金属的结晶与二元合金相图.ppt

第三章金属的结晶与二元金相图第一节金属结晶的基础知识在图3-1中虚线是以平衡状态的冷却速度(Vm)冷却(冷速极慢)的金属冷却曲线。实线是在某一实际冷却速度(V1)冷却的金属冷却曲线。V1〉Vm。图中T1是纯金属在冷速V1是的实际结晶温度。Tms、Tmf分别是合金在平衡状态下的结晶开始温度和结晶结束温度。T1s、T1f分别是V1冷速下合金的实际结晶开始温度和结晶结束温度。
理论结晶温度与实际结晶温度之差成为过冷度(△T)。对于纯金属其过冷度△T=Tm-T1。金属的结晶都是在达到一定过冷度后才进行的，这中现象称过冷现象。
金属结晶中的过冷度大小主要取决于金属液的冷却速度和金属液中杂质的含量。冷速愈大，金属纯度愈高，过冷度也愈大。纯金属结晶是在恒温下完成的。即冷却曲线中有一个平台。这是因为纯金属结晶会释放出“潜热”。而着潜热刚好弥补了金属液再冷却过程中向周围环境散发的热量。从而使结晶过程处于一个温度的动平衡状态。(实际上，对于纯金属其冷却曲线出现平台之前，还有一个相应的过冷现象，它为开始结晶提供足够的动力。一旦结晶开始释放潜热，温度才回升到结晶温度平台上)。当结晶结束，潜热释放也就结束，凝固了的金属随着向环境不断散热，温度又逐渐下降。对于合金(除固定成分外)，在结晶过程虽然也释放潜热，但达不到温度的平衡，仅能使结晶过程中冷速变慢，并不出现温度平台。即结晶过程不是在恒温下进行，而是在一个温度区间中完成。液态金属冷却到结晶开始温度为什么会出现液态固相的转变呢？只有当动力学条件与热力学条件都得到保证金属就会顺利的结晶。两者缺一不可。例如：只有热力学条件而没有动力学条件金属不能凝固结晶；若只有动力学条件而没有热力学条件金属虽然可以凝固但不能结晶。若金属液的冷却速度非常大，使过冷度极大，原子来不及扩散就会出现非晶金属。目前，在工业上已据此制造出了非晶金属微粉和箔。
二．金属的结晶(二)晶核的形成在实际金属熔液中总是存在某些未溶的杂质粒子，这些固态离子表面及铸型壁等现成的界面都会成为液态金属结晶时的自然晶核。凡是依附于母相中某些现成界面而成核的过程都称为非均匀成核(非自发成核)。非均匀成核所需的过冷度比均匀成核的小的多。现成界面的状态(表面能、浸润角、曲率半径、晶格位向等)影响着非均匀成核的能力。
均匀成核与非均匀成核在金属结晶中是同时存在的。非均匀成核在实际生产中比均匀成核更重要。
母相在给定的条件下产生晶核的能力可用成核率(N)来表示。成核率是指在单位时间和单位体积内所形成的晶核数目。成核率愈大，结晶后晶体中的晶粒愈细小。(三)晶核的长大晶核长大的方式的分类(两类)液态晶核长大过程中晶核上的凸出部分(如：棱、尖角)都具有散热优势，将优先长大，形成象树枝生长一样，先长出干枝称为一次晶轴。在一次晶轴变粗变长的同时，在其侧面的凸出部位或晶体缺陷部位又会长出分枝称为二次晶轴，随着时间的推移，二次晶轴的见的空隙也都被填满。最后每个晶核都长大，形成一个是树枝状的晶粒——枝晶，如图3-3。金属晶体就是有这些晶粒组成。因为金属是不透明的，且晶粒又很小，所以平常难以用眼睛直接看到枝晶。但是，在某些特殊的情况下也是可以看到的。如镀锌钢板表面上的锌晶粒花纹以及水结晶成雪花等都是枝晶生长的可见实例。(四)金属结晶后的晶粒大小金属结晶时的成核率N和长大率G与结晶后的晶粒大小有密切关系。而成核率与长大率又与过冷度有直接关系，见图3-4。从图上可见，随过冷度的增加，N与G均增加，但成核率N的增加速度更快些。
单位面积内的晶粒数Zs与成核率和长大率G有如下的经验关系式
Zs=1.1√N/G
显然，加大过冷度会使Zs增加，即增加过冷度会使结晶后的晶粒变小。结晶时的过冷度主要取决与液体的冷却速度，因此，结晶时冷却速度越大，得到的晶粒也越小。从公式中，可以看出，凡是能使成核率N增加和使长大率G减小的因素都能促进晶粒细化。增加冷却速度可以细化晶粒，但是，同时使结晶时的铸造应力增加。另外，对于大体积的铸锭与铸件提高冷速是困难的。团此，在实际铸造生产中往往采用“变质处理”，即在浇注之前向金属液中加入某些物质(变质剂)来促进晶粒细化。变质剂主要有两大类型。其一是，变质剂作为非均匀成核的晶核(人工晶核)，从而通过增加成核率来细化晶粒。如：向钢中加Ti、Zr、B、Al；向铸铁中加St、Ca等。另一是，变质剂作为长大率的阻碍物，通过降低长大速度来细化晶粒。如：在铝硅合金中加入一些钠盐的变质处理就是通过钠来降低硅的长大速度来细化硅的晶粒。在生产工艺中，有时还采用振动的手段造成枝晶碎断，则各个枝晶碎块都可以变成一个新的晶核，从而也会使结晶后的晶粒细化。三、金属铸锭的铸态组织及缺陷由于浇注在铸模型腔中的液态金属的冷却速度、体积的大小、化学成分及变质剂等的不同，铸锭可以有三种典型的晶粒形态，见图3－