金属结晶.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,2,章,金属材料组织和性能的控制,内容提要：,本章介绍金属材料组织和性能的影响因素及其控制方法，包括纯金属的,结晶、合金的结晶、金属的塑性加工、钢的热处理、钢的合金化、表面技术,等内容。,纯金属的结晶,部分主要介绍纯金属结晶的条件和结晶过程，同素异构转变,，细化铸态金属晶粒的措施。,合金的结晶,部分主要介绍发生匀晶反应的合金的结晶过程和发生共晶反应,的合金的结晶过程。,铁碳合金的结晶,部分主要介绍铁碳相图、典型铁碳合金的平衡结晶过程。,并介绍铁碳合金的成分,-,组织,-,性能关系。,2025/5/20 周二,1,金属的塑性加工,主要介绍金属塑性变形的微观机理、塑性变形对金属组织,和性能的影响，以及再结晶对金属组织和性能的影响。,钢的热处理部分,主要介绍热处理的原理和热处理工艺（退火、正火、淬火,、回火、表面热处理和化学热处理），以及钢的热处理新技术。,钢的合金化部分,主要介绍合金元素在钢中的作用，合金元素对钢的热处理,、钢的机械性能、工艺性能的影响。,2025/5/20 周二,2,学习目标：,本章是工程材料课程的重点章。,着重掌握以下内容：,铁碳相图，典型铁碳合金的,平衡结晶过程，杠杆定律，铁碳合金的成分,-,组织,-,性能关系,。,过冷奥氏体的等温转变（,C,或,TTT,曲线），过冷奥氏体的连续冷却转变,(CCT),，钢的淬透性,、淬硬性。退火、正火、淬火、回火、表面热处理和化学热处理等热处理工艺。,合金元素在钢中的作用，合金元素对钢的热处理、钢的机械性能的影响。,熟悉纯金属、合金的结晶，金属的塑性加工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。,学习建议：,本章阐述了金属材料组织与性能的影响因素和规律，是工程材料学的基本理论基础。,本章是课程的重点，需要扎扎实实地学习好，掌握金属材料组织与性能的主要影响因素和规,律，为后面学习金属材料知识打好基础。,2025/5/20 周二,3,2.1,纯金属的结晶,金属及其合金生产一般均需经过冶炼和铸造，然后经压力加工成型后，也有一些是铸造后就,直接使用的。所以，金属通常都要经历由液态到固态的凝固过程。,金属凝固时由于熔化、浇注、冷却等条件的不同，所获得的铸件内部组织会有所不同，铸件,的物理、化学和机械性能也会因之而异，这对铸件的应用或随后的加工工艺均有很大影响。,2.1.1,纯金属的结晶的概念,在一定的条件下，金属的三态可以互相转化，物质由液态转变为固态的过程称为,凝固,。,通常条件下凝固后的固态金属是晶体，所以又将金属的凝固称为结晶。,金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）到另一种原子规则排列状态（晶态）的转变叫金,属的,结晶。,金属从液态过渡到固体晶态的转变称为,一次结晶,。,而金属从一种固体晶态过渡为另一种固体晶态的过程则称为,二次结晶或重结晶,。,（区别于再结晶,晶格类型是否发生变化）,2025/5/20 周二,4,纯金属结晶冷却曲线,（关键词）,平台出现,结晶潜热,过冷度,自由能之差,G,驱动力,G,就是金属结晶的驱动力，,过冷度越大，结晶速度越快。,2025/5/20 周二,5,(,一,),液态金属的结构,液态的结构介于晶态与气态之间，它不像晶体中原子那样作规则的三维排列，但也不像气,体原子那样任意、混乱地分布着；,金属键没有被完全破坏；,液态金属原子不是完全无序、混乱的排列，而是在微小范围内存在有序、规则的排列，因,此液态金属是由近程有序排列的原子集团组成。,但这些原子集团不稳定，瞬时形成瞬时消失，时聚时散（,结构起伏,），与系统的能量也是,瞬息万变,（,能量起伏,）相对应。,液态结构 固态结构,由液态金属的结构说明金属的结晶过程实质上是由不稳定的具有近程有序排列原子集团转变为长程有序排列。,2025/5/20 周二,6,(,二,),金属结晶的条件,热力学条件,结晶过程不是在任何条件下都能自发进行的,?,热力学第二定律：自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态,趋向于能量最低的稳定状态。在一定温度条件下，只有那些引起体系自由能,（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。就象小球从高,处滚向低处降低自己的势能一样。,即：,式中，,F,为体系自由能；,T,是绝对温度；,S,为嫡,-,表征系统中原子排列混乱,程度的参数。,2025/5/20 周二,7,(,二,),金属结晶的条件,由知,:,金属聚集状态的自由能随温度的提高而降低。,而液态金属中原子排列的规则性比固态金属中的差（,S,液,S,固,），所以,液态金属的,F-T,曲线比固态金属的,F,一,T,曲线斜率大。,交点对应的温度为,T,m,，,T,m,即为理论结晶温度（熔点），此时，即液固并,存而处于动平衡状态。,2025/5/20 周二,8,当,T,T,m,，,F,液,F,固,，金属处于液态最稳定；,T,Tm,，,F,液,F,固,，金属处于固态最稳定。,因此，液态金属要结晶，就必须冷却到理论结晶温度以下以下，换句话说金属必须过冷。,过冷,就是指液态金属实际冷却到结晶温度以下而暂时不结晶的现象。,出现过冷就出现了过冷度，理论结晶温度,Tm,与开始结晶温度,T,n,之差叫做,过冷度；,T,对应于体系自由能差,F=F,固,-F,液,，这就是液态金属结晶的动力,-,热力学条件；,T=Tm,T,n,，冷却速度越大，则开始结晶的温度越低，过冷度越大。,金属结晶时要从液体中生出晶体，必须建立同液体相隔离开的晶体界面而消耗能量,A,，只有,当过冷度达到一定的大小，使结晶的驱动力,F,大于建立界面所需要的表面能,A,时，结晶过程才,能进行。,F,A,究竟要冷却到理论结晶温度以下多少才能真正开始结晶呢？,2025/5/20 周二,9,过冷度的大小与金属的本性和液态金属的冷却速度有关。冷却速度愈快，,则金属的实际结晶温度愈低，因而过冷度愈大，液态金属以极其缓慢的速度,冷却时，金属将在近于理论结晶温度时结晶，这时的过冷度接近于零；,（金属不易实现较大过冷的原因：）金属的晶体结构比较简单，并且总含,有杂质，所以实际金属的过冷能力不大，过冷度一般只有几度，常常不超过,10,30,；,过冷后液、固自由能之差,G,就是金属结晶的驱动力，过冷度越大，结晶,速度越快；,2025/5/20 周二,10,金属结晶过程,长大,形核,非自发形核,优先、主导,自发形核,平面长大,树枝状长大,2025/5/20 周二,11,(,三,),纯金属的结晶过程,金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。,1.,形核,液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。生成的核心叫做晶核。形核有两种方式。,自发形核,非自发形核,自发生核和非自发生核在金属结晶过程中是同时存在的，在实际金属和合金中，非自发生核比自发生核更重要，往往起优先的、主导的作用。,(1),自发形核,在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。这种由液态金属内部由金属原子自发形成的晶核叫自发晶核。,(2),非自发形核,实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。这种依附于杂质而形成的晶核叫做非自发晶核。,2025/5/20 周二,12,按照生核时能量有利的条件分析，能起非自发生核作用的杂质，必须符合,“,结构,相似，尺寸相当,”,的原则。也就是只有当杂质的晶体结构和晶格参数与金属的相似或,相当时，它才能成为非自发核心的基底，容易在其上生长出晶核。但是，有一些难熔,杂质，虽然其晶体结构与金属的晶体结构相差甚远，然而由于表面的微细凹孔和裂缝,中有时能残留未熔金属，所示也能强烈地促进非自发核心的生成。,长大速度与过冷度的关系,生核速率与过冷度的关系,2025/5/20 周二,13,生长和长大方式,1.,生长,结晶时，晶核生成以后，随即是晶核的长大。晶核的长大实质上就是原子由液体向固体表,面的转移。,(1),二维晶核式长大机制,假如已形成的晶核的表面平整光洁，则按照能量条件分析，原子单个地从液体转,移并固定在晶核表面是困难的，容易被热流冲落。同自发生核类似，只有在一定的过,冷度（比自发生核的过冷度小得多）下，晶核表面附近的液体的原子连接成一定大小,（临界尺寸）的单原子面（即所谓二维晶核）以后，才能成片地、稳定地固定在晶核,的表面上。并且也只有从这个时候起，原子才能很快地往二维晶核的侧面连接，排满,整个表面。依靠这种二维晶核的层层铺贴及扩展，使晶核逐渐长大。,随过冷度的增大，能稳定固定到晶核表面上去的二维晶核的尺寸变小，晶核的长,大速度增大。但是，若金属的结晶潜热较大时，由于结晶潜热的放出，晶核的长大速,度随过冷度的增大会增长得比较平缓。当温度降到很低（过冷度很大）时，也由于原,子的扩散移动困难，晶核的长大速度很快减小。,2025/5/20 周二,14,(2),单原子扩散式长大机制,实际上，由于种种原因，从液体中生成的晶核的表面往往是不平整光洁的，常常,存在有小台阶或其他缺陷，例如，出现螺型位错的露头点等。这些地方在能量上最有,利于原子的固定，可以直接连接上去。由于原子往台阶上固定的同时能不断地造成新,的台阶，所以原子能单个地、很快地向晶体表面上转移，使晶体迅速长大。,2025/5/20 周二,15,(,五,),长大方式,由于结晶条件的不同，晶体长大的方式主要有以下两种：平面长大、树枝状长大,(1),平面长大,当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。晶体长大时，不同晶面,的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢，而非密排面的垂直方,向上的长大速度较快。平面长大的结果，晶体获得表面为密排面的规则形状。,(2),树枝状长大,当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸,入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生,出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。,结晶后得到具有树枝状的晶体,。,树枝状长大 树枝状长大的树枝状晶体,平面长大 平面长大的规则形状晶体,实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。,2025/5/20 周二,16,金属形成树枝状晶体的原因：晶体长大过程中由于结晶潜热的释放，晶核,尖角处的散热较块，成为伸入到液体中的晶枝，而且尖角处的缺陷较多，从,液体中来的原子容易在这些地方固定，有利于晶体长大成树枝晶。,树枝状长大 树枝状长大的树枝状晶体,平面长大 平面长大的规则形状晶体,2025/5/20 周二,17,2.1.2,金属的同素异构转变,许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为,面心立方晶格。钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格。,有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛、锰（,Fe,、,Co,、,Ti,、,Mn,）等。这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化（也就是说在不同的温度、压力,下）。,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，称为,同素异构转变。,液态纯铁在,1538,进行结晶，得到具有体心立方晶格的,-,Fe,（,B.C.C,）。继续冷却到,1394,时发生同素异构转变,成为面心立方晶格的,Fe,（,F.C.C,）。再冷却到,912,时又发生一次,同素异构转变,成为体心立方晶格的,Fe,（,B.C.C,）。,以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体称为该金属的,同,素异晶体,。上式中的,-,Fe,、,Fe,、,-,Fe,均是纯铁的,同,素异晶体,。,纯铁的同素异构转变,2025/5/20 周二,18,金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，故称为,二次结晶或重结晶。,在发生同素异构转变时金属也有过冷现象，也会放出潜热，并具有固定的转变温度。,同素异构晶体的形成也包括,形核,和,长大,两个过程。,同素异构转变是在固态下进行，因此转变需要较大的过冷度。由于晶格的变化导致金属的体,积发生变化，转变时会产生较大的内应力。,例如,-,Fe,转变为,-,Fe,时，铁的体积会膨胀约,1,。它可引起钢淬火时产生应力，严重,时会导致工件变形和开裂。适当提高冷却速度，可以细化同素异构转变后的晶粒，从而提高金,属的机械性能。,2025/5/20 周二,19,2.1.3,细化铸态金属晶粒的措施,金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。,一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的,晶粒在显微镜下呈颗粒状。晶粒大小可用晶粒度,来表示，晶粒度号越大晶粒越细。,晶粒大小用,晶粒度表示。,晶粒度,1,2,3,4,5,6,7,8,单位面积晶粒数（个,mm,2,),16,32,64,128,256,512,1024,2048,晶粒平均直径,(mm),0.250,0.177,0.125,0.088,0.062,0.044,0.031,0.022,晶粒度表,标准晶粒度等级（放大,100,倍）,在一般情况下,晶粒越小,则金属的强度、塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化,是提高金属机械性能的重要途径之一。这种强化方法称为,细晶强化,。,(,例,),2025/5/20 周二,20,细化铸态金属晶粒有以下措施,1.,提高金属的过冷度,(,理论基础或原理,),晶粒的大小决定于生核速率,N,和长大速度,F,而生核速,率,N,和长大速度,F,又取决于过冷度，所以晶粒大小可通过调整,过冷度来控制。,增大过冷度的,主要办法,是提高液体金属的冷却速度,。,(,工艺实现,),在铸造生产中，为了提高铸件的冷却速度，可以用金属,型代替砂型；增大金属型的厚度；降低金属型的预热温度；,减少涂料层的厚度，等等。,成核速率、长大速度,与过冷度的关系,2025/5/20 周二,21,2.,进行变质处理,金属的体积较大时，获得大的过冷度是困难的。对于形状复杂的铸件，常常还不允许过多,地提高冷却速度。,生产上为了得到细晶粒铸件，多采用所谓,变质处理,。,(,理论基础或原理及工艺实现,),变质处理就是在液体金属中加人,孕育剂或变质剂,，以细化晶粒,和改善组织。,变质剂,的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。,有一类物质，它们或它们生成的化合物，符合于作非自发晶核的条件，当其作为变质剂加,人液体金属中时，可以大大增加晶核的数目。,例如,在铝合金液体中加人钛、镐、铅；钢水中加人钛、钒、铝等，都可使晶粒细化,;,在铁水中加,人硅铁、硅钙合金时，能使组织中的石墨变细。,还有一类物质，虽不能提供结晶核心，但能阻止晶粒的长大。,例如,在铝硅合金中加人钠盐，钠能富集在硅的表面，降低硅的长大速度，阻碍粗大的硅晶体的,形成，使合金的组织细化。,2025/5/20 周二,22,3.,振动,在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶,体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。,4.,电磁搅拌,将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲,断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。,2.1.4,铸锭的结构,(1),细等轴晶区；,(2),柱状晶区；,(3),粗等轴晶区铸锭结构,2025/5/20 周二,23,2.1.4,铸锭的结构,一、铸锭结构 铸锭分为三个各具特征的晶区：,1.,细等轴晶区,液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成,大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶,粒很细的细晶区。,2.,柱状晶区,细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降,低，但此时长大速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热最快,方向（一般为往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状,晶区。,3.,粗等轴晶区,随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低,，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及,从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗,大的等轴晶区。,2025/5/20 周二,24,液态金属的结构,金属结晶热力学条件,金属结晶的过程,细化铸态金属晶粒有以下措施,金属的同素异构转变,结构起伏，能量起伏,结晶过程实质上是由不稳定的具有近程有序排列原子集团转变为长程有序排列。,过冷、过冷度,T,对应于体系自由能差,G=G,固,-G,液,，这就是液态金属结晶的动力（热力学,条件）。,生核、长大，自发生核、非自发生核，平面长大、树枝状长大,提高金属的过冷度，主要办法是提高液体金属的冷却速度，进行变质处理、振动、电磁搅拌,形核和长大，同素异构转变是在固态下进行，因此转变需要较大的过冷度,2025/5/20 周二,25,思考,：,1.,液态纯金属的冷却曲线采用什么方法确定,?,热分析方法,-,实验方法方法。,2.,为什么液态金属不容易实现较大过冷,?,金属不易实现较大过冷的原因：金属的晶体结构比较简单，并且总含有杂质，所,以实际金属的过冷能力不大，过冷度一般只有几度，常常不超过,10,30,。,3.,为什么在一定范围内提高金属的过冷度铸态金属晶粒会细化？,随着过冷度的增大，,N,和,G,值增大，但前者的增大更决，因而比值,N/F,也增大,，因此结果晶粒细化。,4.,细化铸态金属晶粒有以下措施？,5.,是不是出现过冷液态金属就会结晶,?,2025/5/20 周二,26,