第二章-純金屬的結(jié)晶

第二章純金屬的結(jié)晶主要內(nèi)容：

金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件金屬結(jié)晶的一般過程晶核形成與長大晶粒大小的控制鑄錠的組織與控制一、凝固與結(jié)晶的概念凝固—物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。第一節(jié)純金屬的結(jié)晶結(jié)晶是凝固過程的一種特殊形式。特點：恒溫點完成。結(jié)晶—晶體物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。二、結(jié)晶的現(xiàn)象和規(guī)律(1)、過冷現(xiàn)象與過冷度過冷現(xiàn)象：純金屬的實際開始結(jié)晶溫,Tn

總是低于理論結(jié)晶溫度Tm,

這種現(xiàn)象稱為過冷。過冷度：△T=Tm—Tn結(jié)晶平臺(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)時間溫度理論冷卻曲線實際冷卻曲線TmTn過冷度↑，實際開始結(jié)晶溫度↓。冷卻速度↑，過冷度↑。金屬冷卻曲線為什么需要過冷條件？——滿足熱力學(xué)條件自由能：G=H-TS或

dG=VdP-SdT(2)、純金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件熱力學(xué)第二定律：自由能G較高狀態(tài)自由能G較低態(tài)自發(fā)結(jié)晶條件下：<0ΔTG固G液自由能

G溫度TΔG

Tm

過冷是結(jié)晶的必要條件。結(jié)晶驅(qū)動力：△G=G固-G液≤0。只有當(dāng)Tn<Tm，G固<G液，結(jié)晶才能自發(fā)進(jìn)行。V冷卻↑，△T↑，△G↑，結(jié)晶驅(qū)動力↑(3)、金屬結(jié)晶的一般過程結(jié)晶后的固態(tài)金屬一般由大小不一、取向各異、外形不規(guī)則的等軸晶粒組成的多晶體。結(jié)晶過程：形核和核長大的過程，是交錯重疊進(jìn)行。若結(jié)晶只形成一個晶核并長大，則得到單晶體。三、晶核形核方式1、兩種形核方式均勻形核——

晶核在均勻液相中由液相的原子集團(tuán)直接形成，不受雜質(zhì)粒子或外表面影響。非均勻形核——

晶核依附于固態(tài)雜質(zhì)或模壁上直接形成。2、均勻形核近程有序：液態(tài)金屬在微小范圍內(nèi)緊密接觸排列規(guī)則的原子集團(tuán)。結(jié)構(gòu)起伏：近程有序原子集團(tuán)在液相中不斷變化。晶胚：溫度降至熔點以下，過冷液相中某些近程有序原子集團(tuán)可能成為均勻形核的晶胚。

在一定△T下的晶胚，當(dāng)晶胚尺寸>此△T下臨界尺寸時→穩(wěn)定晶胚。

形核率：單位時間單位體積液相中形成的晶核數(shù)目，用N表示。形核率與實際過冷度關(guān)系：以下兩個因素：△T△G2)、原子的遷移能力或擴(kuò)散系數(shù)D。1)、固相與液相的自由能差△G,即形核驅(qū)動力；

△TTD中等過冷條件下N達(dá)到最大值。有效過冷度：形核率驟然增加時的過冷度稱為有效過冷度△Tp?！鱐p=0.2Tm。金屬形核率與過冷度關(guān)系3、非均勻形核1)、特點：所需過冷度很小晶核依附在固體雜質(zhì)或模壁上形成，降低界面能，降低形核阻力。2)、條件：作為結(jié)晶核心的固相粒子與晶核之間要符合點陣匹配原則——“結(jié)構(gòu)相似、尺寸相當(dāng)”。相似、相當(dāng)程度越大，形核作用越明顯，所需過冷度越小。四、晶體長大1、長大的驅(qū)動力和條件①.晶體長大時——體積△G降低>表面△G增加；一般，△T，長大速度越快。②.液相溫度相對足夠高，以使原子有足夠的擴(kuò)散能力。中等過冷度下長大速度最大。符合山形曲線長大條件：在過冷液相中進(jìn)行2、長大方式影響因素：固—液界面前沿液相的溫度梯度a.正溫度梯度：液相中的溫度隨至界面距離的增大而增大，過冷度降低。b.負(fù)溫度梯度：液相中的溫度隨至界面距離的增大而降低，過冷度增大。平面狀長大：在正溫度梯度下，晶體始終保持液、固平直表面長大——規(guī)則外形離界面距離↑，△T↓——突出部分長大速度↓甚至熔化，使周圍部分趕上。b.遵循表面能最小法則密排晶面，比表面能↓——晶體成長成以密排面為外表面的規(guī)則形狀。平面狀長大樹枝狀長大樹枝狀長大：在負(fù)溫度梯度下，局部突出的晶芽在較大過冷度下，比周圍晶體更快長大和分枝——樹枝狀晶體。離界面距離↑，△T↑——晶體易于突出長大，不斷分叉(一次軸、二次軸、三次軸)成樹枝狀。一般金屬結(jié)晶時，均以樹枝狀長大。冷卻速度↑，△T↑,樹枝狀長大趨勢↑，分枝↑。

樹枝狀長大示意圖金屬的樹枝晶冰的樹枝晶五、晶粒大小的控制1、晶粒度

晶粒度：

晶粒大小，分8級。形核率和長大速度與過冷度關(guān)系影響因素：形核率N和長大速度G的比值，N/G↑,晶粒越細(xì)小。2、細(xì)化晶粒的措施a、控制過冷度——提高冷卻速度促進(jìn)動核產(chǎn)生—機(jī)械振動、超聲波處理、電磁攪拌等。N↑,G↓，則晶粒細(xì)化。

V冷卻↑，△T↑,N↑↑,G↑,N/G↑,晶粒細(xì)小。b、變質(zhì)處理(孕育處理)

形核劑→非均勻形核，細(xì)化晶粒。c、振動、攪拌第二節(jié)鑄錠組織與缺陷一、鑄錠的典型組織1、表層細(xì)晶區(qū)：表面激冷2、柱狀晶區(qū)：背著散熱方向平行向液相擇優(yōu)生長。3、中心等軸晶區(qū)：散熱方向不明顯，均勻冷卻。晶核激冷晶粒柱狀晶粒等軸晶粒二、鑄態(tài)組織的控制

柱狀晶區(qū)組織致密，晶面較平直，彼此結(jié)合不強(qiáng)，互相垂直的兩組柱狀晶的交界面為“弱面”，軋制時易沿著弱面開裂；塑性較好的金屬及合金如銅、鋁可加大柱狀晶區(qū)；塑性較差的金屬及合金如鋼鐵、鎳和金要避免形成柱狀晶；等軸晶沒有明顯的弱面，加工時不易開裂，一般要求獲得等軸晶組織。二、鑄錠缺陷1.

縮孔：金屬液凝固收縮后得不到補(bǔ)充?？状蠖小锌s孔孔細(xì)小且分散——分散縮孔(疏松)3Cr3Mo3VNb鍛棒的殘余縮孔TC4鈦合金鍛棒中的殘余縮孔WNr2713軋棒中的殘余縮孔2.

氣孔：凝固過程中氣體析出產(chǎn)生。5CrNiMo模具鍛坯氣