第三章金屬的結(jié)晶

1、l物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為凝固凝固。l物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為結(jié)晶結(jié)晶。物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的過(guò)程為另一個(gè)相的過(guò)程稱(chēng)為稱(chēng)為相變相變。結(jié)晶過(guò)。結(jié)晶過(guò)程是相變過(guò)程。程是相變過(guò)程。l一、冷卻曲線(xiàn)與過(guò)冷度一、冷卻曲線(xiàn)與過(guò)冷度l1、冷卻曲線(xiàn)、冷卻曲線(xiàn)l金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)線(xiàn)稱(chēng)冷卻曲線(xiàn)。冷卻曲線(xiàn)。曲線(xiàn)上水平階段曲線(xiàn)上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱(chēng)所對(duì)應(yīng)的溫度稱(chēng)實(shí)際結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度T1。l 曲線(xiàn)上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的。曲線(xiàn)上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的

2、。 純金屬的冷卻曲線(xiàn)純金屬的冷卻曲線(xiàn)l2、過(guò)冷與過(guò)冷度過(guò)冷與過(guò)冷度l純金屬都有一個(gè)純金屬都有一個(gè)理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度T0(熔點(diǎn)熔點(diǎn)或或平衡結(jié)晶平衡結(jié)晶溫度溫度)。在該溫度下。在該溫度下, 液體和晶體處于液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)動(dòng)平衡狀態(tài)。l結(jié)晶只有在結(jié)晶只有在T0以下的實(shí)際以下的實(shí)際 結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。霧凇霧凇l液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象稱(chēng)現(xiàn)象稱(chēng)過(guò)冷過(guò)冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差度的差 T稱(chēng)稱(chēng)過(guò)冷度過(guò)冷度。 T= T0 T1l過(guò)冷度大小與冷卻速過(guò)冷度大小與冷卻速 度有關(guān)，度有關(guān)，冷速越大，

3、冷速越大， 過(guò)冷度越大過(guò)冷度越大。界面自由能界面自由能體積自由能體積自由能晶胚晶胚晶核晶核rrcG*自由能變化自由能變化Gl晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)，又有新的晶晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)，又有新的晶核產(chǎn)生。核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界觸后形成晶界。l2、晶核的形成方式晶核的形成方式l形核有兩種方式形核有兩種方式，即，即均勻形核均勻形核和和非均勻形核非均勻形核。l由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱(chēng)由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱(chēng)均勻形核均勻形核

4、。l以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱(chēng)以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱(chēng)非均勻形核非均勻形核。非均勻形核更為普遍。非均勻形核更為普遍。非均勻形核示意圖非均勻形核示意圖l3、晶核的長(zhǎng)大方式晶核的長(zhǎng)大方式l晶核的長(zhǎng)大方式有兩種晶核的長(zhǎng)大方式有兩種，即，即 均勻長(zhǎng)大均勻長(zhǎng)大和和樹(shù)枝狀長(zhǎng)大樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。l在正溫度梯度下，晶體生長(zhǎng)在正溫度梯度下，晶體生長(zhǎng) 以平面狀態(tài)向前推進(jìn)。以平面狀態(tài)向前推進(jìn)。光滑界面光滑界面粗糙界面粗糙界面正溫度梯度正溫度梯度l實(shí)際金屬的結(jié)晶主要以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。實(shí)際金屬的結(jié)晶主要以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。l這是由于存在這是由于存在負(fù)溫度梯度，負(fù)溫度梯度，且且晶核棱角處的散熱晶核棱角處的散熱條件好，生

5、長(zhǎng)快，先形成條件好，生長(zhǎng)快，先形成一次軸一次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)，一次軸又會(huì)產(chǎn)生生二次軸二次軸，樹(shù)枝間最后被填充。，樹(shù)枝間最后被填充。負(fù)溫度梯度負(fù)溫度梯度金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶l1、晶粒度、晶粒度l表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶晶 粒度粒度。晶粒度用晶粒的晶粒度用晶粒的 平均面積或平均直徑表示。平均面積或平均直徑表示。l工業(yè)生產(chǎn)上采用工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級(jí)晶粒度等級(jí)來(lái)表示晶粒大小。來(lái)表示晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)晶粒度共分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)。通過(guò)。通過(guò)100倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)

6、圖對(duì)照來(lái)評(píng)級(jí)。倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來(lái)評(píng)級(jí)。l2、決定晶粒度的因素、決定晶粒度的因素l晶粒的大小取決于晶粒的大小取決于晶核的形成速度晶核的形成速度和和長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度。l單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率形核率(N)。l單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度過(guò)冷度對(duì)過(guò)冷度對(duì)N、G的影響的影響叫叫長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越細(xì)小比值越大，晶粒越細(xì)小。凡是促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大的凡是促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大的因素，都能細(xì)化晶粒。因素，都能細(xì)化晶粒。1）、）、控制過(guò)冷度控制過(guò)冷度：隨過(guò)冷度隨過(guò)冷度增增 加，加，N/G值增加，晶粒

7、變細(xì)。值增加，晶粒變細(xì)。2）、）、變質(zhì)處理變質(zhì)處理：(孕育處理孕育處理) 有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非 均勻形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。均勻形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。 加入的非均勻形核物質(zhì)叫加入的非均勻形核物質(zhì)叫變質(zhì)劑變質(zhì)劑（或（或稱(chēng)孕育稱(chēng)孕育劑劑）。）。3）、）、振動(dòng)、攪拌等振動(dòng)、攪拌等：對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或?qū)φ诮Y(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，攪動(dòng)，一方面可靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶 破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。 電磁攪拌細(xì)化晶粒示意圖電磁攪拌細(xì)化晶粒示意圖超

8、聲振動(dòng)細(xì)化晶粒示意圖超聲振動(dòng)細(xì)化晶粒示意圖l高溫下高溫下，晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生滑動(dòng)，晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生滑動(dòng)，因而細(xì)晶粒無(wú)益。但晶粒太粗易產(chǎn)生應(yīng)力集中。高溫因而細(xì)晶粒無(wú)益。但晶粒太粗易產(chǎn)生應(yīng)力集中。高溫下晶粒過(guò)大、過(guò)小都不好。下晶粒過(guò)大、過(guò)小都不好。 晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度的關(guān)系晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度的關(guān)系常溫下常溫下，晶粒越細(xì)，晶粒越細(xì)，晶晶界面積越大，界面積越大，金屬的強(qiáng)金屬的強(qiáng)度、硬度越高，同時(shí)塑度、硬度越高，同時(shí)塑性、韌性也越好性、韌性也越好。即。即細(xì)細(xì)晶強(qiáng)化晶強(qiáng)化。細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化：一般情況下，晶粒越小，強(qiáng)度：一般情況下，晶粒越小，強(qiáng)度硬度越高，塑性和韌性越好，工

9、程上通硬度越高，塑性和韌性越好，工程上通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)提高金屬力學(xué)性能的方法過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)提高金屬力學(xué)性能的方法叫細(xì)晶強(qiáng)化。叫細(xì)晶強(qiáng)化。l在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，而注注到錠模中便得到鑄錠，而注入到鑄型模具中成型則得到鑄入到鑄型模具中成型則得到鑄件。件。鑄錠鑄錠(件件)的組織及其存在的的組織及其存在的缺陷對(duì)其加工和使用性能有著缺陷對(duì)其加工和使用性能有著直接的影響。直接的影響。 鑄錠鑄錠(件件)的宏觀(guān)組織通常由三個(gè)區(qū)組成的宏觀(guān)組織通常由三個(gè)區(qū)組成: 1、表層細(xì)晶區(qū)表層細(xì)晶區(qū)：澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)生很大的澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過(guò)冷度及非均勻形核作用

10、，使表面形成一層很細(xì)過(guò)冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。的等軸晶粒區(qū)。 2、 柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過(guò)冷度減小，形核困難。加上使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過(guò)冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。方向生長(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。 3、中心粗等軸晶區(qū)中心粗等軸晶區(qū)：結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導(dǎo)致柱狀晶生長(zhǎng)停止，當(dāng)心部液體全度不斷減慢，導(dǎo)致柱狀晶生長(zhǎng)停止，當(dāng)心部液體全部冷至實(shí)際結(jié)晶溫度部

11、冷至實(shí)際結(jié)晶溫度T1以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以非以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。l常見(jiàn)的有常見(jiàn)的有縮孔、氣孔、疏松、偏析、夾渣、白點(diǎn)縮孔、氣孔、疏松、偏析、夾渣、白點(diǎn)等，它們對(duì)性能有害。等，它們對(duì)性能有害。l1、縮孔縮孔：縮孔縮孔是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)體積收縮是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)體積收縮且補(bǔ)縮不足造成的且補(bǔ)縮不足造成的?？赏ㄟ^(guò)改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條?？赏ㄟ^(guò)改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等來(lái)進(jìn)行控制。鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋件和加冒口等來(lái)進(jìn)行控制。鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除。前應(yīng)切除。l2、偏析偏析：合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱(chēng)合金中各

12、部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱(chēng)為為偏析偏析。鑄錠。鑄錠(件件)在結(jié)晶時(shí)，由于各部位結(jié)晶先后在結(jié)晶時(shí)，由于各部位結(jié)晶先后順序不同，合金中的低熔點(diǎn)元素偏聚于最終結(jié)晶順序不同，合金中的低熔點(diǎn)元素偏聚于最終結(jié)晶區(qū)，造成區(qū)，造成宏觀(guān)上的成分不均勻，稱(chēng)宏觀(guān)上的成分不均勻，稱(chēng)宏觀(guān)偏析宏觀(guān)偏析。適。適當(dāng)控制澆注溫度和結(jié)晶速度可減輕宏觀(guān)偏析。當(dāng)控制澆注溫度和結(jié)晶速度可減輕宏觀(guān)偏析。l3、氣孔氣孔：氣孔氣孔是指液態(tài)金屬中溶解的氣體或反應(yīng)生是指液態(tài)金屬中溶解的氣體或反應(yīng)生成的氣體在結(jié)晶時(shí)未逸出而存留于鑄錠成的氣體在結(jié)晶時(shí)未逸出而存留于鑄錠(件件)中的氣泡中的氣泡。鑄錠中的封閉的氣孔可在熱加工時(shí)焊合，張開(kāi)的氣孔鑄錠中的封

13、閉的氣孔可在熱加工時(shí)焊合，張開(kāi)的氣孔需要切除。鑄件中出現(xiàn)氣孔則只能報(bào)廢。需要切除。鑄件中出現(xiàn)氣孔則只能報(bào)廢。鑄件中的氣孔鑄件中的氣孔l物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱(chēng)物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱(chēng)同素同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于 相變之一相變之一固態(tài)相變固態(tài)相變。l一、鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變一、鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變l鐵在固態(tài)冷卻過(guò)程中有兩次晶鐵在固態(tài)冷卻過(guò)程中有兩次晶 體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1394912 -Fe -Fe -Fel -Fe、 -Fe為為體心立方結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)， -Fe為為面心立面心立方結(jié)構(gòu)方結(jié)構(gòu)(FCC)。都是鐵的。都是鐵的同素異構(gòu)體同素異構(gòu)體。 -Fe -Fel二、固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)二、固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)l固態(tài)下的