材料純金屬的結晶

1、第二章第二章 純金屬的結晶純金屬的結晶 結晶結晶 ： 金屬由液態(tài)轉變?yōu)榫w金屬的過程金屬由液態(tài)轉變?yōu)榫w金屬的過程 金屬生產的第一步金屬生產的第一步 本章目的：本章目的： 1 介紹金屬結晶的基本概念和基本過程介紹金屬結晶的基本概念和基本過程 2 闡明金屬實際的結晶組織及其控制闡明金屬實際的結晶組織及其控制一、結晶的概念與現(xiàn)象一、結晶的概念與現(xiàn)象 結晶概念結晶概念: 物質由液態(tài)轉變?yōu)榫哂芯w物質由液態(tài)轉變?yōu)榫哂芯w 結構的固相的過程稱為結構的固相的過程稱為1 金屬的結晶金屬的結晶 純金屬結晶時的熱純金屬結晶時的熱分析曲線特點：分析曲線特點： 冷卻曲線冷卻曲線( T-t )(1)低于熔點才發(fā)生結晶

2、低于熔點才發(fā)生結晶(2)存在結晶平臺存在結晶平臺1 金屬結晶的金屬結晶的宏觀現(xiàn)象：宏觀現(xiàn)象： (1) 過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象 金屬在低于熔點的溫度結晶的現(xiàn)象金屬在低于熔點的溫度結晶的現(xiàn)象 (2) 結晶過程伴隨潛熱釋放結晶過程伴隨潛熱釋放 結晶潛熱：液相結晶為固相時釋放的熱量。結晶潛熱：液相結晶為固相時釋放的熱量。2 金屬結晶的微觀過程金屬結晶的微觀過程:金屬結晶的金屬結晶的微觀過程微觀過程: （1）形核形核 從液體中形成具有一定臨界尺寸的從液體中形成具有一定臨界尺寸的小小晶體晶體(晶核晶核)的過程的過程 （2）長大長大 晶核由小變大長成晶粒的過程晶核由小變大長成晶粒的過程 實際金屬最終形成多晶體實際

3、金屬最終形成多晶體注：注： 單個晶粒由形核單個晶粒由形核長大長大 多個晶粒形核與長大交錯重疊多個晶粒形核與長大交錯重疊 * 當只有一個晶核時當只有一個晶核時 單晶體單晶體 * 晶核越多，最終晶粒越細晶核越多，最終晶粒越細二二 金屬結晶的條件金屬結晶的條件1 熱力學條件熱力學條件 熱力學：研究系統(tǒng)轉變的方向和限度熱力學：研究系統(tǒng)轉變的方向和限度 轉變的可能性轉變的可能性 熱力學第二定律：在等溫等壓條件下，熱力學第二定律：在等溫等壓條件下，物質系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能較高的狀態(tài)物質系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)轉變。向自由能較低的狀態(tài)轉變。 即即G = G(轉變后轉變后) G(轉

4、變前轉變前) S固固結晶時只有存在結晶時只有存在T 才才 能能 保保 證：證：G V= GS GL r0 時時， 系統(tǒng)的系統(tǒng)的G 0 結晶過程可發(fā)生；結晶過程可發(fā)生； 形成穩(wěn)定晶核形成穩(wěn)定晶核 隨隨 r ， G 晶核長大為系統(tǒng)自晶核長大為系統(tǒng)自由能降低過程；由能降低過程； 晶核可長大晶核可長大r0當當 r 0, 熱力學上結晶熱力學上結晶不可發(fā)生，但液相中結構不可發(fā)生，但液相中結構起伏的穩(wěn)定狀態(tài)不同：起伏的穩(wěn)定狀態(tài)不同： 當當 r rk 時時， 隨隨 r ， G 晶胚尺寸減小為晶胚尺寸減小為自發(fā)過程自發(fā)過程會會瞬間離散瞬間離散, 只能保持結構起伏狀態(tài)，只能保持結構起伏狀態(tài)，不能長大。不能長大。r

5、0 當當 rk r r0時時， 隨隨 r ， G 晶胚長大為自發(fā)過程晶胚長大為自發(fā)過程 即該尺寸區(qū)域的晶即該尺寸區(qū)域的晶胚不再瞬間離散，而為胚不再瞬間離散，而為穩(wěn)定且可長大的穩(wěn)定且可長大的 。r0注意注意： 實際當實際當rk r 0, 按熱力學理論按熱力學理論LS不能發(fā)生，然而不能發(fā)生，然而: rk ：為為臨界晶核尺寸臨界晶核尺寸 原因原因:過冷液體中存在過冷液體中存在能量能量起伏起伏, 其中高能區(qū)可能使其中高能區(qū)可能使G 0, 此時：此時：結晶總結晶總阻力阻力 形核功：過冷液形核功：過冷液體形核時的障礙體形核時的障礙 Gk 1/3 (4r2k) 1/3 Sk TLTrmmK2代入球形晶胚自由

6、能表達式可得：代入球形晶胚自由能表達式可得： 事實上，只要事實上，只要 r rk, 即為穩(wěn)定晶核。即為穩(wěn)定晶核。原因：原因： 液體中除結構起伏外，還存在液體中除結構起伏外，還存在能量起伏能量起伏 故故形核功形核功可以依靠能量起伏來補償可以依靠能量起伏來補償結論：結論： 除除結構起伏結構起伏外，形核還借助外，形核還借助能量起伏能量起伏條件條件 形核功的影響因素形核功的影響因素 ：222321316)2(34TLTTLTGmmmmK隨隨T ，G即：即：增大過冷度，可顯著降低形核阻力增大過冷度，可顯著降低形核阻力 （3） 形核率（形核率（N = cm -3 s 1）：）： 單位時間單位體積液相中所形

7、成的晶核數(shù)目。單位時間單位體積液相中所形成的晶核數(shù)目。 意義意義: N 越大，結晶后獲得的晶粒越細小，越大，結晶后獲得的晶粒越細小，材料的強度高，韌性也好。材料的強度高，韌性也好。形核率形核率控制因素控制因素: N = N1 N2 N 1 受形核功影響的因子；受形核功影響的因子；(T, N 1) ) N 2 受擴散控制的因子。受擴散控制的因子。(T, N 2) T對對N的影響矛盾、的影響矛盾、復雜復雜實際純金屬：實際純金屬： 隨隨T, N; 且且T =0.2Tm金屬玻璃金屬玻璃2 非均勻形核（非自發(fā)形核）：非均勻形核（非自發(fā)形核）： 晶核依附于液態(tài)金屬中現(xiàn)成的微小固相晶核依附于液態(tài)金屬中現(xiàn)成的

8、微小固相雜質質點的表面形成。雜質質點的表面形成。見教材見教材50：公式公式222圖圖211非均勻形核特點：非均勻形核特點： 形核功形核功； T=0.02Tm 遠小于均勻形核遠小于均勻形核 結晶時形核要點結晶時形核要點1、必須要有過冷度、必須要有過冷度T，晶胚尺寸，晶胚尺寸rrK。2、rK與與T成反比。成反比。T rK。3、均勻形核既需結構起伏，又需能量起伏、均勻形核既需結構起伏，又需能量起伏 液體中的自然現(xiàn)象。液體中的自然現(xiàn)象。4、結晶必須在一定溫度下進行、結晶必須在一定溫度下進行(擴散條件擴散條件)5、在工業(yè)生產中，液態(tài)金屬凝固總是以非、在工業(yè)生產中，液態(tài)金屬凝固總是以非均勻形核進行。均勻形

9、核進行。 均勻形核均勻形核T=0.2Tm 非均勻形核非均勻形核T=0.02Tm 二二 晶核的長大晶核的長大 1 液固界面類型液固界面類型 光滑界面光滑界面 粗糙界面粗糙界面 為原子尺度為原子尺度當顯微觀察時，當顯微觀察時， 恰好相反恰好相反小平面界面小平面界面非小平面界面非小平面界面光滑界面光滑界面: 液固界面截然分開液固界面截然分開 粗糙界面粗糙界面: 液固界面液固界面犬牙交錯犬牙交錯 金屬多為粗糙界面金屬多為粗糙界面 2 晶核長大的機制晶核長大的機制 光滑界面光滑界面有兩種機制：有兩種機制：(1) 二維晶核長大機制二維晶核長大機制 速度很慢速度很慢 (2) 晶體缺陷長大機制晶體缺陷長大機制

10、 結構上存在臺階時結構上存在臺階時 如螺型位錯如螺型位錯速度較速度較 (1) 快快 粗糙界面粗糙界面主要有一種機制：主要有一種機制：(3) 垂直長大機制（連續(xù)長大）垂直長大機制（連續(xù)長大） 界面上所有位置均為生長點：界面上所有位置均為生長點： 垂直界面連續(xù)長大；垂直界面連續(xù)長大； 長大速度遠較長大速度遠較(1)(2)快；快； 金屬晶體長大的主方式金屬晶體長大的主方式 3 晶體的生長形態(tài)晶體的生長形態(tài)（1）液固界面前沿溫度分布）液固界面前沿溫度分布 正溫度梯度正溫度梯度溫度分布溫度分布: 液相溫度隨至界面距離增液相溫度隨至界面距離增加而提高。加而提高。靠近模壁處靠近模壁處負溫度梯度負溫度梯度溫度

11、分布溫度分布: 液相溫度隨至界面距離增液相溫度隨至界面距離增加而降低。加而降低。（2） 晶體的生長形態(tài)晶體的生長形態(tài) (一一) 正溫度梯度下正溫度梯度下 光滑界面光滑界面: 易于形成具有規(guī)則形狀的晶體。易于形成具有規(guī)則形狀的晶體。(100)密排面密排面(簡單立方中簡單立方中)，長大速度慢，長大速度慢(101)非密非密排面，長排面，長大速度快大速度快最終外表最終外表面為密面為密排面排面 粗糙界面粗糙界面: “平面長大平面長大”方式方式平面晶平面晶 (二二) 負溫度梯度下負溫度梯度下 “枝晶生長枝晶生長”方式方式樹枝晶樹枝晶常見常見 會解釋樹枝晶形成會解釋樹枝晶形成 1 粗糙界面粗糙界面 2 光滑

12、界面光滑界面 多為小平面樹枝狀晶體多為小平面樹枝狀晶體 有時為規(guī)則外形晶體有時為規(guī)則外形晶體三、晶粒大小及控制三、晶粒大小及控制 1 晶粒大小對材料性能的影響晶粒大小對材料性能的影響 常溫下常溫下，金屬的晶粒越細小，強度和硬，金屬的晶粒越細小，強度和硬度越高，塑性和韌性也越好。度越高，塑性和韌性也越好。 但高溫下晶界為弱區(qū)，晶粒細小強但高溫下晶界為弱區(qū)，晶粒細小強度反而下降，但晶粒過于粗大會降低塑性度反而下降，但晶粒過于粗大會降低塑性 。此時須采用適當粗晶粒度。此時須采用適當粗晶粒度。 2 鑄造中晶粒大小的控制鑄造中晶粒大小的控制 形核率越大，長大速度越小，則單位體形核率越大，長大速度越小，則

13、單位體積中的晶粒數(shù)目越多，晶粒越細小。積中的晶粒數(shù)目越多，晶粒越細小。 單位體積中的晶粒數(shù)目為：單位體積中的晶粒數(shù)目為： ZV=0.9（N / G）3 / 4 細化晶粒：細化晶粒： 提高形核率提高形核率N， 降低晶核長大速度降低晶核長大速度G工業(yè)上常用的方法：工業(yè)上常用的方法：（1）增加過冷度增加過冷度 過冷度增大，過冷度增大，N、G均增大，但均增大，但N提高的提高的幅度遠高于幅度遠高于G增加過冷度增加過冷度 加大冷卻速度加大冷卻速度（2）變質處理變質處理 添加固相微?；虮砻嫣砑庸滔辔⒘；虮砻娣蔷鶆蛐魏朔蔷鶆蛐魏?變質處理變質處理定義定義：在澆注前往液體中加入：在澆注前往液體中加入變質劑變質劑

14、(孕育劑孕育劑)，促進形成大量的非均勻晶，促進形成大量的非均勻晶核，該工藝稱為核，該工藝稱為。孕育劑選擇原則孕育劑選擇原則： 點陣匹配點陣匹配：即：即結構相似、尺寸相當。結構相似、尺寸相當。 孕育劑熔點遠高于金屬本身孕育劑熔點遠高于金屬本身 如如- - Fe為為 f c c 結構結構 a0.3652nm Cu也為也為 f c c 結構結構 a0.3688nm 在液體在液體Cu中加入少量中加入少量Fe，可促進形核。，可促進形核。 又如又如 Zr 能促進能促進 Mg 的非均勻形核的非均勻形核 Ti 能促進能促進 Al 的非均勻形核。的非均勻形核。（3）振動、攪動振動、攪動： 機械方法、電磁波攪拌、

15、機械方法、電磁波攪拌、 超聲波攪拌等。超聲波攪拌等。2 金屬鑄錠的組織與缺陷金屬鑄錠的組織與缺陷 1、鑄錠三晶區(qū)、鑄錠三晶區(qū)1表層細晶表層細晶區(qū)區(qū)2中間柱狀晶區(qū)中間柱狀晶區(qū) 3中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū)鑄錠結構圖鑄錠結構圖（一）表層細晶區(qū)（一）表層細晶區(qū) 形成原因：形成原因： （1）過冷度）過冷度T大。大。 （2）模壁作為非均勻）模壁作為非均勻形核的位置。形核的位置。特點：特點：晶粒細小，組織致晶粒細小，組織致密，密， 機械性能好，機械性能好， 薄，無實用意義薄，無實用意義（二）柱狀晶區(qū)（二）柱狀晶區(qū) 形成原因：形成原因： (1) 細晶區(qū)形成后，模壁溫細晶區(qū)形成后，模壁溫度升高，結晶前沿過冷度度

16、升高，結晶前沿過冷度T較低，不易形成新的晶核；較低，不易形成新的晶核； (2) 細晶區(qū)中某些取向有利細晶區(qū)中某些取向有利的晶?？梢燥@著長大；的晶?？梢燥@著長大； (3)晶體沿垂直于模壁晶體沿垂直于模壁 (散熱最散熱最快快)相反方向擇優(yōu)生長成柱狀晶。相反方向擇優(yōu)生長成柱狀晶。特點：組織粗大而致密；特點：組織粗大而致密； 為為“鑄造織構鑄造織構”鑄造織構鑄造織構：鑄造過程中形成的一種：鑄造過程中形成的一種晶體學位向一致的鑄態(tài)組織稱為。晶體學位向一致的鑄態(tài)組織稱為。 又稱又稱“結晶織構結晶織構”注意：晶粒外形注意：晶粒外形(外貌外貌)與晶粒取向的差別與晶粒取向的差別另有：形變織構另有：形變織構細晶區(qū)

17、中：細晶區(qū)中：晶粒的晶粒的無序無序取向取向柱狀晶區(qū)中：柱狀晶區(qū)中：晶粒的晶粒的一致一致取向取向最大散熱方向最大散熱方向（三）中心等軸粗晶區(qū)（三）中心等軸粗晶區(qū) 形成原因：形成原因： （1）液體溫度全部降到結晶溫度以下，）液體溫度全部降到結晶溫度以下，可同時形核。可同時形核。 （2）未熔雜質、沖斷的枝晶分枝可作）未熔雜質、沖斷的枝晶分枝可作為非均勻形核的核心。為非均勻形核的核心。 （3）散熱失去了方向性，各方向長大）散熱失去了方向性，各方向長大速度相差不大。速度相差不大。 長成等軸晶。長成等軸晶。 由于過冷度由于過冷度T不大，晶粒較粗大。不大，晶粒較粗大。 等等 軸軸 晶晶 柱柱 狀狀 晶晶優(yōu)點

18、優(yōu)點： 無方向性，無無方向性，無明顯弱面，熱加明顯弱面，熱加工性能好。工性能好。缺點缺點： 顯微縮孔多，顯微縮孔多，致密性差。致密性差。優(yōu)點優(yōu)點：結構致密：結構致密缺點缺點： 1、由于結晶位向一致，性、由于結晶位向一致，性能有方向性，熱加工性能差能有方向性，熱加工性能差 2、兩個不同方向柱狀晶、兩個不同方向柱狀晶的結合處雜質多、強度低，的結合處雜質多、強度低，稱為弱面，熱軋時易破斷。稱為弱面，熱軋時易破斷。 等軸晶和柱狀晶體性能比較等軸晶和柱狀晶體性能比較2 鑄錠組織的控制鑄錠組織的控制 一般有三個晶區(qū)，凝固條件復雜，在某些一般有三個晶區(qū)，凝固條件復雜，在某些情況下只有柱狀晶區(qū)，而有的只有等軸

19、晶區(qū)。情況下只有柱狀晶區(qū)，而有的只有等軸晶區(qū)。塑性好金屬鋁、銅等塑性好金屬鋁、銅等發(fā)展柱狀晶發(fā)展柱狀晶塑性相對較低的金屬、鋼等塑性相對較低的金屬、鋼等發(fā)展等軸晶發(fā)展等軸晶（一）促進柱狀晶生長的方法：（一）促進柱狀晶生長的方法： 總體總體：(1) 加大液相沿垂直鑄錠模壁方向的散熱能力加大液相沿垂直鑄錠模壁方向的散熱能力 促進散熱的方向性促進散熱的方向性(2) 降低液相內部非均勻形核的可能性降低液相內部非均勻形核的可能性具體：具體： (1) 提高鑄錠模的冷卻能力。提高鑄錠模的冷卻能力。 如：如： 金屬模代替砂型模；金屬模代替砂型模； 增加金屬鑄模的厚度等增加金屬鑄模的厚度等 注意注意：此方法僅適于

20、尺寸較大的鑄件，：此方法僅適于尺寸較大的鑄件，但不適于尺寸較小的鑄件但不適于尺寸較小的鑄件 原因原因：若鑄模冷卻能力很大，反而促進：若鑄模冷卻能力很大，反而促進等軸晶的發(fā)展（增加形核率）。等軸晶的發(fā)展（增加形核率）。 例：連鑄小截面鋼坯時，采用水冷結晶例：連鑄小截面鋼坯時，采用水冷結晶器，器， 連鑄錠全部獲得細小的等軸晶粒。連鑄錠全部獲得細小的等軸晶粒。（2）提高鑄模中心區(qū)溫度，增大溫度梯度。）提高鑄模中心區(qū)溫度，增大溫度梯度。 具體具體：提高澆注溫度與澆注速度。：提高澆注溫度與澆注速度。（3）提高熔化溫度，減少非均勻形核數(shù)目。）提高熔化溫度，減少非均勻形核數(shù)目。 熔化溫度越高，液態(tài)金屬過熱度

21、越大，熔化溫度越高，液態(tài)金屬過熱度越大，非金屬夾雜物溶解越多，從而減少了柱狀晶非金屬夾雜物溶解越多，從而減少了柱狀晶前沿液體中形核的可能性，有利于柱狀晶區(qū)前沿液體中形核的可能性，有利于柱狀晶區(qū)的發(fā)展。的發(fā)展。例如：例如： 1、磁性鐵合金、磁性鐵合金方向導磁率最大，柱方向導磁率最大，柱狀晶的一次軸正好也是這個方向。狀晶的一次軸正好也是這個方向。 發(fā)展柱狀晶，獲得最好的磁學性能。發(fā)展柱狀晶，獲得最好的磁學性能。 2、燃氣輪機葉片，其負荷具有方向性，要、燃氣輪機葉片，其負荷具有方向性，要求在葉片軸線方向有較高的強度。求在葉片軸線方向有較高的強度。 使柱狀晶的長度方向和葉片軸線方使柱狀晶的長度方向和葉

22、片軸線方向平行。向平行。（二）控制鑄錠組織在實際生產中的應用（二）控制鑄錠組織在實際生產中的應用柱狀晶制備柱狀晶制備燃氣輪機葉片定向凝燃氣輪機葉片定向凝固生產技術與裝置固生產技術與裝置葉片葉片感應加熱爐感應加熱爐 單晶制備方法單晶制備方法（三）、發(fā)展等軸晶，限制柱狀晶的方法（三）、發(fā)展等軸晶，限制柱狀晶的方法 降低澆注溫度和澆注速度，減小液體過降低澆注溫度和澆注速度，減小液體過熱度，在液體中保留較多非均勻形核核心；熱度，在液體中保留較多非均勻形核核心； 小鑄件：可用小鑄件：可用過冷度的方法過冷度的方法形核率；形核率； 大鑄件：變質處理；大鑄件：變質處理；3、金屬鑄錠組織缺陷、金屬鑄錠組織缺陷自學自學 縮孔縮孔 氣孔氣孔 夾雜物夾雜物 小結小結