哈工大崔忠圻老师金属学与热处理课件-第二章--纯金属的结晶

第二章纯金属的结晶结晶：金属由液态转变为晶体金属的过程——金属生产的第一步本章目的：1介绍金属结晶的基本概念和基本过程2阐明金属实际的结晶组织及其控制一、结晶的概念与现象结晶概念:物质由液态转变为具有晶体结构的固相的过程称为～§1金属的结晶纯金属结晶时的热分析曲线特点：——冷却曲线(T-t)(1)低于熔点才发生结晶(2)存在结晶平台1金属结晶的宏观现象：(1)过冷现象金属在低于熔点的温度结晶的现象(2)结晶过程伴随潜热释放结晶潜热：液相结晶为固相时释放的热量。2金属结晶的微观过程:金属结晶的微观过程:（1）形核从液体中形成具有一定临界尺寸的小晶体(晶核)的过程（2）长大晶核由小变大长成晶粒的过程——实际金属最终形成多晶体注：单个晶粒由形核→长大多个晶粒形核与长大交错重叠**当只有一个晶核时→单晶体**晶核越多，最终晶粒越细二金属结晶的条件1热力学条件热力学：研究系统转变的方向和限度——转变的可能性热力学第二定律：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。即ΔG=G(转变后)－G(转变前)0时转变会自发进行SdTdG＝－G:体系自由能T:热力学温度S:熵，表征体系中原子排列混乱程度的参数纯金属恒压条件下在液态、固态时的自由能GS、GL随温度的变化如下：斜率不同的原因：S液S固结晶时只有存在ΔT才能保证：ΔGV=GS－GL0从而使L→S┗结晶存在过冷度ΔT的原因——存在过冷度是结晶的必要条件过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差值另可推出：mmVTTLG△＝△结晶潜热——过冷度越大，相变驱动力越大2结构条件液态金属结构特点：(1)原子间距等与固态相近,与气态迥异(2)短距离的小范围内存在近似于固态结构的规则排列——短程有序晶体：长程有序结晶的实质：由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。液相中近程规则排列的原子集团称为“相起伏”相起伏特点：(1)瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏;瞬时2瞬时1——又称为结构起伏。(2)相起伏或大或小，不同尺寸相起伏出现的几率不同，过大或过小的相起伏出现几率均小;(3)过冷度越大，最大相起伏尺寸越大。——过冷液体中的相起伏称为晶胚液体中存在足够大的稳定晶坯即“晶核”┗结晶的结构条件另：能量起伏条件三、形核形核方式分为：①均匀形核(自发形核、均质形核)：依靠稳定的原子集团——相起伏②非均匀形核(非自发形核、异质形核)：晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。1均匀形核指从过冷液体中依靠稳定的原子集团自发形成晶核的过程.（1）临界晶核半径结晶驱动力：GS－GL结晶阻力：表面能假设晶胚体积为V,表面积为S，则系统总的自由能变化：ΔG=－V·ΔGV+S·σ单位面积表面能液固两相单位体积自由能假设晶胚为球体，半径为r，则：ΔG=－4/3·πr3·ΔGV+4πr2·σ假设晶胚体积为V,表面积为S，则系统总的自由能变化：ΔG=－V·ΔGV+S·σ单位面积表面能液固两相单位体积自由能分析右图：当rr0时，①系统的ΔG0结晶过程可发生；——形成稳定晶核②随r↑，ΔG↓晶核长大为系统自由能降低过程；——晶核可长大r0当rr0时，ΔG0,热力学上结晶不可发生，但液相中结构起伏的稳定状态不同：①当rrk时，随r↑，ΔG↑——晶胚尺寸减小为自发过程→会瞬间离散,只能保持结构起伏状态，不能长大。r0②当rkrr0时，随r↑，ΔG↓┗晶胚长大为自发过程即该尺寸区域的晶胚不再瞬间离散，而为稳定且可长大的。r0注意：实际当rkrr0时，ΔG0,按热力学理论L→S不能发生，然而:rk：为临界晶核尺寸原因:——过冷液体中存在能量起伏,其中高能区可能使ΔG0。r0微分,求得：rk＝2σ/ΔGV＝2σ·Tm/(Lm·ΔT)——临界晶核尺寸临界晶核半径与过冷度的关系：随ΔT↑，rk↓；即过冷液体中最大晶胚尺寸＝rk时的ΔTΔTk:晶胚→晶核——临界过冷度（2）形核功以及形核时的能量起伏现象事实上，当r＝rk时系统的ΔG0,此时：结晶总阻力形核功：过冷液体形核时的障碍ΔGk＝1/3·(4πr2k)·σ＝1/3·Sk·σTLTrmmKΔσ＝2代入球形晶胚自由能表达式可得：事实上，只要rrk,即为稳定晶核。原因：液体中除结构起伏外，还存在能量起伏故形核功可以依靠能量起伏来补偿结论：除结构起伏外，形核还借助能量起伏条件形核功的影响因素：222321316)2(34TLTTLTGmmmmKΔπσ＝＝＝σΔσπ＝Δ——随ΔT↑，ΔG↓↓即：增大过冷度，可显著降低形核阻力（3）形核率（N=cm-3s–1）：单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。意义:N越大，结晶后获得的晶粒越细小，材料的强度高，韧性也好。形核率控制因素:N=N1•N2N1─受形核功影响的因子；(ΔT↑,N1↑)N2─受扩散控制的因子。(ΔT↑,N2↓)┗ΔT对N的影响矛盾、复杂实际纯金属：随ΔT↑,N↑;且ΔT=0.2Tm金属玻璃2非均匀形核（非自发形核）：晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。见教材50：公式2－22图2－11非均匀形核特点：形核功↓；ΔT=0.02Tm┗远小于均匀形核结晶时形核要点1、必须要有过冷度ΔT，晶胚尺寸rrK。2、rK与ΔT成反比。ΔT↑rK↓。3、均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏——液体中的自然现象。4、结晶必须在一定温度下进行(扩散条件)5、在工业生产中，液态金属凝固总是以非均匀形核进行。均匀形核ΔT=0.2Tm非均匀形核ΔT=0.02Tm二晶核的长大1液固界面类型光滑界面粗糙界面┗为原子尺度当显微观察时，恰好相反小平面界面非小平面界面光滑界面:液固界面截然分开粗糙界面:液固界面犬牙交错——金属多为粗糙界面2晶核长大的机制光滑界面有两种机制：(1)二维晶核长大机制——速度很慢(2)晶体缺陷长大机制——结构上存在台阶时如螺型位错——速度较(1)快粗糙界面主要有一种机制：(3)垂直长大机制（连续长大）界面上所有位置均为生长点：——垂直界面连续长大；——长大速度远较(1)(2)快；——金属晶体长大的主方式3晶体的生长形态（1）液固界面前沿温度分布正温度梯度温度分布:液相温度随至界面距离增加而提高。——靠近模壁处负温度梯度温度分布:液相温度随至界面距离增加而降低。（2）晶体的生长形态(一)正温度梯度下光滑界面:易于形成具有规则形状的晶体。(100)密排面(简单立方中)，长大速度慢(101)非密排面，长大速度快最终外表面为密排面粗糙界面:“平面长大”方式——平面晶(二)负温度梯度下“枝晶生长”方式——树枝晶——常见——会解释树枝晶形成1粗糙界面2光滑界面多为小平面树枝状晶体有时为规则外形晶体三、晶粒大小及控制1晶粒大小对材料性能的影响常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。——但高温下晶界为弱区，晶粒细小强度反而下降，但晶粒过于粗大会降低塑性。此时须采用适当粗晶粒度。2铸造中晶粒大小的控制形核率越大，长大速度越小，则单位体积中的晶粒数目越多，晶粒越细小。单位体积中的晶粒数目为：ZV=0.9（N/G）3/4细化晶粒：提高形核率N，降低晶核长大速度G工业上常用的方法：（1）增加过冷度过冷度增大，N、G均增大，但N提高的幅度远高于G——增加过冷度——加大冷却速度（2）变质处理添加固相微粒或表面——非均匀形核变质处理定义：在浇注前往液体中加入变质剂(孕育剂)，促进形成大量的非均匀晶核，该工艺称为~。孕育剂选择原则：Ⅰ点阵匹配：即结构相似、尺寸相当。Ⅱ孕育剂熔点远高于金属本身如γ-Fe为fcc结构a≈0.3652nmCu也为fcc结构a≈0.3688nm在液体Cu中加入少量Fe，可促进形核。又如Zr能促进Mg的非均匀形核Ti能促进Al的非均匀形核。（3）振动、搅动：机械方法、电磁波搅拌、超声波搅拌等。§2金属铸锭的组织与缺陷1、铸锭三晶区1表层细晶区2中间柱状晶区3中心等轴晶区铸锭结构图（一）表层细晶区形成原因：（1）过冷度ΔT大。（2）模壁作为非均匀形核的位置。特点：——晶粒细小，组织致密，机械性能好，——薄，无实用意义（二）柱状晶区形成原因：(1)细晶区形成后，模壁温度升高，结晶前沿过冷度ΔT较低，不易形成新的晶核；(2)细晶区中某些取向有利的晶粒可以显著长大；(3)晶体沿垂直于模壁(散热最快)相反方向择优生长成柱状晶。特点：组织粗大而致密；为“铸造织构”铸造织构：铸造过程中形成的一种晶体学位向一致的铸态组织称为～。——又称“结晶织构”注意：晶粒外形(外貌)与晶粒取向的差别另有：形变织构细晶区中：晶粒的001无序取向柱状晶区中：晶粒的001一致取向最大散热方向（三）中心等轴粗晶区形成原因：（1）液体温度全部降到结晶温度以下，可同时形核。（2）未熔杂质、冲断的枝晶分枝可作为非均匀形核的核心。（3）散热失去了方向性，各方向长大速度相差不大。——长成等轴晶。由于过冷度ΔT不大，晶粒较粗大。等轴晶柱状晶优点：无方向性，无明显弱面，热加工性能好。缺点：显微缩孔多，致密性差。优点：结构致密缺点：1、由于结晶位向一致，性能有方向性，热加工性能差2、两个不同方向柱状晶的结合处杂质多、强度低，称为弱面，热轧时易破断。等轴晶和柱状晶体性能比较2铸锭组织的控制一般有三个晶区，凝固条件复杂，在某些情况下只有柱状晶区，而有的只有等轴晶区。塑性好金属铝、铜等——发展柱状晶塑性相对较低的金属、钢等——发展等轴晶（一）促进柱状晶生长的方法：总体：(1)加大液相沿垂直铸锭模壁方向的散热能力——促进散热的方向性(2)降低液相内部非均匀形核的可能性具体：(1)提高铸锭模的冷却能力。如：金属模代替砂型模；增加金属铸模的厚度等注意：此方法仅适于尺寸较大的铸件，但不适于尺寸较小的铸件原因：若铸模冷却能力很大，反而促进等轴晶的发展（增加形核率）。例：连铸小截面钢坯时，采用水冷结晶器，连铸锭全部获得细小的等轴晶粒。（2）提高铸模中心区温度，增大温度梯度。具体：提高浇注温度与浇注速度。（3）提高熔化温度，减少非均匀形核数目。熔化温度越高，液态金属过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶区的发展。例如：1、磁性铁合金001方向导磁率最大，柱状晶的一次轴正好也是这个方向。——发展柱状晶，获得最好的磁学性能。2、燃气轮机叶片，其负荷具有方向性，要求在叶片轴线方向有较高的强度。——使柱状晶的长度方向和叶片轴线方向平行。（二）控制铸锭组织在实际生产中的应用柱状晶制备燃气轮机叶片定向凝固生产技术与装置叶片感应加热炉单晶制备方法（三）、发展等轴晶，限制柱状晶的方法降低浇注温度和浇注速度，减小液体过热度，在液体中保留较多非均匀形核核心；小铸件：可用↑过冷度的方法↑形核率；大铸件：变质处理；3、金属铸锭组织缺陷——自学缩孔气孔夹杂物小结:具有临界晶核尺寸的晶胚驱动力GS-GL阻力σ·S能量起伏与结构起伏类似，是一种自然存在，瞬时出现，大小不等形核功具有临界晶核尺寸的晶胚(液相)转变为晶核(固相)时须外界提供的阻力，第二章习题与思考题1什么是晶体，什么是非晶体？简述二者在结构与性能上的差别。2金属常见的晶体结构由哪几种，Fe、Cu、Al、Ni、Pb、W、Mo、V、Ti、Zn、Mg等各属于哪种晶体结构？3在体心立方晶胞中画出以下晶面或晶向：（121）（101）（321）（121），［121］［101］［321］［121］4金属结晶包括哪两个过程，结晶的条件是什么？什么叫过冷度？5晶粒大小对材料的机械性能有何影响，影响铸态晶粒大小的主要因素是什么？铸造实际中如何控制金属晶粒大小？何谓变质处理？6金属铸锭的组织有何特点，存在哪些缺陷？7讨论：什么是金属材料的组织结构？金属的实际结构是怎样的？金属中晶体缺陷主要有哪些？这些缺陷是否是性能上的缺陷？