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工程材料及热加工金属及合金的结晶;一、金属的结晶与同素异构转变 结晶：金属由液体转变为晶体的现象是指从 原子不规则排列转变为规则排列的过程。 1、金属结晶的基本规律 1.1冷却曲线： 液态金属在冷却时的温度和时间的关系曲线。 通过实验得到。;第三页，共三十五页，2022年，8月28日;1.2结晶潜热 为什么冷却曲线上出现了平台？ 液态金属结晶时释放出热量，称此热量为结晶潜热。 导致冷却曲线上出现了平台。（平衡） 1.3结晶的温度条件 过冷现象： 纯金属的实际结晶温度总是低于其熔点。 过冷度：实际结晶温度与熔点之间的差值。 过冷是金属结晶的必要条件。 影响过冷度大小的因素：金属的种类、冷却速度;2、金属的结晶过程 金属的结晶过程由晶核形成和长大两个基本过程组成。 2.1形核 液态金属中原子团尺寸各异，时聚时散，称为晶胚。当晶胚的尺寸大于某一临界值时，晶胚就能自发地长大而成为晶核。 2.1.1形核方式 ①均匀形核: 是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程。 ②非均匀形核: 是指晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程。在实际的液态金属中，总是或多或少地含有某些杂质。所以实际金属的结晶主要以非均匀形核方式进行。 2.1.2形核率 指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。用N表示。;2.2长大 结晶过程的进行一方面要依靠新晶核连续不断地产生，另一方面还要依靠巳有晶核的不断长大。 2.2.1长大方式 树枝状长大：如树枝一样先形成枝干，称一次晶轴，然后再形成分枝，称为二次晶轴，依此类推。 2.2.2长大速率 指单位时间内晶核生长的线长度。用G表示。 ;第七页，共三十五页，2022年，8月28日;3、晶粒大小及控制 3.1晶粒度 定义：晶粒的大小称为晶粒度。 测定：通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。 生产中常用比较法来评定。（1～8级） 意义：总希望越细越好。晶粒越细，材料的强度越高， 塑性及韧性越好。 ;第九页，共三十五页，2022年，8月28日;3.2晶粒大小的控制 晶粒的大小取决于形核率和长大速率的相对大小，即N/G比值越大，晶粒越细小。可见，凡是能促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。在工业生产中通常采用如下几种方法： 控制过冷度 ⑴在通常金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大， 则N/G比值越大，因而晶粒越细小。 ⑵增加过冷度的方法是提高液态金属的冷却速度。 例如：选用吸热和导热性较强的铸型材料（用金属型代替砂型）；采用水冷铸型；降低浇注温度等 ⑶只对小型或薄壁的铸件有效。 ;第十一页，共三十五页，2022年，8月28日;变质处理 在浇注前往液态金属中加入某些难熔的固态粉末（变质剂），促进非均匀形核来细化晶粒。 例如在铝和铝合金以及钢中加入钛、锆等。 振动、搅拌 对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可依靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。;4、同素异构转变 有些金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型性。当外部的温度和压强改变时，这些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变。 例如：α-Fe -- γ-Fe --δ-Fe 912℃ 1394 ℃ bcc fcc bcc 当发生多晶型转变时，材料的许多性能如密度、塑性、强度、磁性、导电性等将发生突变。 多晶型转变对于材料能否通过热处理来改变其性能具有重要的意义。;第十四页，共三十五页，2022年，8月28日;二、合金的结晶—二元合金相图 1、相图的意义及几个名词的涵义 意义：合金结晶后的组织极为复杂，相图可以准确回答。 组元：组成合金最基本的独立的物质称为组元。 合金系：相同的组元所组成的一系列合金。 相图（平衡图、状态图）： 以温度为纵坐标，以成分为横坐标，表明合金系中的各个合金在不同的温度下相组成和相平衡关系。 根据相图可以了解不同成分合金在温度变化时的相变及组织形成规律。 基本类型的二元相图有：匀晶、共晶和包晶相图。;2、二元合金相图的建立 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种。但目前使用的相图绝大部分都是通过实验测定方法获得的。例如热分析法。以Cu-Ni合金为例来说明相图的建立方法及主要步骤： 1. 配制一系列成分的合金(例如，①30%Ni