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实验一金相试样的制备及其显微组织观察时间:3月23日(星期三上午1、2节)地点:教学B楼东地下室(靠近操场)金属材料组织和性能的控制纯金属的结晶基本概念结晶,一次结晶,重结晶(二次结晶,同素异构转变)理论结晶温度,实际结晶温度过冷、过冷度影响过冷度的因素:冷却速度、金属本性改变熔体的过冷度即可改变相变驱动力,控制结晶过程的进行。结晶过程:形核、长大纯金属的结晶-同素异构转变同素异构转变(重结晶) 金属在固态下随温度的改变,由一种晶格转变为另一种晶格的现象; 如:铁、钴、钛同素异构晶体 同属于一种金属,但具有不同晶体结构的晶体; 如δ-Fe、γ-Fe、α-Fe1394℃ 912℃ ?-Fe ?-Fe ? -Fe金属的同素异构转变纯金属的结晶-同素异构转变固态相变的晶界形核纯金属的结晶-同素异构转变纯金属的结晶-同素异构转变同素异构转变的特点有过冷现象,有固定的转变温度新晶体的形成也包括形核和长大两个过程;要较大的过冷度;转变时引起体积发生变化,产生较大的内应力纯金属的结晶-铸锭的结构铸锭结构 铸锭结构不均匀;主要分三个典型晶区:细等轴晶区 在金属的表层形成的一层厚度不大、晶粒很细、三维方向尺寸相近的区域;原因:由于外层金属的过冷度大,模壁具有自发形核的作用,因而导致生成的晶核多;纯金属的结晶-铸锭的结构柱状晶区 表层细晶粒层形成后,铸锭的冷却速度下降,晶核的形成速率不如成长率大,各晶粒成长较快。由于沿垂直于模壁方向散热较快,故晶粒编沿这一方向长大,形成柱状晶粒层。纯金属的结晶-铸锭的结构柱状晶区 尽管柱状晶晶质致密,但在柱状晶的接触面由于杂质的存在而成为弱面,在热轧、锻造时容易开裂。 对高熔点和杂质多的金属(如铁、镍及其合金),应控制柱状晶的生成; 柱状晶的性能具有方向性,沿其长轴方向强度较高。对于承受单向载荷的构件,可采用柱状晶结构;纯金属的结晶-铸锭的结构粗等轴晶区 随着柱状晶区的发展,过冷度大大减小,温度趋于均匀化,同时散热的方向性已不明显,内部液体处于均匀冷却状态,晶核在不同方向的成长速度相同,因此在铸锭的中心便形成粗大的等轴晶粒区。注意:等轴晶没有弱面,性能均匀,无方向性.金属铸锭的组织1-细晶区 2-柱状晶区 3-中心等轴晶区表面细晶粒层:综合性能好柱状晶粒层:各向异性中心粗大等轴晶粒层:高温性能好纯金属的结晶-铸锭的结构影响铸锭晶粒形状的因素在铸锭上保持较大的温度梯度(如加热温度高,冷却速度大,铸造温度高,浇注速度大),可获得较发达的柱状晶;结晶时单向散热,也有利于柱状晶的形成;保证铸件截面温度的均匀性(如铸造温度低,冷却速度小等)能够促进等轴晶的形成; 此外,通过机械振动、电磁搅拌等方法可破坏柱状晶,有利于等轴晶的形成;纯金属的结晶-铸锭的缺陷 铸造缺陷主要有:缩孔、疏松、气孔缩孔 由液体凝固时体积收缩造成的。如果最后凝固的地方液体得不到补充,即可形成缩孔;疏松(分散缩孔) 结晶时不能保证液体的补给,在枝晶间和枝晶内形成的细小分散的缩孔。在热轧过程中疏松可以闭合纯金属的结晶-铸锭的缺陷气孔 气体来不及逸出,留在金属内部,形成气孔; 轧制中气孔可引起裂纹等缺陷,故应严格控制。纯金属的结晶-结晶理论的工程应用工程应用:细化铸铁金属晶粒定向结晶制取单晶纯金属的结晶-结晶理论的工程应用细化晶粒基本定义 晶粒度:用于描述晶粒大小的参数; 常用的表示方法:单位体积的晶粒数目(ZV);或单位面积内的晶粒数目(ZS)或晶粒的平均线长度(或直径)表示;纯金属的结晶-结晶理论的工程应用 工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分8级,1-4级为粗晶粒,5-8级为细晶粒。 一般晶粒度越大,也就是越细越好,其原因主要为以下两条: 纯金属的结晶-结晶理论的工程应用 晶粒粗细决定了晶界面积的大小。 晶粒细小,金属材料总晶界面积增加。晶粒愈细,晶界愈多,位错运动困难,则金属材料的强度和硬度显著提高。纯金属的结晶-结晶理论的工程应用 当晶粒细小时,同一位向的晶粒数目增加,在外力作用下,变形的晶粒也多,可使应力分散,变形均匀,并使得金属具有较好的塑性和韧性,所以晶粒细化不仅是提高金属强度、硬度,而又是提高塑性和韧性的重要途径。 §4 金属的结晶纯铁晶粒度与力学性能的关系晶粒度(晶粒数/mm2)?b (N/mm2)?s (N/mm2)?(%)63512747044.819429410847.5纯金属的结晶-结晶理论的工程应用细晶强化: 通过细化晶粒的方法,提高材料的强度、塑性和韧性等机械性能,这是一种重要的材料强化途径。措施:增大金属的过冷度 主要取决于液态金属的冷却速度。 通过采用冷却能力强的模子,提高液体金属冷却速度:①采用金属型铸造,增大铸件的冷却速度
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