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1、第二章 材料的凝固物质由液态转变为固态的过程称为物质由液态转变为固态的过程称为物质由液态转变为固态的过程称为物质由液态转变为固态的过程称为凝固凝固凝固凝固。材料的凝固分为材料的凝固分为材料的凝固分为材料的凝固分为两种两种两种两种类型：类型：类型：类型：1 1。一种形成晶体，称为。一种形成晶体，称为。一种形成晶体，称为。一种形成晶体，称为结晶结晶结晶结晶。结晶过程是相变过程。结晶过程是相变过程。结晶过程是相变过程。结晶过程是相变过程2 2。另一种是形成。另一种是形成。另一种是形成。另一种是形成非晶体非晶体非晶体非晶体，非晶材料在凝固过程中，非晶材料在凝固过程中，非晶材料在凝固过程中，非晶材料在凝
2、固过程中是逐渐变硬的。是逐渐变硬的。是逐渐变硬的。是逐渐变硬的。有固定的凝固温度逐渐变硬逐渐变硬结晶结晶非晶体非晶体看图回答那个是晶看图回答那个是晶体那不是？体那不是？第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶1 1、冷却曲线、冷却曲线、冷却曲线、冷却曲线n n金属结晶时温度与时间的关金属结晶时温度与时间的关金属结晶时温度与时间的关金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上系曲线称冷却曲线。曲线上系曲线称冷却曲线。曲线上系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称水平阶段所对应的温度称水平阶段所对应的温度称水平阶段所对应的温度称实实实实际结晶温度际结晶温度际结晶温度际结晶温度T T1 1。
3、n n曲线上水平阶段是由于结晶曲线上水平阶段是由于结晶曲线上水平阶段是由于结晶曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。时放出结晶潜热引起的。时放出结晶潜热引起的。时放出结晶潜热引起的。一、冷却曲线与过冷度一、冷却曲线与过冷度 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线理论理论实际实际每一种物质都有自己的平衡结晶温度或者称每一种物质都有自己的平衡结晶温度或者称为理论结晶温度，但是，在实际结晶过程中，为理论结晶温度，但是，在实际结晶过程中，实际结晶温度实际结晶温度总是低于总是低于理论结晶温度的，这理论结晶温度的，这种现象称为种现象称为过冷现象过冷现象，两者的温度差值被称，两者的温度差值被称为为过冷度过
4、冷度 概念解说概念解说2。过冷与过冷度。过冷与过冷度n n纯金属都有一个纯金属都有一个理论结晶温度理论结晶温度T0(熔点熔点或或平衡结平衡结晶温度晶温度)。在该温度下。在该温度下, 液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡动平衡状态状态。n n结晶只有在结晶只有在T0以下的实际以下的实际 结晶温度下才能进行。结晶温度下才能进行。雾雾凇凇n n液态金属在理论结晶温度液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称以下开始结晶的现象称过过冷。冷。n n理论结晶温度与实际结晶理论结晶温度与实际结晶温度的差温度的差 T称称过冷度过冷度。 T= T0 T1n n过冷度大小与冷却速度有过冷度大小与冷却速度有关，关，冷
5、速越大，过冷度越冷速越大，过冷度越大。大。金属结晶时为什么必须过冷的根本原因：在等温金属结晶时为什么必须过冷的根本原因：在等温等压条件下，物等压条件下，物 质系统总是自发地从自由能较高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的状态向自由能较低的状态转 变。而过冷度是指变。而过冷度是指金属的理论结晶温度金属的理论结晶温度T0与实际结晶温度与实际结晶温度T1的的 差差值，要获得结晶过程所必需的驱动力，一定要使值，要获得结晶过程所必需的驱动力，一定要使实际结晶温度实际结晶温度 低于理论结晶温度，这样才能满足低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。过冷度越结晶的热力学条件。过冷度
6、越 大，固、液两相自大，固、液两相自由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速 度度便越快。所以存在过冷度是结晶的必要条件。便越快。所以存在过冷度是结晶的必要条件。同学们有想过为什么存在过冷度吗？同学们有想过为什么存在过冷度吗？现在是否明白了。现在是否明白了。二、结晶的一般过程 1、结晶的基本过程结晶的基本过程n n结晶结晶结晶结晶由由由由晶核的形成晶核的形成晶核的形成晶核的形成和和和和晶核的长晶核的长晶核的长晶核的长大大大大两个基本过程组成。两个基本过程组成。两个基本过程组成。两个基本过程组成。n n液态金属中存在着原子排列规液态金属中存在着原子排列规液
7、态金属中存在着原子排列规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，则的小原子团，它们时聚时散，则的小原子团，它们时聚时散，则的小原子团，它们时聚时散，称为称为称为称为晶坯晶坯晶坯晶坯。在。在。在。在T T0 0以下，经一段以下，经一段以下，经一段以下，经一段时间后时间后时间后时间后( (即孕育期即孕育期即孕育期即孕育期) )，一些大尺，一些大尺，一些大尺，一些大尺寸的晶坯将会长大，称为寸的晶坯将会长大，称为寸的晶坯将会长大，称为寸的晶坯将会长大，称为晶核晶核晶核晶核。T0T1T液体和晶体自由能随温度变化液体和晶体自由能随温度变化晶核半径与晶核半径与G关系关系n n晶核形后便向各方向
8、生长，同时又有新的晶核产生。晶核形后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核形后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核形后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。2 2、晶核的形成方式、晶核的形成方式、晶核的形成方式、晶核的形成方式n n形核有形核有形核有形核有两种两种两种两种方式方式方式方式，即，即，即，即均匀形核均匀形核均匀形核均匀形核和和和和非均匀形核非均匀形核非均匀形核非均匀形核。n n由液体中排列规则的原子
9、团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核均匀形核均匀形核均匀形核。n n以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核。非均匀形核。非均匀形核。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。非均匀形核示意图非均匀形核示意图均匀形核均匀形核3、晶核的长大方式、晶核的长大方式n n晶核的长大方式有两种，即晶核的长大方式有两种，即均匀长大均匀长大和和树枝状树枝状长大长大。n
10、n在正温度梯度下，晶体生长以在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推平面状态向前推进进。正温度梯度正温度梯度均匀长大均匀长大n n实际金属的结晶主要以实际金属的结晶主要以树枝状长大树枝状长大。n n这是由于存在这是由于存在负温度梯度负温度梯度，且且晶核棱角处的晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成散热条件好，生长快，先形成一次轴一次轴，一次，一次轴又会产生轴又会产生二次轴二次轴，树枝间最后被填充。，树枝间最后被填充。负温度梯度负温度梯度树枝状结晶树枝状结晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶冰冰的的树树枝枝晶晶温度梯度G和冷却速率R对晶体形貌的影响第二节 晶
11、粒大小的控制一、晶粒度一、晶粒度n n表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶粒度晶粒度晶粒度晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直可用晶粒的平均面积或平均直可用晶粒的平均面积或平均直可用晶粒的平均面积或平均直径表示。径表示。径表示。径表示。n n工业生产上采用工业生产上采用工业生产上采用工业生产上采用晶粒度等级晶粒度等级晶粒度等级晶粒度等级来来来来表示晶粒大小。表示晶粒大小。表示晶粒大小。表示晶粒大小。l标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过。通过100100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。倍显微镜下的
12、晶粒大小与标准图对照来评级。二、晶粒大小对金属性能的影响n n常温下常温下，晶粒越细，晶界晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强面积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好。韧性也越好。即即细晶强化细晶强化。n n高温下高温下，晶界呈粘滞状态，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。因而细晶粒无益。晶粒大小与金属强度的关系晶粒大小与金属强度的关系单晶叶片单晶叶片三、决定晶粒度的因素三、决定晶粒度的因素n n晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶核的形成速度晶核的形成速度和和长大速度长大速度。过冷度对过冷度对N、G的影响的影响
13、l单位时间、单位体积内形成单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫的晶核数目叫形核率形核率(N)。l单位时间内晶核生长的长度单位时间内晶核生长的长度叫叫长大速度长大速度(G)。lN/G比值越大，晶粒越细小。比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。长大的因素，都能细化晶粒。四、控制晶粒度的方法1 1、控制过冷度控制过冷度控制过冷度控制过冷度：随过冷度随过冷度随过冷度随过冷度增加，增加，增加，增加，N/GN/G值增加，晶粒值增加，晶粒值增加，晶粒值增加，晶粒变细。变细。变细。变细。例例例例 1 1 快速凝固和亚快速凝固快速凝固和亚快速凝固快速凝固
14、和亚快速凝固快速凝固和亚快速凝固快速凝固的定义快速凝固的定义 由液相到固相的冷却速度相当快，从而获由液相到固相的冷却速度相当快，从而获得得了传统铸锭冷却速率下所不能获得的成分、相结了传统铸锭冷却速率下所不能获得的成分、相结构或显微结构快速凝固冷却速率构或显微结构快速凝固冷却速率105/sn n 一般工业上冷却速率范围：一般工业上冷却速率范围：10-310 /sn n 大铸锭：大铸锭：10-2 /sn n 中等铸锭：中等铸锭：1 /sn n 薄的铸锭：薄的铸锭：102 /sn n 金属粉末的普通气雾化工艺：金属粉末的普通气雾化工艺：103 /s实现快速凝固的两个基本条件：（a a a a ） 金
15、属熔液必须被分散成液流或液滴，而且至金属熔液必须被分散成液流或液滴，而且至金属熔液必须被分散成液流或液滴，而且至金属熔液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，便于散热；少在一个方向上的尺寸极小，便于散热；少在一个方向上的尺寸极小，便于散热；少在一个方向上的尺寸极小，便于散热；（b b b b）必须有能带走热量的介质。）必须有能带走热量的介质。）必须有能带走热量的介质。）必须有能带走热量的介质。熔体可成为熔体可成为冷却借助于冷却借助于液滴带形液流圆形液滴固体液体气体例 2 控制过冷度 对于大体积铸件，如何控制过冷度？均匀形核均匀形核如何实现均匀形核？如何实现均匀形核？4137H
16、低合金钢（35CrMo）的大过冷凝固图 实验装置示意图1 1氩气；氩气； 2 2耐火砖；耐火砖； 3 3感应线；圈感应线；圈 4 4石英管；石英管； 5 5记录仪；记录仪；6 6数据在线采集系统；数据在线采集系统； 7 7坩埚；坩埚； 8 8热电偶；热电偶； 9 9金金属液属液坩埚容量坩埚容量10kg10kg钢液的冷却曲线4137H低合金钢的理论结晶温度为15031503稀土加入量与过冷度的关系晶粒尺寸与过冷度随稀土加入量的变化关系在纯净钢生产过程中,随钢液纯净度提高,钢中杂质和非均质形核质点数量减少, 影响钢液过冷度和凝固组织的晶粒度。许多研究结果表明,钢中加入稀土能起到净化钢液的作用 。作
17、业为什么添加稀土过冷度增加、晶粒化？为什么添加稀土过冷度增加、晶粒化？下面以钢来加以说明下面以钢来加以说明4137H低合金钢的强度和硬度值随稀土加入量的变化2 2 2 2、变质处理：变质处理：又称又称又称又称孕育处理孕育处理孕育处理孕育处理。即有意向液态金属内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。加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的所加入的所加入的所加入的非均匀形核物质叫非均匀形核物质叫非均匀形核物质叫非均匀形核物质叫变质剂变质剂变质剂变质剂（或（或（或（或称孕育剂称孕育剂称孕育剂称孕育剂）。）。）。）。(a)(b)(c)(d)Al-6wt%Si合金的变质处理效果合
18、金的变质处理效果铸铁变质处理前铸铁变质处理前后的组织后的组织变质处理前变质处理前变质处理后变质处理后变质处理使组织细变质处理使组织细化。变质剂为硅铁化。变质剂为硅铁或硅钙合金。或硅钙合金。电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图3、振动、搅拌等：、振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动对正在结晶的金属进行振动或或 搅动，一方面靠外部输入的能量来促进形核，搅动，一方面靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显枝晶破碎，使晶核数目显著增加。著增加。气轮机转子的宏观组织气轮机转子的宏观组织(纵截面纵截
19、面)细晶的熔模铸件细晶的熔模铸件(上上)普通铸件普通铸件(下下)例例 1 电磁搅拌电磁搅拌电磁搅拌装置示意图电磁搅拌装置示意图Fig. Schematic of fixing positions of thermocouples1-molten metal, 2-mold, 3-thermocouples, 4 -electromagnetic stirrer 410mm No.54321 90mm 80mm 100mm 4 1 2 3Top view电磁搅拌对凝固组织和凝固时间的影响(a)Without EMS(b) With EMSIngot surfaceAxis of IngotIng
20、ot surfaceFig. Solidification time of different position of the ingots0510152025303540450510 15 20 25 30 35 40 45distance from axis of ingot, mm Solidification time, swithout EMSwith EMS7 s27 sAxis of Ingot超声场对铸坯中超声场对铸坯中SiSi元素分布的影响元素分布的影响 施加施加1000W的超声场后，晶界偏析得到了抑制，基体中析的超声场后，晶界偏析得到了抑制，基体中析出的出的Si的形貌由条状
21、变为颗粒状。的形貌由条状变为颗粒状。结论：结论：结论：结论：Si 元素在元素在（Al）基体中分布的）基体中分布的EPMA分析分析1000W0W第三节第三节 同素异构转变同素异构转变 构转变构转变构转变构转变。同素异构转变属同素异构转变属同素异构转变属同素异构转变属 于相变之一于相变之一于相变之一于相变之一固态相变固态相变固态相变固态相变。一、铁的同素异构转变一、铁的同素异构转变n n铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：1394912 -Fe
22、 -Fe -Fel物质在固态下晶体结构随物质在固态下晶体结构随 温度变化的现象称温度变化的现象称同素异同素异n n -Fe、 -Fe为为体心立方结构体心立方结构(BCC)， -Fe为为面面心立方结构心立方结构(FCC)。都是铁的都是铁的同素异构体同素异构体。 -Fe -Fe二、固态转变的特点二、固态转变的特点固态下的相变也是一个形核和长大的过程固态下的相变也是一个形核和长大的过程固态下的相变也是一个形核和长大的过程固态下的相变也是一个形核和长大的过程，但有着与，但有着与，但有着与，但有着与结晶不同之处，结晶不同之处，结晶不同之处，结晶不同之处，其特点为：其特点为：其特点为：其特点为：1、形核一
23、般在某些特定部位、形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。特定晶面等）。2、由于固态下扩散困难，因由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。而过冷倾向大。3、固态转变伴随着体积变化，固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。易造成很大内应力。固态相变的晶界形核固态相变的晶界形核第四节第四节 铸锭铸锭( (件件) )组组织与缺陷织与缺陷在实际生产中，液态金属被浇在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注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入到铸型模具中成型则得到铸件。件。铸锭铸锭(件件)的组织及其存在的组织及其存在的缺陷对其加工和使
24、用性能有的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。着直接的影响。一、铸锭(件)的组织铸锭铸锭(件件)的宏观组织的宏观组织通常由三个区组成通常由三个区组成: 1、表层细晶区：、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，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。使表面形成一层很细的等轴晶粒区。2、 柱状晶区：柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜由于模壁温度升高，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，使已有的晶体沿着难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热
25、相反的方向生长而形成柱状晶区。与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。3、中心粗等轴晶区：、中心粗等轴晶区：由于结晶潜热的不断放出，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心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较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。大的等轴晶粒。二、铸造缺陷二、铸造缺陷 疏松、偏析、夹渣、白点疏松、偏析、夹渣、白点等，它等，它们对性能是有害的。们对性能是有害的。1 1、缩孔：、缩孔：缩孔缩孔是由于是由于液态金属结液态金属结
26、晶晶时体积收缩且补缩不足造成的时体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。缩孔在锻轧前应切除。l铸造缺陷的类型较多，常见的有铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、缩孔、气孔、缩孔缩孔缩缩松松2、缩松（疏松）、缩松（疏松）设计不合理，外设计不合理，外部先凝固，内部部先凝固，内部补缩不足引起补缩不足引起3、偏析：、偏析：合金中各部分化合金中各部分化学成分不均匀的现象称为学成分不均匀的现象称为偏析偏析。铸锭。铸锭(件件)在结晶时，在结晶时，由于各部位结晶先后顺序由于各部位结晶先后顺序
27、不同，合金中的低熔点元不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造素偏聚于最终结晶区，造成成宏观上的成分不均匀，宏观上的成分不均匀，称称宏观偏析宏观偏析。适当控制浇。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。宏观偏析。硫在钢锭中偏析的模拟结果硫在钢锭中偏析的模拟结果锡磷青铜铸坯的锡磷青铜铸坯的SnSn元素偏析元素偏析4、气孔：、气孔：气孔气孔是指液态金属中溶解的气体或反应是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件件)中中的气泡的气泡。铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊。铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气合，张开的气孔需要切除。孔需要切除。铸件中出现气孔则铸件中出现气孔则只能报废。只能报废。铸件中的气孔铸件中的气孔
