工程材料 第三章 材料的凝固与相图.ppt

第三章材料的凝固与相图第一节概论第二节纯金属的结晶第二节纯金属的结晶第三节金属结晶的基本条件二、金属结晶的结构条件第四节形核的规律（二）临界晶核半径14（三）过冷度对形核的影响16在分析自发形核时已经知道自发形核的主要困难来自晶核表面由由能的增加。要减小形核的困难，只有设法减小表面自由能的增加。减小的途径有二：一是增大过冷度，使临界半径变小，从而减小晶核的表面积；二是减小单位表面自由能的数值。
研究表明，在两相的界面上，两边原子排列得越相似,则两边原子的能量状态越相近，因此，单位表面自由能(比表面能)越小。
液态金属中存在的固相质点，如果它的某个表面上的原子排列情况与晶核某个晶面上的原子排列很相似，而且原子间距也差不多，那么，以这种现成固体表面为基底来形核，必然能够大大降低表面自由能的增加，使形核变得较为容易，晶核就优先依附于这些现成固体表面而形成。达就是非自发形核的成因。
符合一定条件的固体质点，才能作为非自发形核的基底。这个条件就是：固体质点与晶核的晶格相似，或者至少两者有某个晶面的原子排列相似；其次是两者的晶格常数大小相当，或者原子间距成整数倍，符合这种条件的现成质点称为活性质点。液态金属中的活性质点，可以是残余未溶的固体杂质，也可能是结晶之前先析出的微小夹杂物，还可能是结晶时加入的固体微粒。这些活性质点都能促进非自发形核，使过冷度减小和形核率增大。(二)非自发晶核的临界半径所以，总的自由能变化为：2526在相同过冷度下，非自发晶核的临界半径与自发晶核的临界半径完全相同。所不同的是，在非自发形核时，临界半径只决定晶核的曲率半径，接触角Θ才决定晶核的形状和大小。Θ角越小，晶核的体积和表面积也越小，因而形核所需要的晶胚也越小，形核便越容易，越可以在较小的过冷度下开始形核。
接触角Θ的大小主要取决于活性质点与晶核之间晶体结构的吻合程度。吻合程度越大，则Θ角越小越有利于形核。在生产中，通过选择最有效的形核剂加入液态金属中，形成结构最适合的活性质点，就能使Θ角减小，大大促进非自发形核，从而提高形核率，达到细化铸态组织，改善铸件性能的目的。这就是通常所说的变质处理之一。。第五节晶核的长大29银的生长卷线32枝晶长大示意图3536第六节晶粒大小的控制对于金属的常温力学性能来说，一般是晶粒越细小，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好。金属结晶时,每个晶粒都是由一个晶核长大而成的。晶粒的大小取决于形核率和长大速度的相对大小。
晶粒度取决于形核率N与长大速度G之比，比值N／G越大，晶粒越细小。计算得出，单位体积中的晶粒数目ZV为:第七节合金的结晶1.固溶体（1）固溶体的分类1.置换固溶体2.间隙固溶体（2）固溶体的性能1)置换固溶体溶质原子取代了部分溶剂晶格中某些节点上的溶剂原子而形成的固溶体。2)间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据晶格结点位置。（2）固溶体的性能2.金属化合物2.金属化合物二、合金相图的建立2.二元合金相图的建立1.二元匀晶相图二）典型合金的平衡结晶及其组织三）杠杆定律1.二元匀晶相图1.二元匀晶相图2.二元共晶相图2.二元共晶相图w(Sn)=10％Pb-Sn合金平衡凝固示意图Pb--Sn共晶组织3.二元包晶相图二）典型合金的结晶过程分析合金Ⅰ的平衡凝固示意图四、合金性能在相图上的反映2.合金的工艺性能