三純金屬的結(jié)晶課件

什么是結(jié)晶?金屬凝固即結(jié)晶液態(tài)金屬中，金屬原子作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。但在小范圍內(nèi)，原子會(huì)出現(xiàn)規(guī)則排列。這些小范圍內(nèi)的規(guī)則排列稱短程有序。這種短程有序的原子集團(tuán)是不穩(wěn)定的，瞬時(shí)出現(xiàn)瞬時(shí)消失。固態(tài)金屬屬于晶體材料，金屬原子是規(guī)則排列,也叫長(zhǎng)程有序。凝固(結(jié)晶)即原子排列從短程有序到長(zhǎng)程有序的過(guò)程液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)→什么是結(jié)晶?1金屬?gòu)囊环N原子排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的過(guò)程均屬于結(jié)晶過(guò)程。一次結(jié)晶:金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過(guò)程稱為一次結(jié)晶.二次結(jié)晶:金屬?gòu)囊环N固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過(guò)程稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。一.結(jié)晶定義金屬?gòu)囊环N原子排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子規(guī)則排列狀2二.純金屬結(jié)晶的條件液態(tài)金屬結(jié)晶實(shí)際溫度低于熔點(diǎn)(理論結(jié)晶溫度),這種現(xiàn)象稱為過(guò)冷現(xiàn)象。過(guò)冷度：熔點(diǎn)T0與開(kāi)始結(jié)晶溫度Tn之差叫做過(guò)冷度（ΔT），ΔT=T0-Tn

液態(tài)金屬要結(jié)晶，溫度必須低于T0，要有一定的過(guò)冷度。過(guò)冷度的大小取決于冷卻速度。結(jié)晶時(shí)放出熱量（結(jié)晶潛熱），所以在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)。二.純金屬結(jié)晶的條件液態(tài)金屬結(jié)晶實(shí)際溫度低于3三.金屬結(jié)晶微觀過(guò)程

金屬的結(jié)晶包括兩個(gè)基本過(guò)程：形核與長(zhǎng)大。

三.金屬結(jié)晶微觀過(guò)程金屬的結(jié)晶包括兩個(gè)基本過(guò)程：形41.形核液態(tài)金屬內(nèi)部生成一些極小的晶體作為結(jié)晶的核心,生成的核心叫做晶核。

(1)自發(fā)形核(均勻形核)

在液態(tài)金屬中,存在大量尺寸不同的短程有序的原子集團(tuán),當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度以下時(shí),短程有序的原子集團(tuán)變得穩(wěn)定,不再消失,成為結(jié)晶核心,這個(gè)過(guò)程叫自發(fā)形核.這種在液態(tài)金屬內(nèi)部由金屬原子自發(fā)形成的晶核叫自發(fā)晶核.

達(dá)到一定的過(guò)冷度,短程有序的原子集團(tuán)才能吸收原子達(dá)到臨界晶核尺寸成為晶核.自發(fā)生核需要很大的過(guò)冷度,如純鋁結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度為130℃,純鐵的過(guò)冷度為295℃1.形核液態(tài)金屬內(nèi)部生成一些極小的晶體作為結(jié)晶的核5

(2)非自發(fā)形核(非均勻形核)

實(shí)際金屬內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì),當(dāng)液態(tài)金屬降到一定溫度后,有些雜質(zhì)可附著金屬原子,成為結(jié)晶核心,這個(gè)過(guò)程叫非自發(fā)形核,這種依附于雜質(zhì)而形成的晶核叫做非自發(fā)晶核。

能起非自發(fā)形核作用的雜質(zhì)必須符合“結(jié)構(gòu)相似、尺寸相當(dāng)”的原則，或雜質(zhì)表面微細(xì)凹孔或裂紋中有殘留未熔金屬。

非自發(fā)形核的過(guò)冷度較小,一般不超過(guò)20℃。自發(fā)生核和非自發(fā)生核同時(shí)存在,但非自發(fā)生核更重要,往往起優(yōu)先的、主導(dǎo)的作用.

(2)非自發(fā)形核(非均勻形核)62.晶體的長(zhǎng)大

(1)平面長(zhǎng)大

當(dāng)冷卻速度較慢時(shí),金屬晶體以其表面向前平行推移的方式長(zhǎng)大.晶體長(zhǎng)大時(shí),不同晶面的垂直方向上的長(zhǎng)大速度不同.沿密排面的垂直方向上的長(zhǎng)大速度最慢,而非密排面的

垂直方向上的長(zhǎng)大速度

較快.平面長(zhǎng)大的結(jié)果,晶

體獲得表面為密排面的

規(guī)則形狀。2.晶體的長(zhǎng)大

(1)平面長(zhǎng)大

當(dāng)冷卻速度較慢時(shí)7(2)樹(shù)枝狀長(zhǎng)大

當(dāng)冷卻速度較快時(shí),晶體的棱角和棱邊的散熱條件比面上的優(yōu)越,因而長(zhǎng)大較快,成為伸入到液體中的晶枝.優(yōu)先形成的晶枝稱一次晶軸,在一次晶軸增長(zhǎng)和變粗的同時(shí)在其側(cè)面生出新的晶枝,即二次晶軸,其后又生成三次晶軸,四次晶軸.結(jié)晶后得到具有樹(shù)枝狀的晶體。

實(shí)際金屬結(jié)晶時(shí),晶

體多以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大方

式長(zhǎng)大。(2)樹(shù)枝狀長(zhǎng)大

當(dāng)冷卻速度較快時(shí),晶體的棱角和棱邊的散熱8四.結(jié)晶過(guò)程中晶粒度的控制

(一).細(xì)晶強(qiáng)化

晶粒的大小稱為晶粒度,金屬的晶粒越細(xì)小,強(qiáng)度硬度越高，韌性塑性越好，稱為細(xì)晶強(qiáng)化。

晶粒大小對(duì)純鐵力學(xué)性能的影響Nnn=2N+3四.結(jié)晶過(guò)程中晶粒度的控制

(一).細(xì)晶強(qiáng)化9增大金屬的過(guò)冷度

增大過(guò)冷度的主要辦法是提高液態(tài)金屬的冷卻速度,采用冷卻能力較強(qiáng)的模子。例如采用金屬型鑄模,比采用砂型鑄模獲得的鑄件晶粒要細(xì)小。(二).控制措施成核速率N(單位時(shí)間單位體積形成的晶核數(shù),個(gè)/m3·s)

晶體長(zhǎng)大速度G(單位時(shí)間晶體長(zhǎng)大的長(zhǎng)度,m/s)。增大金屬的過(guò)冷度

增大過(guò)冷度的主要辦法是提高液態(tài)金屬的102.變質(zhì)處理

變質(zhì)處理就是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。變質(zhì)劑的作用在于增加晶核的數(shù)量或者阻礙晶核的長(zhǎng)大(鋁硅合金加入鈉鹽,

鈉富集在硅表面,降低硅的長(zhǎng)大速度,阻礙粗大的硅晶體的形成)。2.變質(zhì)處理變質(zhì)處理就是在液體金屬中加入孕育劑11

變質(zhì)劑應(yīng)用舉例

1.鋁合金:鈦、鋯4.鎂合金:鋯或鋯的鹽類

2.鋼:鈦、釩、鋁5.銅合金:鐵、鎂

3.鑄鐵:硅鐵,硅鈣,硅鈣鋇合金變質(zhì)劑應(yīng)用舉例1.鋁合金:鈦、鋯412

3.振動(dòng)

在金屬結(jié)晶的過(guò)程中采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)等方法，可以破碎正在生長(zhǎng)中的樹(shù)枝狀晶體，形成更多的結(jié)晶核心，獲得細(xì)小的晶粒。

4.電磁攪拌

將正在結(jié)晶的金屬置于一個(gè)交變電磁場(chǎng)中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會(huì)翻滾起來(lái)，沖斷正在結(jié)晶的樹(shù)枝狀晶體的晶枝，增加結(jié)晶核心，從而可細(xì)化晶粒。

3.振動(dòng)

在金屬結(jié)晶的過(guò)程中采用機(jī)械振動(dòng)、超聲13五.金屬鑄錠的組織與控制

（一）.鑄錠分為三個(gè)各具特征的晶區(qū)

五.金屬鑄錠的組織與控制

（一）.鑄錠分為三個(gè)各具特征的晶區(qū)141.

表層細(xì)晶區(qū)液體金屬注入錠模時(shí)，由于錠模溫度不高，傳熱快，外層金屬受到激冷，過(guò)冷度大，生成大量的晶核。同時(shí)模壁也能起非自發(fā)晶核的作用。結(jié)果，在金屬的表層形成一層厚度不大(所以實(shí)際意義不大)、晶粒很細(xì)的細(xì)晶區(qū)1.

表層細(xì)晶區(qū)液體金屬注入錠模時(shí)，由于錠模溫度152.柱狀晶區(qū)

細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，錠模溫度升高，液體金屬的冷卻速度降低，過(guò)冷度減小，生核速率降低，但此時(shí)長(zhǎng)大速度受到的影響較小。結(jié)晶時(shí)，優(yōu)先長(zhǎng)大方向（即一次晶軸方向）與散熱最快方向（一般為往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液體內(nèi)部平行長(zhǎng)大，結(jié)果形成柱狀晶區(qū)。2.柱狀晶區(qū)

細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，錠模溫度升高，液體金16

柱狀晶是由外往里順序結(jié)晶的，晶粒彼此間界面平直，氣泡縮孔很少，晶質(zhì)較致密。柱狀晶的性能具有明顯的方向性，沿柱狀晶晶軸方向的強(qiáng)度較高。對(duì)于那些主要受單向載荷的機(jī)器零件（如汽輪機(jī)葉片）柱狀晶結(jié)構(gòu)是非常理想的。

柱狀晶的對(duì)生面由于常有非金屬夾雜或低熔點(diǎn)雜質(zhì)而為弱面，在熱軋、鍛造時(shí)容易開(kāi)裂，所以對(duì)于熔點(diǎn)高和雜質(zhì)多的金屬，如鐵、鎳及其合金，不希望生成柱狀晶；對(duì)于熔點(diǎn)低，不含易熔雜質(zhì)，塑性較好的金屬，即使全部為柱狀晶，也能順利地進(jìn)行熱軋、熱鍛，所以鋁、銅等有色金屬及合金，希望鑄錠得到柱狀晶結(jié)構(gòu)。三純金屬的結(jié)晶課件173.中心等軸晶區(qū)

隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，液體金屬的冷卻速度很快降低，過(guò)冷度大大減小，溫度差不斷降低，趨于均勻化；散熱逐漸失去方向性，所以在某個(gè)時(shí)候，剩余液體中被推來(lái)和漂浮來(lái)的、以及從柱狀晶上被沖下的二次晶枝的碎塊，可能成為晶核，向各個(gè)方向均勻長(zhǎng)大，最后形成一個(gè)粗大的等軸晶區(qū)。等軸晶沒(méi)有弱面；其晶枝彼此嵌入，結(jié)合較牢，裂紋不易擴(kuò)展；性能均勻，無(wú)方向性，是一般情況下的金屬特別是鋼鐵鑄件所要求的結(jié)構(gòu)。3.中心等軸晶區(qū)

隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，液體金18(二).有利于柱晶生成的因素1采用導(dǎo)熱性好、熱容量大的鑄模材料，增大鑄模的厚度及降低鑄模溫度2提高澆鑄溫度和澆注速度有利于在鑄錠或鑄件的截面上保持大的溫度梯度3提高液體金屬的加熱溫度熔化溫度高,非金屬夾雜物溶解多,柱晶前方液體形核少.4結(jié)晶時(shí)單向散熱可采用定向結(jié)晶的方法(二).有利于柱晶生成的因素1采用導(dǎo)熱性好、熱容量大的鑄模材19(三).獲得細(xì)小等軸晶的措施1.降低澆鑄溫度和澆鑄速度。2.減少液體金屬的過(guò)熱度。3.對(duì)于小型鑄件,提高過(guò)冷度以提高形核率.4.對(duì)于大型鑄件,進(jìn)行變質(zhì)處理.5.用機(jī)械振動(dòng)、電磁攪拌等方法，可破壞柱狀晶的形成，有利于等軸晶的形成。(三).獲得細(xì)小等軸晶的措施1.降低澆鑄溫度和澆鑄速度。20作業(yè)一.術(shù)語(yǔ)解釋11：過(guò)冷度、自發(fā)生核、非自發(fā)生核、樹(shù)枝狀長(zhǎng)大、平面長(zhǎng)大、結(jié)晶、一次結(jié)晶、二次結(jié)晶、變質(zhì)處理、柱狀晶、等軸晶二.填空是非判斷選擇題：P9-2(1)(2)(4)(5).P10-3(1)(2)(3)(4)(5).P11-4(1)(2)三.綜合分析題6：13.P13-5(1)注：題目中去除“和動(dòng)力”三個(gè)字。14.P13