第1章5節(jié) 金屬結(jié)晶

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機械工程材料MaterialsForMechanicalEngineering第1.5節(jié)

金屬的結(jié)晶冷卻曲線與過冷度二.結(jié)晶的一般過程三晶粒大小及其控制四.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（現(xiàn)象）物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過程稱為結(jié)晶。物質(zhì)由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相的過程稱為相變。因而結(jié)晶過程是相變過程。玻璃制品水晶一、冷卻曲線與過冷1、冷卻曲線金屬結(jié)晶時溫度與時間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對應(yīng)的溫度稱實際結(jié)晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時放出結(jié)晶潛熱引起的.

純金屬的冷卻曲線2、過冷與過冷度純金屬都有一個理論結(jié)晶溫度T0(熔點或平衡結(jié)晶溫度)。在該溫度下,液體和晶體處于動平衡狀態(tài)。結(jié)晶只有在T0以下的實際結(jié)晶溫度下才能進行。霧凇液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差T稱過冷度

T=T0–T1過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過冷度越大。二、結(jié)晶的一般過程1、結(jié)晶的基本過程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程組成.液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團，它們時聚時散，稱為晶坯。在T0以下,經(jīng)一段時間后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯將會長大，稱為晶核。T0T1ΔT液體和晶體自由能隨溫度變化晶核半徑與ΔG關(guān)系氣體、液體、晶體的結(jié)構(gòu)晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。2、晶核的形成方式形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團形成晶核稱均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。非均勻形核更為普遍。均勻形核非均勻形核示意圖3、晶核的長大方式晶核的長大方式有兩種，即均勻長大和樹枝狀長大。均勻長大樹枝狀長大在正溫度梯度下，晶體生長以平面狀態(tài)向前推進。界面處的結(jié)晶潛熱只能通過固相傳導(dǎo)出去，所以界面的推進速度受到固相傳熱速度的控制。由于界面處的液體具有最大的過冷度，當界面上偶爾發(fā)生晶體凸起，就會進入溫度較高的液體中，晶體生長速度立即減慢甚至停止。因此固-液界面保持為穩(wěn)定的平面狀，晶體生長以平面狀態(tài)向前推進。宏觀上為鋸齒（或稱為臺階）狀的光滑界面，也是如此，界面保持著原狀向前平面式推進

正溫度梯度在金屬結(jié)晶時會放出潛熱，造成界面的溫度大于液相處和固相處，產(chǎn)生負溫度梯度。

在負的溫度梯度下，界面前方的液體具有更大的過冷度，因此，當界面某處固相偶然伸入液相，便能夠以更大的速率生長。伸入液相的晶體形成一個晶軸，稱為一次晶軸。由于一次晶軸生長時也會放出結(jié)晶潛熱，其側(cè)面周圍的液相中又產(chǎn)生負的溫度梯度。這樣，一次晶軸上又會產(chǎn)生二次晶軸。同理，二次晶軸上也會長出三次晶軸（見下圖）。由于這樣生長的結(jié)果很像樹枝，所以被稱為樹枝狀生長，晶體以樹枝狀生長時，晶體樹枝逐漸變粗，樹枝間的液體最后全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，使每個枝晶成為一個晶粒。

實際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長大.這是由于存在負溫度梯度，且晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產(chǎn)生二次軸…，樹枝間最后被填充。負溫度梯度樹枝狀長大樹枝狀長大的實際觀察樹枝狀長大的實際觀察樹枝狀結(jié)晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶三、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于相變之一—固態(tài)相變。1、鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：1394℃912℃-Fe?-Fe?-Fe物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素異純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe、-Fe為體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)，-Fe為面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)。都是鐵的同素異構(gòu)體。-Fe-Fe2、固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點⑴形核一般在某些特定部位發(fā)生（如晶界、晶內(nèi)缺陷、特定晶面等）。⑵由于固態(tài)下擴散困難，因而過冷傾向大。⑶固態(tài)轉(zhuǎn)變伴隨著體積變化，易造成很大內(nèi)應(yīng)力。固態(tài)相變的晶界形核(Sn-0.5%Cu鑄態(tài)，255K)錫疫晶粒大小及其控制1、晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面積或平均直徑表示。工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級來表示晶粒大小。標準晶粒度共分八級，一級最粗，八級最細。通過100倍顯微鏡下的晶粒大小與標準圖對照來評級。一、結(jié)晶后的晶粒大小及其控制2、決定晶粒度的因素晶粒的大小取決于晶核的形成速度和長大速度。過冷度對N、G的影響單位時間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率(N)。單位時間內(nèi)晶核生長的長度叫長大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越細小.因此，凡是促進形核、抑制長大的因素，都能細化晶粒.3、控制晶粒度的方法⑴控制過冷度：隨過冷度增加，N/G值增加，晶粒變細。⑵變質(zhì)處理：又稱孕育處理。即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而細化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質(zhì)叫變質(zhì)劑（或稱孕育劑）。Al-Si合金組織緩冷快冷未變質(zhì)變質(zhì)鑄鐵變質(zhì)處理前后的組織變質(zhì)處理前變質(zhì)處理后變質(zhì)處理使組織細化。變質(zhì)劑為硅鐵或硅鈣合金。電磁攪拌細化晶粒示意圖超聲振動細化晶粒示意圖⑶振動、攪拌等：對正在結(jié)晶的金屬進行振動或攪動，一方面可靠外部輸入的能量來促進形核，另一方面也可使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。氣輪機轉(zhuǎn)子的宏觀組織(縱截面)細晶的熔模鑄件(上)普通鑄件(下)4、晶粒大小對金屬性能的影響常溫下，晶粒越細，晶界面積越大，因而金屬的強度、硬度越高，同時塑性、韌性也越好,即細晶強化。高溫下，晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生滑動，因而細晶粒無益。但晶粒太粗易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因而高溫下晶粒過大、過小都不好。晶粒大小與金屬強度的關(guān)系單晶葉片s=i+Kd-1/2二、鑄錠(件)組織與缺陷在實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。鑄錠(件)的組織及其存在的缺陷對其加工和使用性能有著直接的影響。1、鑄錠(件)的組織鑄錠(件)的宏觀組織通常由三個區(qū)組成:⑴表層細晶區(qū)⑵柱狀晶區(qū)⑶中心粗等軸晶區(qū)⑴表層細晶區(qū)：澆注時，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細的等軸晶粒區(qū)。⑵柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長而形成柱狀晶區(qū)。⑶中心粗等軸晶區(qū):由于結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導(dǎo)致柱狀晶生長停止，當心部液體全部冷至實際結(jié)晶溫度T1以下時，在雜質(zhì)作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。⑴縮孔：縮孔是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時體積收縮且補縮不足造成的。可通過改變結(jié)晶時的冷卻條件和加冒口等來進行控制。鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除.2、鑄造缺陷鑄造缺陷的類型較多，常見的有縮孔、氣孔、疏松、偏析、夾渣、白點等，它們對性能是有害的.縮孔⑵偏析：合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。鑄錠(件)在結(jié)晶時,由于各部位結(jié)晶先后順序不同，合金中的低熔點元素偏聚于最終結(jié)晶區(qū)，造成宏觀上的成分不均勻，稱宏觀偏析。適當控制澆注溫度和結(jié)晶速度可減輕宏觀偏析。硫在鋼錠中偏析的模擬結(jié)果⑶氣孔:氣孔是指液態(tài)金屬中溶解的氣體或反應(yīng)生成的氣體在結(jié)晶時未逸出而存留于鑄錠(件)中的氣泡.鑄錠中的封閉的氣孔可在熱加工時焊合，張開的氣鑄件中的氣孔孔需要切除。鑄件中出現(xiàn)氣孔則只能報廢。縮松課后作業(yè)：

課內(nèi)作業(yè)：

1、對某碳素鋼進行金相分析，其組織為P+Fe3C網(wǎng)，其中P為98%，請問此碳素鋼的含碳量大約是多少？2、鐵碳合金中的組織有哪些，簡述其性能特點。4.某倉庫中的鋼材經(jīng)金相分析后發(fā)現(xiàn)組織為P+F，其中F占80%。問此鋼的含碳量大約為多少？5.現(xiàn)有形狀和尺寸完全相同的四塊平衡狀態(tài)的鐵碳合金，它們的含碳量wc分別為0.20%、0.40%、1.2%、3.5%，根據(jù)你所學(xué)的知識可用哪些方法來區(qū)別它們？

習(xí)題1、如果將一軟焊料反復(fù)彎曲數(shù)次，會發(fā)現(xiàn)它仍舊很軟。而對一退火銅也作同樣彎曲就會明顯變硬，以至經(jīng)過幾次之后就不能用手彎曲了。這是為什么？2、鎢在1000℃變形加工，錫在室溫下變形加工，請說明它們是熱加工還是冷加工？（鎢熔點是3410℃，錫熔點是232℃)。3、在室溫下對鉛板進行彎折，愈彎愈硬，而稍隔一段時間再行彎折，鉛板又象最初一樣柔軟，這是什么原因？

習(xí)題課內(nèi)作業(yè)：課內(nèi)作業(yè)：1、在正火熱處理過程中，為什么加熱后要有一段保溫時間？2、鋸條、彈簧和重要的軸在淬火后一般分別應(yīng)進行什么回火熱處理，并簡述理由。1．將Ф5mm的T8鋼加熱至760℃并保溫足夠時間，問采用什么樣的冷卻工藝可得到如下組織：珠光體，索氏體，托氏體，上貝氏體，下貝氏體，托氏體+馬氏體，馬氏體+少量殘余奧氏體；請畫出C曲線并在其上描繪出工藝曲線示意圖。2.指出下列零件的鍛造毛坯進行正火的主要目的及正火后的顯微組織：⑴20鋼齒輪；⑵45鋼小軸；⑶T12鋼銼刀。3．生產(chǎn)中常用增加鋼中珠光體量的方法來提高來亞共析鋼的強度，問用何種熱處理工藝？為什么？4．比較45鋼分別加熱到700℃、750℃和840℃水冷后硬度值的高低，并說明原因。習(xí)題5．某一用45鋼制的零件，其加工路線如下：備料→鍛造→正火→粗機械加工→調(diào)質(zhì)→精機械加工→高頻感應(yīng)加熱淬火+低溫回火→磨削請說明各熱處理工序的目的及熱處理后的組織。6．選擇下列零件的熱處理方法并編寫簡明的工藝路線（選用鍛造毛坯，且鋼材具有足夠的淬透性）：⑴某機床變速箱齒輪（模數(shù)m=4