(5.1.1)--5.1纯金属的结晶.pdf

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1、一、“凝固”与“结晶”一、“凝固”与“结晶”二、学习本章的意义（目的）二、学习本章的意义（目的）三、本章学习内容三、本章学习内容X引言引言材料从液态冷却转变为固态的过程叫做凝固。材料从液态冷却转变为固态的过程叫做凝固。凝固后的材料可以是晶体，也可以是非晶体。凝固后的材料可以是晶体，也可以是非晶体。如果凝固后的材料是晶体，则这种凝固称为结如果凝固后的材料是晶体，则这种凝固称为结晶。结晶过程是一个相变过程。晶。结晶过程是一个相变过程。一、“凝固”与“结晶”一、“凝固”与“结晶”金属制品在其加工制造的最初阶段，一般都要金属制品在其加工制造的最初阶段，一般都要熔炼后凝固，使其成为铸锭或铸件。铸锭（件）

2、及熔炼后凝固，使其成为铸锭或铸件。铸锭（件）及焊接件的组织和性能与凝固过程有密切的关系。因焊接件的组织和性能与凝固过程有密切的关系。因此：此：（）研究和控制结晶凝固过程，是提高金属机械（）研究和控制结晶凝固过程，是提高金属机械性能和工艺性能的主要手段之一；性能和工艺性能的主要手段之一；（）由于结晶相变是各种相变中最常见的相变，（）由于结晶相变是各种相变中最常见的相变，因此了解结晶过程，同时也为研究固态金属中的相因此了解结晶过程，同时也为研究固态金属中的相变奠定基础。变奠定基础。二、学习本章的意义（目的）二、学习本章的意义（目的）三、本章的主要学习内容三、本章的主要学习内容 本章主要阐述纯金属及

3、合金在凝固过本章主要阐述纯金属及合金在凝固过程中的基本规律以及如何利用这些规律程中的基本规律以及如何利用这些规律来控制金属的组织，并介绍几种传统的来控制金属的组织，并介绍几种传统的与新兴的材料凝固技术。与新兴的材料凝固技术。内容框架1.液态金属的结构2.凝固热力学凝固的热力学条件过冷度凝固驱动力3.纯金属凝固 （1）形核 均匀形核 非均匀形核 （2）长大动态过冷度长大方式和形态4.固溶体合金的凝固 平衡凝固 非平衡凝固 成分过冷6.铸锭组织和铸造技术 铸锭的三种铸造组织 铸造缺陷 凝固技术5.共晶合金的凝固凝固过程：形核长大结晶的一般过程:凝固过程包含形核和长大两个基本阶段 纯金属的结晶 纯金

4、属的结晶金属结晶的微观现象与宏观现象金属结晶的微观现象与宏观现象小结小结1.金属结晶是金属结晶是形核形核与与长大长大的过程，两者交替重叠进的过程，两者交替重叠进行；行；2.结晶终止获得多晶粒组织，其中一个晶粒是由一结晶终止获得多晶粒组织，其中一个晶粒是由一个晶核形成，由于各个晶核随机生成，所以位向个晶核形成，由于各个晶核随机生成，所以位向各不相同；各不相同；晶粒与晶界晶粒与晶界3.如果结晶过程中只有一颗晶核并长大（不出现第如果结晶过程中只有一颗晶核并长大（不出现第二个晶核），则这一颗晶核长大的金属就是“单二个晶核），则这一颗晶核长大的金属就是“单晶体”；晶体”；单晶与多晶体单晶与多晶体金属结晶

5、的微观过程无法直接看到，但结晶时金属结晶的微观过程无法直接看到，但结晶时伴随着某些热学性质的变化，如结晶潜热、熔伴随着某些热学性质的变化，如结晶潜热、熔化熵等的变化，这些宏观特征已成为研究金属化熵等的变化，这些宏观特征已成为研究金属结晶过程的手段。结晶过程的手段。金属结晶的宏观现象（金属结晶的宏观现象（过冷现象过冷现象）（）热分析实验与冷却曲线（）热分析实验与冷却曲线材料在冷却过程中，由于存在热容量，材料在冷却过程中，由于存在热容量，并且从液态变为固态还要放出结晶潜热并且从液态变为固态还要放出结晶潜热，纯金属的，纯金属的冷却曲线冷却曲线如图示。如图示。实验表明实验表明，纯金，纯金属的实际凝固温

6、属的实际凝固温度度Tn总比其熔点总比其熔点，即理论结晶温，即理论结晶温度度Tm低。低。此曲线共有五个阶段：此曲线共有五个阶段：TTm时，液体降温（自身热容减小）。时，液体降温（自身热容减小）。T略小于略小于Tm时，液体继续降温，过冷。时，液体继续降温，过冷。温度回升，凝固开始。（此时因为有结晶温度回升，凝固开始。（此时因为有结晶潜热放出，所以温度回升）潜热放出，所以温度回升）潜热的放出与系统地散热达到一定的平衡潜热的放出与系统地散热达到一定的平衡，LS，直到液体消失，凝固完成。，直到液体消失，凝固完成。固体降温。固体降温。过冷现象过冷现象：熔体材料冷却到理论结晶温度：熔体材料冷却到理论结晶温度

7、以下，并不是立即就形成晶体，材料处以下，并不是立即就形成晶体，材料处在应该转变的理论温度以下，还保留原在应该转变的理论温度以下，还保留原来状态，这种现象称为过冷。来状态，这种现象称为过冷。过冷度过冷度：为了表述材料过冷的程度，将：为了表述材料过冷的程度，将理论转变温度与实际凝固温度之差，即理论转变温度与实际凝固温度之差，即Tm与与T的差值称为过冷度。的差值称为过冷度。TTTm （）过冷现象与过冷度（）过冷现象与过冷度不同金属的过冷倾向不同，同一种金属的过冷不同金属的过冷倾向不同，同一种金属的过冷度也不是恒定值。凝固过程总是在或大或小的度也不是恒定值。凝固过程总是在或大或小的过冷度下进行。过冷度下进行。过冷是凝固的必要条件。过冷是凝固的必要条件。