第一章 §3金屬的結(jié)晶與鑄錠

§3金屬的結(jié)晶與鑄錠本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)：?

形核條件?

結(jié)晶過程及結(jié)晶的微觀機(jī)理?影響鑄造中晶粒大小的因素及控制

?

結(jié)晶后的組織特征液體-->

固體（晶體或非晶體）--

凝固液體-->

晶體--結(jié)晶

晶體液體結(jié)晶金屬結(jié)晶現(xiàn)象1熱力學(xué)條件熱力學(xué)——系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的方向和限度——轉(zhuǎn)變的可能性熱力學(xué)第二定律：在等溫等壓條件下，物質(zhì)系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

ΔG=G(轉(zhuǎn)變后)

－G(轉(zhuǎn)變前)

<0

只有存在ΔT

時(shí)，才能保證ΔG<0，

使L→S——存在過冷度ΔT的原因。2.金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象

1.過冷現(xiàn)象

2.結(jié)晶潛熱(Lm)ΔGv=LmΔT/Tm二

結(jié)晶的過程結(jié)晶的過程：形核與長大

1形核：形核方式有兩種：均勻形核，即新相晶核在母相內(nèi)自發(fā)地形成；非均勻形核，即新相晶核在母相與外來夾雜的相界面處優(yōu)先形成。工程實(shí)際中材料的凝固主要以非均勻形核方式進(jìn)行，但均勻形核的基本規(guī)律十分重要，它不僅是研究晶體材料凝固問題的理論基礎(chǔ)，而且也是研究固態(tài)相變的基礎(chǔ)。（1）、均勻形核

均勻形核（均質(zhì)形核）是指在均勻單一的母相中形成新相結(jié)晶核心的過程。均勻形核的能量和結(jié)構(gòu)條件

在過冷的液態(tài)金屬中，晶胚形成的同時(shí)，體系自由能的變化包括轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的那部分體積引起的自由能下降和形成晶胚新表面引起的自由能的增加。假設(shè)單位體積自由能的下降為ΔGv(ΔGv<0)，比表面能為σ，晶胚假設(shè)為球體，其半徑為r,則晶胚形成時(shí)體系自由能的變化為:ΔG=4πr3ΔGv/3+4πr2σ

當(dāng)r<rc

時(shí)，晶胚的長大使系統(tǒng)自由能增加，晶胚不能長大。當(dāng)r>rc

時(shí)，晶胚的長大使系統(tǒng)自由能降低，這樣的晶胚稱為臨界晶核，rc為臨界晶核半徑。

可見，過冷度ΔT越大，rc

越小，即形核的機(jī)率增加。形成臨界晶核需要的能量稱為臨界晶核形核功ΔGc,即上式表明，形成臨界晶核時(shí)液、固相之間的自由能差只能供給所需要的表面能的三分之二，另外的三分之一則需由液體中的能量起伏來提供。金屬形核三個(gè)條件：

(1).過冷度（ΔT

）(2).結(jié)構(gòu)起伏(3).能量起伏

瞬時(shí)1瞬時(shí)2經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在略高于熔點(diǎn)時(shí)，液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：是近程有序遠(yuǎn)程無序結(jié)構(gòu)，見右圖；存在著能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏。局部的近程有序（2）、非均勻形核假定固相晶胚α以球冠狀形成于基底B的平面上，如圖5-9所示,設(shè)固相晶核表面的曲率半徑為r，晶核與基體面的接觸角為θ，球冠底圓半徑為R..在（0，π）之間（2-3cosθ+cos3θ）恒小于1即非均勻形核功很小，在很小的ΔT下即可形核。而且，θ角越小，潤濕越好，則越易生核?？傊?，非均勻形核比均勻生核容易。(3)形核率（N=cm-3s–1）：單位時(shí)間單位體積液相中所形成的晶核數(shù)目。意義:N越大，結(jié)晶后獲得的晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度高，韌性也好?？刂埔蛩?N=N1?N2N1─受形核功影響的因子；（ΔT↑N1↑）

N2─受擴(kuò)散控制的因子。（ΔT↑N2↓）實(shí)際生產(chǎn)中過冷度均勻形核(自發(fā)形核)：核來源于結(jié)構(gòu)起伏過冷度：ΔT=0.2Tm

非均勻形核（非自發(fā)形核）：核來源于金屬溶液中的第二相雜質(zhì)粒子。形核功下降故其過冷度：ΔT=0.02Tm

2晶核的長大

——“枝晶生長”方式——常見三、晶粒大小及控制（1）晶粒大小對(duì)材料性能的影響常溫下，金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度越高，塑性和韌性也越好。（2）鑄造中控制晶粒大小每個(gè)晶核長成一個(gè)晶粒，形核率越大，長大速度越小，則單位體積中的晶粒數(shù)目越多，晶粒越細(xì)小。凡促進(jìn)形核，抑制長大的因素，都能細(xì)化晶粒。在工業(yè)上常用的方法有：增加過冷度ΔT

變質(zhì)處理振動(dòng)、攪動(dòng)：機(jī)械方法、電磁波攪拌、趨聲波攪拌等。四

金屬鑄錠的組織與缺陷

1、鑄錠三晶區(qū)（一）表層細(xì)晶區(qū)形成原因：（1）過冷度ΔT大。（2）模壁作為非均勻形核的位置。（二）柱狀晶區(qū)形成原因：

(1)細(xì)晶區(qū)形成后，模壁溫度升高，結(jié)晶前沿過冷度ΔT逐漸減小，不易形成新的晶核，而已形成的細(xì)晶區(qū)中某些晶?？梢蚤L大。

(2)垂直于模壁方向散熱最快，晶體沿相反方向擇優(yōu)生長成柱狀晶。（三）中心等軸粗晶區(qū)形成原因：

（1）液體溫度全部降到結(jié)晶溫度以下，可同時(shí)形核。

（2）雜質(zhì)集中與此，降低了液體的熔點(diǎn)，滿足了結(jié)晶對(duì)過冷度的要求。（3）散熱失去了方向性，各方向長大速度相差不大。

——長成等軸晶。由于過冷度ΔT不大，晶粒較粗大。等軸晶柱狀晶優(yōu)點(diǎn)：無方向性，無明顯弱面，熱加工性能好。缺點(diǎn)：顯微縮孔多，致密性差。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)致密缺點(diǎn)：1、由于結(jié)晶位向一致，性能有方向性，熱加工性能差。

2、兩個(gè)不同方向柱狀晶的結(jié)合處，雜質(zhì)多，強(qiáng)度低，稱為弱面，熱軋時(shí)易破斷。等軸晶和柱狀晶體性能比較2鑄錠組織的控制一般有三個(gè)晶區(qū)，凝固條件復(fù)雜，在某些情況下只有柱狀晶區(qū)，而有的只有等軸晶區(qū)。（一）影響柱狀晶生長的因素：（1）鑄錠模的冷卻能力柱狀晶的長大速度與己凝固固相的溫度梯度和液相的溫度梯度有關(guān)，固相的溫度梯度越大，或液相的溫度梯度越小，則柱狀晶的長大速度便越大。鑄錠模及剛結(jié)晶的固體的導(dǎo)熱能力越大，越有利于柱狀晶的生長。對(duì)尺寸較大的鑄件，若增加金屬鑄模的厚度，提高鑄模的冷卻能力，都會(huì)增加柱狀晶。但對(duì)尺寸較小的鑄件，若鑄模冷卻能力很大，反而促進(jìn)等軸晶的發(fā)展（增加形核率），如在小連鑄小截面鋼坯時(shí)，采用水冷結(jié)晶器，就可使連鑄錠全部獲得細(xì)小的等軸晶粒。（2）澆注溫度與澆注速度提高澆注溫度和澆注速度，使溫度梯度增大，有利于柱狀晶發(fā)展。（3）熔化溫度熔化溫度越高，液態(tài)金屬過熱度越大，非金屬夾雜物溶解越多，非均勻形核數(shù)目減少，從而減少了柱狀晶前沿液體中形核的可能性，有利于柱狀晶區(qū)的發(fā)展。3鑄錠缺陷常見的缺陷有縮孔、氣孔及夾雜物等。（一）縮孔大多數(shù)金屬液態(tài)密度要小于固態(tài)，因此結(jié)晶時(shí)要發(fā)生體積收縮。縮孔分為集中縮孔和分散縮孔（縮松）兩類。

1、集中縮孔

2、分散縮孔(二)氣孔(氣泡)

鑄錠中的主要?dú)怏w是