第二章金属热处理

第一节金属结晶的现象第二节金属结晶的热力学条件第三节金属结晶的结构条件第四节晶核的形成第二章纯金属的结晶第五节晶核长大第六节金属铸锭的宏观组织与缺陷第一节金属结晶的现象利用图2-1所示的试验装置，先将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后插入热电偶以测量温度，让液态金属缓慢而均匀地冷却，并用X-Y记录仪将冷却过程中的温度与时间记录下来，便获得了图2-2所示的冷却曲线。这一试验方法称为热分析法，冷却曲线又称热分析曲线。从热分析曲线可以看出结晶过程的两个十分重要的宏观特征。一、结晶过程的宏观现象结晶过程的宏观现象图2-11—电源2—热电偶3—坩埚4—金属5—冰水（0℃）6—恒温器7—电炉结晶过程的宏观现象图2-2纯金属结晶时的冷却曲线示意图结晶时首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后这些晶核再不断凝聚液体中的原子继续长大。形核过程与长大过程既紧密联系又相互区别。图2-3示意地表示了微小体积的液态金属的结晶过程。二、金属结晶的微观过程图2-3纯金属结晶过程示意图金属结晶的微观过程当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并未立即出生，而是经一定时间后才开始出现第一批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同时，液态金属中又产生第二批晶核。依次类推，原有的晶核不断长大，同时又不断产生新的第三批、第四批晶核……就这样液态金属中不断形核，不断长大，使液态金属越来越少，直到各个晶体相互接触，液态金属耗尽，结晶过程便告结束。由一个晶核长成的晶体，就是一个晶粒。由于各个晶核是随机形成的，其位向各不相同，所以各晶粒的位向也不相同，这样就形成一块多晶体金属。如果在结晶过程中只有一个晶核形成并长大，那么就形成一块单晶体金属。热力学第二定律指出：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。这就说明，对于结晶过程而言，结晶能否发生，取决于固相的自由能是否低于液相的自由能。如果液相的自由能高于固相的自由能，那么液相将自发地转变为固相，即金属发生结晶，从而使系统的自由能降低，处于更为稳定的状态。液相金属和固相金属的自由能之差，就是促使这种转变的驱动力。第二节金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件要获得结晶过程所必需的驱动力，一定要使实际结晶温度低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。过冷度越大，固、液两相自由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度便越快。这就是金属结晶时为什么必须过冷的根本原因。大量的试验结果表明，液态金属的结构与固态相似，而与气态金属根本不同。说明固态金属与液态金属的原子间距相差不大；液态金属的配位数比固态金属的有所降低，但变化不大，而气态金属的配位数却是零；金属熔化时的熵值较室温时的熵值有显著增加，这意味着其原子排列的有序程度受到很大的破坏；液态金属结构的X射线研究结果表明，在液态金属的近邻原子之间具有某种与晶体结构类似的规律性，这种规律性不像晶体那样延伸至长距离。第三节金属结晶的结构条件金属结晶的结构条件根据以上的试验结果，可以勾画出液态金属结构的示意图，如图2-6所示。在液体中的微小范围内，存在着紧密接触规则排列的原子集团，称为短程有序，但在大范围内原子是无序分布的。而在晶体中大范围内的原子却是呈有序排列的，称为长程有序。图2-6液体a)、晶体b)和液体中的相起伏c)示意图金属结晶的结构条件应当指出，液态金属中短程规则排列的原子集团并不是固定不动、一成不变的，而是处于不断地变化之中。由于液态金属原子的热运动很激烈，而且原子间距较大，结合较弱，所以液态金属原子在其平衡位置停留的时间很短，很容易改变自己的位置，这就使短程有序的原子集团只能维持短暂的时间即被破坏而消失。金属结晶的结构条件与此同时，在其他地方又会出现新的短程有序的原子集团。前一瞬间属于这个短程有序原子集团的原子，下一瞬间可能属于另一个短程有序的原子集团。短程有序的原子集团就是这样处于瞬间出现，瞬间消失，此起彼伏，变化不定的状态之中，仿佛在液态金属中不断涌现出一些极微小的固态结构一样。这种不断变化着的短程有序原子集团称为结构起伏，或称为相起伏。金属结晶的结构条件液态金属的一个重要特点是存在着相起伏，只有在过冷液体中的相起伏才能成为晶胚。但是，并不是所有的晶胚都可以转变成为晶核。要转变成为晶核，必须满足一定的条件，这就是形核规律所要讨论的问题。在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式：一种是均匀形核，又称均质形核或自发形核；另一种是非均匀形核，又称异质形核或非自发形核。若液相中各个区域出现新相晶核的几率都是相同的，这种形核方式即为均匀形核；反之，新相优先出现于液相中的某些区域称为非均匀形核。第四节晶核的形成（一）形核时的能量变化和临界晶核半径在一定的过冷度条件下，固相的自由能低于液相的自由能，当在此过冷液体中出现晶胚时，一方面原子从液态转变为固态将使系统的自由能降低，它是结晶的驱动力；另一方面，由于晶胚构成新的表面，形成表面能，从而使系统的自由能升高，它是结晶的阻力。一、均匀形核均匀形核体积自由能的变化与晶胚半径的立方成正比，而表面能的变化与半径的平方成正比。总的自由能是体积自由能和表面能的代数和，它与晶胚半径的变化关系如图2-9所示，图2-9晶粒半径与ΔG的关系（一）形核时的能量变化和临界晶核半径均匀形核32v+4G=πrG4πrσ3△△由于上式第一项即体积自由能随r的立方而减小，而第二项即表面能随r的平方而增加，所以当r增大时，体积自由能的减小比表面能增加得快。但在开始时，表面能项占优势，当r增加到某一临界尺寸后，体积自由能的减小将占优势。于是在ΔG与r的关系曲线上出现了一个极大值ΔGK，与之相对应的r值为rK。（一）形核时的能量变化和临界晶核半径均匀形核由图可知，当r＜rK时，随着晶胚尺寸r的增大，则系统的自由能增加，显然这个过程不能自动进行，这种晶胚不能成为稳定的晶核，而是瞬时形成，又瞬时消失。但当r＞rK时，则随着晶胚尺寸的增大，伴随着系统自由能的降低，这一过程可以自动进行，晶胚可以自发地长大成稳定的晶核，因此它将不再消失。当r=rK时，这种晶胚既可能消失，也可能长大成为稳定的晶核，因此把半径为rK的晶胚称为临界晶核，rK称为临界晶核半径。（一）形核时的能量变化和临界晶核半径均匀形核由式可见，形成临界晶核时自由能的变化为正值，且恰好等于临界晶核表面能的1／3。这表明，形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2／3，还有1／3的表面能没有得到补偿，需要另外供给，即需要对形核做功，故称ΔGK为形核功。这一形核功是过冷液体形核时的主要障碍，过冷液体需要一段孕育期才开始结晶的原因正在于此。（二）形核功kkk114S2G=πrσ=σ33△均匀形核形核率是指在单位时间单位体积液相中形成的晶核数目，以N表示，单位为cm3·s-1。形核率对于实际生产十分重要，形核率高意味着单位体积内的晶核数目多，结晶结束后可以获得细小晶粒的金属材料。这种金属材料不但强度高，塑性、韧性也好。（三）形核率均匀形核形核率受两个方面因素的控制:一方面是随着过冷度的增加，临界晶核半径和形核功都随之减小，结果使晶核易于形成，形核率增加；另一方面，无论是临界晶核的形成，还是临界晶核的长大，都必须伴随着液态原子向晶核的扩散迁移，没有液态原子向晶核上的迁移，临界晶核就不可能形成，即使形成了也不可能长大成为稳定晶核。（三）形核率在液态金属中总是存在一些微小的固相杂质质点，并且液态金属在凝固时还要和型壁相接触，于是晶核就可以优先依附于这些现成的固体表面上形成，这种形核方式就是非均匀形核，或称异质形核、非自发形核，它将使形核的过冷度大大降低，一般不超过20℃二、非均匀形核非均匀形核均匀形核时的主要阻力是晶核的表面能，对于非均匀形核，当晶核依附于液体金属中存在的固相质点的表面上形核时，就有可能使表面能降低，从而使形核可以在较小的过冷度下进行。但是，在固相质点表面上形成的晶核可能有各种不同的形状，为了便于计算，设晶核为球冠形，如图2-14所示。（一）临界晶核半径和形核功图2-14非均匀形核示意图非均匀形核按照均匀形核求临界晶核半径和形核功的方法，即可求出非均匀形核的临界晶核半径r和形核功ΔG。（一）临界晶核半径和形核功'K'KαLαLmkvf22'==σσTrGHT△△△-23k=kαL123coscos'(4')()34Grσ△-非均匀形核1．过冷度的影响由于非均匀形核所需的形核功ΔG很小，因此在较小的过冷度条件下，当均匀形核还微不足道时，非均匀形核就明显开始了。图2-16为均匀形核与非均匀形核的形核率随过冷度变化的比较。（二）形核率'K图2-16（1）—（2）—随过冷度而变化的比较非均匀形核2．固体杂质结构的影响非均匀形核的形核功与接触角θ有关，θ角越小，形核功越小，形核率越高。θ角的大小取决于液体、晶核及固态杂质三者之间表面能的相对大小。也就是说，固态质点与晶核的表面能越小，它对形核的催化效应就越高。很明显，晶核与固态杂质之间的表面能取决于晶核（晶体）与固态杂质的结构（原子排列的几何形状、原子的大小、原子间的距离等）上的相似程度。（二）形核率非均匀形核两个相互接触的晶面结构越近似，它们之间的表面能就越小，即使只在接触面的某一个方向上的原子排列配合得比较好，也会使表面能降低一些。这样的条件（结构相似、尺寸相当）称为点阵匹配原理，凡满足这个条件的界面，就可能对形核起到催化作用，它本身就是良好的形核剂，或称为活性质点。（二）形核率非均匀形核3固体杂质表面的形状各种各样，有的呈凸曲面，有的呈凹曲面，还有的为深孔，这些基面具有不同的形核率。例如有三个不同形状的固体杂质，如图2-18所示，形成三个晶核，它们具有相同的曲率半径r和相同的θ角，但三个晶核的体积却不一样。（二）形核率图2-18不同形状的固体杂质表面形核的晶核体积非均匀形核由此可见，在曲率半径、接触角相同的情况下，晶核体积随界面曲率的不同而改变。凹曲面的形核效能最高，因为较小体积的晶胚便可达到临界晶核半径，平面居中，凸曲面的效能最低。因此，对于相同的固体杂质颗粒，若其表面曲率不同，它的催化作用也不同，在凹曲面上形核所需过冷度比在平面、凸面上形核所需过冷度都要小。铸型壁上的深孔或裂纹是属于凹曲面情况，在结晶时，这些地方有可能成为促进形核的有效界面。（二）形核率非均匀形核4过热度是指液态金属温度与金属熔点之差。液态金属的过热度对非均匀形核有很大的影响。当过热度不大时，可能不使现成质点的表面状态有所改变，这对非均匀形核没有影响。当过热度较大时，有些质点的表面状态改变了，如质点内微裂缝及小孔减少，凹曲面变为平面，使非均匀形核的核心数目减少。当过热度很大时，将使固态杂质质点全部熔化，这就使非（二）形核率非均匀形核5非均匀形核的形核率除受以上因素影响外，还受其他一系列物理因素的影响，例如在液态金属凝固过程中进行振动或搅动，一方面可使正在长大的晶体碎裂成几个结晶核心，另一方面又可使受振动的液态金属中的晶核提前形成。用振动或搅动提高形核率的方法，已被大量试验结果所证明。（二）形核率非均匀形核1）液态金属的结晶必须在过冷的液体中进行，液态金属的过冷度必须大于临界过冷度，晶胚尺寸必须大于临界晶核半径rK。2）rK值大小与晶核的表面能成正比，与过冷度成反比。3）均匀形核既需要结构起伏，也需要能量起伏，4）晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因5）在工业生产中，液体金属的凝固总是以非均匀形核方式进行。（二）形核率第五节晶核长大（一）光滑界面图2-19a属于光滑界面。从原子尺度看，界面是光滑平整的，液、固两相被截然分开（见图2-19a下图）。界面上的固相原子都位于固相晶体结构所规定的位置，形成平整的原子平面，通常为固相的密排晶面。在光学显微镜下，光滑界面由曲折的若干小平面组成，所以又称为小平面界面，如图2-19a上图所示。一、固液界面的微观结构图2-19固液界面的微观结构固液界面的微观结构图2-19b属于粗糙界面。从原子尺度观察时，这种界面高低不平，并存在着