金属热处理(哈工大)第三章.ppt

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1、金属材料及热处理金属材料及热处理第二篇第二篇 纯金属与合金的凝固纯金属与合金的凝固为什么要研究凝固？为什么要研究凝固？原材料的组织（毛坯）原材料的组织（毛坯）两种毛坯组织形式两种毛坯组织形式铸锭组织铸锭组织型材与锻件组织型材与锻件组织获得相应毛坯组织的方法获得相应毛坯组织的方法（铸造）结晶（铸造）结晶（压力加工）塑性变形（压力加工）塑性变形焊接熔池形成焊缝组织及其性能焊接熔池形成焊缝组织及其性能2铸造生产铸造生产砂模铸造砂模铸造3铸造铸造4铸造铸造5钢锭的组织示意图钢锭的组织示意图6钢锭的组织示意图钢锭的组织示意图7本篇的核心内容：本篇的核心内容：不同的结晶过程不同的结晶过程不同的合金组织不同

2、的合金组织不同的合金性能不同的合金性能通过控制结晶过程来获得需要的合金性能通过控制结晶过程来获得需要的合金性能8第三章第三章 纯金属的凝固纯金属的凝固晶体的凝固即为结晶晶体的凝固即为结晶本章提要本章提要 金属结晶的宏观与微观过程金属结晶的宏观与微观过程结晶条件结晶条件形核与长大规律形核与长大规律控制铸件晶粒的措施控制铸件晶粒的措施93.1 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程3.1.1 结晶过程结晶过程 不断的形核以及晶核不断长大的过程不断的形核以及晶核不断长大的过程形核率（形核率（N）：单位时间、单位体积液相中形成）：单位时间、单位体积液相中形成晶核的数量。（晶核的数量。（m-3.s-1）晶核长

3、大速率（晶核长大速率（G）：单位时间内晶核长大的）：单位时间内晶核长大的线速度。（线速度。（m.s-1）103.1 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程3.1.2 液态金属的结构液态金属的结构不是完全无序的不是完全无序的不断有近程有序的原子不断有近程有序的原子集团（晶胚）出现集团（晶胚）出现这种结构时而形成，时这种结构时而形成，时而散开，称为而散开，称为结构起伏结构起伏液态结构特点：长程无序，存在各种尺寸液态结构特点：长程无序，存在各种尺寸短程有序的结构起伏短程有序的结构起伏无序无序有序有序液态结构液态结构11金属结晶的结构条件金属结晶的结构条件液相的结构起伏提供了各种尺寸的有序液相的结构起伏提供

4、了各种尺寸的有序原子集团，成为结晶时核胚的来源。原子集团，成为结晶时核胚的来源。123.2 结晶的热力学条件结晶的热力学条件3.2.1 过冷现象过冷现象金属结晶是在平衡金属结晶是在平衡结晶温度以下开始的结晶温度以下开始的过冷度冷度T=Tm-Tn13143.2.2 凝固的热力学条件凝固的热力学条件为什么降温发生凝固？为什么降温发生凝固？等温等压条件下化学等温等压条件下化学反应自发进行的条件反应自发进行的条件是是体系的自由能降低。体系的自由能降低。凝固凝固时自由能如何自由能如何变化？化？结晶驱动力结晶驱动力15金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件等温等压条件下等温等压条件下结晶时液相必须过冷。

5、过冷度越大，结晶驱动结晶时液相必须过冷。过冷度越大，结晶驱动力越大。力越大。单位体积液相单位体积液相结晶的驱动力结晶的驱动力163.3 形核规律形核规律3.3.1 均匀形核均匀形核指通过在均匀的母相中自发形成新相结晶指通过在均匀的母相中自发形成新相结晶核心的过程。核心的过程。1.均匀形核的能量变化均匀形核的能量变化17均匀形核能量条件的推导均匀形核能量条件的推导假设形成的晶胚为球假设形成的晶胚为球体，半径体，半径r182.形核功形核功即：在数值上，临界形核功等于形成的新即：在数值上，临界形核功等于形成的新相临界晶核界面能的相临界晶核界面能的1/319即：相变时体系的体积自由能的降低未能完即：相

6、变时体系的体积自由能的降低未能完全抵消新相形成时增加的界面能全抵消新相形成时增加的界面能抵消形成临界晶核时所增加的能量的是液抵消形成临界晶核时所增加的能量的是液相的能量起伏。这是均匀形核的能量条件相的能量起伏。这是均匀形核的能量条件20纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件结构条件结构条件要求原子排列接近晶体要求原子排列接近晶体可由液相结构起伏满足可由液相结构起伏满足热力学条件热力学条件要求结晶过程体系自由能降低要求结晶过程体系自由能降低可由液相具有的过冷度满足可由液相具有的过冷度满足能量条件能量条件要求能克服体系增加的临界形核功要求能克服体系增加的临界形核功可由液相中的能量起伏满足可由液相中的能量

7、起伏满足21过冷度对临界晶核形成的影响过冷度对临界晶核形成的影响增加过冷度可以：增加结晶驱动力增加过冷度可以：增加结晶驱动力降低均匀形核要求的结构起伏与能量起伏降低均匀形核要求的结构起伏与能量起伏故：在一定范围内增加过冷度有利于均匀形核故：在一定范围内增加过冷度有利于均匀形核223.形核率形核率形核率，形核率，N（/m3s）:指单位时间、单位体积内形成的晶核的指单位时间、单位体积内形成的晶核的数量数量形核率影响结晶后晶粒的大小形核率影响结晶后晶粒的大小23影响均匀形核率的因素影响均匀形核率的因素形核功形核功原子扩散原子扩散24过冷度对均匀形核率的影响过冷度对均匀形核率的影响金属结晶主要考虑过冷

8、度因素金属结晶主要考虑过冷度因素有效成核温度有效成核温度该处该处T=0.2Tm纯净金属的均匀形核需要很大过冷度纯净金属的均匀形核需要很大过冷度25金属均匀形核总结金属均匀形核总结形核时能量变化包含体积自由能的降低形核时能量变化包含体积自由能的降低和新相界面能的增加和新相界面能的增加形核时需要满足结构、热力学、能量三形核时需要满足结构、热力学、能量三方面条件方面条件临界形核功等于新相界面能的临界形核功等于新相界面能的1/3过冷度显著影响均匀形核，金属材料的过冷度显著影响均匀形核，金属材料的形核率随过冷度增大而增大。存在一个形核率随过冷度增大而增大。存在一个有效形核温度有效形核温度有效形核需要的过

9、冷度较大有效形核需要的过冷度较大263.3.2 非均匀形核非均匀形核非均匀形核：实际金属结晶时依附于液非均匀形核：实际金属结晶时依附于液相中的外来固体表面形核的方式相中的外来固体表面形核的方式高熔点的杂质、铸型的型壁等高熔点的杂质、铸型的型壁等271.非均匀形核的能量变化非均匀形核的能量变化28292.非均匀形核的临界形核功非均匀形核的临界形核功30接触角对形核功的影响接触角对形核功的影响31接触角对形核的影响接触角对形核的影响32非均匀形核对形核剂的选择非均匀形核对形核剂的选择降低降低 可以减小接触角可以减小接触角。基底基底应选择与固相具有与固相具有较强结构相构相似性的材料。似性的材料。33

10、固体杂质表面形状对形核的影响固体杂质表面形状对形核的影响形核易形核易 形核形核难343.非均匀形核的形核率非均匀形核的形核率形核功的影响形核功的影响扩散的影响扩散的影响有效形核过冷度有效形核过冷度T=0.02Tm354.形核过程的控制（形核过程的控制（理解）理解）促进形核促进形核抑制形核抑制形核选择形核选择形核大过冷抑制形核大过冷抑制形核加入精心选择的形核剂，可以得到某些特定相。加入精心选择的形核剂，可以得到某些特定相。通常是和固相性质接近的共格界面相。形核的界通常是和固相性质接近的共格界面相。形核的界面能也小面能也小36均匀形核与非均匀形核的比较均匀形核与非均匀形核的比较形核形核方式方式临界

11、晶临界晶核形状核形状结构起结构起伏大小伏大小过冷度过冷度能量起伏大小能量起伏大小均匀均匀形核形核球形球形0.2Tm非均非均匀形匀形核核球冠形球冠形0.02Tm373.4 长大规律长大规律影响结晶后晶体形态的因素影响结晶后晶体形态的因素液固界面形态液固界面形态界面的生长方式界面的生长方式结晶界面前沿液相的温度分布结晶界面前沿液相的温度分布383.4.1 液固界面的微观结构液固界面的微观结构微观光滑界面微观光滑界面又称小平面界面又称小平面界面非金属非金属特点：特点：界面可将两相截然分开界面可将两相截然分开界面由小平面组成界面由小平面组成界面与等温面有一定角度界面与等温面有一定角度宏观粗糙宏观粗糙3

12、9微观粗糙界面微观粗糙界面金属与半导体材料金属与半导体材料特点：特点：界面上固相与液相原子各占一半界面上固相与液相原子各占一半界面厚度为几个原子层界面厚度为几个原子层界面与等温面大致平行界面与等温面大致平行宏观光滑宏观光滑40413.4.2 晶核长大机制晶核长大机制长大过冷度长大过冷度动态过冷度（动态过冷度（Tk）：）：晶核长大需要的界面晶核长大需要的界面附近的过冷度。附近的过冷度。粗糙界面与光滑界面的动态过冷度不粗糙界面与光滑界面的动态过冷度不同。同。42粗糙界面的晶核长大机制粗糙界面的晶核长大机制垂直长大机制垂直长大机制原子直接添加原子直接添加界面法向推进界面法向推进界面与等温面基本平行界

13、面与等温面基本平行生长速度快生长速度快43光滑界面的晶核长大机制光滑界面的晶核长大机制二维晶核长大二维晶核长大依靠晶体缺陷长大依靠晶体缺陷长大小平面与等温面之间小平面与等温面之间有一定角度有一定角度生长速度慢生长速度慢44453.4.3 界面的生长形态界面的生长形态1.两种温度梯度两种温度梯度dT/dx0 dT/dx046两种温度梯度的物理意义两种温度梯度的物理意义正温度梯度：正温度梯度：晶核长大时热量散失仅沿液相晶核长大时热量散失仅沿液相-界面界面-固固相方向向外散失相方向向外散失负温度梯度：负温度梯度：热量散失可同时由固相与液相排出热量散失可同时由固相与液相排出 472.正温度梯度下的界面

14、生长正温度梯度下的界面生长48对于光滑界面晶体，有利于形成规则外对于光滑界面晶体，有利于形成规则外形的晶体。生长速度最慢的密排晶面成形的晶体。生长速度最慢的密排晶面成为晶体的外表面为晶体的外表面49正温度梯度下界面生长的形态正温度梯度下界面生长的形态突起的生长将受阻突起的生长将受阻光滑界面生长出具有光滑界面生长出具有 与等温面有一定交角与等温面有一定交角的台阶面的台阶面特定晶面特定晶面粗糙界面生长与等温面平行粗糙界面生长与等温面平行一刀切一刀切晶体生长为平面状推移晶体生长为平面状推移503.负温度梯度下的界面生长负温度梯度下的界面生长51负温度梯度下界面的生长形态负温度梯度下界面的生长形态突起

15、处于更大的过冷度下，生长优先，表突起处于更大的过冷度下，生长优先，表现出生长的分支现出生长的分支树枝状生长树枝状生长粗糙界面的金属将生长得到树枝状晶体粗糙界面的金属将生长得到树枝状晶体光滑界面树枝状生长的倾向不明显光滑界面树枝状生长的倾向不明显5253光滑界面的树枝状结晶光滑界面的树枝状结晶仍带有小平仍带有小平面生长的特点。面生长的特点。543.5 结晶理论的实际应用结晶理论的实际应用3.5.1 细化金属铸件晶粒的方法细化金属铸件晶粒的方法为什么要细化？为什么要细化？提高强度、硬度，还可提高塑性、韧性提高强度、硬度，还可提高塑性、韧性细化晶粒的核心内容？细化晶粒的核心内容？充分形核、控制长大充

16、分形核、控制长大551.提高过冷度提高过冷度实用措施实用措施快速冷却快速冷却低温慢速浇注低温慢速浇注受尺寸限制受尺寸限制562.变质处理变质处理通过加入外来难熔杂质增加形核率或阻碍通过加入外来难熔杂质增加形核率或阻碍晶核生长以细化晶粒组织的方法，称为变晶核生长以细化晶粒组织的方法，称为变质处理。质处理。加入的难熔杂质称变质剂加入的难熔杂质称变质剂573.振动、搅拌振动、搅拌有效有效打碎树枝晶，增加小晶核打碎树枝晶，增加小晶核输入振动能，克服形核功输入振动能，克服形核功电磁振动、搅拌，超生振动搅拌等电磁振动、搅拌，超生振动搅拌等58举例举例:冷却速度对冷却速度对A356 铝合金铸件组织的影响分铝

17、合金铸件组织的影响分析析随着冷却速度的提高随着冷却速度的提高,凝固组织中的共晶含量增多凝固组织中的共晶含量增多,而且而且初生相组织的形态也由粗大的树枝晶逐步向蔷薇状枝晶初生相组织的形态也由粗大的树枝晶逐步向蔷薇状枝晶演变演变59举例：稀土、钒、钛变质处理对高硅铸举例：稀土、钒、钛变质处理对高硅铸钢晶粒细化的影响钢晶粒细化的影响经稀土、钒、钛变质处理后经稀土、钒、钛变质处理后,高硅铸钢中形成大量的高熔点高硅铸钢中形成大量的高熔点化合物化合物,可以强烈地促进非均质形核可以强烈地促进非均质形核,细化高硅铸钢的奥氏体细化高硅铸钢的奥氏体晶粒晶粒;同时变质剂的加入可以明显提高钢液的过冷度同时变质剂的加入

18、可以明显提高钢液的过冷度,促进形促进形核、细化奥氏体晶粒。核、细化奥氏体晶粒。6061举例：超声对过共晶铝硅合金组织和性能的影响举例：超声对过共晶铝硅合金组织和性能的影响 使用新颖的超声处理使用新颖的超声处理装置装置,对过共晶对过共晶Al-23%Si 合金进行有无超声处理实合金进行有无超声处理实验。结果表明验。结果表明:超声对初超声对初晶硅有显著的细化作用晶硅有显著的细化作用,分布更加均匀分布更加均匀,并使晶粒并使晶粒的边缘圆滑过渡的边缘圆滑过渡;对对-Al 枝晶有超声变质作用枝晶有超声变质作用,使使树枝状晶向等轴晶转变。树枝状晶向等轴晶转变。62应用举例应用举例63646566主要的研究结论

19、主要的研究结论67WHY?683.5.2 定向凝固技术定向凝固技术69应用应用汽轮机叶片汽轮机叶片70单级汽轮机原理单级汽轮机原理71汽轮机组汽轮机组72733.5.3 单晶体的制备单晶体的制备74天然单晶体天然单晶体757677单晶体的特性：单晶体的特性：各向异性各向异性光学特性光学特性能量转换能量转换能带特性能带特性 等等等等天然单晶体有限、有晶体缺陷天然单晶体有限、有晶体缺陷78人工合成晶体（单晶、双晶人工合成晶体（单晶、双晶）79实验研究实验研究80813.5.4 急冷凝固技术及其合金急冷凝固技术及其合金通过对熔体进行分散后快速冷却，可以通过对熔体进行分散后快速冷却，可以得到丝材、粉末

20、等非平衡态材料得到丝材、粉末等非平衡态材料微米、纳米晶粒微米、纳米晶粒准晶材料准晶材料非晶材料非晶材料可以采用模冷法、雾化法等可以采用模冷法、雾化法等82838485868788实验研究实验研究899091其他应用举例其他应用举例结晶规律用于电气火灾事故的技术鉴定结晶规律用于电气火灾事故的技术鉴定通过运用金属结晶的基本规律来鉴定电气火灾现通过运用金属结晶的基本规律来鉴定电气火灾现场起火点及其附近残留的金属导线熔化痕迹场起火点及其附近残留的金属导线熔化痕迹,从从微观金相组织特征确定熔痕的熔化性质。微观金相组织特征确定熔痕的熔化性质。即判断融化是由电的热作用（一次短路火前短路、即判断融化是由电的热

21、作用（一次短路火前短路、二次短路火后短路）形成，还是由火灾热作用二次短路火后短路）形成，还是由火灾热作用（外火所烧）形成（外火所烧）形成,为直接认定或者排除电气火为直接认定或者排除电气火灾原因提供客观、科学的依据。灾原因提供客观、科学的依据。92根据形核数目、气泡及杂质的多少来判断根据形核数目、气泡及杂质的多少来判断一次短路熔痕一次短路熔痕 二次短路熔痕二次短路熔痕 火烧熔痕火烧熔痕93本章重要知识点本章重要知识点金属结晶的条件（结构、热力学、能量）金属结晶的条件（结构、热力学、能量）形核基本方式形核基本方式均匀形核时的能量变化、形核率均匀形核时的能量变化、形核率非均匀形核的能量变化、形核率非

22、均匀形核的能量变化、形核率微观粗糙界面、其晶核长大方式、液固界面形态微观粗糙界面、其晶核长大方式、液固界面形态微观光滑界面、其晶核长大方式、液固界面形态微观光滑界面、其晶核长大方式、液固界面形态控制铸件晶粒的措施控制铸件晶粒的措施94作业一作业一主题：新型凝固工艺与组织主题：新型凝固工艺与组织要求：要求：独立查阅并参考独立查阅并参考5篇以上相关的文献资料篇以上相关的文献资料(期期刊论文刊论文)，探索控制凝固理论的最新进展，探索控制凝固理论的最新进展内容内容（可包含以下内容中的若干项，可以对它们进（可包含以下内容中的若干项，可以对它们进行比较分析，可涉及行比较分析，可涉及特种铸造及其铸锭组织特种

23、铸造及其铸锭组织、特种特种焊接及其焊缝组织、金属或有机物均可焊接及其焊缝组织、金属或有机物均可）：）：对凝固的基本理论的理解与掌握对凝固的基本理论的理解与掌握基于凝固过程的某种新型材料的制备方法，所用基于凝固过程的某种新型材料的制备方法，所用的装置与设备特点、实验的原理等的装置与设备特点、实验的原理等得到的材料的组织与性能，检测分析手段与方法得到的材料的组织与性能，检测分析手段与方法的应用等的应用等注意思考具体的研究中体现出来的对传统凝固理注意思考具体的研究中体现出来的对传统凝固理论的继承与发展论的继承与发展格式：格式：按文献综述的格式按文献综述的格式题目，摘要，正文，题目，摘要，正文，参考文献。横格稿纸，认真书写，参考文献。横格稿纸，认真书写，1200字以上字以上9596979899