工程材料ch2-1純金屬的結(jié)晶

1、第一章材料的結(jié)構(gòu)與性能,金屬材料 （金屬鍵） 高分子材料 （共價(jià)鍵、分子鍵） 陶瓷材料 （離子鍵、共價(jià)鍵）,晶體結(jié)構(gòu)(BCC、FCC)；缺陷(點(diǎn),線(xiàn),面)；合金；相(固溶體、金屬間化合物)；組織 工藝性能；強(qiáng)度 塑性 硬度 韌性；腐蝕,C H O大分子鏈；線(xiàn) 支化 體型；熱固性 熱塑性 線(xiàn)型非晶態(tài)玻璃 高彈 粘流態(tài)；老化,原料制備,坯料成型,燒結(jié)；晶體相,玻璃相,氣相 脆性極大,第二章 金屬材料組織和性能的控制,第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶 第二節(jié) 合金的結(jié)晶 第三節(jié) 金屬的塑性加工 第四節(jié) 鋼的熱處理 第五節(jié) 鋼的合金化 第六節(jié) 表面技術(shù),一、純金屬的結(jié)晶 二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 三、鑄錠的結(jié)構(gòu) 四、結(jié)晶

2、理論的工程應(yīng)用,第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶,第一節(jié)純金屬的結(jié)晶,結(jié)晶：金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過(guò)程 一次結(jié)晶：液態(tài)固體晶態(tài) 二次結(jié)晶（重結(jié)晶）：固體晶態(tài)另一種固體晶態(tài),冶,結(jié)晶,結(jié)晶： 液體 晶體,凝固： 液體 固體（晶體 或 非晶體）,一、純金屬的結(jié)晶,T0,Tn,理論結(jié)晶溫度,開(kāi)始結(jié)晶溫度,T,過(guò)冷度,T= T0 - Tn,1.純金屬結(jié)晶的條件（必須過(guò)冷）,液體金屬在結(jié)晶時(shí)的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)冷卻曲線(xiàn),有一定的過(guò)冷度（克服界面能）,V冷越大，過(guò)冷度越大，即實(shí)際結(jié)晶溫度越低,（3）cd回升 結(jié)晶時(shí)釋放的結(jié)晶潛熱大于向環(huán)境中散失的熱量,（4）de平臺(tái),過(guò)冷度,（1） ab液態(tài)逐漸冷卻,（2） bc過(guò)冷

3、現(xiàn)象,（5）ef固態(tài)逐漸冷卻,t孕育期,為什么有過(guò)冷度（存在過(guò)冷現(xiàn)象）？,dF=VdP-SdT,結(jié)晶等壓過(guò)程，即dP=0,自由能也就隨溫度的升高而降低,圖2-2 金屬在聚集狀態(tài)時(shí)自由能與溫度的關(guān)系的示意圖,自發(fā)過(guò)程=體系自由能降低=高能態(tài)到低能態(tài),液相自由能曲線(xiàn)斜率較固相的大 兩曲線(xiàn)交點(diǎn)， T0 ，液固兩相自由能相等 TnT0時(shí)，F(xiàn)固F液，液態(tài)金屬可以自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬 兩相的自由能之差F成為結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力,圖2-2 金屬在聚集狀態(tài)時(shí)自由能與溫度的關(guān)系的示意圖,2.金屬的結(jié)晶過(guò)程：生核和長(zhǎng)大,（1）形核,1）自發(fā)形核：,由液體金屬本身原子自發(fā)形成晶核,2）非自發(fā)形核：,依附于雜質(zhì)而生成晶核,雜

4、質(zhì)符合“結(jié)構(gòu)相似，尺寸相當(dāng)” 原則,實(shí)際金屬和合金中以非自發(fā)形核為主,液態(tài)金屬,形核,晶核長(zhǎng)大,完全結(jié)晶,（2）晶核的長(zhǎng)大：平面長(zhǎng)大和樹(shù)枝狀長(zhǎng)大,1）平面長(zhǎng)大：冷卻速度較小，表面向前平行推移長(zhǎng)大,2）樹(shù)枝狀長(zhǎng)大：冷卻速度較大，存在雜質(zhì)時(shí)，樹(shù)枝狀的 形狀長(zhǎng)大。,金屬結(jié)晶示意圖,樹(shù)枝狀結(jié)晶,一、純金屬的結(jié)晶 二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 三、鑄錠的結(jié)構(gòu) 四、結(jié)晶理論的工程應(yīng)用,第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶,二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(二次結(jié)晶、重結(jié)晶),同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象。,理解廣義結(jié)晶的含義,三個(gè)特殊溫度： 1538 C、1394C、912C,固態(tài)相變,一、純金屬的結(jié)晶

5、二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 三、鑄錠的結(jié)構(gòu) 四、結(jié)晶理論的工程應(yīng)用,第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶,三、鑄錠的結(jié)構(gòu),表層細(xì)等軸晶區(qū),中間柱狀晶區(qū),心部粗等軸晶區(qū),鑄錠晶粒形狀的影響因素,柱狀晶特點(diǎn)： 晶質(zhì)較致密； 性能有方向性，單面載荷有利； 接觸面由于常有非金屬夾雜或低熔點(diǎn)雜質(zhì)而為弱面,等軸晶沒(méi)有弱面，性能均勻，無(wú)方向性,鑄錠的缺陷,1）縮孔（集中縮孔）-最后凝固的地方 2）疏松（分散縮孔）-枝晶間和枝晶內(nèi) 3）氣孔（皮下氣孔）,一、純金屬的結(jié)晶 二、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 三、鑄錠的結(jié)構(gòu) 四、結(jié)晶理論的工程應(yīng)用,第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶,四、結(jié)晶理論的工程應(yīng)用,措施：“促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大”,晶粒度表示晶粒的大小，晶粒度號(hào)越

6、大晶粒越細(xì),晶粒細(xì)化，強(qiáng)度、塑性和韌性提高細(xì)晶強(qiáng)化,比較： 細(xì)晶強(qiáng)化 強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性 固溶強(qiáng)化 強(qiáng)度、硬度，塑性、韌性,細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施,提高液體金屬的冷卻速度 金屬模 超高速急冷技術(shù),1. 增大過(guò)冷度,成核速率N： 個(gè)/(m3s) 長(zhǎng)大速度G： m/s,溫度對(duì)擴(kuò)散的影響 過(guò)冷度對(duì)成核速率的影響更大,2.變質(zhì)處理（自發(fā)形核和非自發(fā)形核）,變質(zhì)處理：在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑， 以細(xì)化晶粒和改善組織。,作用：增加晶核的數(shù)量或者阻礙晶核的長(zhǎng)大,例： 形核劑：鋼水，Ti、V、Al；鋁液體，Ti、Zr 長(zhǎng)大抑制劑：鋁合金中加入鈉鹽,3.振動(dòng) 機(jī)械、超聲波，破碎樹(shù)枝晶，更多的結(jié)晶核心,

7、4.電磁攪拌 電磁感應(yīng)，液態(tài)金屬翻滾，沖斷晶枝,第二章 金屬材料組織和性能的控制,第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶 第二節(jié) 合金的結(jié)晶 第三節(jié) 金屬的塑性加工 第四節(jié) 鋼的熱處理 第五節(jié) 鋼的合金化 第六節(jié) 表面技術(shù),第二節(jié) 合金的結(jié)晶,純金屬：冷卻曲線(xiàn)，狀態(tài)（相）溫度、時(shí)間,合金：相圖，狀態(tài)（相）溫度、成分,圖2-11Cu-Ni合金相圖,相圖（狀態(tài)圖、平衡圖）：表示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、成分間的關(guān)系的圖解。,圖中的每一點(diǎn)表示一定成分的合金在一定溫度時(shí)的穩(wěn)定相狀態(tài),液相線(xiàn)： 結(jié)晶開(kāi)始點(diǎn)的連線(xiàn) 固相線(xiàn)： 結(jié)晶終了點(diǎn)的連線(xiàn),三個(gè)區(qū)：L、L+、 ,相圖的建立(熱分析法):,鉛-錫合金共晶相圖,鉑-銀合金包晶

8、相圖,共析相圖,A,B,T,C, + , + , + ,c,e,d,L + ,L,含有穩(wěn)定化合物的相圖,杠桿定律,1,2,a,b,a1,b1,c1,T1,T2,1. 在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)每一確定的溫度，兩相的成分是確定的。,2. 隨著溫度的降低，兩相的成分分別沿液相線(xiàn)和固相線(xiàn)變化。,杠桿定律：在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)每一確定的溫度T1，兩相質(zhì)量的比值是確定的。即 QL/Q=b1c1/a1b1,杠桿定律推論：在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)溫度T1時(shí)兩相在合金b中的相對(duì)質(zhì)量各為 QL/QH=b1c1/a1c1 Q/QH=a1b1/a1c1 =1- QL/QH,杠桿定律的適用范圍： （1）只適用于相圖中的兩相區(qū)； （2）只能在平衡