金属工艺学16.ppt
第二章第二章 纯金属的结晶纯金属的结晶 结晶结晶：金属由液态转变为晶体金属的过程金属由液态转变为晶体金属的过程 金属生产的第一步金属生产的第一步 本章目的：本章目的：1.了解金属结晶过程的形核、长大。了解金属结晶过程的形核、长大。2.理解金属铸锭的组织与缺陷。理解金属铸锭的组织与缺陷。3.掌握金属结晶的热力学条件和结构条件掌握金属结晶的热力学条件和结构条件 1 金属的结晶金属的结晶 结晶概念结晶概念:物质由液态转变为具有晶体物质由液态转变为具有晶体 结构的固相的过程称为结构的固相的过程称为 纯金属结晶时的热纯金属结晶时的热分析曲线特点：分析曲线特点：冷却曲线冷却曲线(T-t)(1)低于熔点才发生结晶低于熔点才发生结晶(2)存在结晶平台存在结晶平台1 金属结晶的金属结晶的宏观现象：宏观现象：(1)过冷现象过冷现象 金属在低于熔点的温度结晶的现象金属在低于熔点的温度结晶的现象 T=Tm-Tn 随金属的本性和随金属的本性和纯纯度，以及冷取速度不同度，以及冷取速度不同在一定范在一定范围围内内变变化化(2)结晶过程伴随潜热释放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。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:晶体的结晶过程金属结晶的金属结晶的微观过程微观过程:（1）形核形核 从液体中形成具有一定临界尺寸的从液体中形成具有一定临界尺寸的小晶小晶体体(晶核晶核)的过程的过程 （2）长大长大 晶核由小变大长成晶粒的过程晶核由小变大长成晶粒的过程 实际金属最终形成多晶体实际金属最终形成多晶体注：注：单个晶粒由形核单个晶粒由形核长大长大 多个晶粒形核与长大交错重叠多个晶粒形核与长大交错重叠 *当只有一个晶核时当只有一个晶核时 单晶体单晶体 *晶核越多，最终晶粒越细晶核越多，最终晶粒越细2 金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件热力学：研究系统转变的方向和限度热力学：研究系统转变的方向和限度 转变的可能性转变的可能性 热力学第二定律：在等温等压条件下，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。自由能较低的状态转变。即即G=G(转变后转变后)G(转变前转变前)S固固结晶时只有存在结晶时只有存在T 才才 能能 保保 证：证：G V=GS GL r0 时时，系统的系统的G 0 结晶过程可发生；结晶过程可发生；形成稳定晶核形成稳定晶核 随随 r，G 晶核长大为系统自晶核长大为系统自由能降低过程；由能降低过程；晶核可长大晶核可长大r0当当 r 0,热力学上结晶热力学上结晶不可发生，但液相中结构不可发生，但液相中结构起伏的稳定状态不同：起伏的稳定状态不同：当当 r rk 时时，随随 r，G 晶胚尺寸减小为自晶胚尺寸减小为自发过程发过程会会瞬间离散瞬间离散,只只能保持结构起伏状态，不能保持结构起伏状态，不能长大。能长大。r0 当当 rk r r0时时，随随 r，G 晶胚长大为自发过程晶胚长大为自发过程 即该尺寸区域的晶即该尺寸区域的晶胚不再瞬间离散，而为胚不再瞬间离散，而为稳定且可长大的稳定且可长大的。r0注意注意：实际当实际当rk r 0,按热力学理论按热力学理论LS不能发生，然而不能发生，然而:rk：为为临界晶核尺寸临界晶核尺寸 原因原因:过冷液体中存在过冷液体中存在能量能量起伏起伏,其中高能区可能使其中高能区可能使G 0,此时：此时：结晶总结晶总阻力阻力 形核功：过冷液体形核功：过冷液体形核时的障碍形核时的障碍 Gk 1/3(4r2k)1/3 Sk 代入球形晶胚自由能表达式可得：代入球形晶胚自由能表达式可得：事实上，只要事实上，只要 r rk,即为稳定晶核。即为稳定晶核。原因：原因：液体中除结构起伏外，还存在液体中除结构起伏外，还存在能量起伏能量起伏 故故形核功形核功可以依靠能量起伏来补偿可以依靠能量起伏来补偿结论：结论：除除结构起伏结构起伏外，形核还借助外，形核还借助能量起伏能量起伏条件条件 形核功的影响因素形核功的影响因素：随随T ，G即：即：增大过冷度，可显著降低形核阻力增大过冷度，可显著降低形核阻力（3）形核率（形核率（N=cm-3 s 1）：）：单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。意义意义:N 越大，结晶后获得的晶粒越细小，越大，结晶后获得的晶粒越细小，材料的强度高，韧性也好。材料的强度高，韧性也好。形核率形核率控制因素控制因素:N=N1 N2 N 1 受形核功影响的因子；受形核功影响的因子；(T,N 1)N 2 受扩散控制的因子。受扩散控制的因子。(T,N 2)T对对N的影响矛盾、的影响矛盾、复杂复杂实际纯金属：实际纯金属：随随T,N;且且T=0.2Tm金属玻璃金属玻璃2 非均匀形核（非自发形核）：非均匀形核（非自发形核）：晶核依附于液态金属中现成的微小固相晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。杂质质点的表面形成。=0，f()=0,GK=0 界面与晶核完全润界面与晶核完全润湿湿=180，f()=1,GK=G 均界面与晶核界面与晶核完全不润湿完全不润湿一般在0-180，0 f()rK。2、rK与与T成反比。成反比。T rK。3、均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏 液体中的自然现象。液体中的自然现象。4、结晶必须在一定温度下进行、结晶必须在一定温度下进行(扩散条件扩散条件)5、在工业生产中，液态金属凝固总是以非、在工业生产中，液态金属凝固总是以非均匀形核进行。均匀形核进行。均匀形核均匀形核T=0.2Tm 非均匀形核非均匀形核T=0.02Tm作业1、结晶时形核要点有哪些？结晶时形核要点有哪些？2、2-33、2-4
