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1、金属材料与热处理（第二版）2015年月出版Heat Treatment大连理工大学出版社主编：王书田“十二五”职业教育国家规划教材高职高专焊接技术及自动化类课程规划教材模块三 纯金属的结晶课题1 结晶现象课题2 晶体的形核与长大课题3 结晶的条件课题4 晶粒大小的控制知识准备一、热分析法和冷却曲线热分析法装置及冷却曲线冷却曲线T0 Tn理论结晶温度理论结晶温度实际结晶温度实际结晶温度T过冷度过冷度T= T0 - Tn纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度过冷度 Tt二、金属的结晶现象 1、过冷现象从冷却曲线可知，纯金属的实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度T0的，这种现象称为过冷现象。理论
2、结晶温度T0减去实际结晶温度Tn的差值T称为过冷度。过冷度T不是一个恒定值，与金属含的杂质、冷却速度等元素相关。金属纯度越高，可达到的过冷度越大，冷却速度越快，过冷度也越大。过冷度越大，实际结晶温度就越低。2、结晶潜热金属由固态转化为液态吸收的热量叫熔化潜热，由液态转化为固态放出的热量叫结晶潜热。如果结晶潜热大于向周围环境散失的热量，温度会上升如果结晶潜热等于向周围环境散失的热量，温度保持不变如果结晶潜热小于向周围环境散失的热量，温度会持续下降结晶潜热的释放和散失影响结晶过程。任务提出液态金属是如何形成固态晶体的呢？结晶过程是怎样进行的呢？它的微观过程又是如何进行的呢？课题2晶体的形核与长大技
3、能训练实验一 盐类结晶过程观察1、观察透明盐类的结晶过程及结晶后的形态，对不透明金属的结晶过程建立感性认识。2、观察具有枝晶的金相图片、视频或金属实物，理解金属是树枝状形态结晶的晶体。任务分析由盐类结晶的实验可以观察到，结晶过程是先形成固态的小颗粒，然后这个小颗粒开始长大，直至完全长大到互相接触形成完整的晶体为止，这个过程就揭示了结晶过程是个形核和长大过程。课题2晶体的形核与长大在理论结晶温度以上，这些短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏。这种不断变化着的短程有序原子集团称为结构起伏，或称为相起伏。只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏，才有可能在结晶时转变为晶核，因此这
4、些尺寸较大的相起伏被称为晶胚。.晶体晶体液体液体结晶结晶结晶：结晶：液体液体 晶体晶体凝固： 液体 固体（晶体 或 非晶体）液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程一、形核过程金属结晶首先需要形成具有一定晶体结构、一定尺寸的固态小晶体，这个小晶体称为晶核，然后液态里的金属原子不断向晶核迁移而长大，最后液体消失，形成完整的晶体。晶核的形成方式有两种：均质形核、异质形核 。 1、均质形核也称为自发形核或均匀形核，这种形核方式是由金属自身的原子按照一定的晶体结构排列形成的晶核。这个晶核只有达到一定尺寸才能够长大为晶体，这个一定尺寸的晶核称为临界晶核，也就是说，只有晶胚的尺寸大于临界晶核，才能
5、够称为晶核。晶核一旦形成，就在液体里面形成了额外的固体的表面，增加了能量，能量起伏提供了所需的表面能。一定温度下，液体的整体平均能量不变，但是，在液体的局部微小体积内，能量却此起彼伏，忽大忽小，这种局部能量起伏不定偏离平均能量的现象就是能量起伏现象。2、异质形核也称为非自发形核或非均匀形核，这种形核方式是由金属的原子依附于外来固体的表面，按照一定的晶体结构排列形成的晶核。异质形核的临界晶核尺寸与均质形核没有什么不同，但由于依附于外来固体的表面，因此形核所需的表面能可以减少，因此，同等条件下，异质形核比均质形核要容易。所需要的过冷度也小。实际金属的结晶过程中，均质形核和异质形核是同时存在的，但主
6、要按异质形核的方式进行。二、长大过程当晶核一旦形成，就马上开始了长大过程。结晶过程的进行依赖于新晶核的不断产生，更依赖于已有晶核的不断长大。晶核的长大过程是液相原子不断地向固相表面的迁移过程。如果只有一个晶核，最后将长大成为单晶体，如果有多个晶核，则长大成为由许多被称为晶粒的小单晶体组成的多晶体。晶体的长大有平面长大和树枝状长大两种方式 1、平面长大在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。除了亚金属Sb、Si等和合金中一些金属间化合物，平面长大方式在实际金属结晶中比较少见2.树枝状长大在冷却速度较大的情况下，特别是存在有杂质时，金属晶体往往以树枝状的方式长大。由于液固
7、界面前沿的液体中过冷度较大，晶体优先沿过冷度较大方向生长出空间骨架，形同树干，称为一次晶轴。在一次晶轴增长和变粗的同时，其上会出现很多凸出尖端，它们长大成为枝干，称为二次晶轴。对一定的晶体来说，二次晶轴与一次晶轴有确定的角度，在立方晶系中，二者是相互垂直的。二次晶轴生长到一定程度后，又在它上面长出三次晶轴，如此不断地成长和分枝，形成如树枝状的骨架，称为树枝晶。实际金属结晶时，一般都以树枝状方式长大，得到树枝晶。每一个枝晶长成为一个晶粒，当所有的枝晶都严密地对接起来，液相消失时，就分不出树枝状了，只能看到各个晶粒的边界。三、金属的同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象称为同
8、素异构转变铁的同素异构转变：铁的冷却曲线Tt15381394912-Fe，bcc-Fe，bcc-Fe，fcc770铁磁性结晶必须具备一定条件才能够进行热力学条件：有一定的过冷度结构条件：相起伏或结构起伏能量条件：能量起伏形核条件：晶胚尺寸大于临界晶核课题3 结晶的条件任务提出：细小晶粒的金属具有更高的力学性能，晶粒越细小，晶界就越多，材料的强度、硬度就越高，现在我们也已经知道金属结晶所具备的条件，那么我们如何通过具体的方法来得到细小的晶粒呢？任务分析：任务提出的问题，实际上就是如何通过理论知识来指导实践的问题，也就是说，如何利用结晶知识，控制结晶条件得到细小的晶粒，从而在材料不变的条件下获得更
9、高的力学性能。课题4 晶粒大小的控制1、影响晶粒大小的因素通过细化晶粒提高强度的方法称为细晶强化形核率N ：单位时间单位体积液体内形成晶核的数目。形核率越大，单位体积中晶核数目越多，每个晶核长大的空间越小，因而长成的晶粒越细小。长大速度G ：液固界面向前移动的速度。长大速度越快，则晶粒越粗大。晶粒的大小取决于形核率和长大速度之比，N/G比值越大，晶粒越细小，反之则越粗。随着T增大，N和G都会增大，但增速不同，N大于G。在一定的T范围内， T越大，N/G值越大，晶粒越细小。当T增大到一定值后，N和G都会下降。凡能促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒形核率形核率N NN N GG过冷度过冷度T
10、T长大速度长大速度GG2、细化晶粒的方法增大过冷度：增大过冷度的主要方法之一是提高金属熔液冷却速度。加入变质剂(孕育剂、形核剂)：用以增加异质晶核数量或阻碍晶核长大。在铝合金中加入钛、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。振动、搅动：对即将凝固的金属进行振动或搅动，使树枝晶破碎，晶核数增加，从而达到细化晶粒的目的。可以采用机械、超声波、电磁等方法振动或搅拌来细化晶粒。相变细化：利用金属在固态下发生相变的方法来细化晶粒，因为只要发生相变，就会有新相晶核的形成与长大过程，控制这个过程，就能够细化固态金属的晶粒。塑性变形细化：塑性变形可以迫使原有的晶粒发生破碎和
11、变形，形成亚结构，从而细化了晶粒，当冷变形金属在加热的时候，发生再结晶，通过控制再结晶也可以细化晶粒。 知识拓展一、铸锭的结晶二、焊缝的结晶一、铸锭的结晶在实际生产中，液态金属是在铸锭模或铸型中凝固的，前者得到铸锭，后者得到铸件。冶炼后的液态金属及其合金，除少数直接铸成铸件外，绝大部分要先铸成铸锭，然后再进行轧制，制成各种型材。铸锭的组织和质量，不但影响到它的压力加工性能，还影响到压力加工后的金属材料的组织和性能。1、三晶区的形成铸锭的宏观组织分为外表层的细晶区、中间的柱状晶区和心部的等轴晶区。11细晶区细晶区 22柱状晶区柱状晶区 33等轴晶区等轴晶区铸锭三晶区示意图表面细等轴晶区 液体金属
12、注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区中间柱状晶区 细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷 却速度降低，过冷度减小， 生核速率降低，但此时长大 速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次 晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方 向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。心部粗等轴晶区 随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和
13、漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区。2、铸锭结晶的控制影响铸锭结晶的主要是合金的成分、浇注条件等因素，控制这些因素就可以改变三晶区的相对厚度和晶粒大小，甚至于可以得到只有两个晶区或一个晶区组成的铸锭。提高液体的过热度、提高浇注温度、增加铸锭模冷却能力、不附加振动和搅拌等措施，均有利于形成柱状晶。反之，利于形成等轴晶。二、焊缝的结晶焊接熔池一般比较小，热容量较小，且周围被散热快的冷金属包围，因此，焊缝的冷却速度非常快，过冷度很大。焊接过程中，焊接熔池随着焊接热源的移动而移动，使熔池金属在动态下结晶，同时加上热源对熔池金属的
14、搅拌作用，易于获得致密的、性能较好的结晶组织。焊接熔池金属的温度很高，使得外来杂质熔化，减少了熔液异质形核的数目，同时，熔池母材又提供了异质形核的基底，故此，焊缝结晶将直接在母材金属晶粒上面长大，成为垂直于熔池与母材间熔合线向焊缝中心发展的柱状晶。小结金属的结晶包含形核与长大两个过程。结晶首先必须得形成晶核，形核方式有均质形核和异质形核两类，异质形核相对容易一些。纯金属结晶过程需要满足过冷度、相起伏、大于临界晶核和能量起伏这些条件，如果一个条件不满足，则结晶过程是不能够进行的。金属结晶后的形态是树枝晶，当所有的枝晶都严密地对接起来，液相消失时，就分不出树枝状了，只能看到各个晶粒的边界。因此，金
15、属一般是多晶体。金属晶粒的大小对金属材料的性能产生重要的影响，可以通过控制形核率和长大速度来控制晶粒大小，具体操作中，通过控制过冷度、冷却速度、孕育处理、振动处理、相变等影响形核率和长大速度的因素来控制晶粒大小。综合训练： 知识训练 一、填空题1、金属的结晶是指由原子 不规则 排列的近程有序， 转变为原子 规则 排列的晶体 过程。2、纯金属的冷却曲线是用 热分析 法测定的。冷却曲线的纵坐标表示 温度 ，横坐标表示 冷却时间 。3、金属的理论结晶温度 和 金属的实际结晶温度 之差称为过冷度。4、过冷度的大小与冷却速度 有关， 冷速 越快，金属的实际结晶温度越，过冷度也就越大。5、金属的结晶过程是
16、由 形核 和 长大 两个基本过程组成的。综合训练： 6、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的 形核率 及 长大速度 。7、纯金属结晶的特点是结晶总是在一定的 温度 下才能进行，并且结晶的整个过程是在 恒温 下进行的。8、金属结晶时，形核率 越大 ，晶体长大速度 越小 ，单位体积内的晶核就 越多 ，晶粒就越细。二、判断题（）1、金属的实际结晶温度均低于理论结晶温度。（）2、金属结晶时过冷度越大，结晶后晶粒越粗。（）3、一般说，晶粒越细小，金属材料的力学性能越好。（）4、同素异构转变过程也遵循晶核形成与长大的规律。（）5、金属发生同素异构转变时要放出热量，转变是在恒温下进行的。（）6、纯金属具有固定的熔点。（）7、晶粒越粗的金属材料其力学性能越好。（
