第五节金属的结晶与铸锭精选文档.ppt

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1、第五节金属的结晶与铸锭本讲稿第一页，共二十九页3.1.1 金属结晶的微观现象凝固凝固：物质从液态冷却转变为固态的过程。若凝固后的物：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，则称为质为晶体，则称为结晶结晶。是否形成晶体，主要有液态物质的是否形成晶体，主要有液态物质的黏度黏度和和冷却速度冷却速度决定。决定。黏度高，冷速大易形成非晶态。黏度高，冷速大易形成非晶态。结晶的基本过程结晶的基本过程：形核和长大形核和长大,两者两者交错重叠进行交错重叠进行。描述结晶过程的两个参数：描述结晶过程的两个参数：形形核核率率：单单位位时时间间、单单位位体体积积液液体体中中形形成成的的晶晶核核数数量量。用

2、用N表示。表示。长长大大速速度度：晶晶核核生生长长过过程程中中，液液固固界界面面在在垂垂直直界界面面方方向向上上单单位时间内迁移的距离。用位时间内迁移的距离。用G表示。表示。金属结晶的基本规律本讲稿第二页，共二十九页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。冷却曲线：冷却过程中温度随时间的变化曲线。测定方法：测定方法：热分析法热分析法 金属结晶的基本规律金属结晶温度：金属结晶温度：开始结晶温度开始结晶温度Tn，理论结晶温度，理论结晶温度Tm（两相平衡）（两相平衡）,平台平台过冷过冷：液态材料在：液态材料在理论结晶温度以下理论结晶温度以下仍保持液态的现象。仍保持液态

3、的现象。过冷度过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。：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。金属越纯，过冷度越大；冷却速度愈快，过冷度愈大。纯金属的冷却曲金属的冷却曲线结晶潜热结晶潜热结晶潜热：金属结晶过程中释放的热能。结晶潜热：金属结晶过程中释放的热能。本讲稿第三页，共二十九页相变驱动力：相变驱动力：单位体积自由能单位体积自由能的变化的变化3.2.1 金属结晶的热力学条件G-T曲线曲线G=H-TSdG/dT=-S0,GB0是结晶的必要是结晶的必要条件条件（之一）。（之一）。b.T

4、越大越大,|GB|越大过冷度越越大过冷度越大，大，越有利于结晶。越有利于结晶。c.GB的绝对值为凝固过程的驱的绝对值为凝固过程的驱动力动力。本讲稿第五页，共二十九页3.2.2 金属结晶的结构条件（1）液态金属结构）液态金属结构长程无序而短程有序。长程无序而短程有序。液液态态与与固固态态相相比比：原原子子间间距距较较大大、原原子子配配位位数数较较小小、原原子子排排列较混乱。列较混乱。金属结晶的基本条件液态结构模型：液态结构模型：微晶无序模型，微晶无序模型，拓扑无序模型拓扑无序模型（密集无序堆垛模型）（密集无序堆垛模型）实际液体结构是动态的实际液体结构是动态的固态金属固态金属液态金属液态金属本讲稿

5、第六页，共二十九页3.2.2 金属结晶的结构条件（2）结结构构起起伏伏（相相起起伏伏）：液液态态材材料料中中出出现现的的短短程程有有序序原原子子集集团团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之一）。的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之一）。晶胚：晶胚：尺寸较大、能长大为晶核尺寸较大、能长大为晶核的短程规则排列结构。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。越大，实际可能出现的最大晶胚尺寸也越大。本讲稿第七页，共二十九页3.3.1 均匀形核均匀形核：在过

6、冷的液态金属中，均匀形核：在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的能依靠液态金属本身的能量量变化获得驱动力，由晶胚直接成核的过程。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，晶胚非均匀形核：在过冷液态金属中，晶胚依附在其他物质表面依附在其他物质表面上成核的过程。上成核的过程。（凝固形核的主要方式）（凝固形核的主要方式）晶核的形成u形核：母相（液相）中形成形核：母相（液相）中形成等于或大于等于或大于一定一定临界尺寸临界尺寸的的新相晶核的过程。新相晶核的过程。u形核方式：均匀形核，非均匀形核形核方式：均匀形核，非均匀形核本讲稿第八页，共二十九页3.3.1 均匀形核3.3.1.

7、1晶胚形成时能量的变化晶胚形成时能量的变化体积自由能体积自由能GV降低降低（结晶驱动力）（结晶驱动力）表面自由能表面自由能GS升高升高（结晶阻力）（结晶阻力）晶核的形成设设晶胚为球形，半径为晶胚为球形，半径为r，表面积为，表面积为S，体积为体积为V，过冷液体中出现一个晶胚时的，过冷液体中出现一个晶胚时的总的自由能变化（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。本讲稿第九页，共二十九页3.3.1 均匀形核3.3.1.2临界晶核临界晶核临界晶核半径临界晶核半径rk减小减小或增大或增大GB，rk减

8、小。减小。增大过冷度，增大过冷度，rk减小。减小。晶核的形成本讲稿第十页，共二十九页3.3.1 均匀形核3.3.1.3形核功形核功临界形核功临界形核功(A)：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。：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：系统中能量起伏：系统中微小区域微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的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）。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。高能原子附上低能晶胚，释放能量，提供形核功。本讲稿第十一页，共二十九页3.3.1 均匀形核形核率形核率（N=N1.N2）单位时间单位体

9、积内所形成的晶核数目）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：影响形核率的因素：形核功的影响：形核功的影响：过冷度增大，过冷度增大，rk、A降低，降低，N1增加增加扩散的影响扩散的影响过冷度增大，温度降低，扩散减慢，过冷度增大，温度降低，扩散减慢，N2减小减小 晶核的形成由于由于N受受N1.N2两个两个因素控制，形核率与因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物过冷度之间是呈抛物线的关系。线的关系。均匀形核是依靠均匀形核是依靠结构起伏结构起伏形成大于临界晶核形成大于临界晶核的晶胚，同时从的晶胚，同时从能量起伏能量起伏中获得形中获得形核功，形成稳定的晶核核功，形成稳定的晶核。本讲稿第十二页

10、，共二十九页3.3.2 非均匀形核3.3.2.1非均匀形核的形核功非均匀形核的形核功模型：外来物质为一平面，固相模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠晶胚为一球冠。LW=SW+SLcos晶核的形成Gk非非/Gk=(2-3cos+cos3)/4a)=0时，时，Gk非非0，杂质本身即为晶核；，杂质本身即为晶核；b)1800时时,Gk非非Gk,杂质促进形核；杂质促进形核；c)=180时，时，Gk非非Gk，杂质不起作用。杂质不起作用。SLLWSW本讲稿第十三页，共二十九页3.3.2 非均匀形核3.3.2.2非均匀形核的形核率非均匀形核的形核率影响因素：影响因素：过冷度，固体质点的性质、数量、过冷度，

11、固体质点的性质、数量、形貌形貌等。等。(1)过冷度的影响过冷度的影响远低于均匀形核过冷度。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固体杂质结构的影响越小，形核率越大越小，形核率越大LW=SW+SLcos点阵匹配原则：晶核与固体杂质点阵匹配原则：晶核与固体杂质结构相似、原子间距相当结构相似、原子间距相当时促进形时促进形核。核。本讲稿第十四页，共二十九页3.3.2 非均匀形核3.3.2.2非均匀形核的形核率非均匀形核的形核率影响因素：影响因素：过冷度，固体质点的性质、数量、过冷度，固体质点的性质、数量、形貌形貌等。等。晶核的形成(3)固体杂质表面形貌的影响：固体杂质表面形貌的影响：

12、凹曲面上、粗糙模壁形核率高凹曲面上、粗糙模壁形核率高(4)物理因素的影响：物理因素的影响：晶核的机械增殖晶核的机械增殖机械增殖，动力学成核机械增殖，动力学成核液相的宏观流动会增加形核率；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。强电场或强磁场能增加形核率。本讲稿第十五页，共二十九页3.3.2 非均匀形核 晶核的形成v非均匀形核是利用非均匀形核是利用过冷过冷液相中的液相中的活性质点或固体界面活性质点或固体界面作作基底基底,同时依靠液相中的同时依靠液相中的相起伏相起伏和和能量起伏能量起伏来实现的形核。来实现的形核。v在非均匀形核时在非均匀形核时,临界半径只是决定临界半径只是决定晶核的

13、曲率半径晶核的曲率半径,接触角接触角才决定晶核的形状和大小。才决定晶核的形状和大小。角越小，晶核的体积角越小，晶核的体积和表面积也越小，形核越容易。和表面积也越小，形核越容易。本讲稿第十六页，共二十九页3.4.1 晶体长大的条件 晶体的长大晶体长大晶体长大：液体中原子迁移到晶体表面，即液：液体中原子迁移到晶体表面，即液-固界面向液体中固界面向液体中推移的过程。推移的过程。晶体长大的条件晶体长大的条件:(1)动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度(必要条件必要条件)。(2)足够高的温度，原子能够扩散。足够高的温度，原子能够扩散。(3)晶核表面能够晶核表面能够接纳

14、扩散来的原子接纳扩散来的原子。本讲稿第十七页，共二十九页3.4.2 液-固界面的微观结构 晶体的长大光滑界面光滑界面：液：液-固界面上固界面上的原子的原子排列较规则排列较规则，界面处，界面处两相截然分开。两相截然分开。微观上微观上界面界面光滑，光滑，微观上微观上有若干小平面。有若干小平面。粗糙界面粗糙界面：液：液-固界面上的固界面上的原子排列较混乱原子排列较混乱，原子分，原子分布高低不平整，在几个原布高低不平整，在几个原子厚度的界面上，液、固子厚度的界面上，液、固两相原子各占位置的一半。两相原子各占位置的一半。微微观上观上界面平直。界面平直。稳定长大过程，界面能量始终保持最低。稳定长大过程，界

15、面能量始终保持最低。两种能量低的界面结构：两种能量低的界面结构：光滑界面，粗糙界面光滑界面，粗糙界面本讲稿第十八页，共二十九页3.4.4 晶体长大的形态长大形态：长大过程中液长大形态：长大过程中液-固界面的形态。固界面的形态。两种：两种：平面状长大平面状长大，树枝状长大树枝状长大取决于：取决于：液液-固固界面结构界面结构的类型，界面前沿液相中的类型，界面前沿液相中温度分布温度分布3.4.4.1液液-固界面前沿液相中的温度梯度固界面前沿液相中的温度梯度正正温度梯度：液相中，距液温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越高。固界面越远，温度越高。负负温度梯度：液相中，距液温度梯度：液相中，距液-固

16、界面越远，温度越低。固界面越远，温度越低。固固液液 晶体的长大本讲稿第十九页，共二十九页3.4.4 晶体长大的形态3.4.4.2平面状长大形态平面状长大形态液液-固界面始终保持固界面始终保持平直的表面平直的表面向向液相中长大，长大中的晶体也一直保液相中长大，长大中的晶体也一直保持规则的形态。持规则的形态。条件：条件：正温度梯度正温度梯度，粗糙界面粗糙界面结结构的晶体为主构的晶体为主 晶体的长大本讲稿第二十页，共二十九页3.4.4 晶体长大的形态3.4.4.3树枝状长大形态树枝状长大形态液液-固界面不断分支发展固界面不断分支发展条件：负温度梯度条件：负温度梯度特点：有特点：有方向性，方向性，取决

17、于晶体结构取决于晶体结构最先长成的细长的晶体，称为最先长成的细长的晶体，称为主主干，即为一次晶轴或一次晶枝。干，即为一次晶轴或一次晶枝。在在一次晶轴上长出一次晶轴上长出二次晶轴或二次晶枝二次晶轴或二次晶枝。形成树枝状骨架，称为形成树枝状骨架，称为树枝晶树枝晶，简，简称称枝晶。枝晶。如果一次晶轴在各个方向上均衡发展，如果一次晶轴在各个方向上均衡发展，所形成的晶粒叫做所形成的晶粒叫做等轴晶粒等轴晶粒。如果一次晶。如果一次晶轴在某个方向上长的很长，形成的细长晶粒轴在某个方向上长的很长，形成的细长晶粒叫做叫做柱状晶粒柱状晶粒。晶体的长大本讲稿第二十一页，共二十九页3.5.1 铸态晶粒的控制晶粒度：用于

18、表示晶粒大小的一个概念。用晶粒的晶粒度：用于表示晶粒大小的一个概念。用晶粒的平均面积平均面积或或平均直径平均直径表示。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。晶粒越小，材料强度、硬度、塑性、韧性越高。这种方法称为这种方法称为细晶强化细晶强化，能同时提高金属材料，能同时提高金属材料的强度、硬度、塑性、韧性。的强度、硬度、塑性、韧性。钢的标准晶粒度：钢的标准晶粒度：分为分为8级，一级最粗，级，一级最粗，八级最细。八级最细。本讲稿第二十二页，共二十九页3.5.1 铸态晶粒的控制凝固理论的应用细化晶粒的途径细化晶粒的途径1.增加形核率增加形核率N；2.降低长大速度；降低长大速度；

19、细化晶粒的方法细化晶粒的方法1.1.增大金属的过冷度：增加形核数目增大金属的过冷度：增加形核数目2.2.变质处理：液态金属加入变质剂，异质形核变质处理：液态金属加入变质剂，异质形核 或阻碍晶粒长大或阻碍晶粒长大3.3.振动和搅拌振动和搅拌本讲稿第二十三页，共二十九页3.5.3 3.5.3 非晶态金属非晶态金属非晶态金属（金属玻璃）：非晶态金属（金属玻璃）：快速冷却快速冷却使金属保留液态时的原子使金属保留液态时的原子排列。排列。强度高，韧性大，耐腐蚀，导磁性强强度高，韧性大，耐腐蚀，导磁性强凝固理论的应用形成条件：快冷至形成条件：快冷至Tg温度（玻璃化温度）以下。温度（玻璃化温度）以下。Tg=T

20、m-Tg越小，越易获得非晶态。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、轧制急冷法制备方法：离心急冷法、轧制急冷法本讲稿第二十四页，共二十九页3.5.43.5.4金属铸锭的铸态组织及缺陷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。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、气孔等疏松、夹杂、气孔等)和界面的形貌等，和界面的形貌等，组织决定性组织决定性能能。1、表层细晶粒区、表层细晶粒区2、柱状晶粒区、

21、柱状晶粒区3、中心等轴晶粒区、中心等轴晶粒区金属铸锭的的三个晶区金属铸锭的的三个晶区铸锭的组织本讲稿第二十五页，共二十九页1、表层细晶粒层、表层细晶粒层液体金属浇入铸模后，由于模壁温度较低，表层液体金属浇入铸模后，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。铸锭表层形成细晶粒层。2、柱状晶粒层、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

22、散热较快，故晶粒编沿这一方向长大，形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。成柱状晶粒层。3、中心等轴晶粒区、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。粒区。3.5.53.5.5金属铸锭的三个晶区的形成金属铸锭的三个晶区的形成铸锭的组织本讲稿第二十六页，共二十九页对于钢锭，一般是等轴晶区愈大愈好。铸造组织是由合金对于

23、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。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展。根据需要，可以制成纯柱状晶铸锭和纯等轴晶铸锭。3.5.63.5.6铸锭组织的控制铸锭组织的控制铸锭的组织本讲稿第二十七页，共二十九页3.5.73.5.7铸锭的缺陷铸锭的缺陷铸件缺陷：铸件缺陷：缩孔、缩松、气孔、偏析、夹杂等。缩孔、缩松、气孔、偏析、夹杂等。缩孔：缩孔：结晶收缩和固态收缩造成结晶收缩和固态收缩造成缩松缩松(分散缩孔分散缩孔)：树枝状长大，树枝状长大，枝晶间液态没有补充枝晶间液态没有补充气孔：气孔：溶解的气体没有溢出溶解的气体没有溢出偏析：偏析：铸锭内部化学成分不均匀铸锭内部化学成分不均匀夹杂：夹杂：外来的杂质或内部反应外来的杂质或内部反应生成的金属氧化物等生成的金属氧化物等铸锭的组织本讲稿第二十八页，共二十九页over本讲稿第二十九页，共二十九页