工程材料 第四章 凝固與細(xì)晶

1、工程材料 第四章 凝固與細(xì)晶第1頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三第四章 凝固與結(jié)晶 4.1 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) 4.2 金屬結(jié)晶的基本規(guī)律 4.3 聚合物、陶瓷的凝固與結(jié)晶 凝固：液體固體（晶體或非晶體） 結(jié)晶：液體晶體第2頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三4.1液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)射線衍射分析，證明液態(tài)的結(jié)構(gòu)比較接近于固態(tài)。其內(nèi)部原子排列從長程看是不規(guī)則的。但從短程看，則存在有規(guī)則排列的小原子集團(tuán)。在原子周圍存在大量空隙或孔洞。這種原子團(tuán)尺寸不一，瞬時(shí)存在，瞬時(shí)形成，在金屬液中此起彼伏地不斷變化，這種現(xiàn)象即稱為結(jié)構(gòu)起伏。 結(jié)構(gòu)起伏是發(fā)生結(jié)晶的基礎(chǔ)。液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)

2、 第四章 凝固與結(jié)晶第3頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三4.2 金屬結(jié)晶的基本規(guī)律1、冷卻曲線與金屬的結(jié)晶溫度 圖1 熱分析裝置示意圖圖2 純金屬冷卻曲線 第四章 凝固與結(jié)晶第4頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三4.2 金屬結(jié)晶的基本規(guī)律2、過冷現(xiàn)象與過冷度 純金屬的實(shí)際開始結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度，這種現(xiàn)象稱為過冷。 過冷度 T=Tm-Tn Tm-理論結(jié)晶溫度， Tn-實(shí)際結(jié)晶溫度。 金屬結(jié)晶，必須過冷，否則，就不會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶。純金屬的T 不是一個(gè)恒定值，對同一種純金屬液，冷卻速率越大，T 就越大。 第四章 凝固與結(jié)晶結(jié)晶的條件：液態(tài)金屬具有一定的

3、過冷度。第5頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三 3、結(jié)晶的條件 熱力學(xué)第二定律：自由能差E是物質(zhì)中能夠自動(dòng)向外界釋放出其中多余或者能夠?qū)ν庾龉Φ倪@一部分能量。 E= EL-ES圖3 金屬在不同狀態(tài)下的自由能隨溫度的變化自由能高自由能低等溫等壓狀態(tài) 第四章 凝固與結(jié)晶T=Tm時(shí)，EL=ES E=0，兩相平衡；TTm時(shí)，E0，結(jié)晶過程可自動(dòng)進(jìn)行。 E=T （Lm/Tm）過冷度T越大，結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也越大第6頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三4.2金屬結(jié)晶的基本規(guī)律圖4 純金屬結(jié)晶過程示意圖圖5 鋼錠中的樹枝狀晶體 第四章 凝固與結(jié)晶第7頁，共18頁，2022年

4、，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三4、晶核的形成與長大 自發(fā)形核與非自發(fā)形核 自發(fā)形核:金屬液在過冷的條件下，一定尺寸以上的原子團(tuán)即可成為晶核而長大。這種由金屬本身原子團(tuán)形成晶核的過程稱為自發(fā)形核。 非自發(fā)形核:在過冷條件下，金屬本身原子依附于外來物質(zhì)或外來微粒表面而形成晶核并長大的過程叫非自發(fā)形核。 第四章 凝固與結(jié)晶結(jié)構(gòu)相似尺寸相當(dāng)非自發(fā)形核所需的過冷度比自發(fā)形核時(shí)要小得多，例如小液滴純鐵均勻形核時(shí)的過冷度可達(dá)295，這樣大的過冷度在實(shí)際生產(chǎn)中是不可能看到的。實(shí)際金屬結(jié)晶的過冷度一般不超過20，就是因?yàn)榻饘僖褐锌偤形⒘康碾y熔雜質(zhì)微?；蜩T型壁等可作為非均勻形核的基底。第8頁，共18頁，2022

5、年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三4、晶核的形成與長大 晶核的長大(1)平面長大當(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大。平面長大的結(jié)果，晶體獲得表面為密排面的規(guī)則形狀。(2)樹枝狀長大當(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)晶后得到具有樹枝狀的晶體。 第四章 凝固與結(jié)晶第9頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三5、金屬結(jié)晶后晶粒的大小 自發(fā)形核時(shí) 臨界晶核半徑 形核功為 非自發(fā)形核時(shí) 臨界

6、晶核半徑 形核功為一般情況下 0 則 盡管非自發(fā)臨界晶核半徑與自發(fā)臨界半徑相等，但實(shí)際上差異較大。如圖所示：圖9 自發(fā)形核與非自發(fā)形核的臨界晶核半徑比較均質(zhì)時(shí)rKrK非均質(zhì)所以 第四章 凝固與結(jié)晶第10頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三4.2金屬結(jié)晶的基本規(guī)律6、 金屬結(jié)晶后晶粒大小的控制 增加過冷度增加過冷度，T增大，rK減小，形核率增加，晶粒越細(xì)，A均勻/非均勻減小，形核越容易； 但是，T不能太大，否則，原子擴(kuò)散速度減慢，結(jié)構(gòu)起伏減小，形核率減小。 主要措施：增加凝固過程的冷卻速度；降低澆注溫度，選擇吸熱能力和導(dǎo)熱能力較大的鑄型材料。 成核速率、長大速度與過冷度的關(guān)系

7、第四章 凝固與結(jié)晶 晶粒越小, 金屬的 強(qiáng)度、塑性和韌性越好。 細(xì)晶強(qiáng)化提高金屬機(jī)械性能的重要途徑之一。第11頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三6、 金屬結(jié)晶后晶粒大小的控制 變質(zhì)處理 變質(zhì)處理就是人為向金屬液中加入某些物質(zhì)（稱為變質(zhì)劑），作為非自發(fā)形核的基底，從而細(xì)化晶粒。例如，鉛合金中加入微量Ti、Zr，鋼中加入微量Al或Ti。 附加振動(dòng) 采用機(jī)械、超聲波、電磁振動(dòng)使鑄型中金屬液產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，晶軸碎裂，增加結(jié)晶核心，從而細(xì)化金屬晶粒。4.2金屬結(jié)晶的基本規(guī)律思 考 題 如果其他條件相同，試比較不同鑄造條件下鑄錠晶粒的大?。?）金屬模鑄造與砂模鑄造（2）高溫澆鑄與低溫澆鑄（鑄

8、型溫度）（3）鑄成薄件與鑄成厚件（4）澆鑄時(shí)采用振動(dòng)與不采用振動(dòng) 第四章 凝固與結(jié)晶第12頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三4.2 金屬結(jié)晶的基本規(guī)律7、鑄件的凝固組織 圖8為鑄錠截面的典型宏觀組織示意圖。圖中可以看到具有不同組織特征的三個(gè)晶區(qū)。即細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)。 第四章 凝固與結(jié)晶第13頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三4.2金屬結(jié)晶的基本規(guī)律7、鑄錠組織圖9 鑄件的宏觀組織形成過程示意圖 第四章 凝固與結(jié)晶第14頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三4.2金屬結(jié)晶的基本規(guī)律7、鑄錠組織鑄錠組織三個(gè)晶區(qū)的形成原因？1)表層細(xì)

9、晶區(qū)劇烈冷卻，產(chǎn)生很大的過冷度，形成大量晶核，故得到很細(xì)的晶粒組織。2)柱狀晶區(qū)模壁被熔液加熱而升高溫度，結(jié)晶潛熱釋放，形核迅速下降，擇優(yōu)生長。3)中心粗等軸晶粒區(qū) 接近鑄錠中心，液相中的溫度已比較均勻，剩余液相幾乎同時(shí)進(jìn)入過冷狀態(tài)。中心區(qū)的過冷度變小，形核率也較低，由表層細(xì)晶區(qū)形成的小晶塊或柱狀晶體的多次晶軸受液流沖擊而破碎的小晶塊，它們被金屬液的流動(dòng)帶進(jìn)中心區(qū)，作為晶核而長大，形成中心等晶軸區(qū)。 第四章 凝固與結(jié)晶第15頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三4.2金屬結(jié)晶的基本規(guī)律7、鑄錠組織 第四章 凝固與結(jié)晶第16頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三4.3 陶瓷、聚合物的凝固與結(jié)晶 陶瓷結(jié)晶規(guī)律與金屬相類似，需要一定的過冷度，也是晶核形成與核長大的過程，組織變化規(guī)律與合金相似。 聚合物結(jié)晶過程也是晶核形成與長大過程，有自發(fā)形核與非自發(fā)形核之分，所不同的是“大分子結(jié)構(gòu)鏈段”替代了液態(tài)金屬中的“原子團(tuán)（或臨界晶核）”。 第四章 凝固與結(jié)晶第17頁，共18頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)7分，星期三小 結(jié)1