1-2纯金属的结晶

纯金属的结晶金属材料通常需要经过熔炼和铸造，要经历由液态变成固态的凝固过程。金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。了解金属结晶的过程及规律，对于控制材料内部组织和性能是十分重要的。一、纯金属的结晶过程金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究，图为热分析装置示意图。1—电炉2—坩埚3—金属液4—热电偶将纯金属加热熔化成液体，然后缓慢地冷却下来，在冷却过程中，每隔一定的时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度—时间坐标图中，便获得纯金属的冷却曲线，如图所示。由冷却曲线可见，液体金属随着冷却时间的延长，它所含的热量不断向外散失，温度不断下降。当冷却到a点时，液体金属开始结晶。由于结晶过程中释放出来的结晶潜热补偿了散失在空气中的热量，因而结晶时温度并不随时间的延长而下降，直到b点结晶终了时才继续下降。a～b两点之间的水平线即为结晶阶段，它所对应的温度就是纯金属的结晶温度。理论上金属冷却时的结晶温度(凝固点)与加热时的熔化温度是同一温度，即金属的理论结晶温度(To)。实际上液态金属总是冷却到理论结晶温度(To)以下才开始结晶，如图所示。实际结晶温度(To)低于理论结晶温度()这一现了象称为“过冷现象”。理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度()。金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，金属的实际结晶温度就越低。图纯金属结晶时的冷却曲线晶温度越低，过冷度也就越大。1T10TTT液态金属的结晶是在一定过冷度的条件下，从液体中首先形成一些微小而稳定的小晶体，然后以它为核心逐渐长大。这种作为结晶核心的微小晶体称为晶核。在晶核长大的同时，液体中又不断产生新的晶核并不断长大，直到它们互相接触，液体完全消失为止。因此，结晶过程是晶核的形成与长大的过程。图是金属的结晶过程示意图。结晶开始时，液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶格类型排列成微小的晶核，以后晶核向着不同位向按树枝生长方式长大，当成长的枝晶与相邻晶体的枝晶互相接触时，晶体就向着尚未凝固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止。最后形成了许多互相接触而外形不规则的晶体。这些外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。由于每个晶粒的位向不同，使它们相遇时不能合为一体，这些晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。二、晶粒大小对金属的影响金属的晶粒大小对金属材料的机械性能、化学性能和物理性能影响很大。一般情况下，晶粒越细小，金属材料的强度和硬度越高，塑性和韧性越好。因为晶粒越小，晶界越多。晶界处的晶体排列是非常不规则的，晶面犬牙交错，互相咬合，因而加强了金属间的结合力。工业中常用细化晶粒的方法来提高金属材料的机械性能，称为细晶强化。晶粒大小的控制1．晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的指标。工业上，通常采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度一般分为八级，一级最粗，八级最细。晶粒度级别越高，晶粒越细。工业中常用的细晶粒是7～8级，晶粒尺寸为0.022mm。2.晶粒大小对力学性能的影响一般地，金属的晶粒越细，常温下的力学性能越好。晶粒的大小与过冷度和变质处理密切相关：过冷度：过冷度越大，产生的晶核越多，导致晶粒越细小。通常采用改变浇注温度和冷却条件的办法来细化晶粒。变质处理：也叫孕育处理。金属液中晶核多，则晶粒细小。通常采用浇注前添加变质剂的办法来促进晶核产生，以拟制晶粒长大。3．晶粒大小的控制形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核的数目。长大速率（G）：晶核在单位时间内生长的长度。在长大速率相同的情况下，形核越多，晶粒越细。比值N/G越大，晶粒越细小。细化铸态金属晶粒有以下措施1.增大金属的过冷度一定体积的液态金属中,若成核速率N(单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3·s)越大,则结晶后的晶粒越多,晶粒就越细小;晶体长大速度G(单位时间晶体长大的长度,m/s)越快,则晶粒越粗。增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度,采用冷却能力较强的模子。例如采用金属型铸模,比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。2.变质处理变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，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。例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，都可使晶粒细化。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。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。但有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等。这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。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δ-Fe。继续冷却到1394℃时发生同素异构转变,成为面心立方晶格的γ-Fe。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α-Fe。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δ-Fe、γ-Fe、α-Fe均是纯铁的同素异晶体。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。新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γ-Fe转变为α-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。