工程材料学第3章 材料的凝固与结晶.ppt

工程材料学 第三章 材料的凝固与相图 纯金属的结晶 合金的相结构 合金的结晶与相图 第一节 纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal ) 凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律 同素异晶(构)转变 一、 凝固与结晶的概念 3 凝固状态的影响因素 物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低，而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则。 熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻力，随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温度前，粘度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。 熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到106℃/s才能获得非晶态。 在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。 二、 结晶的现象与规律 (一）.结晶的一般过程 液态结构 由X射线衍射对金属的径向分布密度函数的测定表明. 液体中原子间的平均距离比固体中略大； 液体中原子的配位数比密排结构晶体的配位数减小，通常在8~11的范围内。 上述两点均导致熔化时体积略为增加，但对非密排结构的晶体如 Sb，Bi，Ga，Ge等，则液态时配全数反而增大，故熔化时体积略为收缩。 除此以外，液态结构的最重要特征是原子排列为长程无序，短程有序 并且短程有序原子集团不是固定不变的，它是一种此消彼长，瞬息万变，尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏，这有别于晶体的长程有序的稳定结构。 　　　固态结构 原子间的平均距离比液体中略小； 密排六方晶体的原子配位数比液体大 原子排列为长程有序，短程有序 并且长程有序原子集团基本固定不变 (二）.结晶的过冷现象 1.纯金属结晶时的冷却曲线 2. 过冷现象与过冷度 过冷现象 ( supercooling ) 过冷度 ( degree of supercooling ) ΔT = T0 – Tn 过冷是结晶的必要条件。 (三）. 结晶的能量条件及结构条件 1.金属结晶的能量条件: G = U – S T G– 物体的自由能 U – 物体的内能 S – 熵 T – 温度 K G / T = S 2.金属结晶的结构条件 (四）.结晶的一般规律 形核 长大 (四）.结晶的一般规律: 1.晶核的形成 在一定的过冷度下,当G体≥G表时,晶核就形成。 晶核形成的形式: *自发形核 △T = 200℃(纯净液体、均匀形核) *非自发形核 △T = 20℃（依附未熔质点形核） 液态金属中总是存在不稳定的规则排列的微小原子集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。 过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核，不再融化，结晶开始。 过冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。 2.晶核的长大方式—树枝状 2.晶核的长大方式—树枝状 3.影响晶核的形核率和 晶体长大率的因素 4、晶粒大小的概念 晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大小和形状并不全相同，这就是统计的含义，有多种来计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生产中用晶粒度，测定方法是在放大100倍下观察和标准的进行对比评级，1—8级(有更高的)，级别高的晶粒细。级别的定义为在放大100下，每平方英寸内1个晶粒时为一级，数量增加 倍提高一级。用于计算的定量描述还用平均截线长来表示。 1)过冷度的影响 1)过冷度的影响 2)未熔杂质的影响 (五）.细化晶粒的途径 凝固体的结构 表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。 柱状晶区 随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。 中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固店以下后，表层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大 三 金属的同素异晶转变 纯铁的同素异晶(