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哈工大金属学与热处理课件3


(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。
即ΔG = G(转变后) -G(转变前) < 0 时 转变会自发进行
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:
dG =-S dT
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
斜率不同的原因: S液>S固
结晶时只有存在ΔT 才 能 保 证: ΔG V= GS -GL < 0
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。
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,
——晶核可长大
当 r < r0 时, ΔG > 0, 热力学上结晶
不可发生,但液相中结 rk 时,
r0
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。
② 当 rk < r < r0时,
随 r ↑, ΔG ↓
如γ- Fe为 f c c 结构 a≈0.3652nm Cu也为 f c c 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
——随ΔT ↑,ΔG↓↓ 即:增大过冷度,可显著降低形核阻力
(3) 形核率(N = cm -3 s –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• N2 N 1 ─受形核功影响的因子;(ΔT↑, N 1↑) N 2 ─受扩散控制的因子。(ΔT↑, N 2↓) ┗ ΔT对N的影响矛盾、复杂
——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
临界晶核半径与过 冷度的关系:
随ΔT↑, rk ↓;
ΔTk: 晶胚 → 晶核 ——临界过冷度
即过冷液体中最大晶胚尺寸= rk时的ΔT
(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ΔG > 0, 此时:
rK=
2σTm LmΔT
代入球形晶胚自由能表达式可得:
ΔGk =1/3 ·(4πr2k) ·σ =1/3 ·Sk·σ
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
最大散热方向
注意:晶粒外形(外貌)与晶粒取向的差别 另有:形变织构
(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。
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
——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;
——又称为结构起伏。
瞬时 1
瞬时 2
(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;
┗晶胚长大为自发过程
即该尺寸区域的晶
r0
胚不再瞬间离散,而为
稳定且可长大的 。
注意:
实际当rk < r < r0时,
ΔG>0, 按热力学理论
L→S不能发生,然而:
r0
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 ΔG <0 。
微分, 求得: rk =2σ/ΔGV =2σ·Tm/(Lm·ΔT) ——临界晶核尺寸
金属玻璃
实际纯金属: 随ΔT↑, N↑; 且ΔT =0.2Tm
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r>rK。 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
感应加热炉 叶片
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
等轴晶和柱状晶体性能比较
等 轴晶
柱状晶
优点:
优点:结构致密
无方向性,无 缺点:
明显弱面,热加 1、由于结晶位向一致,性
工性能好。
能有方向性,热加工性能差
缺点:
2、两个不同方向柱状晶
显微缩孔多,的结合处杂质多、强度低,
致密性差。
称为弱面,热轧时易破断。
2 铸锭组织的控制 一般有三个晶区,凝固条件复杂,在某些
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。
1表层细晶 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”
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
形核功:过冷液 结晶总阻力 体形核时的障碍
事实上,只要 r > rk, 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 :
ΔGK=
4π( 3
2σTm LmΔT
)

===16πσ3Tm2 1 3L2m ΔT 2
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:
△GV=Lm
△T Tm
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
——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。
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