金属结晶的基本概念

  一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固,如凝固后形成晶体,则称为结晶。

  金属在固态下通常都是晶体,所以金属自液态冷却转变为固态的过程,称为金属的结晶。

液态金属中存在许多近程有序排列的原子集团,但不稳,定瞬时出现瞬时消失。在熔点以下,具有一定尺寸的、稳定的有序原子集团转变为长程有序的状态,即固体。

漂亮的化学金属(金属的漂亮结晶)(1)

液态金属中存在许多近程有序排列的原子集团,但不稳,定瞬时出现瞬时消失

凝固: 液体 --> 固体(晶体或非晶体)

结晶: 液体 --> 晶体

漂亮的化学金属(金属的漂亮结晶)(2)

液体 --> 固体(晶体或非晶体), 液体 --> 晶体

1.实际结晶温度的测定(冷却曲线)

先将纯金属加热熔化为液体,然后缓慢冷却下来,同时每隔一定时间测一次温度,并把记录的数据绘在温度-时间坐标中,得到温度与时间的曲线,即:冷却曲线(右图)。

   可见,随时间的增长,温度逐渐降低,当到T0温度时出现一个平台,说明这时虽然液体金属向外散热,由于在这一温度液体开始结晶向外放热,补偿了液体对外的热量散失,这正是实际结晶温度。

这一平台的开始时间即结晶的开始,终了时间即结晶的终了,结晶终了后就没有结晶潜热来补偿热量的散失,所以温度 又开始下降。

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实际结晶温度的测定(冷却曲线)

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冷却曲线的测定

2. 结晶时的过冷现象

各种纯金属如Fe、Cu等都有一定的结晶温度。Fe:1539℃,Cu:1083℃等等,这是指理论结晶温度,也叫平衡结晶温度,是指液体的结晶速度与晶体的熔化速度相等时的温度。

  实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度,原因在结晶的能量条件上。

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冷却曲线

液体和固体的由能随温度的变化:

F代表体系的能量,当固态金属的自由能低于液态金属的自由能,F固-F液= ΔF<0时,结晶过程进行。

从温度坐标上看,实际结晶温度T1低于平衡结晶温度T0,结晶过程自发进行。

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液体和固体的由能随温度的变化

液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷

理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度T= T0 –T1过冷度大小与冷却速度有关,冷速越大,过冷度越大。

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液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷

结晶过程的基本规律

1. 形核和核长大,金属的结晶过程从微观的角度看,当液体金属冷到实际结晶温度后,开始从液体中形成一些尺寸极小的、原子呈规则排列的晶胚成为晶核,这种已形成的晶核不断长大,同时液态金属的其它部位也产生新的晶核,新晶核又不断长大,直到液态金属全部消失,结晶结束。

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形核和晶核长大的过程

两种形核方式 —— 自发形核 与 非自发形核

自发形核——由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。

非自发形核 ——非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核,非自发形核所需能量较少,它比自发形核容易得多,一般条件下,液态金属结晶主要靠非自发形核。

两种长大方式--- 平面生长 与 树枝状生长

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树枝晶示意图

平面长大方式:在过冷度较小时,纯金属晶体长大须服从表面能最小的原则,沿原子密排面的垂直方向长大速度最慢,沿非原子密排面的垂直方向长大速度最快。这样,晶体获得表面为原子最密排面的规则形状,当许多晶体彼此接触后,规则形状才被破坏。

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平面长大方式

树枝状长大方式:在过冷度较大并存在杂质时,晶核生长为很小的形状规则的晶体,然后沿一定方向生长出空间骨架,此被称为一次晶轴。在一次晶轴增长和变粗的同时,在其侧面长出新的枝芽,长成枝干,此称为二次晶轴。以此方式,二次晶轴上长出三次晶轴,三次晶轴上长出四次晶轴,直到消耗完全部液体。

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树枝状长大方式

2. 影响晶核形成和长大的因素

1)过冷度:ΔT大,ΔF大,结晶驱动力大,形核率和长大速度都大,且N的增加比G增加得快,提高了N与G的比值,晶粒变细。 

2)变质处理:在液态金属结晶前,特意加入某些合金,造成大量可以成为非自发晶核的固态质点,使结晶时的晶核数目大大增加,从而提高了形核率,细化晶粒的处理方法。

冷却速度越大,则过冷度越大,晶粒越细小:

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冷却速度越大,则过冷度越大,晶粒越细小

3.形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系:

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形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系

4.细化铸态金属晶粒的措施

实际金属结晶之后,获得多晶体。晶粒的大小对于纯金属的性能影响极大。见下表:晶粒度的概念:晶粒是由一个晶核长成的,在显微镜下呈颗粒状,颗粒的大小即为晶粒度,用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度表示。

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晶粒的大小对于纯金属的性能影响极大

晶粒度 —— 表示晶粒大小,分8级

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晶粒度 —— 表示晶粒大小,分8级

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表示晶粒大小,分8级

(1)提高过冷度

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形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系

(2)变质处理

在液体金属中加入变质剂(孕育剂),以细化晶粒和改善组织的工艺措施。

变质剂的作用:作为非自发形核的核心,或阻碍晶粒长大。

(3) 振动、搅拌等:对正在结晶的金属进行振动或搅动,使成长中的枝晶破碎,使晶核数目显著增加。

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振动、搅拌等:对正在结晶的金属进行振动或搅动,使成长中的枝晶破碎,使晶核数目显著增加。

铸锭结构及其控制

1.在实际生产中,液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭,而注入到铸型模具中成型则得到铸件。

2.铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。

铸锭(件)的宏观组织通常 由三个区组成:

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铸锭(件)的宏观组织通常 由三个区组成

⑴ 细晶等轴区:浇注时,由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用,使表面形成一层很细的等轴晶粒区。

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铸锭(件)的宏观组织

⑵ 柱状晶区:由于模壁温度升高,结晶放出潜热,使细晶区前沿液体的过冷度减小,形核困难。加上模壁的定向散热,使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。

⑶粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出,散热速度不断减慢,导致柱状晶生长停止,当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时,在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。

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铸锭结晶组织

铸锭结构的特点:

1、柱状晶是由外向里顺序结晶的,较为致密。但柱状晶的接触面是低熔点杂质和非金属夹杂集中的地方,对于高熔点金属和杂质多的金属,如铁、镍及其合金,在热轧和锻造时容易开裂。

2、柱状晶具有明显的方向性,其性能沿着柱向较好。

3、等轴晶区内,晶粒彼此相嵌,结合牢固,性能均匀,无方向性.。

同素异构转变

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纯铁的同素异构转变

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纯铁的冷却曲线

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