合金的相結(jié)構(gòu)和二

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1、第二節(jié)純金屬的結(jié)晶凝固與結(jié)晶的概念結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律同素異晶(構(gòu))轉(zhuǎn)變金屬的鑄錠組織1一、凝固與結(jié)晶的概念1.凝固物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。2.結(jié)晶晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。2研究目的：鑄造生產(chǎn)過程直接影響機件的晶體質(zhì)量。而鑄態(tài)組織（凝固得到）也影響工件鍛造、軋制的各種性能。31、金屬的結(jié)晶（1）結(jié)晶：結(jié)晶是指從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程?；驈脑拥慕逃行蚺帕羞^渡到遠程有序排列。從廣義上講，金屬從一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過渡到另一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變均屬結(jié)晶。4故金屬從液態(tài)過渡為固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮谓Y(jié)晶；而金屬從一種固態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的

2、轉(zhuǎn)變?yōu)槎谓Y(jié)晶。（2）理論結(jié)晶溫度：原子由近程有序到遠程有序排列共存的固定溫度（Tm）。純金屬都有一定的熔點，在熔點溫度時液體和固體共存。因此，金屬熔點又稱平衡結(jié)晶溫度或理論結(jié)晶溫度。5To二、結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律一）.結(jié)晶的一般過程1）純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線時間溫度理論冷卻曲線實際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺(是由結(jié)晶潛熱導致)6將待測的純金屬在坩堝內(nèi)加熱熔化，用熱電偶測溫，然后停止加熱緩慢冷卻。每隔一段時間記錄一次溫度。用所得數(shù)據(jù)繪制液態(tài)金屬在冷卻時的溫度和時間的關(guān)系曲線，稱此曲線為冷卻曲線。7圖3-21熱分析裝置示意圖82）.結(jié)晶潛熱通過冷卻曲線可以看出，當液態(tài)金屬下降到一定溫時，在冷卻曲線上出現(xiàn)了

3、平臺。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是液態(tài)金屬結(jié)晶時釋放出了熱量，稱此熱量為結(jié)晶潛熱。冷卻曲線上往往會出現(xiàn)一個平臺，這是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時放出的潛熱與散失的熱量相等，使得坩堝內(nèi)的溫度保持不變。9如圖，金屬冷到低于平衡結(jié)晶溫度（T1）后才開始結(jié)晶，有一過冷度ΔT（ΔT=T1—T0）。在平衡結(jié)晶溫度下，液態(tài)金屬與其晶體處于平衡狀態(tài)。這時，液體中的原子結(jié)晶為晶體的速度與晶體溶入液體的速度相等。從宏觀上看，既不結(jié)晶也不溶解。只有冷到低于理論結(jié)晶溫度T0才能有效地進行結(jié)晶。10過冷現(xiàn)象過冷度ΔT=T0–T1過冷是結(jié)晶的必要條件。11二).結(jié)晶的一般規(guī)律形核長大12實踐證明，結(jié)晶總是從形成一些微小的晶體（晶核）開始，

4、然后晶核不斷長大；同時液體中不斷產(chǎn)生新的晶核并不斷長大，直到每個晶粒長大到相互接觸、液體消失為止——結(jié)晶的普遍規(guī)律（形核——長大）(圖)。13圖3-23結(jié)晶過程示意圖14形核、長大151.形核液態(tài)金屬中原子排列呈現(xiàn)短程有序，這些短程有序的原子團尺寸各異，時聚時散，稱為晶胚。當晶胚的尺寸大于某一臨界值時，晶胚就能自發(fā)地長大而成為晶核。16⑴形核方式液態(tài)金屬結(jié)晶時，有兩種形核方式：一種是均勻形核，另一種是非均勻形核。晶核形成的形式:*自發(fā)形核△T=200℃*非自發(fā)形核△T=20℃⑵形核率是指單位時間內(nèi)單位體積液體中形成晶核的數(shù)量。用N表示。172.長大結(jié)晶過程的進行一方面要依靠新晶核連續(xù)不斷地產(chǎn)生

5、，另一方面還要依靠巳有晶核的不斷長大。18⑴長大方式晶核長大初期外形比較規(guī)則，但隨著晶核的長大，晶體形成棱角。由于棱角處散熱速度快，因而優(yōu)先長大，如樹枝一樣先形成枝干，稱一次晶軸，然后再形成分枝，稱為二次晶軸，依此類推。晶核的這種成長方式稱為樹枝狀長大(圖）。⑵長大速率:是指單位時間內(nèi)晶核生長的線長度。用G表示。19晶核的長大方式—樹枝狀20晶核的長大方式—樹枝狀21金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶223.影響晶核的形核率和晶體長大率的因素過冷度的影響未熔雜質(zhì)的影響23過冷度的影響24形核率和長大速率都隨過冷度的增大而增大。但兩者的增加速率不同，形核率的增長率大于長大速率的增長率

6、，如圖所示。在通常金屬結(jié)晶時的過冷度范圍內(nèi)，過冷度越大，則N/G比值越大，因而晶粒越細小。25三）細化晶粒的途徑人們通常希望金屬材料晶粒細小均勻，因為晶粒越小，材料的強度越高，塑性和韌性越好。晶粒的大小稱為晶粒度，通常用晶粒的平均面積或平均直徑來表示。晶粒的大小取決于形核率和長大速率的相對大小，即N/G比值越大，晶粒越細小?？梢姡彩悄艽龠M形核、抑制長大的因素，都能細化晶粒。261）提高冷卻速度V冷△TN晶粒細小2）變質(zhì)處理3）機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。在工業(yè)生產(chǎn)中通常采用如下幾種方法：27１．提高冷卻速度增加過冷度的方法是提高液態(tài)金屬的冷卻速度。例如，選用吸熱和導熱性較強的鑄型材料（

7、用金屬型代替砂型）；采用水冷鑄型；降低澆注溫度等。但這些措施只對小型或薄壁的鑄件有效282.變質(zhì)處理是在澆注前往液態(tài)金屬中加入某些難熔的固態(tài)粉末（變質(zhì)劑），促進非均勻形核來細化晶粒。例如在鋁和鋁合金以及鋼中加入鈦、鋯等。但是鋁硅合金中加入鈉鹽不光是起形核作用，主要作用是阻止硅的長大來細化合金晶粒。293.振動、攪拌對正在結(jié)晶的金屬進行振動或攪動，一方面可依靠外部輸入的能量來促進形核，另一方面也可使