晶粒大小對(duì)于金屬機(jī)械性能的影響

1、晶粒大小對(duì)于金屬力學(xué)性能的影響晶粒大小對(duì)金屬材料性能有很大影響：晶粒之間的“邊界”叫晶界，晶粒越大-則晶界也越大，而“晶界”又類似于材料中的“裂紋”；那么晶粒越大則材料中的“裂紋”越大。其次，晶粒內(nèi)部的原子排列較為規(guī)則，容易產(chǎn)生“滑移”；而晶界上的原子排列較為凌亂，存在許多“位錯(cuò)”和“劈間”，使得原子面之間不易滑移和變形。那么晶粒細(xì)小時(shí)，其內(nèi)的滑移變形就小且能被晶界有效抑制。第三，晶粒、晶界都越細(xì)小，外來的總重荷及變形將分散到更多的晶粒上，豈不更好。所以，晶粒越細(xì)-則金屬材料的性能越好。控制晶粒大小方法很多，主要原理有兩個(gè)：1.增大金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度。2.增加結(jié)晶晶核。第一節(jié): 金屬材料液態(tài)成

2、形基礎(chǔ)   (二)金屬的結(jié)晶 1結(jié)晶的條件 純金屬液體緩慢冷卻過程的時(shí)間溫度的關(guān)系曲線，即純金屬的冷卻曲線。冷卻曲線分析冷卻曲線可知，液體純金屬冷卻到平衡結(jié)晶溫度Tm（又稱為理論結(jié)晶溫度，熱力學(xué)凝固溫度，熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)等）時(shí)，液體純金屬并不會(huì)立即自發(fā)地出現(xiàn)結(jié)晶，只有冷卻到低于Tm后，固體才開始結(jié)晶，而后長(zhǎng)大，并放出大量潛熱，使溫度回升到略低于平衡結(jié)晶溫度，而在冷卻曲線上出現(xiàn)一個(gè)溫度平臺(tái)。當(dāng)凝固完成后，由于沒有潛熱釋放，因此，溫度又繼續(xù)下降。理論結(jié)晶溫度Tm與實(shí)際結(jié)晶溫度Tn之間的溫度差稱為過冷度，寫作 T=Tm-Tn。 由圖可知，金屬結(jié)晶必須在一定的過冷度

3、下才能自發(fā)的進(jìn)行。從熱力學(xué)觀點(diǎn)來分析，任何引起系統(tǒng)自由能降低的過程都是自發(fā)的過程。在金屬結(jié)晶前后的兩個(gè)狀態(tài)下，金屬是由兩個(gè)不同的相所組成，即液相和固相。兩種不同聚集狀態(tài)自然有兩種不同的自由能。圖2-1-29所示是同一金屬材料液相和固相的自由能溫度變化曲線。圖中顯示，兩條曲線有一個(gè)交點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的溫度即為理論結(jié)晶溫度Tm。在溫度Tm時(shí)，液相和固相處于兩相平衡狀態(tài)，自由能相等，可長(zhǎng)期共存。高于溫度Tm時(shí)，液相比固相的自由能低，金屬處于液相才是穩(wěn)定的；低于溫度Tm時(shí)，金屬穩(wěn)定的狀態(tài)為固相。 因此，液態(tài)金屬如果要結(jié)晶，就必須處于Tm溫度以下。金屬在液態(tài)與固態(tài)之間存在有一個(gè)自由能差（F），這個(gè)能量差F就是

4、促使液體結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。結(jié)晶的過程 液態(tài)金屬結(jié)晶是由形核和長(zhǎng)大兩個(gè)密切聯(lián)系的基本過程來實(shí)現(xiàn)。液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，首先在液態(tài)中形成一些極微小的晶體（稱為晶核），然后再以它們?yōu)楹诵牟粩嗟亻L(zhǎng)大。在這些晶體長(zhǎng)大的同時(shí)，又出現(xiàn)新的晶核并逐漸長(zhǎng)大，直至液體金屬消失。如動(dòng)畫2-1-8所示：  （）晶核的形成  液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)晶核常以兩種方式形成：  1）自發(fā)形核自發(fā)形核指依靠液態(tài)金屬本身在一定過冷度下由其內(nèi)部自發(fā)長(zhǎng)出結(jié)晶核心。 )非自發(fā)形核非自發(fā)形核指依附與金屬液體中未溶的固態(tài)雜質(zhì)表面而形成晶核。 金屬結(jié)晶過程中晶核的形成主要是以非自發(fā)形核方式為主 3)晶核的長(zhǎng)大  晶核長(zhǎng)

5、大的實(shí)質(zhì)就是原子由液體向固體表面的轉(zhuǎn)移。 當(dāng)過冷度較大，尤其是金屬中存在雜質(zhì)時(shí)，金屬晶體常以樹枝狀的形式長(zhǎng)大。在晶核開始長(zhǎng)大的初期，因其內(nèi)部原子規(guī)則排列的特點(diǎn)，故外形也是比較規(guī)則的。但隨著晶核的繼續(xù)長(zhǎng)大，形成了晶體的頂角和棱邊，由于頂角和棱邊處散熱條件優(yōu)于其它部位并易于存在晶體缺陷等原因，晶體在頂角和棱邊處優(yōu)先長(zhǎng)大，如圖2-1-11所示。圖2-1-11 樹枝狀晶體長(zhǎng)大過程 由此可見，其生長(zhǎng)方式像樹枝一樣，先長(zhǎng)出干枝，稱為一次晶軸，然后在一次晶軸伸長(zhǎng)和變粗的同時(shí)，在其側(cè)面棱角處又長(zhǎng)出分枝，稱為二次晶軸。隨著時(shí)間的推移，二次晶軸成長(zhǎng)的同時(shí)又長(zhǎng)出三次晶軸等，如此不斷成長(zhǎng)和分枝下去，直至液體全部消失。

6、最后得到的晶體稱為樹枝狀晶體，簡(jiǎn)稱枝晶。每一枝晶將成長(zhǎng)為一個(gè)晶粒。 第一節(jié): 金屬材料液態(tài)成形基礎(chǔ)   3鑄件晶粒組織 鑄件的晶粒組織是指鑄件的晶粒形狀和大小。 一般鑄件的典型晶粒組織分為三個(gè)區(qū)域。看動(dòng)畫2-1-9鑄件組織示意圖。 (1)表層細(xì)晶粒區(qū) 當(dāng)液態(tài)金屬剛剛澆入鑄模時(shí)，由于模壁溫度很低，使與它接觸的很薄一層液態(tài)金屬發(fā)生強(qiáng)烈的過冷，形成大量的自發(fā)晶核。這些晶核迅速生長(zhǎng)到互相接觸，在鑄件表層形成等軸細(xì)晶粒區(qū)。 (2)柱狀晶粒區(qū) 細(xì)晶粒區(qū)形成的同時(shí)，模壁溫度不斷升高，使剩余液態(tài)金屬的冷卻速度逐漸降低，過冷度減小，形核率變慢，此時(shí)凡晶軸垂直于模壁的晶粒，

7、沿著枝晶軸向模壁傳熱有利，所以這些晶粒優(yōu)先得到長(zhǎng)大，從而形成柱狀晶粒。 (3)中心等軸晶粒區(qū) 隨著柱狀晶粒發(fā)展到一定程度，通過已結(jié)晶的柱狀晶層和模壁向外散熱的速度愈來愈慢，在錠模心部的剩余液態(tài)金屬內(nèi)部溫差愈來愈小，散熱方向已不明顯，因而形成較粗大的等軸晶粒區(qū)。 由上述可知，鑄錠的組織是不均勻的，從表層到心部依次由細(xì)小的等軸晶粒、柱狀晶粒和粗大的等軸晶粒所組成。4.鑄件晶粒組織的控制 晶粒組織對(duì)鑄件力學(xué)性能有很大影響 鑄錠的表層細(xì)晶粒區(qū)的組織較為致密，力學(xué)性能較好，但由于該區(qū)很薄，故對(duì)鑄錠性能影響不大。柱狀晶粒區(qū)的組織較中心等軸晶粒區(qū)致密。但柱狀晶的接觸面由于常存在有非金屬夾雜物和低熔點(diǎn)雜質(zhì)而成

8、為脆弱面，在熱壓力加工時(shí)常沿脆弱面斷裂。因此，一般不希望鋼錠柱狀晶粒區(qū)過大。但對(duì)于塑性較好的有色金屬及其合金，有時(shí)為了獲得較致密的組織，反而希望得到柱狀組織。 (1)細(xì)晶強(qiáng)化： 等軸晶的晶界長(zhǎng)，雜質(zhì)分布較分散，各方向的機(jī)械性能差異小，晶粒愈細(xì)小，鑄件不但強(qiáng)度、硬度愈高，而且塑性和韌性愈好，這種提高金屬?gòu)?qiáng)度的方法叫細(xì)晶強(qiáng)化。在所有強(qiáng)化金屬的方法中，細(xì)晶強(qiáng)化是最理想的強(qiáng)化方法。所以，通常希望鑄件為細(xì)等軸晶粒組織。 (2)細(xì)晶強(qiáng)化的方法： 1)增加液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度 根據(jù)過冷度對(duì)形核率和生長(zhǎng)速率的影響規(guī)律，增大過冷度可以使鑄件晶粒變小。在連續(xù)冷卻情況下，冷卻速度愈大，過冷度愈大，增大冷卻速度可采取降低熔液的澆注溫度，選用吸熱能力和導(dǎo)熱性較強(qiáng)的鑄型材料等措施來達(dá)到。例如，金屬型比砂型冷區(qū)速度大，故金屬型鑄件比砂型鑄件的晶粒細(xì)小。2)變質(zhì)處理 在金屬液結(jié)晶前，向金屬液中加入某些物質(zhì)（稱為變質(zhì)劑），形成大量分散的固態(tài)微粒作為非