二章 纯金属的结晶第二章 纯金属的结晶定义:金属由液态转变为晶体金属的过程
主要内容:
金属结晶的基本规律;
晶核的形成与长大;
晶粒大小对金属力学性能的影响及晶粒尺寸的控制;
金属铸锭的组织。
重点:纯金属结晶过程
难点:过冷现象。
液态金属的凝固过程液态金属的凝固过程 结构起伏(相起伏)
不断变换着的近程有序原子集团,大小不等,时而产生,时而消失,此起彼伏,与无序原子形成动态平衡,这种结构不稳定现象称为结构起伏。温度越低,结构起伏尺寸越大。null1 金属结晶的宏观现象:
(1) 过冷现象
金属的实际开始凝固温度Tn总是低于理论凝固 温度Tm的现象
(2)过冷度( Δ T):理论凝固温度与实际开始凝固温度之差,即Tm-Tn。
(3)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。金属结晶的现象null2 金属结晶的微观过程:null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null 金属的结晶过程(形核,长大)t1 形核t3 长大形成晶粒t2 形核并长大,有新的晶核形成t4 液体消失,结晶结束金属结晶的条件金属结晶的条件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ΔG = G(转变后) -G(转变前) < 0 时
转变会自发进行金属凝固的热力学条件金属凝固的热力学条件
自由能随温度、压力而变化 : dG=VdP-SdT
其中,V:体积 ,P:压力 冶金系统中,
压力可视为常数 ,即dP=0
在交点温度(Tm ):两相自由
能相等,即GL=GS平衡共存
T
快—>慢
过冷度越大,孕育期越短,整个结晶所需时 间越短
二、凝固后金属的晶粒大小
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。null 三、晶粒大小及控制
1、表示:用单位体积中的晶粒数来衡量或近似地把晶粒看作球体,用它们的平均直径来衡量
2 控制晶粒大小的途径
a.增加过冷度 过冷度增大,N/V0增加
实际结晶时,过冷度是由冷却速度来控制的
b.变质处理
c.振动,搅拌
null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null(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,该工艺称为变质处理。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(3)振动、搅动:
机械方法、电磁波搅拌、 超声波搅拌等。凝固理论的实际应用举例凝固理论的实际应用举例一、铸锭(铸件)的宏观组织控制:三层典型组织
1.激冷层(表面细晶区) 2.柱状晶区3.中心等轴晶区1.激冷层(表面细晶区)2.柱状晶区3.中心等轴晶区弱面1、铸锭(铸件)的宏观组织控制:特殊情况下可得到全部为柱状晶和等轴晶1、铸锭(铸件)的宏观组织控制:特殊情况下可得到全部为柱状晶和等轴晶柱状晶形成弱面,热轧时开裂
柱状晶形成弱面,热轧时开裂
2、铸锭(铸件)的宏观组织控制:特殊情况下可得到全部为柱状晶和等轴晶2、铸锭(铸件)的宏观组织控制:特殊情况下可得到全部为柱状晶和等轴晶null铸锭中心等轴晶粒的来源:
仔晶卷入,
枝晶漂移,
晶体下沉。null例:三个成份相同,但铸造温度和铸模材料不同的铸件得到三种横截面: A.粗等轴晶 B.细等轴晶 C.典型三层晶带组织,试解释为何产生不同的组织。
A 高的浇注温度,导热性差的砂模
B 低的浇注温度,导热性差的砂模
C 适中的浇注温度,导热性好的砂模
3、铸锭的宏观组织控制:控制晶粒的大小3、铸锭的宏观组织控制:控制晶粒的大小
a.增加过冷度 过冷度增大,N/V0增加
实际结晶时,过冷度是由冷却速度来控制的
b.变质处理
c.振动,搅拌
nullAlMg合金没有变质处理晶粒AlMg合金经过变质处理晶粒null二、单晶的制取1、垂直提拉法二、单晶的制取----2、尖端形核下移法 二、单晶的制取----2、尖端形核下移法 课后习课后习题1、试述结晶过程的一般规律,研究这些规律有何价值与实际意义?
2、什么叫过冷度?为什么金属结晶时必须过冷?
3、试从过冷度对金属结晶时基本过程的影响,分析细化晶粒,提高金属材料常温机械性能的措施。
4、当对液态金属进行变质处理时,变质剂的作用是什么?
5、晶粒大小对金属性能有何影响?如何细化晶粒?
6、在铸造生产中,采用哪些措施控制晶粒大小?
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