1、第 3 章
纯金属的结晶
教学基本内容：
1、纯金属结晶的概念、结晶的条件和结晶的过程；
2、晶粒度的概念和表示方法，晶粒尺寸的控制途径；
3、铸锭的结构与缺陷
4、金属凝固新技术。
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
1、掌握金属的晶粒尺寸控制的途径；
2、熟悉纯金属结晶的概念、结晶的条件和结晶的过程；
3、了解铸锭的结构与缺陷和凝固新技术。
教学重点及难点：
1、重点：
1）纯金属结晶的条件；
2）金属的晶粒尺寸控制的途径。
2、难点：
1）结晶的必要条件和充分条件；
2）如何提高冷却速度，增加过冷度来获得微晶、纳晶和非晶态材料。
2、
教学方法及手段：
1、PPT讲解；
2、课堂讨论。
作业、讨论题、思考题：
1、讨论与分析细化金属晶粒大小的方法？
2、讨论金属凝固的新技术？
第三章 金属的结晶
重点：金属在结晶中如何控制晶粒的大小，即细化晶粒的途径。
一、结晶的概念
1、近程有序（不稳定、随机、瞬变）和远程有序
2、定义：
1）从状态看：结晶通常是指金属自液态向固态过渡时晶体形成的过程，称为“一次结晶”。
2）从金属学观点：结晶则是指物质的原子从近程有序过度和远程有序结构的过程。
3、结晶的条件（驱动力）
1）自由能差（必要条件）：ΔG下降。
2）过冷（外部条件）
3、过冷现象：金属的实际结晶温度（Tn）低于理论结晶温度(Tm)的现象，即在Tm以下金属仍处于液态的现象。
只有过冷才会产生驱动力ΔG<0为结晶的必要条件。
3）过冷度（充分条件）与冷却曲线
过冷度一般为：10℃—30℃；冷却速度愈大、金属过冷度愈大。因此，采用金属型铸造的铸件的机械性能比砂型提高20~30%。
二、结晶的过程
1、形核
1）晶核：液体中最初形成分的一些作为结晶中心的稳定的微小晶体。
2）晶体形核的方式
（1）自发形核
是从过冷液体中直接产生晶核，由大尺寸的近程有序排列的原子发展而成。但自发形核需要很大的过冷度。
例： Fe需要ΔT=295℃； N
4、i需要ΔT=319℃
（2）非自发形核
依附于杂质微粒的表面或容器壁表面产生的核，过冷度小10~~~30℃，因此为主导形核方式。
2、晶粒长大
1) 以枝晶状长大；2）是有选择性（散热条件定）。
三、晶粒的大小的控制
1、晶粒度（晶粒大小）
1）表示方法：单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度。
2）晶粒度等级：分为八级，一级最粗，八级最细（幻灯）（100倍显微镜下的晶粒大小）。
3）晶粒大小对金属性能的影响
在一般情况下，晶粒愈小，则金属的强度、塑性和韧性愈好。
表：晶粒大小不同时纯铁的机械性能
晶粒截面的直径（10-2mm）
5、强度σb（MN/m2）
伸长率δ（%）
9.7
7.0
2.5
165
180
210
28.6
30.6
39.5
2、晶粒大小的控制
1）决定晶粒度的因素
（1） 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核的数目
（2） 长大速度（G）：晶核在单位时间内生长的长度。
形核率（N）愈大，长大速度（G）愈小，晶粒愈细小。
2）控制晶粒度的方法
（1）增加过冷度
冷却速度增加 →ΔT↑→ N/G↑→晶粒愈细小。
降低铸造温度，用金属型代砂型。适合小型或薄壁零件。
A、当冷却速度 > 102-4℃/s时 微晶材料（微晶合金、纳晶合金）
6、
微晶合金的特点：
① 具有高强度、高硬度、良好的韧性、较高的耐磨性、耐蚀性及抗氧化、抗辐射性、稳定性好等优良性能。
②还具有良好的物理性能，高电阻率，较高的超导，较高温度，高的矫顽力。
B、当冷却速度 > 106-8℃/s 非晶态材料
非晶态合金的特点：
①很高的室温强度、硬度、刚度；②具有良好的韧性和塑性；
③无晶体缺陷，因此具有很多的耐蚀性，及高电阻率，高导磁率，低磁损和低的声波衰率。
（2）变质处理
是指在液态金属结晶前，加入一些细小高溶点的物质，促使非自发形核的方法。该方法易实现、效果明显、最常用。
例：钢中加入Ti、V、Al；铸铁中加入Si、Ca、；铝中
7、加入Ti、锆。
（3）振动，搅拌方法：破碎作用
四、铸锭的结构与缺陷
1、结构和性能
1）表层的细晶粒层
ΔT极大，形核率大，晶粒细小，性能好，但极薄，无实用价值。
2）柱状晶层
ΔT减小，使N < G，且散热具有明显的方向性，只有与壁垂直的晶核优先长大成整齐、粗大的柱状晶。
性能：组织致密；性能具有明显的方向性，即纵向性能大于横向性能；但晶粒间存在脆弱面。
应用：涡轮叶片、磁性铁合金、有色金属等。
3）中心等轴晶区
ΔT很小，使N小，散热无方向性，晶核可向不同方向生长、形成粗大的等轴晶粒。
性能：无方向性，但组织疏松。
应用：一般铸件。
2、铸件缺陷：缩孔、缩松、气孔、偏析、夹杂等。
五、凝固技术
1、单晶的制备：垂直提拉法和尖端形核法。
2、急冷凝固技术：平面流铸造法、熔体拖拉法、快速凝固雾化法和双辊雾化法。
3、定向凝固：下降功率法和快速逐步凝固法。
7
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