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1、第二章金属材料组织与性能的控制第一节纯金属的结晶物质“液固”转变的过程凝固（晶体或非晶体）。金属凝固一般形成晶体-结晶。广义上，金属从一种原子排列状态转变为另一种排列状态晶体的过程都属于结晶。“液固”转变称为一次结晶，“固固”转变称为二次结晶（或重结晶）。纯金属的结晶过程第二章金属材料组织与性能的控制一、纯金属的结晶1.纯金属结晶的条件n纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。n结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。n液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。n理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度T=T0T1n过冷度大小与冷却
2、速度有关，冷速越大，过冷度越大。2.纯金属的结晶过程(1)晶核的形成（自发、非自发）液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下,晶坯将会长大到某一临界尺寸后稳定存在，称为晶核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核。以液体中存在的固态杂质或容器壁为核心形核称非自发形核。非自发形核更为普遍，占主导作用。（2）晶体的长大晶核的长大方式有两种，即平面长大和树枝状长大。平面长大：缓冷时，液相温度高于固相，热量通过固相由容器壁导出。此时，如界面有凸出结晶部分伸入液相时，由于液相温度高，即刻停止生长-固液界面近乎保持平面。实际情况较少。树枝状长大：快冷时，靠模壁先结晶，
3、释放潜热，使界面温度高于近处液相温度，存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。实际金属结晶主要以树枝状长大。二、同素异构转变1、铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。属于固态相变。纯铁的同素异构转变同素异构转变有过冷现象、潜热、结构变化、体积变化、内应力、变形开裂，也可细化晶粒、提高性能。1394912 -Fe -Fe -Fe -Fe-Fe、 -Fe-Fe为体心立方结构体心立方结构(BCC)BCC)， -Fe-Fe为面心立方结面心立方结构构(FCC)FC
4、C)。都是铁的同素异构体同素异构体。-Fe-Fe三、铸锭结构及其控制n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。n n铸铸锭锭( (件件) )的的组组织织及及其其存存在在的的缺缺陷陷对对其其加加工工和和使使用用性性能能有有着着直直接接的的影响。影响。1、铸锭结构铸锭(件)的宏观组织通常由3个区组成: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。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。粗等轴晶区
5、: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。2、铸锭晶粒形状的影响因素金属加热温度高、冷却速度大、铸造温度高和浇注速度快，有利于在铸锭或铸件上保持较大温度梯度，从而获得发达柱状晶。结晶时单向散热，有利于柱状晶生成。采用定向结晶的方法，可获得沿冷却方向相反方向的细长柱状晶。沿柱状晶方向强度较高。3 3、细化铸态金属晶粒的措施、细化铸态金属晶粒的措施过冷度对N、G的影响l晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。l单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。l单位时间内晶核生
6、长的长度叫长大速度(G)。lN/G值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。具体措施：增大过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。变质处理：又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂(或称孕育剂)。振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。铸铁变质处理前后的组织变质处理前变质处理后变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。四、单晶的制取单晶是电子元件和激光元件的重要材料。制备单晶的基本要求是液体结晶时只存在一个
7、晶核，要严格防止另外形核。五、快速凝固技术与应用快速凝固技术是使液态金属以极大的冷速进行冷却，获得的组织结构和性能都与模铸的同成份合金有很大变化的金属的技术。方法主要分为三大类，即模冷技术、雾化技术和表面快熔急冷技术。单辊法快速凝固单辊法快速凝固快速凝固技术可以制造非晶态合金、微晶合金、准晶合金和纳米超细微晶等材料。1.非晶态合金非晶态材料的特殊结构导致其具有优异的物理和化学性能。2.微晶合金晶粒尺寸在m级的合金成为微晶合金。微晶材料也具有高强度、硬度和刚度，良好的韧性、耐蚀性等。3.纳米级超细微晶是指几个原子到几百个原子大小的结晶集团。主要特点是1)晶界比例大。2）晶界状态处于大块晶体和纳米微晶之间。
