第2章 金属结晶的根本秩序(3)

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第2章 金属结晶的根本秩序(3)

第2章 金属结晶的根本秩序(3)

  第2章 金属结晶的基本规律(3)_物理_自然科学_专业资料。第一节 金属结晶的基本规律 凝固:物质由液态转变为固态的过程 结晶:物质由液态转变为晶态的过程 金属的冶炼、铸造、焊接等生产过程中,均存在 结晶过程。 金属原子由混乱排列到 整齐排列的转变过程

  第一节 金属结晶的基本规律 凝固:物质由液态转变为固态的过程 结晶:物质由液态转变为晶态的过程 金属的冶炼、铸造、焊接等生产过程中,均存在 结晶过程。 金属原子由混乱排列到 整齐排列的转变过程 一、金属结晶的微观现象 物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。 结晶过程是相变过程:液相→固相。 晶核 液体 晶核长大 全部结晶 结晶过程 等轴晶——晶粒在三维方向上尺寸大致相同,近似为球状 (理想状态为十四面体) 结晶过程: 在熔点以下,液态金属形成具有随机位向的晶核 按金属本身固有晶格的原子排列方式晶核不断长大 形核、核长大是同时进行的过程,晶核数目越多,形 成的小晶体(即晶粒)越多; 晶粒互相接触后,形成整块金属。 二、金属结晶的宏观现象 1、冷却曲线 冷却曲线-金属结晶时温度与 时间的关系曲线 :曲线上水平 阶段所对应的温度 纯金属的冷却曲线 结晶潜热:曲线上水平段是由于结晶时结晶潜热引起的 冷却曲线 孕育阶段:形核及核长 大不明显; 2 结晶开始阶段,结晶潜热, 温度回升; 3 继续结晶阶段 温度保持恒定; 4 液态金属全部结晶完毕, 固态金属的降温阶段。 理论冷却曲线与实际冷却曲线: 结晶条件之一:过冷度 在理论结晶温度(熔点 或平衡结晶温度)下, 液体和晶体处于动平衡 状态; 结晶只有在熔点以下 的实际结晶温度下才 能进行。 雾 凇 三、过冷现象与过冷度 过冷:金属实际开始结晶温度总是低于理论结晶温 度(即熔点) 。这种液态金属在熔点以下仍保 持液态的现象称为过冷。 过冷度:理论结晶温度和实际 开始结晶温度之差。 过冷度值:与金属性质、冷却 速度有关;冷速越大, 过冷度越大 纯金属的冷却曲线 金属结晶热力学条件 过冷度越大ΔT 液固自由能差ΔG愈大 结晶驱动力也愈大 结晶的结构条件 结构起伏:液态金属的结构模型认为:原子排列的 “时聚时散、此起彼伏”的近程有序现象 称为结构起伏或相起伏。 ●规则排列的小晶团 ●紊乱排列原子 晶胚:液态金属中存在着原子排列规则的小原子 团它们时聚时散,称为晶坯。 ●规则排列的小晶团 ●紊乱排列原子 结构起伏→晶胚→是液态金属产生晶核的基础 四、晶核的形成 晶胚 形核 均匀形核 非均匀形核 核长大 1 均匀形核:在过冷液态金属中,液态金属本身具有的 晶胚,形成晶核的过程,称为均匀形核 (或均质形核) 2 非均匀形核:晶胚依附在其它固态杂质表面上成核, 称为非均匀形核(或非均质形核) 1、均匀形核 1)临界晶核 当r = rc时,该晶胚既 可能消散,也可能成为 ΔG 界面自由能 自 由 晶胚 能 变 化 ΔG* 晶核 晶核存在。称半径为rc的 晶胚为临界晶核 体积自由能 rc r r<rc时:表面自由能占优势,ΔG增大,晶胚消失; r>rc时:体积自由能中占优势,ΔG下降,晶胚长大 →形成晶核 r=rc时:晶胚可能消散或 形成晶核 ΔG 自 由 晶胚 能 变 化 ΔG* 界面自由能 晶核 rc——称为临界晶核半径。 过冷度愈大,rc愈小。 体积自由能 rc r 2) 形核功的概念 当r>rc,晶胚形成晶核时,液体转变固 态,金属体积自由能的降低部分,只能补偿其 表面能增高部分的三分之二,其余能量升高, 需要由液相来提供。这部分能量称为形核功。 形核功:由体系内部能量起伏来提供的; 能量起伏:体系内部能量偏离平均值的动态 变化现象称为能量起伏。 界面自由能 自 由 晶胚 能 变 ΔG* 化 ΔG 晶核 过冷度愈大,形核功愈小 rc 体积自由能 r 3)过冷度对形核的影响 临界过冷度 液态金属过冷度越大, 最大晶胚半径rmax也越大, 临界晶核半径 rc越小 当过冷度达一定值时, rmax= rc,结晶开始,这个过冷度称为临界过冷度 有效过冷度——金属液体大量形核所需的过冷度 液体金属均匀结晶的三个条件: 过冷度 结构起伏→晶胚→晶核 能量起伏→形核功→形核 有利于形核→核长大 过冷度增大 晶胚半径越大 临界晶核变小 形核功也变小 例如: 纯Sn均匀形核过冷度为183℃; 纯Al为160℃,很大 2、非均匀形核 非均匀形核:液体中存在的固态杂质为核心形核 称非均匀形核。 非均匀形核比 均匀形核的界 面能较低。即 相变阻力减小 均匀与非均匀形核的区别: 非均匀形核可以降低形核功 固态界面:随润湿角θ的 减小(点阵匹配) ,促进 形核,形核功减小。 σ比表面能 过冷度大大降低 表面自由能大大降低了, 相变时所需的固液自由能 差减小。 非均匀形核示意图 实际生产中,非均匀形核过冷度一般不超过20℃; 在实际金属凝固条件下,几乎全部是非均匀形核; 加入“形核剂”或“细化剂”,达到细化晶粒目的。 均匀形核 非均匀形核 点阵匹配原则:晶格类型相似,原子间距相等两方面 晶界的形成 晶核长大→晶粒,最后形成晶界: 五、晶体的长大 液-固界面的结构 1 晶体长大影响 因素 界面前沿液相的温度梯度 2 动态过冷度:使晶核表面能够向液相中推进而在 晶面上所具有的过冷度。 1、液-固界面的结构 光滑界面 液固界面结构 粗糙界面 原子排列规则, 一般为密排晶面 原子处于混乱状 态排列 光滑界面 粗糙界面 ? 同族的密排面 有一定的夹角 ? 在客观上,光 滑界面由若干 小平面组成; 称为小平面界面 或结晶学界面 光滑界面 粗糙界面 ? 液固界面存在粗糙、光滑界面的原因:要求界面自由能保持 最低的缘故。这与晶体结构中原子配位数等因素有关。 2、液-固界面温度梯度 正温度梯度:随液-固界面距离增加,在液相内 温度升高,这种温度分布称为正的 温度梯度。 液固界面前沿 过冷度减小 热量和结晶潜 热,只能通过 固相散逸 正温度梯度 界面向液相推进速率:在正的温度梯度下,受到固 相传热能力控制; 平面状生长形态:光滑 界面、粗糙界面结构的 金属,其界面生长方式 都以平面的方式,向液 相推进。 点击播放 ——这种生长方式,称为平面状生长形态 负温度梯度:随液-固界面距离增加,在液相内 温度降低,这种温度分布,称为负 的温度梯度。 热量和结晶潜热, 可以通过固相和 液相两个方向逸散 液固界面 前沿过冷 度增大 负温度梯度 实际金属的结晶主要以树枝状长大: 这是由于存在负温度梯度,且晶核棱角处的散 热条件好,生长快,先形成一次轴,一次轴又 会产生二次轴…,树枝间最后被填充。 点击播放 在负的温度梯度下,会形成一次 晶轴、二次晶轴、三次晶轴等。 以这种方式生长的界面,称为树 枝状生长形态(枝晶); 在负的温度梯度下,金属液固界面附近,越深入液 相中,过冷度越大,生长越快; 枝晶的形成过程: 结晶过程中,各枝晶不断 伸长变粗,存在于枝晶间 的剩余液体,不断被消 耗,液体耗尽时,枝晶粗 化至相互接触,形成树枝 状晶粒。 对于具有粗糙界面结构 的金属,在负温度梯度 下,生成的枝晶突出; 对于光滑界面,枝晶不 发达。 树枝状结晶 金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶 冰 的 树 枝 晶 第二节 晶粒大小的控制 一、晶粒度 晶粒度:表示晶粒大小的尺度 表示方法:晶粒度可用晶粒的 平均面积或平均直 径来表示。 工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。 标准晶粒度共分八级:一级最粗,八级最细; 通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级: 晶粒度级别 晶粒度级别越高,晶粒越细。工业中常用的细晶粒是7-8 级,晶粒尺寸为0.022mm 二、决定晶粒度的因素 晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。 形核率(N):单位时间、单位体积内形成的晶核数目 长大速率(G):单位时间内晶核生长的长度 可见:促进形核、抑制晶粒长大的因素,都能细化 晶粒 过冷度对形核率和核长大的影响: 过冷度对N、G的影响 过冷度增大,使形核率N 增 大但过大,反而使 N 下降 N/G最大 下降 过冷度对核长大( G) 的 影响 N/G比值越大 晶粒越细小 过冷度对形核率、核长大的影响 临界过冷度 过冷度 有效过冷度 动态过冷度 临界过冷度:最大晶胚半径=临界晶核半径时过冷度 有效过冷度:金属液体大量形核所需的过冷度, ΔTp=0.2Tm 动态过冷度:使晶核界面能够向液相中推进而在界面上 所具有的过冷度。数值远小于有效过冷 度,接近实际结晶温度 三、控制晶粒度的方法 1、控制过冷度: 快速冷却,使过冷度增加, 形核率、核长大都增大, N/G 值增加,晶粒变细。 如果冷却速度足够快(107℃/s),金属来不及结晶, 将形成非晶态材料(金属玻璃),有高强度和韧性、 软磁性、良好耐蚀性能等。 2、变质处理:又称孕育处理 向液态金属内加入非均匀形核物质,促进形核 率,或者分布于液-固界面,阻碍晶粒长大, 从而细化晶粒的方法。称为变质处理。 ——加入的非均匀形核物质叫变质剂(或称孕育剂) (符合点阵匹配原则) 低合金铸钢:钛铁粉、金属化合物; 奥氏体钢:氮化铬、金属粉; 根据点阵匹配原则:液态金属本身是理想的变质剂或孕育剂 3、振动、搅拌等:对正在结晶的金属进行振动或 搅动,一方面可靠外部输入的能量来促进形核,另一 方面也可使成长中的枝晶破碎, 使晶核数目显著增加。 方法:机械振动、电磁振动、超声振动 电磁搅拌细化晶粒示意图 超声振动细化晶粒示意图 四、晶粒大小对金属性能的影响 常温下:晶粒越细,晶界面积越大,金属的强度、硬度 越高,同时塑性、韧性也越好,即细晶强化。 高温下:晶界呈粘滞状态,在 外力作用下,易产生滑动 因而细晶粒无益;晶粒太 粗容易产生应力集中。因 此高温下,晶粒过大、过 小都不好。 晶粒大小与金属强度的关系 第三节 同素异构转变 同素异构转变:固态下,物质晶体结构随温度变 化而发生转变的现象。 一、铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次晶体 结构变化,其变化为: ? ?-Fe ? ?-Fe ? ?-Fe 纯铁的同素异构转变 1394℃ 912℃ 液态铁 ?-Fe、 ?-Fe为体心立方 结构(bcc), ?-Fe为面心立方结构 (fcc)。 bcc、fcc都是铁的同素异 构体,但点阵常数不同 ?-Fe、 ?-Fe微观组织结构观察: ?-Fe ?-Fe 二、固态转变的特点 固态下的相变也是一个形核和长大的过程,但有着与 结晶不同之处。其特点为: 1、形核一般在某些特定部位发生(如晶界、晶内缺 陷、特定晶面等); 2、由于固态下扩散困难,因而过冷倾向大; 3、固态转变伴随着体积变化,易造成很大内应力。 第四节 铸锭(件)组织与缺陷 在实际生产中,液态 金属被浇注到锭模中 得到铸锭,而注入到 铸模中成型则得到铸 件。铸锭(件) 铸锭(件)的组织及其 存在的缺陷对其加工 和使用性能有着直接 的影响 一、铸锭(件)的组织 铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成: 1、表层细晶区:浇注时,由于冷模壁产生很大的 过冷度(激冷)及非均匀形核作用,使表面形成 一层很细的等轴晶粒区(几mm厚)。 2、 柱状晶区:由于模壁温度升高,结晶放出潜 热,使细晶区前沿液体的过冷度减小,形核困难。 加上模壁的定向散热,使已有的晶体沿着与散热相 反的方向生长而形成柱状晶区。 3、中心粗等轴晶区:由于结晶潜热的不断放出, 散热速度不断减慢,导致柱状晶生长停止。当心部 液体全部冷至实际结晶温度T1以下时,在杂质作用 下,以非均匀形核方式形成中心等轴晶粒。 二、铸造缺陷 铸造缺陷的类型较多,常见的有缩孔、气孔、疏 松、偏析、夹渣、白点等,对性能是有害的。 1、缩孔:缩孔是由于液态金属结晶时体积收 缩且补缩不足造成的。 可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行 控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。 2、偏析:合金中各部分化学成分不均匀的现象 称为偏析。 宏观偏析:铸锭(件)在结晶时,由于各部位结 晶先后顺序不同,合金中的低熔点元素偏聚于最 终结晶区,造成宏观上成分不均匀,称宏观偏析 适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析 3、气孔:气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生 成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭 (件)中的气泡 铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合,张开的气 孔需要切除; 铸件中出现气孔则 只能报废。 铸件中的气孔 第五节 结晶理论应用 定向凝固技术 合金设计铸型和控制冷 却条件,使铸件单方向 由一端开始凝固,向另 一端顺序结晶的技术, 称定向凝固技术。 (各向异性) 要求:正的温度梯度 涡轮叶片:定向凝固,高速离心力,叶片轴向性能高 单晶的制备 控制结晶条件,只 形成一个晶核,最 终凝固得到的,只 有一个大晶粒构成 的整块金属(单晶 体)。 视频:单晶的制取 航空发动机:开始应用金属单晶叶片 非晶态金属 如果冷却速度足 够快(107℃/s), 金属来不及结 晶,将形成非晶 态材料(金属玻 璃),有独特的 性能。 视频:工业结晶技术

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