(5.2)--02金属的结晶机械工程材料.ppt

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1、1.1第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.1第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 1.2第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.2教学提示：一切物质从液态转变为固态的过程称为凝固，凝固后形成教学提示：一切物质从液态转变为固态的过程称为凝固，凝固后形成晶体，则称为结晶。金属的结晶是铸锭、铸件及焊接件生产中的重要过程，晶体，则称为结晶。金属的结晶是铸锭、铸件及焊接件生产中的重要过程，这个过程决定了工件的组织和性能，并直接影响随后的锻压和热处理等工这个过程决定了工件的组织和性能，并直接影响随后的锻压和热处理等工艺性能及零件的使用性能。相图是描述系统的状态

2、、温度、压力及成分之艺性能及零件的使用性能。相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解，是人们研究物质相变的过程及产物的有利工具。在生间关系的一种图解，是人们研究物质相变的过程及产物的有利工具。在生产中，相图可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程产中，相图可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重要依据。的重要依据。教学要求：本章让学生掌握结晶的概念、结晶基本过程以及结晶后获教学要求：本章让学生掌握结晶的概念、结晶基本过程以及结晶后获得细晶粒的方法，了解铸锭组织形成过程、铸锭组织结构与性能特点。熟得细晶粒的方法，了解铸锭组织形成过程、铸锭组织结构与

3、性能特点。熟悉匀晶相图、共晶相图的结构，能正确地分析相应合金的结晶过程，画出悉匀晶相图、共晶相图的结构，能正确地分析相应合金的结晶过程，画出示意图，并能熟练地运用杠杆定律计算相组成物和组织组成物的相对量。示意图，并能熟练地运用杠杆定律计算相组成物和组织组成物的相对量。1.3第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.32.1纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭2.2合金的结晶合金的结晶2.3结晶理论的应用实例结晶理论的应用实例2.4二元相图的应用二元相图的应用小小结结本本章章习习题题本章内容本章内容1.4第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.42.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭大多数金

4、属材料都是在液态下冶炼，然后铸造成固态金属。由液态大多数金属材料都是在液态下冶炼，然后铸造成固态金属。由液态金属凝结为固态金属的过程，就是金属的结晶。在工业生产中，金属的金属凝结为固态金属的过程，就是金属的结晶。在工业生产中，金属的结晶决定了铸锭、铸件及焊接件的组织和性能。因此，如何控制结晶就结晶决定了铸锭、铸件及焊接件的组织和性能。因此，如何控制结晶就成为提高金属材料性能的手段之一。研究金属结晶的目的，就是要掌握成为提高金属材料性能的手段之一。研究金属结晶的目的，就是要掌握金属结晶的规律，用以指导生产，提高产品质量。金属结晶的规律，用以指导生产，提高产品质量。1.5第第2 2章章 金属的结晶

5、金属的结晶1.52.1.1纯金属的结晶纯金属的结晶1.纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件纯金属结晶是指金属从液态转变为晶体状态的过程。纯金属都有一定纯金属结晶是指金属从液态转变为晶体状态的过程。纯金属都有一定的熔点，理想条件下，在熔点温度时液体和固体共存，这时液体中原子结的熔点，理想条件下，在熔点温度时液体和固体共存，这时液体中原子结晶到固体上的速度与固体上的原子溶入液体中的速度相等，称此状态为动晶到固体上的速度与固体上的原子溶入液体中的速度相等，称此状态为动态平衡。金属的熔点又称为理论结晶温度，或平衡结晶温度。但是，实际态平衡。金属的熔点又称为理论结晶温度，或平衡结晶温度。但是，实际条件下，液

6、体金属都必须低于该金属的理论结晶温度才能结晶。通常把液条件下，液体金属都必须低于该金属的理论结晶温度才能结晶。通常把液体冷却到低于理论结晶温度的现象称为过冷。因此，使液态纯金属能顺利体冷却到低于理论结晶温度的现象称为过冷。因此，使液态纯金属能顺利结晶的条件是它必须过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷结晶的条件是它必须过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。过冷度的大小可采用热分析法进行测定。度。过冷度的大小可采用热分析法进行测定。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.6第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.6热分析法装置简图如图热分析法装置简图如图2.1所示。在

7、环境温度保持不变的情况下，如果把所示。在环境温度保持不变的情况下，如果把液态金属放在坩埚内冷却，液态金属就以一定的速度冷却。在冷却过程中，每液态金属放在坩埚内冷却，液态金属就以一定的速度冷却。在冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，然后把测量结果绘制在隔一定时间测量一次温度，然后把测量结果绘制在“温度温度时间时间”坐标中，便坐标中，便可得到如图可得到如图2.2所示的冷却曲线。图中所示的冷却曲线。图中T0为金属的熔点为金属的熔点(又称理论结晶温度又称理论结晶温度)，由图可见，在结晶之前，冷却曲线连续下降，当液态金属冷却到理论结晶温度由图可见，在结晶之前，冷却曲线连续下降，当液态金属冷却到理论结晶

8、温度T0时，并不开始结晶，而是冷却到时，并不开始结晶，而是冷却到T0以下的某个温度以下的某个温度T1时，液态金属才开始时，液态金属才开始结晶。在结晶过程中，由于放出结晶潜热，补偿了冷却散失的热量，使结晶时结晶。在结晶过程中，由于放出结晶潜热，补偿了冷却散失的热量，使结晶时的温度保持不变，因而在冷却曲线上出现了水平阶段，此所对应温度的温度保持不变，因而在冷却曲线上出现了水平阶段，此所对应温度T1为该金为该金属的开始结晶温度。水平阶段延续的时间就是结晶开始到终了时间。结晶终了属的开始结晶温度。水平阶段延续的时间就是结晶开始到终了时间。结晶终了时，液体金属全部变成固态金属。随后，由于没有放出结晶潜热

9、，固态金属温时，液体金属全部变成固态金属。随后，由于没有放出结晶潜热，固态金属温度就按原来冷却速度继续下降。度就按原来冷却速度继续下降。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.7第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.71电炉电炉2坩埚坩埚3熔融金属熔融金属4热电偶热端热电偶热端5热电偶热电偶6保护管保护管7热电偶冷端热电偶冷端8检流计检流计一般情况下，冷却曲线上出现的水平阶段，是液体正在结晶的阶段，这时的温一般情况下，冷却曲线上出现的水平阶段，是液体正在结晶的阶段，这时的温度就是纯金属的实际结晶温度度就是纯金属的实际结晶温度(T1)。过冷度的大小用式。过冷度的大小用式(2-1)表示：

10、表示：T=T0T1(2-1)2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.8第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.8式中式中T0理论结晶温度；理论结晶温度；T1金属实际结晶温度；金属实际结晶温度；T过冷度。过冷度。过冷度与金属的本性和液态金属的冷却速度有关。金属的纯度越高，结晶过冷度与金属的本性和液态金属的冷却速度有关。金属的纯度越高，结晶时的过冷度越大；同一金属冷却速度越大，则金属开始结晶温度越低，过冷度时的过冷度越大；同一金属冷却速度越大，则金属开始结晶温度越低，过冷度也越大。总之，金属结晶必须在一定的过冷度下进行，过冷是金属结晶的必要也越大。总之，金属结晶必须在一定的过冷度下进行，过

11、冷是金属结晶的必要条件。条件。金属结晶为什么必须在过冷条件下才能进金属结晶为什么必须在过冷条件下才能进行？这是由结晶时的能量条件决定的，根据热行？这是由结晶时的能量条件决定的，根据热力学条件，系统的自由能处于最低状态时，系力学条件，系统的自由能处于最低状态时，系统最稳定。由于液体和固体的结构不同，虽是统最稳定。由于液体和固体的结构不同，虽是同一物质，它们在不同温度下的自由能变化则同一物质，它们在不同温度下的自由能变化则不同。如图不同。如图2.3所示的液态金属和固态金属自由所示的液态金属和固态金属自由能随温度而变化的曲线。液态自由能曲线变化能随温度而变化的曲线。液态自由能曲线变化比固态的要陡，两

12、条曲线必然相交。曲线中的比固态的要陡，两条曲线必然相交。曲线中的交点表示在该温度下液态与固态自由能相等，交点表示在该温度下液态与固态自由能相等，两者可共存并处于动态平衡。交点所对应的温两者可共存并处于动态平衡。交点所对应的温度为理论结晶温度度为理论结晶温度T0，高于，高于T0时，液态比固态时，液态比固态2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.9第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.9的自由能低，金属处于液态不是稳定的；低于的自由能低，金属处于液态不是稳定的；低于T0时，由液态转变为固态可使自时，由液态转变为固态可使自由能降低，于是便发生了结晶。因此，液态金属要结晶，必须处于由能降低，

13、于是便发生了结晶。因此，液态金属要结晶，必须处于T0以下。换以下。换句话说，要使液体结晶，就必须产生一定的过冷度，造成液体和固体间的自由句话说，要使液体结晶，就必须产生一定的过冷度，造成液体和固体间的自由能差能差F，这个能量差就是促使液体结晶的推动力。液体结晶时就必须建立同液，这个能量差就是促使液体结晶的推动力。液体结晶时就必须建立同液相隔开的晶体界面而消耗能量相隔开的晶体界面而消耗能量A。所以，只有当液体的过冷度达到一定的程度，。所以，只有当液体的过冷度达到一定的程度，使结晶的动力使结晶的动力F大于建立小晶体界面所需要的表面能大于建立小晶体界面所需要的表面能A时，结晶才能进行。时，结晶才能进

14、行。2.纯金属结晶的一般过程纯金属结晶的一般过程液态金属结晶是通过形核和长大这两个密切联系的基本过程来实现的。金液态金属结晶是通过形核和长大这两个密切联系的基本过程来实现的。金属结晶可用图属结晶可用图2.4来描述，将液态金属冷却到某一温度，在一定的过冷度下，经来描述，将液态金属冷却到某一温度，在一定的过冷度下，经过一段时间的孕育阶段，晶核以一定的速率过一段时间的孕育阶段，晶核以一定的速率N1/(cm3s)生成，并随之以一定的生成，并随之以一定的线速度线速度G(mm/s)长大。同时剩余液体金属中还不断产生新晶核并同时不断长大，长大。同时剩余液体金属中还不断产生新晶核并同时不断长大，当液体结晶速度

15、达到当液体结晶速度达到50%左右时，各个晶粒开始相互接触，液体中可供结晶的左右时，各个晶粒开始相互接触，液体中可供结晶的空间随即减小，经过一段时间之后液体全部凝固，结晶结束，最后得到了多晶空间随即减小，经过一段时间之后液体全部凝固，结晶结束，最后得到了多晶体的金属结构。体的金属结构。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.10第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.10图图2.4金属结晶过程示意图金属结晶过程示意图概括起来，液体金属结晶分形核和长大两个过程，下面分别讨论形核和长概括起来，液体金属结晶分形核和长大两个过程，下面分别讨论形核和长大的规律。大的规律。1)晶核的形成晶核的形成晶

16、核的形成有两种方式：自发形核和非自发形核。晶核的形成有两种方式：自发形核和非自发形核。液态金属中存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团，这些原子集团称为晶坯，液态金属中存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团，这些原子集团称为晶坯，在理论结晶温度以上时，它们是不稳定的。当温度降低到在理论结晶温度以上时，它们是不稳定的。当温度降低到T0以下并且过冷度达以下并且过冷度达到一定程度后，液体具备了结晶条件，液体中那些超过一定尺寸到一定程度后，液体具备了结晶条件，液体中那些超过一定尺寸(大于临界尺寸大于临界尺寸)的短程有序的原子集团不再消失，成为结晶的核心。这种从液体内部自发生成的短程有序的原子集团不再消失，

17、成为结晶的核心。这种从液体内部自发生成结晶核心的方式叫自发形核。结晶核心的方式叫自发形核。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.11第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.11过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大，能稳定存在的短程有过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大，能稳定存在的短程有序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是，当过冷度过大或序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是，当过冷度过大或温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻，形温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻，形核的速率反而减

18、小，故形核率与过冷度有关。核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核，在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核，因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质，杂质的存在常常促使金属因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质，杂质的存在常常促使金属原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触，于是晶核就依附原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触，于是晶核就依附于这些现成的固体表面形成。这种依靠外来质点作为结晶核心的方式称为非自于这些现成的固体表面形成。这种依靠外来质点作为结晶核心的方式称为非

19、自发形核。发形核。按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近，它们的原按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近，它们的原子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小，从而可以减少形核子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小，从而可以减少形核时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此，当时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此，当杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时，有利于形成非自发形杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时，有利于形成非自发形核，晶核就优先依附于这些现成的表面而形成，也有

20、些难熔金属的晶体结构与核，晶核就优先依附于这些现成的表面而形成，也有些难熔金属的晶体结构与金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属，也可以成金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属，也可以成为非自发形核的核心。在生产实际中，液态金属结晶时形核方式主要是非自发为非自发形核的核心。在生产实际中，液态金属结晶时形核方式主要是非自发形核。形核。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.12第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.122)晶核的长大晶核的长大晶核长大的实质是原子由液体向固体表面的转移过程。纯金属结晶时，晶晶核长大的实质是原子由液体向固体表面的转移

21、过程。纯金属结晶时，晶核长大方式主要有两种：一种是平面长大方式，另一种是枝晶长大方式。晶体核长大方式主要有两种：一种是平面长大方式，另一种是枝晶长大方式。晶体长大方式，取决于冷却条件，同时也受晶体结构、杂质含量的影响。长大方式，取决于冷却条件，同时也受晶体结构、杂质含量的影响。当过冷度较小时，晶核主要以平面长大方式进行，晶核各表面的长大速度当过冷度较小时，晶核主要以平面长大方式进行，晶核各表面的长大速度遵守表面能最小的法则，即晶核长成的规则形状应使总的表面能趋于最小。晶遵守表面能最小的法则，即晶核长成的规则形状应使总的表面能趋于最小。晶核沿不同方向的长大速度是不同的，以沿原子最密排面垂直方向的

22、长大速度最核沿不同方向的长大速度是不同的，以沿原子最密排面垂直方向的长大速度最慢，表面能增加缓慢。所以，平面长大的结果，使晶核获得表面为原子最密排慢，表面能增加缓慢。所以，平面长大的结果，使晶核获得表面为原子最密排面的规则形状。面的规则形状。当过冷度较大时，晶核主要以枝晶的方式长大，如图当过冷度较大时，晶核主要以枝晶的方式长大，如图2.5所示。晶核长大初所示。晶核长大初期，其外形为规则的形状，但随着晶核的成长，晶体棱角形成，棱角在继续长期，其外形为规则的形状，但随着晶核的成长，晶体棱角形成，棱角在继续长大过程中，棱角处的散热条件优于其他部位，于是棱角处优先生长，沿一定部大过程中，棱角处的散热条

23、件优于其他部位，于是棱角处优先生长，沿一定部位生长出空间骨架，这种骨架好似树干，称为一次晶轴，在一次晶轴增长的同位生长出空间骨架，这种骨架好似树干，称为一次晶轴，在一次晶轴增长的同时，在其侧面又会生长出分枝，称为二次晶轴，随后又生长出三次轴，等等。时，在其侧面又会生长出分枝，称为二次晶轴，随后又生长出三次轴，等等。如此不断生长和分枝下去，直到液体全部凝固，最后形成树枝状晶体。如此不断生长和分枝下去，直到液体全部凝固，最后形成树枝状晶体。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.13第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.13图图2.5晶体枝晶成长示意图晶体枝晶成长示意图树枝晶的各次晶轴都

24、具有相同的固定方向，所以每一个树枝晶都是一个单树枝晶的各次晶轴都具有相同的固定方向，所以每一个树枝晶都是一个单晶体。多晶体金属的每一个晶粒一般都是由一个晶核以树枝晶的方式长成的。晶体。多晶体金属的每一个晶粒一般都是由一个晶核以树枝晶的方式长成的。在枝晶成长过程中，由于液体的流动、晶轴本身重力的作用及彼此之间的碰撞在枝晶成长过程中，由于液体的流动、晶轴本身重力的作用及彼此之间的碰撞以及杂质元素的作用，会使某些晶轴发生偏移或折断，以致造成晶粒中的亚晶以及杂质元素的作用，会使某些晶轴发生偏移或折断，以致造成晶粒中的亚晶界、位错等各种缺陷。界、位错等各种缺陷。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸

25、锭1.14第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.14晶核以树枝状长大的原因是：晶核长大过程中释放出结晶潜热，晶粒棱角处晶核以树枝状长大的原因是：晶核长大过程中释放出结晶潜热，晶粒棱角处散热较快，因而长大速度快，成为深入到液体中的枝晶；棱角处缺陷较多，从液散热较快，因而长大速度快，成为深入到液体中的枝晶；棱角处缺陷较多，从液体中转移过来的原子容易固定，有利于枝晶的生长；晶核以枝晶的方式生长，表体中转移过来的原子容易固定，有利于枝晶的生长；晶核以枝晶的方式生长，表面积大，便于从液体中获得生长所需的原子。实际上，晶核长大的过程受冷却速面积大，便于从液体中获得生长所需的原子。实际上，晶核长大的过程受

26、冷却速度、散热条件及杂质的影响。如果控制了上述影响因素，就可控制晶粒长大方式，度、散热条件及杂质的影响。如果控制了上述影响因素，就可控制晶粒长大方式，最终可达到控制晶体的组织和性能的目的。最终可达到控制晶体的组织和性能的目的。3.晶粒大小及其控制晶粒大小及其控制金属结晶以后，获得由大量晶粒组成的多晶体。对金属材料而言，晶粒的大金属结晶以后，获得由大量晶粒组成的多晶体。对金属材料而言，晶粒的大小与其强韧性有密切关系。一般情况下，晶粒越细小，则金属的强度越高，同时小与其强韧性有密切关系。一般情况下，晶粒越细小，则金属的强度越高，同时塑性和韧性也越好，见表塑性和韧性也越好，见表2-1。所以工程上通过

27、控制金属结晶的过程来细化晶粒，。所以工程上通过控制金属结晶的过程来细化晶粒，这对改善金属材料的力学性能有重要意义。这对改善金属材料的力学性能有重要意义。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.15第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.15表表2-1晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒平均直径晶粒平均直径d/mm抗拉强度抗拉强度b/MPa屈服强度屈服强度s/MPa延伸率延伸率/(%)9.71654028.87.01803830.62.52114439.50.22635748.81)晶粒度的概念晶粒度的概念晶粒的大小称为晶粒度，用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线

28、长度晶粒的大小称为晶粒度，用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度(或或直径直径)表示。金属结晶后的晶粒度与形核速率表示。金属结晶后的晶粒度与形核速率N和长大速度和长大速度G有关。所谓形核速率有关。所谓形核速率N即单位时间内在单位体积中所形成晶核的数目。所谓长大速度即单位时间内在单位体积中所形成晶核的数目。所谓长大速度G即晶体长大的即晶体长大的线速度。形核速率越大，单位体积中所生成的晶核数目越多，晶粒也越细小；若线速度。形核速率越大，单位体积中所生成的晶核数目越多，晶粒也越细小；若形核速率一定，长大速度越小，则结晶的时间越长，生成的晶核越多，晶粒越细形核速率一定，长大速度越小，则结晶的时间越长

29、，生成的晶核越多，晶粒越细小。单位体积内晶粒的总数目小。单位体积内晶粒的总数目ZV与形核速率与形核速率N和长大速度和长大速度G之间存在如下关系：之间存在如下关系：2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.16第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.16(2-2)单位面积内晶粒的总数目单位面积内晶粒的总数目ZS的关系式为的关系式为(2-3)从金属结晶的过程可知，凡是促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒。从金属结晶的过程可知，凡是促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒。通过改变浇注温度和冷却条件，便可改变金属液相的过冷度，从而可以控制晶通过改变浇注温度和冷却条件，便可改变金属液相的过冷度，

30、从而可以控制晶粒大小。粒大小。2)晶粒度的控制晶粒度的控制在工业生产中，为了细化铸态的晶粒，以提高铸件及焊缝的性能，采取的在工业生产中，为了细化铸态的晶粒，以提高铸件及焊缝的性能，采取的措施如下：措施如下：(1)增加过冷度。金属结晶时，形核速率增加过冷度。金属结晶时，形核速率N和长大速度和长大速度G都与过冷度有关，都与过冷度有关，如图如图2.6所示。随着过冷度的增加，形核速率所示。随着过冷度的增加，形核速率N和长大速度和长大速度G都增加，并在一定都增加，并在一定过冷度下达到最大值，但随着过冷度的进一步增加，两者都减小，这是由于温过冷度下达到最大值，但随着过冷度的进一步增加，两者都减小，这是由于

31、温度过低时，液体中原子扩散困难，度过低时，液体中原子扩散困难，N和和G都随之减小。在生产实践中，冷却条都随之减小。在生产实践中，冷却条件往往处于曲线的左边部分，而曲线的右边部分的冷却条件在实际中难以达到。件往往处于曲线的左边部分，而曲线的右边部分的冷却条件在实际中难以达到。所以，随着过冷度的增加，形核速率所以，随着过冷度的增加，形核速率N和长大速度和长大速度G都增加，但形核速率都增加，但形核速率N增增加更快，故加更快，故N/G增大，使晶粒细化。增大，使晶粒细化。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.17第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.17铸造生产中，通过降低浇注温度、加快冷却

32、速度等都能增大金属液相的过冷度，铸造生产中，通过降低浇注温度、加快冷却速度等都能增大金属液相的过冷度，使晶粒细化。加快冷却速度的方法主要有：采用散热快的金属铸型、降低金属铸使晶粒细化。加快冷却速度的方法主要有：采用散热快的金属铸型、降低金属铸型的预热温度、减小涂料层的厚度以及采用水冷铸型等。随着超高速急冷型的预热温度、减小涂料层的厚度以及采用水冷铸型等。随着超高速急冷(105K/s1011K/s)技术的发展，可以获得超细化晶粒的金属、亚稳态金属和非技术的发展，可以获得超细化晶粒的金属、亚稳态金属和非晶态金属。此类金属有良好的机械性能和物理化学性能，且有极大的发展前景。晶态金属。此类金属有良好的

33、机械性能和物理化学性能，且有极大的发展前景。对体积大、形状复杂的铸件，很难获得大的过冷度，就采用变质方法或物理方法对体积大、形状复杂的铸件，很难获得大的过冷度，就采用变质方法或物理方法来细化晶粒。来细化晶粒。(2)变质处理。变质处理又叫孕育处理，就是在液态金属中加入孕育剂或变变质处理。变质处理又叫孕育处理，就是在液态金属中加入孕育剂或变质剂，以增加非自发形核的数目，促进形核，抑制晶核长大，从而达到细化晶粒质剂，以增加非自发形核的数目，促进形核，抑制晶核长大，从而达到细化晶粒的目的。用于细化晶粒的变质剂有如下几种：在浇注前向液体金属中加入同类金的目的。用于细化晶粒的变质剂有如下几种：在浇注前向液

34、体金属中加入同类金属细粒，或加入结构完全对应的高熔点物质细粒，在液相中直接起着外来晶核的属细粒，或加入结构完全对应的高熔点物质细粒，在液相中直接起着外来晶核的作用。如浇注高铬钢时加入铬铁粉；在液态金属中加入少量的某些元素，形成稳作用。如浇注高铬钢时加入铬铁粉；在液态金属中加入少量的某些元素，形成稳定化合物作为活性质点，促进非自发形核；如在钢液中加入钛、钒、铌等形成碳定化合物作为活性质点，促进非自发形核；如在钢液中加入钛、钒、铌等形成碳化合物作为活性质点；铝液中加入钛、锆作为质点都能起到非自发形核的核心作化合物作为活性质点；铝液中加入钛、锆作为质点都能起到非自发形核的核心作用。有些物质不能提供结

35、晶核心，但能阻止晶粒长大，如液态金属中加入少量表用。有些物质不能提供结晶核心，但能阻止晶粒长大，如液态金属中加入少量表面活性元素，能附着在晶核的结晶前沿，阻碍晶核长大，如钢液中加入硼就属于面活性元素，能附着在晶核的结晶前沿，阻碍晶核长大，如钢液中加入硼就属于此类变质剂。此类变质剂。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.18第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.18图图2.6金属的形核率金属的形核率N和长大速度和长大速度G与过冷度的关系与过冷度的关系(3)振动、搅拌等。在金属结晶过程中，用机械振动、超声波振动以及搅拌振动、搅拌等。在金属结晶过程中，用机械振动、超声波振动以及搅拌等方法

36、，能够打碎正在长大的枝晶，增加结晶的核心，达到细化晶粒的目的。等方法，能够打碎正在长大的枝晶，增加结晶的核心，达到细化晶粒的目的。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.19第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.192.1.2铸锭组织铸锭组织1.铸锭组织的形成铸锭组织的形成铸锭凝固过程中，由于表面和中心冷却条件不同，因此铸锭的组织是不铸锭凝固过程中，由于表面和中心冷却条件不同，因此铸锭的组织是不均匀的。如图均匀的。如图2.7铸锭剖面组织示意图。其组织由外向内明显分为三个晶区：铸锭剖面组织示意图。其组织由外向内明显分为三个晶区：表层细晶区，柱状晶区，中心等轴晶区。表层细晶区，柱状晶区，

37、中心等轴晶区。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.20第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.20图图2.7金属铸锭组织示意图金属铸锭组织示意图1表层细晶区表层细晶区2柱状晶区柱状晶区3中心等轴晶区中心等轴晶区表层细晶区：当将钢水浇注到锭模以后，由于模壁的温度较低，和模壁接触表层细晶区：当将钢水浇注到锭模以后，由于模壁的温度较低，和模壁接触的钢液受到激冷，造成较大的过冷度，形成大量的晶核，同时模壁也有非自发形的钢液受到激冷，造成较大的过冷度，形成大量的晶核，同时模壁也有非自发形核核心的作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。核核心的作用。结果，在金属的表层形成一

38、层厚度不大、晶粒很细的细晶区。表层细晶区的晶粒十分细小、组织致密，力学性能好。但纯金属铸锭表层细晶区表层细晶区的晶粒十分细小、组织致密，力学性能好。但纯金属铸锭表层细晶区的厚度一般都很薄，对整个铸锭性能的影响不是很大。而合金铸锭一般具有较厚的厚度一般都很薄，对整个铸锭性能的影响不是很大。而合金铸锭一般具有较厚的表层细晶区。的表层细晶区。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.21第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.21柱状晶区：细晶区形成的同时，模壁温度升高，使剩余液体金属的冷却速柱状晶区：细晶区形成的同时，模壁温度升高，使剩余液体金属的冷却速度降低，同时，由于表层结晶时释放结晶潜

39、热，使细晶区前沿的液体过冷度减度降低，同时，由于表层结晶时释放结晶潜热，使细晶区前沿的液体过冷度减小，形核速度降低，但晶核继续生长。由于垂直模壁的方向散热速度最快，那小，形核速度降低，但晶核继续生长。由于垂直模壁的方向散热速度最快，那些晶轴垂直于模壁的晶核就会沿着与散热方向相反的方向迅速向液体金属中长些晶轴垂直于模壁的晶核就会沿着与散热方向相反的方向迅速向液体金属中长大，而晶轴与模壁斜交的晶核长大受到限制，结果获得柱状晶粒区。大，而晶轴与模壁斜交的晶核长大受到限制，结果获得柱状晶粒区。在柱状晶区，晶粒彼此间的界面比较平直，气泡缩孔很小，组织比较致密。在柱状晶区，晶粒彼此间的界面比较平直，气泡缩

40、孔很小，组织比较致密。而柱状晶的交界面处的低熔点杂质或非金属杂质较多，形成明显的脆弱界面，而柱状晶的交界面处的低熔点杂质或非金属杂质较多，形成明显的脆弱界面，在锻造、轧制时易沿这些脆弱面形成裂纹或开裂。生产上，对于不希望得到柱在锻造、轧制时易沿这些脆弱面形成裂纹或开裂。生产上，对于不希望得到柱状晶的金属，通常采用振动浇注或变质处理等方法来抑制柱状晶的扩展。但柱状晶的金属，通常采用振动浇注或变质处理等方法来抑制柱状晶的扩展。但柱状晶区的性能有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向强度高，对于那些主要受单状晶区的性能有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向强度高，对于那些主要受单向载荷的机械零件，例如汽轮机叶片，

41、柱状晶是比较理想的，一般采用提高浇向载荷的机械零件，例如汽轮机叶片，柱状晶是比较理想的，一般采用提高浇注温度、加快冷却速度等措施，都有利于柱状晶的发展。注温度、加快冷却速度等措施，都有利于柱状晶的发展。中心等轴晶区：随着柱状晶区的发展，剩余液体金属的冷却速度很快降低，中心等轴晶区：随着柱状晶区的发展，剩余液体金属的冷却速度很快降低，温差也越来越小，散热方向变得不明显，处于均匀冷却状态。此外，由于液体温差也越来越小，散热方向变得不明显，处于均匀冷却状态。此外，由于液体金属的流动，将一些未熔杂质质点推向铸锭中心，或柱晶上的小分枝被冲断而金属的流动，将一些未熔杂质质点推向铸锭中心，或柱晶上的小分枝被

42、冲断而漂移到铸锭中心，它们都能成为剩余液体金属结晶晶核，这些晶核由于在不同漂移到铸锭中心，它们都能成为剩余液体金属结晶晶核，这些晶核由于在不同方向上的生长速度大致相同而最终长成等轴晶粒。方向上的生长速度大致相同而最终长成等轴晶粒。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.22第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.22中心等轴晶区不存在明显的脆弱面，方向不同的晶粒彼此交错、咬合，各中心等轴晶区不存在明显的脆弱面，方向不同的晶粒彼此交错、咬合，各方向上力学性能均匀，是一般钢铁铸件所要求的组织和性能。生产上采用低温方向上力学性能均匀，是一般钢铁铸件所要求的组织和性能。生产上采用低温浇注、冷却

43、速度慢、各方向均匀散热、变质处理和附加振动、搅拌等措施来获浇注、冷却速度慢、各方向均匀散热、变质处理和附加振动、搅拌等措施来获得等轴晶粒。得等轴晶粒。2.铸锭的缺陷铸锭的缺陷液体金属或合金在凝固过程中经常会产生一些铸造缺陷，常见的有缩孔、液体金属或合金在凝固过程中经常会产生一些铸造缺陷，常见的有缩孔、疏松和气孔等，这些缺陷的存在对铸件的质量产生重要影响。疏松和气孔等，这些缺陷的存在对铸件的质量产生重要影响。1)缩孔缩孔液体金属在凝固过程中发生体积收缩，凝固早的液体金属所产生的收缩孔液体金属在凝固过程中发生体积收缩，凝固早的液体金属所产生的收缩孔隙由凝固晚的液体金属来补充，最后一部分没有剩余的液

44、体金属补充就成为空隙由凝固晚的液体金属来补充，最后一部分没有剩余的液体金属补充就成为空洞，即缩孔。一般缩孔部分在轧制或锻造之前都要切去，否则对产品质量有影洞，即缩孔。一般缩孔部分在轧制或锻造之前都要切去，否则对产品质量有影响。生产中减少缩孔的办法有：合理的设计模锭；合理的浇注方法，如上注法，响。生产中减少缩孔的办法有：合理的设计模锭；合理的浇注方法，如上注法，慢注；采用保温帽等措施。采用连铸工艺生产的钢坯没有缩孔缺陷。因此，连慢注；采用保温帽等措施。采用连铸工艺生产的钢坯没有缩孔缺陷。因此，连铸工艺生产的钢材的成材率高。铸工艺生产的钢材的成材率高。2)疏松疏松疏松即分散缩孔，主要是由于枝晶间分

45、隔的液体金属在凝固收缩时得不到疏松即分散缩孔，主要是由于枝晶间分隔的液体金属在凝固收缩时得不到液体金属补充而可能留下的一些小孔隙以及金属液中的气体夹杂造成的。减少液体金属补充而可能留下的一些小孔隙以及金属液中的气体夹杂造成的。减少疏松的方法是快速冷却及降低气体含量等。疏松的方法是快速冷却及降低气体含量等。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭1.23第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.233)气孔气孔气孔是指铸锭气孔是指铸锭(件件)中因有气体析出而形成的空洞。液体金属中的气体溶解度中因有气体析出而形成的空洞。液体金属中的气体溶解度较大，如铸模表面的锈皮等与液体相互作用产生气体，浇注时

46、液体流动也会卷入较大，如铸模表面的锈皮等与液体相互作用产生气体，浇注时液体流动也会卷入气体，希望这些气体在凝固过程要析出。如果凝固过程气体来不及逸出，就会保气体，希望这些气体在凝固过程要析出。如果凝固过程气体来不及逸出，就会保留在液体金属中形成气孔。在铸锭铸坯轧制过程中气孔大多都可以焊合，但对皮留在液体金属中形成气孔。在铸锭铸坯轧制过程中气孔大多都可以焊合，但对皮下气孔，会造成微细裂纹和表面起皱现象，从而影响金属质量。故冶炼及浇注过下气孔，会造成微细裂纹和表面起皱现象，从而影响金属质量。故冶炼及浇注过程要控制产生气体的各种因素。程要控制产生气体的各种因素。2.1 纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶

47、与铸锭1.24第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.242.2 合金的结晶合金的结晶相图是表示合金系的状态，是合金的状态与温度、成分之间关系相图是表示合金系的状态，是合金的状态与温度、成分之间关系的图解。利用相图，可以知道各种成分的合金在不同温度的组织状态的图解。利用相图，可以知道各种成分的合金在不同温度的组织状态及什么温度下发生结晶和相变，也可以了解不同成分的合金在不同温及什么温度下发生结晶和相变，也可以了解不同成分的合金在不同温度下由哪些相组成及相对含量，还能了解合金在加热和冷却过程中可度下由哪些相组成及相对含量，还能了解合金在加热和冷却过程中可能会发生的转变。合金状态图为进行金相分析、

48、合金熔炼、铸造、锻能会发生的转变。合金状态图为进行金相分析、合金熔炼、铸造、锻造及热处理工艺提供了理论依据。造及热处理工艺提供了理论依据。1.25第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.252.2.1二元合金相图的建立二元合金相图的建立1.相图的建立方法相图的建立方法二元合金相图是由实验测定的。测定相图的方法有热分析法、金相分二元合金相图是由实验测定的。测定相图的方法有热分析法、金相分析法、硬度法、膨胀试验、析法、硬度法、膨胀试验、X射线分析等。这些方法都是以合金相变时发生射线分析等。这些方法都是以合金相变时发生某些物理变化为基础而选定的。这里重点介绍热分析法建立相图。某些物理变化为基础而选定

49、的。这里重点介绍热分析法建立相图。合金凝固时释放凝固潜热，用热分析法可以方便地测定合金的凝固温度。合金凝固时释放凝固潜热，用热分析法可以方便地测定合金的凝固温度。建立二元合金相图的具体步骤如下：建立二元合金相图的具体步骤如下：首先配制一系列不同成分的同一合金系。首先配制一系列不同成分的同一合金系。将合金熔化后，分别测出它们的冷却曲线。将合金熔化后，分别测出它们的冷却曲线。根据冷却曲线上的转折点确定各合金的状态变化温度。根据冷却曲线上的转折点确定各合金的状态变化温度。将上述数据引入以温度将上述数据引入以温度()为纵轴、成分为纵轴、成分(质量百分比为单位质量百分比为单位)为横为横轴的坐标平面中。轴

50、的坐标平面中。2.2 合金的结晶合金的结晶1.26第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.26测定时所配制的合金数目越多、所用金属纯度越高、测温精度越高、冷却测定时所配制的合金数目越多、所用金属纯度越高、测温精度越高、冷却速度越慢速度越慢(0.5/min1.5/min)，则所测得的相图越精确。，则所测得的相图越精确。如图如图2.8所示是用热分析法建立的所示是用热分析法建立的Cu-Ni合金的相图过程示例。合金的相图过程示例。图图2.8用热分析法建立用热分析法建立Cu-Ni相图相图2.2 合金的结晶合金的结晶1.27第第2 2章章 金属的结晶金属的结晶1.27图图2.8(a)给出纯给出纯Cu、Ni