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1、工程材料工程材料材料科学与工程学院材料科学与工程学院Engineering Materials第三章第三章材料制备的基本过程材料制备的基本过程第三章材料制备的基本过程第三章材料制备的基本过程新材料的发展，不仅与对材料的成分新材料的发展，不仅与对材料的成分结构结构性能的性能的研究有着密切的关系，还与其制备方法有着直接的联系。研究有着密切的关系，还与其制备方法有着直接的联系。不同的材料需要采用不同的工艺过程来制备和合成：不同的材料需要采用不同的工艺过程来制备和合成：l 金属材料：金属材料：凝固凝固l 陶瓷材料：陶瓷材料：烧结烧结l 聚合物：聚合物：反应合成反应合成材料的制备过程对其物理、化学和力学
2、性能都会产生较大材料的制备过程对其物理、化学和力学性能都会产生较大的影响。了解材料制备的基本过程，掌握材料制备的基本理论、的影响。了解材料制备的基本过程，掌握材料制备的基本理论、技术和工艺方法，对于材料的选用，进一步提升其使用性能有技术和工艺方法，对于材料的选用，进一步提升其使用性能有着重要的意义。着重要的意义。两个概念两个概念凝固：凝固：物质从液态转变为固态的过程。物质从液态转变为固态的过程。结晶：结晶：物质从液态转变为晶体（固态）的过程。物质从液态转变为晶体（固态）的过程。结晶是凝固的一种形式。结晶是凝固的一种形式。一、液态金属的结构特点一、液态金属的结构特点1 1、原子排列的短程有序和长
3、程无序、原子排列的短程有序和长程无序2 2、存在着结构起伏（相起伏）、存在着结构起伏（相起伏）3.13.1金属的结晶金属的结晶气体气体液体液体晶体（固体）晶体（固体）长程有序长程有序短程短程有有序、长程无序序、长程无序有序有序原子团原子团长程无序长程无序气体、液体和晶体的分子（原子）排列的特点气体、液体和晶体的分子（原子）排列的特点3.13.1金属的结晶金属的结晶结构起伏（相起伏）：结构起伏（相起伏）：液态金属中的有序原子团瞬间出现、瞬间消失、此起彼伏、变化不定液态金属中的有序原子团瞬间出现、瞬间消失、此起彼伏、变化不定的现象称为结构起伏，或相起伏。的现象称为结构起伏，或相起伏。结构起伏是金属
4、结晶的结构条件。结构起伏是金属结晶的结构条件。二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程1 1、金属结晶的宏观现象、金属结晶的宏观现象 结晶的宏观现象主要表现在结晶的宏观现象主要表现在出现过冷和产生结晶潜热。出现过冷和产生结晶潜热。 过冷现象过冷现象 结晶潜热结晶潜热TmT时时 间间温温 度度TTm：理论结晶温度理论结晶温度T：实际结晶温度实际结晶温度T：过冷度过冷度纯纯金属的冷却曲线金属的冷却曲线3.13.1金属的结晶金属的结晶冷却曲线冷却曲线TFT0T1固相固相液相液相T液体和晶体自由能与温度的关系曲线液体和晶体自由能与温度的关系曲线T2金属结晶为什么需要过冷？金属结晶为什么需要过冷？ 过冷
5、是金属结晶的能量条件（热力学条件）。过冷是金属结晶的能量条件（热力学条件）。3.13.1金属的结晶金属的结晶液体液体形核形核长大长大长大长大晶核晶核晶核晶核长大长大新的晶核新的晶核液体消失液体消失,结晶完成结晶完成晶体晶体晶粒相互接触晶粒相互接触结晶的一般过程结晶的一般过程形核和长大形核和长大液体液体3.13.1金属的结晶金属的结晶2 2、金属结晶的微观过程、金属结晶的微观过程 金属的结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。金属的结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。 晶核长大后成为晶粒。晶核长大后成为晶粒。晶粒，构成多晶体晶粒，构成多晶体结晶结晶.swf3.13.1金属的结晶金
6、属的结晶形核形核晶核的形成晶核的形成 在液态纯金属中形成晶核需要两个条件：在液态纯金属中形成晶核需要两个条件：l 结构条件结构条件结构起伏（相起伏）；结构起伏（相起伏）；l 能量条件能量条件能量起伏。能量起伏。 形核的两种方式：形核的两种方式：l 自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）从液体内部自发形成晶核的方式。从液体内部自发形成晶核的方式。自发形核需要的能量大，即需要较大的过冷度才有可能形成晶核。自发形核需要的能量大，即需要较大的过冷度才有可能形成晶核。l 非自发形核（非均匀形核）非自发形核（非均匀形核）依附于液体中的杂质而形成晶核的方式。依附于液体中的杂质而形成晶核的方式。非自发形核需
7、要的能量小，在实际金属的结晶中往往起优先和主导非自发形核需要的能量小，在实际金属的结晶中往往起优先和主导作用。作用。思考：过冷度对形核（数量和大小）的影响？思考：过冷度对形核（数量和大小）的影响？有序有序原子团原子团形核形核长大长大3.13.1金属的结晶金属的结晶长大长大晶核的生长晶核的生长 晶核长大的实质是，原子由液体向固体表面转移。晶核长大的实质是，原子由液体向固体表面转移。 纯金属及合金的晶核长大的方式：纯金属及合金的晶核长大的方式：l 树枝状长大树枝状长大犹如树的生长一样，晶核在长大时，首先生长成树干，然后树干上长犹如树的生长一样，晶核在长大时，首先生长成树干，然后树干上长出树枝。随后
8、，树枝还可以长出更小的树枝（棱角处散热快温度低）。出树枝。随后，树枝还可以长出更小的树枝（棱角处散热快温度低）。 按树枝状生长的晶粒称为树枝晶或枝晶。按树枝状生长的晶粒称为树枝晶或枝晶。长大长大三、晶粒大小的控制三、晶粒大小的控制1 1、晶粒大小对金属性能的影响、晶粒大小对金属性能的影响在常温下，金属的晶粒越细小，其综合力学性能越好。即金属的晶粒在常温下，金属的晶粒越细小，其综合力学性能越好。即金属的晶粒被细化，不仅能提高强度和硬度，还能同时提高塑性和韧性被细化，不仅能提高强度和硬度，还能同时提高塑性和韧性（细晶强化）。（细晶强化）。2 2、晶粒大小的评定、晶粒大小的评定晶粒度的概念晶粒度的概
9、念评定晶粒大小的指标是晶粒度，一般可用晶粒的平均直径或平均面积评定晶粒大小的指标是晶粒度，一般可用晶粒的平均直径或平均面积来表示。来表示。工业上通常采用晶粒度等级表示晶粒大小。标准晶粒度分为八级（现工业上通常采用晶粒度等级表示晶粒大小。标准晶粒度分为八级（现在？）在？），1 1级最粗，级最粗，8 8级最细。级最细。影响晶粒度的因素影响晶粒度的因素l 形核率形核率(N)(N)单位时间、单位体积液态金属中形成晶核的数目。单位时间、单位体积液态金属中形成晶核的数目。l 长大速度长大速度(G)(G)单位时间内晶体长大的长度。单位时间内晶体长大的长度。比值比值N/GN/G越越大，则结晶后获得的晶粒越细小
10、，反之则越粗大。大，则结晶后获得的晶粒越细小，反之则越粗大。3.13.1金属的结晶金属的结晶GB/T 6394-2002标准晶粒度等级标准晶粒度等级3.13.1金属的结晶金属的结晶1 1 级级2 2 级级3 3 级级4 4 级级8 8 级级7 7 级级6 6 级级5 5 级级3 3、控制晶粒大小的方法、控制晶粒大小的方法控制过冷度控制过冷度措施：措施：降低浇注温度。降低浇注温度。原理：原理：提高冷却速度。过冷度提高冷却速度。过冷度大，则比值大，则比值N/GN/G大。大。变质处理变质处理措施：措施：向液态金属中加入变质剂。向液态金属中加入变质剂。原理：原理：变质剂作为非自发形核的核心，提高了变质
11、剂作为非自发形核的核心，提高了形核率形核率(N)(N)。振动、搅拌振动、搅拌措施：措施：对即将凝固的金属进行机械振动、超声波振动和电磁搅拌。对即将凝固的金属进行机械振动、超声波振动和电磁搅拌。 原理：原理：通过振动或搅拌，一方面能使生长中的枝晶破碎，从而增加通过振动或搅拌，一方面能使生长中的枝晶破碎，从而增加形核率形核率(N) ；另一方面可以输入能量以促进自发形核。；另一方面可以输入能量以促进自发形核。3.13.1金属的结晶金属的结晶过冷度对形核率和长大速度的影响过冷度对形核率和长大速度的影响3.13.1金属的结晶金属的结晶四、同素异构转变四、同素异构转变1 1、同素异构现象和同素异构体、同素
12、异构现象和同素异构体有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格类型，这种现象称为有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格类型，这种现象称为同素异构或多晶型性。同素异构或多晶型性。以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体称为该金属的同素异构体。以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体称为该金属的同素异构体。2 2、同素异构转变、同素异构转变同一种金属的同素异构体在一定的条件下会相互转化。同素异构转变同一种金属的同素异构体在一定的条件下会相互转化。同素异构转变就是这种在固态下随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。就是这种在固态下随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。l 纯铁的同素异构转变
13、纯铁的同素异构转变3.13.1金属的结晶金属的结晶1394912(bcc(bcc) )(bcc(bcc) )( (fccfcc) )-Fe -Fe -Fe 3 3、同素异构转变的特点、同素异构转变的特点金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。或重结晶。同素异构转变具有固定的转变温度，转变发生时需要过冷，并放出同素异构转变具有固定的转变温度，转变发生时需要过冷，并放出潜热；潜热；同素异构转变在固态下进行，因此转变需要较大的过冷度；同素异构转变在固态下进行，因此转变需要较大的过冷度；同素异构体的形成经过形核、长大
14、过程，新相晶核往往在旧相的晶同素异构体的形成经过形核、长大过程，新相晶核往往在旧相的晶界或某些特定晶面上形成；界或某些特定晶面上形成；同一种金属的同素异构体通常具有不同的晶格致密度，因此比容也同一种金属的同素异构体通常具有不同的晶格致密度，因此比容也不同，转变前后往往伴随着体积的变化，导致内应力的产生。不同，转变前后往往伴随着体积的变化，导致内应力的产生。l 比容的概念比容的概念 物质单位重量的体积称为比容。物质单位重量的体积称为比容。3.13.1金属的结晶金属的结晶五、铸态组织与缺陷五、铸态组织与缺陷五、铸态组织与缺陷五、铸态组织与缺陷一、铸态三晶区的形成铸锭的三个晶区示意图 1细晶区 2柱状晶区 3中心等轴晶区132l表层细晶区l柱状晶区l中心等轴晶区三、铸造缺陷 铸造中常见的缺陷有缩孔、气孔和偏析。 l偏析l缩孔 l气孔 l夹杂本章重点总结一、结晶过程一、结晶过程 宏观：过冷度、结晶潜热宏观：过冷度、结晶潜热 微观：形核（自发和非自发）、长大微观：形核（自发和非自发）、长大二、晶粒大小二、晶粒大小 晶粒度概念，对力学性能的影响，控制方法晶粒度概念，对力学性能的影响，控制方法（过冷、变质、振动）（过冷、变质、振动）三、了解：三、了解：同素异构转变铸锭组织与缺陷同素异构转变铸锭组织与缺陷
