工程材料 第四章 凝固与细晶优秀课件.ppt

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1、工程材料工程材料 第四章第四章 凝凝固与细晶固与细晶第1页，本讲稿共18页第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶 4.1 液态金属的结构液态金属的结构 4.2 金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律 4.3 聚合物、陶瓷的凝固与结晶聚合物、陶瓷的凝固与结晶 凝固：液体凝固：液体固体（晶体或非晶体）固体（晶体或非晶体）结晶：液体结晶：液体晶体晶体第2页，本讲稿共18页4.14.1液态金属的结构液态金属的结构l l射线衍射射线衍射射线衍射射线衍射分析，证明液态的结构比较接近于固分析，证明液态的结构比较接近于固态。其内部原子排列从长程看是不规则的。但态。其内部原子排列从长程看是不规则的。但从短程看，则存在

2、有规则排列的小原子集团。从短程看，则存在有规则排列的小原子集团。在原子周围存在大量空隙或孔洞。这种原子团在原子周围存在大量空隙或孔洞。这种原子团尺寸不一，瞬时存在，瞬时形成，在金属液中尺寸不一，瞬时存在，瞬时形成，在金属液中此起彼伏地不断变化，这种现象即称为此起彼伏地不断变化，这种现象即称为结构结构结构结构起伏起伏起伏起伏。l l结构起伏结构起伏结构起伏结构起伏是发生结晶的基础。是发生结晶的基础。液态金属结构液态金属结构 第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶第3页，本讲稿共18页4.2 4.2 金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律1 1、冷却曲线与金属的、冷却曲线与金属的结晶温结晶温度度 图图1

3、 热分析装置示意图热分析装置示意图图图2 纯金属冷却曲线纯金属冷却曲线 第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶第4页，本讲稿共18页4.2 4.2 金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律2 2、过冷现象与过冷度过冷现象与过冷度 纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷过冷。过冷度过冷度 T=Tm-Tn Tm-理论结晶温度，Tn-实际结晶温度。金属结晶，必须过冷，否则，就不会产生结晶。纯金属的T 不是一个恒定值，对同一种纯金属液，冷却速率越大，T 就越大。第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶结晶的条件：结晶的条件：液态金属具有一定的过冷度液态金属具有一定的过冷度。第5页，本讲稿共1

4、8页 3、结晶的条件 热力学第二定律：自由能差E是物质中能够自动向外界释放出其中多余或者能够对外做功的这一部分能量。E=EL-ES图图3 3 金属在不同状态下的金属在不同状态下的自由能随温度的变化自由能随温度的变化自由能高自由能高自由能低自由能低等温等压状态等温等压状态 第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶T=Tm时，时，EL=ES E=0，两相平衡；，两相平衡；TTm时，时，E0，结晶过程可自动进行。，结晶过程可自动进行。E=T（Lm/Tm）过冷度过冷度T越大，越大，结晶的驱动力也越大结晶的驱动力也越大第6页，本讲稿共18页4.24.2金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律图图4 4 纯金属结晶

5、过程示意图纯金属结晶过程示意图图图5 5 钢锭中的树枝状晶体钢锭中的树枝状晶体 第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶第7页，本讲稿共18页4 4、晶核的形成与长大、晶核的形成与长大 自发形核与非自发形核自发形核与非自发形核 自自自自发发发发形形形形核核核核:金金属属液液在在过过冷冷的的条条件件下下，一一定定尺尺寸寸以以上上的的原原子子团团即即可可成成为为晶晶核核而而长长大大。这这种种由由金金属属本本身身原原子子团团形形成成晶晶核核的的过过程程称称为为自自发发形形核核。非非非非自自自自发发发发形形形形核核核核:在在过过冷冷条条件件下下，金金属属本本身身原原子子依依附附于于外外来来物物质质或或外来微

6、粒表面而形成晶核并长大的过程叫外来微粒表面而形成晶核并长大的过程叫非自发形核非自发形核。第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶结构相似结构相似尺寸相当尺寸相当非自发形核非自发形核所需的过冷度比所需的过冷度比自发形核自发形核时要小得多，例如小液滴纯铁均时要小得多，例如小液滴纯铁均匀形核时的过冷度可达匀形核时的过冷度可达295295，这样大的过冷度在实际生产中是不可，这样大的过冷度在实际生产中是不可能看到的。能看到的。实际金属结晶的过冷度一般不超过实际金属结晶的过冷度一般不超过2020，就是因为金属液，就是因为金属液中总含有微量的难熔杂质微粒或铸型壁等可作为非均匀形核的基底。中总含有微量的难熔杂质微粒

7、或铸型壁等可作为非均匀形核的基底。第8页，本讲稿共18页4 4、晶核的形成与长大、晶核的形成与长大 晶核的长大晶核的长大(1)平面长大当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。平面长大的结果，晶体获得表面为密排面的规则形状。(2)树枝状长大当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后得到具有树枝状的晶体。第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶第9页，本讲稿共18页5 5、金属结晶后晶粒的大小、金属结晶后晶粒的

8、大小 l l自发形核时自发形核时自发形核时自发形核时 临界晶核半径 形核功为 l l非自发形核时非自发形核时非自发形核时非自发形核时 临界晶核半径 形核功为一般情况下一般情况下一般情况下一般情况下 0 则则则则 尽管非自发临界晶核半径与自发临界半径相等，但实际上差异较大。如图所示尽管非自发临界晶核半径与自发临界半径相等，但实际上差异较大。如图所示：图9 自发形核与非自发形核的临界晶核半径比较均质时rKrK非均质所以所以所以所以 第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶第10页，本讲稿共18页4.24.2金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律6 6、金属结晶后晶粒大小的控制 增加过冷度增加过冷度增加过冷

9、度增加过冷度增加增加过冷度过冷度，TT增大，增大，r rK K减小，形核率增减小，形核率增加，晶粒越加，晶粒越细细，A A均匀均匀/非均匀非均匀减小，形核越容减小，形核越容易易；但是，但是，TT不能太大，否不能太大，否则则，原子，原子扩扩散散速度减慢，速度减慢，结结构起伏减小，形核率减小。构起伏减小，形核率减小。主要措施：主要措施：增加凝固增加凝固过过程的冷却速度；降低程的冷却速度；降低浇浇注温度，注温度，选择选择吸吸热热能力和能力和导热导热能力能力较较大的大的铸铸型材料。型材料。成核速率、长大速度成核速率、长大速度与过冷度的关系与过冷度的关系 第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶 晶粒越小晶粒

10、越小,金属的金属的 强度、塑性和韧性越好。强度、塑性和韧性越好。细晶强化细晶强化提高金属机械性能提高金属机械性能的重要途径之一。的重要途径之一。第11页，本讲稿共18页6、金属结晶后晶粒大小的控制金属结晶后晶粒大小的控制 变质处变质处变质处变质处理理理理 变质处变质处理就是人理就是人为为向金属液中加入某些物向金属液中加入某些物质质（称（称为变质剂为变质剂），作），作为为非非自自发发形核的基底，从而形核的基底，从而细细化晶粒。例如，化晶粒。例如，铅铅合金中加入微量合金中加入微量TiTi、ZrZr，钢钢中加入微量中加入微量AlAl或或TiTi。附加振附加振附加振附加振动动动动 采用机械、超声波、采

11、用机械、超声波、电电磁振磁振动动使使铸铸型中金属液型中金属液产产生运生运动动，晶，晶轴轴碎碎裂，增加裂，增加结结晶核心晶核心，从而，从而细细化金属晶粒。化金属晶粒。4.24.2金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律思思 考考 题题 如果其他条件相同，试比较不同铸造条件下铸锭晶粒的大小如果其他条件相同，试比较不同铸造条件下铸锭晶粒的大小（1）金属模铸造与砂模铸造）金属模铸造与砂模铸造（2）高温浇铸与低温浇铸（铸型温度）高温浇铸与低温浇铸（铸型温度）（3）铸成薄件与铸成厚件）铸成薄件与铸成厚件（4）浇铸时采用振动与不采用振动）浇铸时采用振动与不采用振动 第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶第12页，本

12、讲稿共18页4.2 4.2 金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律7 7、铸件的凝固组织、铸件的凝固组织 图图8 8为铸锭截面的典型宏为铸锭截面的典型宏观组织示意图。图中可以看观组织示意图。图中可以看到具有不同组织特征的三个到具有不同组织特征的三个晶区。即晶区。即细晶区细晶区、柱状晶区柱状晶区和和等轴晶区等轴晶区。第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶第13页，本讲稿共18页4.24.2金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律7 7 7 7、铸锭组织、铸锭组织、铸锭组织、铸锭组织图图9 9 铸件的宏观组织形成过程示意图铸件的宏观组织形成过程示意图 第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶第14页，本讲稿共18

13、页4.24.2金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律7 7、铸锭组织、铸锭组织l l铸锭组织三个晶区的形成原因铸锭组织三个晶区的形成原因铸锭组织三个晶区的形成原因铸锭组织三个晶区的形成原因？1)1)表层细晶区表层细晶区l剧烈冷却，产生很大的过冷度，形成大量晶核，故得到很细的晶粒组织。剧烈冷却，产生很大的过冷度，形成大量晶核，故得到很细的晶粒组织。2)2)柱状晶区柱状晶区l模壁被熔液加热而升高温度，结晶潜热释放，形核迅速下降，择优生长。模壁被熔液加热而升高温度，结晶潜热释放，形核迅速下降，择优生长。3)3)中心粗等轴晶粒区中心粗等轴晶粒区 接接近近铸铸锭锭中中心心，液液相相中中的的温温度度已已比比

14、较较均均匀匀，剩剩余余液液相相几几乎乎同同时时进进入入过过冷冷状状态态。中中心心区区的的过过冷冷度度变变小小，形形核核率率也也较较低低，由由表表层层细细晶晶区区形形成成的的小小晶晶块块或或柱柱状状晶晶体体的的多多次次晶晶轴轴受受液液流流冲冲击击而而破破碎碎的的小小晶晶块块，它它们们被被金金属属液液的的流流动动带带进进中中心心区区，作作为为晶晶核核而而长长大大，形成中心等晶轴区。形成中心等晶轴区。第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶第15页，本讲稿共18页4.24.2金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律7 7 7 7、铸锭组织、铸锭组织、铸锭组织、铸锭组织 第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶第16

15、页，本讲稿共18页4.3 4.3 陶瓷、聚合物的凝固与结晶陶瓷、聚合物的凝固与结晶 l l陶瓷结晶规律陶瓷结晶规律陶瓷结晶规律陶瓷结晶规律与金属相类似，需要一定的过冷度，也是与金属相类似，需要一定的过冷度，也是晶核形成与核长大的过程，组织变化规律与合金相似。晶核形成与核长大的过程，组织变化规律与合金相似。l l聚合物结晶聚合物结晶聚合物结晶聚合物结晶过程也是晶核形成与长大过程，有自发形核与非过程也是晶核形成与长大过程，有自发形核与非自发形核之分，所不同的是自发形核之分，所不同的是“大分子结构链段大分子结构链段大分子结构链段大分子结构链段”替代了液替代了液态金属中的态金属中的“原子团（或临界晶核

16、）原子团（或临界晶核）原子团（或临界晶核）原子团（或临界晶核）”。第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶第17页，本讲稿共18页小小 结结l1.金属结晶的条件是要有一定的金属结晶的条件是要有一定的过冷度过冷度。l2.金属结晶的推动力是固态金属和液态金属之间的自金属结晶的推动力是固态金属和液态金属之间的自 由能差。由能差。l3.结晶由生核和长大二个过程组成。结晶由生核和长大二个过程组成。自发与非自发形核自发与非自发形核l4.生产中可以采取措施细化晶粒的措施。生产中可以采取措施细化晶粒的措施。l5.铸件的凝固组织特征及形成。铸件的凝固组织特征及形成。第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶第18页，本讲稿共18页