华南理工大学机械工程材料课件-第二章

第一节纯金属的结晶第二节铸锭的组织与缺陷第二节铸锭的组织与缺陷12012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程第一节纯金属的结晶凝固：液态转变为固态凝固与结晶的关系凝固：液态转变为固态结晶：液态转变为具有晶体结构的固态非关系：结晶是凝固过程的一种特殊形式非晶体水关系：结晶是凝固过程的一种特殊形式。特征：恒温点完成，是相变过程凝固水凝固结晶结晶=相变结晶晶液体冰22012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程晶体第二章纯金属的结晶主要内容金属结晶的热力学条件目的控制晶粒形状大小和金属结晶的热力学条件金属结晶的一般过程晶核形成与长大控制：晶粒形状、大小和分布提高力学性能(强度塑晶核形成与长大晶粒大小的控制铸锭的组织与控制提高：力学性能(强度、塑性、韧性)和工艺性能(切削加工等)铸锭的组织与控制加工等)。32012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程第一节纯金属的结晶一、过冷现象与过冷度热分析法测定冷却曲线1.凝固过程测定热分析法测定冷却曲线原理：利用凝固过程的热效应热分析装置示意图42012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程热分析装置示意图第一节纯金属的结晶2.纯金属凝固冷却曲线实际开始结晶温度(T)总是过冷现象：实际开始结晶温度(Tn)总是低于理论结晶温度(Tm)。△T：过冷度过冷度：ΔT=Tm-TnTnTmΔTmperature/℃△T随V冷却而变：V冷却↑，△T↑当V冷却极其缓慢时Tn→Tm纯金属的冷却曲线TemTime过冷当V冷却极其缓慢时，Tn→Tm，Tm为熔化与结晶的平衡点52012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程纯金属的冷却曲线第一节纯金属的结晶3.金属结晶的热力学条件为什么需要过冷？满足热力学条件为什么需要过冷？——满足热力学条件物质系统总是由自由能（G)较高的状态自发向自由能较低的状态转变在等温、等压条件下较低的状态转变。−=⇒−=dGSdTVdPdGTSHGd00−=⎯⎯→⎯=SdTdGdP/斜率自由能随温度下降而下降S0，dG/dT0，斜率0，自由能随温度下降而下降。S液态S固态，液态金属自由能-温度曲线下降趋势大于固态。62012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程第一节纯金属的结晶自由能：物质中能自动向外界释放出其多余的向外界释放出其多余的或能对外界作功的那部能ΔG=GS-GL0分能量。只有当Tn﹤Tm时，GS自由能G只有当时，G固﹤G液，结晶才能自发进行。GL自进行∴液相过冷是结晶的必要条件液相和固相自由能随温度变化图Tm条件V冷却↑，△T↑，△G↑，结晶驱动力↑72012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程第一节纯金属的结晶二、金属结晶的一般过程金结过意◆形核和核长大的过程，非独立，交错重叠进行。金属结晶过程示意图◆结晶后的固态金属一般是由大小不等、取向各异、外形不规则的等轴晶粒所组成的多晶体金属。◆如果结晶过程只形成一个晶核并长大，结晶后则只有一个晶粒，称为单晶体。82012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程第一节纯金属的结晶三、晶核形核方式1.两种形核方式均匀形核：晶核在均匀液相中由液相的一些原子集团直接形成，不受杂质粒子或外表面的影响。非均匀形核：晶核依附于固态杂质或模壁上形成。这是金属凝固过程中主要形核方式这是金属凝固过程中主要形核方式。92012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程第一节纯金属的结晶近程有序液态金属在微小范围内紧密接触规则排列的原2.均匀形核近程有序:液态金属在微小范围内紧密接触规则排列的原子集团。结构起伏:近程有序原子集团在液相中不断变化。晶胚:当温度降至熔点以下过冷液相中某些近程有晶胚:当温度降至熔点以下，过冷液相中某些近程有序原子集团就有可能成为均匀形核的晶胚。在一定△T下产生晶胚，当晶胚尺寸﹥此△T下的临界尺寸时，便成为产生晶胚，当晶胚尺寸此△T下的临界尺寸时，便成为稳定晶核。决定临界尺寸的因素形核驱动力和界面能的平衡决定临界尺寸的因素：形核驱动力和界面能的平衡102012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程气体、液体、晶体的结构气体、液体、晶体的结构112012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程第一节纯金属的结晶形核率（N）:单位时间单位体积液相中形成的晶核数目称为形核率。形核率与实际过冷度的关系山形曲线称为形核率。控制因素：①固相与液相的自由能之差－形N2N1NN核的驱动力△T↑→△G↑形核率N②原子的迁移能力或扩散系数(D)△T↑→T↓→D↓ΔT中等过冷度下形核率达到最大值。形核率与温度的关系Tm过冷度温度122012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程形核率与温度的关系第一节纯金属的结晶有效过冷度有效过冷度有效过冷度形核率骤然增加时有效过冷度的过冷度称为有效过冷度ΔT02T过冷度ΔTP=0.2Tm金属的形核率与过冷度的关系金属的形核率与过冷度的关系132012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程第一节纯金属的结晶3.非均匀形核特点：所需过冷度△T较小！晶核依附在固体杂质或模壁上形成，可以降低界面能，降低形核阻力。条件能作为结晶核心的固相条件：能作为结晶核心的固相粒子与晶核之间，要符合点阵匹配原则“结构相似尺非均匀匹配原则——“结构相似，尺寸相当”，“相似”、“相当”程度越大形核作用越明形核示意当”程度越大，形核作用越明显，所需过冷度越小。意图142012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程第一节纯金属的结晶四、晶体长大1.长大的驱动力和条件晶体长大时－ΔG﹥ΔG要在过冷液相中进行晶体长大时,ΔG体积﹥ΔG表面要在过冷液相中进行一般来说，△T↑，长大速度越快。（所需△T比形核低）以使原子有足够的扩散能力，液相温度要足够高中等过冷度下长大速度达到最大值。符合山形曲线长大速度（G）中等过冷度下长大速度达到最大值。符合山形曲线长大速度（G）：单位时间内晶体沿其法线方向向前推进的距离。152012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程第一节纯金属的结晶影响因素2.长大方式正温度梯度影响因素：固-液界面前沿液相的温度梯度梯度正温度梯度——液相中的温度随至界面距离的增加而增大，过冷度降低。负温度梯度低。梯度负温度梯度——液相中的温度随至界面距离的增加而降低，过冷度增大。162012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程大第一节纯金属的结晶平面状长大在正温度梯度条件下，晶体始终保持液、固平直表面长大——规则外形●∵离界面距离↑,△T↓，∴突出部分长大速度↓，甚至熔化，∴突出部分长大速度↓，甚至熔化，使周围部分赶上。●遵循表面能最小法则●遵循表面能最小法则：∵密排晶面，比表面能↓，∴晶体就长成主要以密排面为外表面的规则形状。平面状长大示意图172012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程平面状长大示意图第一节纯金属的结晶树枝状长大在负的温度梯度条件下，局部突出的晶芽在较大的过冷度比周围基体更快地长大和分枝——树枝状晶体●∵离界面距离↑，△T↑，∴晶体易于突出长大不断分叉∴晶体易于突出长大，不断分叉，(一次轴、二次轴、三次轴…)成树枝状树枝状长大示意图182012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程树枝状长大示意图第一节纯金属的结晶金属的树枝状结晶192012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程第一节纯金属的结晶五、晶粒大小的控制1晶粒度晶粒度：晶粒大小，分10级。晶粒寸强度硬1.晶粒度晶粒尺寸↓，强度、硬度、塑性和韧性↑。影响因素:形核率(N)和长大速度(G)的相对大小，与两者的比值43⎞⎛N21⎞⎛N有关：N/G↑，晶粒越细小。9.0⎟⎠⎞⎜⎝⎛=GNZV1.1⎟⎠⎞⎜⎝⎛=GNZS形核率和长大速度与过冷度的关系202012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程过冷度的关系第一节纯金属的结晶2.获得细晶粒的方法：N↑，G↓则晶粒细化控制过冷度提高冷却速度控制过冷度——提高冷却速度V冷却↑，△T↑，N↑↑,G↑,N/G↑,晶粒越细小。变质处理（或称孕育处理）振动搅拌（物理方法）加入形核剂(又称变质剂)，促进非均匀晶核。振动、搅拌（物理方法）促进“动核”产生——机械振动、超声波处理、电磁搅212012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程拌铸铁变质处理前后的组织变质处理前变质处理使铸铁中石墨细化。变质剂为硅铁或变质处理后变质铁硅钙合金。222012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程变质处理后第二节铸锭的组织与缺陷表层细晶区表面激冷一、铸锭的典型组织(1)表层细晶区：表面激冷(2)柱状晶区：背着散热方向平行向液相中择优生长中等轴晶散热方向性不明显均匀冷却过冷度也较大(3)中心等轴晶：散热方向性不明显，均匀冷却，过冷度也较大，中心区域均匀形核，各方向长大速度均匀。铸锭三晶区组织形成过程示意图232012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程铸锭三晶区组织形成过程示意图第二节铸锭的组织与缺陷二、铸锭缺陷1缩孔：金属液凝固收缩后得不到补充孔大而集中——集中缩孔。孔细小且分散——分散缩孔（即缩松）3Cr3Mo3VNb锻棒的残余缩孔TC4钛合金锻棒中的残余缩孔WNr2713轧棒中的残余缩孔242012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程残余缩孔残余缩孔WNr2713轧棒中的残余缩孔第二节铸锭的组织与缺陷2气孔：凝固过程中气体析出产生。5Cr模具锻镁合缺陷rNiMo锻坯气泡合金铸造陷气泡252012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程第二节铸锭的组织与缺陷3夹杂物：浇注过程中混入的外来夹杂物凝固过程中反应产生的内生夹杂物。硫化物夹杂氧化物夹杂对焊刀具毛坯焊缝的夹渣模锻锤整体模具的内部夹杂物3Cr3Mo3VNb热作锻模钢坯中的非金属夹杂物262012-04-04机械工程材料精品课程机械工程材料精品课程对焊刀具毛坯焊缝的夹渣内部夹杂物非金属夹杂物