02第2章 金属的结晶与二元合金相图
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2.3 铁碳合金相图
工程材料及成形技术
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图
工程材料及成形技术
高温下，晶界呈粘滞状态，在 外力作用下易产生滑动，因而 细晶粒无益。但晶粒太粗易产 生应力集中。因而高温下晶粒 过大、过小都不好。
工程材料及成形技术
的晶 关粒 系大
小 与 金 属 强 度
s= i+Kd-1/2
单晶叶片
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。
雾 凇
工程材料及成形技术
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2.1 纯金属的结晶
液态金属在理论结晶温度 以下开始结晶的现象称过 冷。
理论结晶温度与实际结晶 温度的差T称过冷度 T= T0 –T1
过冷度大小与冷却速度有 关，冷速越大，过冷度越 大。
变质剂的作用：增加晶核数量，阻碍晶核长大。 例如： 铝合金液体中加入钛、锆； 钢水中加入钛、钒、铝； 铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金； 都可使晶粒细化。
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2.1 纯金属的结晶
Al-Si合金组织
工程材料及成形技术
未变质
变质
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正温度梯度
工程材料及成形技术
平面长大视频
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2.1 纯金属的结晶
晶体获得表面为密排面的规则形状
工程材料及成形技术
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2.1 纯金属的结晶
树枝状长大
工程材料及成形技术
树枝状长大的晶粒前沿
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2.1 纯金属的结晶
在负温度梯度下，在晶核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一 次轴产生二次轴…，树枝间最后被填充。
工程材料及成形技术
(a)表层细晶区；(b)柱状晶区 (c)等轴晶区
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2.1 纯金属的结晶
a) 表层细晶区：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。
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2.1 纯金属的结晶
b) 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。
-Fe
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-Fe
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2.1 纯金属的结晶
② 同素异构转变的特点
同素异构转变时也有过冷现象，放 出潜热，有固定的转变温度。
新同素异构晶体也有形核和长大两 个过程。
导致金属体积发生变化，产生较大 内应力。例如γ-Fe转变为α-Fe时， 铁的体积会膨胀约1％。可引起钢淬 火时产生应力，严重时会导致工件 变形和开裂。
2.1 纯金属的结晶
晶核形成后便向各方向 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。
每个晶核最终长成一个 晶粒，两晶粒接触后形 成晶界。
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2.1 纯金属的结晶
② 晶核的形成方式 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。
① 冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关
系曲线称冷却曲线。 曲线上水平阶段所对应的温
度称实际结晶温度T1。 曲线上水平阶段是由于结晶
时放出结晶潜热引起的。
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2.1 纯金属的结晶
② 过冷与过冷度
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。
铸锭(件)的组织及其存在的缺 陷对其加工和使用性能有着直 接的影响。
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2.1 纯金属的结晶
工程材料及成形技术
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2.1 纯金属的结晶
① 铸锭(件)的组织 铸锭(件)的宏观组织
通常由三个区组成: a）表层细等轴晶区 b）柱状晶区 c）粗等 轴晶区
非自发形核
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2.1 纯金属的结晶
③ 晶核的长大方式
晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。 晶核长大方式的两种，即：平面长大和树枝状长大。
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2.1 纯金属的结晶
平面长大
在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。
电磁搅拌细化晶粒示意图
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超声振动细化晶粒示意图
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2.1 纯金属的结晶
气轮机转子的宏观组织(纵截面)
细晶的熔模铸件(上)
普通铸件(下)
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2.1 纯金属的结晶
④ 晶粒大小对金属性能的影响
常温下，晶粒越细，晶界面积 越大，因而金属的强度、硬度 越高，同时塑性、韧性也越好, 即细晶强化。
构的金属和非晶态结构的金属。
非晶态金属具有特别高的强度和韧性、 优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。
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2.1 纯金属的结晶
Al-Si合金组织
缓冷
工程材料及成形技术
快冷
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2.1 纯金属的结晶
变质处理（又称孕育处理）
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）。
通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级
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2.1 纯金属的结晶
② 决定晶粒度的因素
晶粒的大小取决于晶核的形 成速度和长大速度。
单位时间、单位体积内形成 的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度 叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。
实际金属结晶主要以树枝状长大
正温度梯度
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2.1 纯金属的结晶
工程材料及成形技术
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.1 纯金属的结晶
铸铁变质处理前后 的组织
变质处理后
工程材料及成形技术
变质处理前
变质处理使组织细化。变质 剂为硅铁或硅钙合金。
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2.1 纯金属的结晶
振动和电磁搅拌：对正在结晶的金属 进行机械或超声波振动或电磁搅拌， 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。
自发形核——依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自 发长出结晶核心。
非自发形核——依附与金属液体中未溶的固态杂质表面而形 成晶核。
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2.1 纯金属的结晶
② 晶核的形成方式
金属结晶过程中晶核的形成
主要是以非自发形核方式为主
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自发形核
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2.1 纯金属的结晶
自然界的一切自发转变过程， 总是由一种较高能量状态趋向 于能量最低的稳定状态。
在一定温度条件下，只有那些 引起体系自由能（即能够对外 作功的那部分能量）降低的过 程才能自发进行。
ΔF 是液态金属结晶的动力。 T是结晶的必要条件。
2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图
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2.1 纯金属的结晶
2.1.3 同素异构转变
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。同 素异构转变属于固态相变。
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：
1394℃
912℃
2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图
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2.1 纯金属的结晶
2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施
① 晶粒度
表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。
可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来 表示晶粒大小。
标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。
-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
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2.1 纯金属的结晶
同素异晶体：以不同晶体结构存在的同一种金属的 晶体。
δ-Fe、γ-Fe、α-Fe都是纯铁的同素异晶体。
金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程 称为二次结晶或重结晶。
金属的同素异构转变即是二次结晶或重结晶。
晶粒度
123456
单位面积
晶粒数
16 32 64 128 256 512
（个／mm2)
晶粒平均 0.250 0.177 0.125 0.088 0.062 0.044
直径(mm)
7 1024 0.031
8 2048 0.022
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2.1 纯金属的以细化同素 异构转变后的晶粒，提高金属的机 械性能。
固态相变的晶界形核
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.1 纯金属的结晶 2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.2 合金的结晶
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图
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目录
第0章：绪论 第1章：工程材料的结构与性能 第2章：金属材料的结晶与二元相图 第3章：钢的热处理 第4章：工程材料 第5章：金属的液态成型 第6章：金属的塑性成形 第7章：金属的焊接成形 第8章：非金属材料成形 第9章：新材料及其新工艺 第10章：机械零件材料及成形工艺的选用
第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.2 合金的结晶
2.3 铁碳合金相图
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2.1 纯金属的结晶
2.1.5 金属的铸锭
在实际生产中，液态金属被浇 注到锭模中便得到铸锭，而注 入到铸型模具中成形则得到铸 件。
凡是促进形核、抑制长大的 因素，都能细化晶粒。
工程材料及成形技术
过冷度对N、G的影响
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2.1 纯金属的结晶
③ 细化铸态金属晶粒度的方法
增加过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。关 键是提高液态金属的冷却速度。
采用冷却能力较强的模子。 采用金属型铸模, 比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。 超高速急冷技术（>106/℃）可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结
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2.1 纯金属的结晶
2.1.1 结晶的条件
物质由液态转变为固态的 过程称为凝固。
物质由液态转变为晶态的 过程称为结晶。
物质由一个相转变为另一 个相的过程称为相变。因 而结晶过程是相变过程。
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玻璃制 品
水 晶
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2.1 纯金属的结晶
2.1 纯金属的结晶
2.1.2 结晶的过程
① 结晶的基本过程
结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。
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，称为晶胚。在T0以下, 经一段时间后(即孕育 期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图
工程材料及成形技术
高温下，晶界呈粘滞状态，在 外力作用下易产生滑动，因而 细晶粒无益。但晶粒太粗易产 生应力集中。因而高温下晶粒 过大、过小都不好。
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的晶 关粒 系大
小 与 金 属 强 度
s= i+Kd-1/2
单晶叶片
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。
雾 凇
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2.1 纯金属的结晶
液态金属在理论结晶温度 以下开始结晶的现象称过 冷。
理论结晶温度与实际结晶 温度的差T称过冷度 T= T0 –T1
过冷度大小与冷却速度有 关，冷速越大，过冷度越 大。
变质剂的作用：增加晶核数量，阻碍晶核长大。 例如： 铝合金液体中加入钛、锆； 钢水中加入钛、钒、铝； 铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金； 都可使晶粒细化。
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2.1 纯金属的结晶
Al-Si合金组织
工程材料及成形技术
未变质
变质
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正温度梯度
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平面长大视频
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2.1 纯金属的结晶
晶体获得表面为密排面的规则形状
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2.1 纯金属的结晶
树枝状长大
工程材料及成形技术
树枝状长大的晶粒前沿
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2.1 纯金属的结晶
在负温度梯度下，在晶核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一 次轴产生二次轴…，树枝间最后被填充。
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(a)表层细晶区；(b)柱状晶区 (c)等轴晶区
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2.1 纯金属的结晶
a) 表层细晶区：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。
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2.1 纯金属的结晶
b) 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。
-Fe
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-Fe
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2.1 纯金属的结晶
② 同素异构转变的特点
同素异构转变时也有过冷现象，放 出潜热，有固定的转变温度。
新同素异构晶体也有形核和长大两 个过程。
导致金属体积发生变化，产生较大 内应力。例如γ-Fe转变为α-Fe时， 铁的体积会膨胀约1％。可引起钢淬 火时产生应力，严重时会导致工件 变形和开裂。
2.1 纯金属的结晶
晶核形成后便向各方向 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。
每个晶核最终长成一个 晶粒，两晶粒接触后形 成晶界。
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2.1 纯金属的结晶
② 晶核的形成方式 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。
① 冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关
系曲线称冷却曲线。 曲线上水平阶段所对应的温
度称实际结晶温度T1。 曲线上水平阶段是由于结晶
时放出结晶潜热引起的。
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2.1 纯金属的结晶
② 过冷与过冷度
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。
铸锭(件)的组织及其存在的缺 陷对其加工和使用性能有着直 接的影响。
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2.1 纯金属的结晶
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2.1 纯金属的结晶
① 铸锭(件)的组织 铸锭(件)的宏观组织
通常由三个区组成: a）表层细等轴晶区 b）柱状晶区 c）粗等 轴晶区
非自发形核
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2.1 纯金属的结晶
③ 晶核的长大方式
晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。 晶核长大方式的两种，即：平面长大和树枝状长大。
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2.1 纯金属的结晶
平面长大
在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。
电磁搅拌细化晶粒示意图
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超声振动细化晶粒示意图
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2.1 纯金属的结晶
气轮机转子的宏观组织(纵截面)
细晶的熔模铸件(上)
普通铸件(下)
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2.1 纯金属的结晶
④ 晶粒大小对金属性能的影响
常温下，晶粒越细，晶界面积 越大，因而金属的强度、硬度 越高，同时塑性、韧性也越好, 即细晶强化。
构的金属和非晶态结构的金属。
非晶态金属具有特别高的强度和韧性、 优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。
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2.1 纯金属的结晶
Al-Si合金组织
缓冷
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快冷
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2.1 纯金属的结晶
变质处理（又称孕育处理）
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）。
通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级
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2.1 纯金属的结晶
② 决定晶粒度的因素
晶粒的大小取决于晶核的形 成速度和长大速度。
单位时间、单位体积内形成 的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度 叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。
实际金属结晶主要以树枝状长大
正温度梯度
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2.1 纯金属的结晶
工程材料及成形技术
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.1 纯金属的结晶
铸铁变质处理前后 的组织
变质处理后
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变质处理前
变质处理使组织细化。变质 剂为硅铁或硅钙合金。
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2.1 纯金属的结晶
振动和电磁搅拌：对正在结晶的金属 进行机械或超声波振动或电磁搅拌， 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。
自发形核——依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自 发长出结晶核心。
非自发形核——依附与金属液体中未溶的固态杂质表面而形 成晶核。
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2.1 纯金属的结晶
② 晶核的形成方式
金属结晶过程中晶核的形成
主要是以非自发形核方式为主
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自发形核
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2.1 纯金属的结晶
自然界的一切自发转变过程， 总是由一种较高能量状态趋向 于能量最低的稳定状态。
在一定温度条件下，只有那些 引起体系自由能（即能够对外 作功的那部分能量）降低的过 程才能自发进行。
ΔF 是液态金属结晶的动力。 T是结晶的必要条件。
2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图
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2.1 纯金属的结晶
2.1.3 同素异构转变
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。同 素异构转变属于固态相变。
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：
1394℃
912℃
2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图
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2.1 纯金属的结晶
2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施
① 晶粒度
表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。
可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来 表示晶粒大小。
标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。
-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
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2.1 纯金属的结晶
同素异晶体：以不同晶体结构存在的同一种金属的 晶体。
δ-Fe、γ-Fe、α-Fe都是纯铁的同素异晶体。
金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程 称为二次结晶或重结晶。
金属的同素异构转变即是二次结晶或重结晶。
晶粒度
123456
单位面积
晶粒数
16 32 64 128 256 512
（个／mm2)
晶粒平均 0.250 0.177 0.125 0.088 0.062 0.044
直径(mm)
7 1024 0.031
8 2048 0.022
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2.1 纯金属的以细化同素 异构转变后的晶粒，提高金属的机 械性能。
固态相变的晶界形核
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.1 纯金属的结晶 2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.2 合金的结晶
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第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1 纯金属的结晶
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.2 合金的结晶 2.3 铁碳合金相图
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目录
第0章：绪论 第1章：工程材料的结构与性能 第2章：金属材料的结晶与二元相图 第3章：钢的热处理 第4章：工程材料 第5章：金属的液态成型 第6章：金属的塑性成形 第7章：金属的焊接成形 第8章：非金属材料成形 第9章：新材料及其新工艺 第10章：机械零件材料及成形工艺的选用
第2章 金属材料的结晶与二元相图
2.1.1 结晶的条件 2.1.2 结晶的过程 2.1.3 同素异构转变 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施 2.1.5 金属的铸锭
2.2 合金的结晶
2.3 铁碳合金相图
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2.1 纯金属的结晶
2.1.5 金属的铸锭
在实际生产中，液态金属被浇 注到锭模中便得到铸锭，而注 入到铸型模具中成形则得到铸 件。
凡是促进形核、抑制长大的 因素，都能细化晶粒。
工程材料及成形技术
过冷度对N、G的影响
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③ 细化铸态金属晶粒度的方法
增加过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。关 键是提高液态金属的冷却速度。
采用冷却能力较强的模子。 采用金属型铸模, 比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。 超高速急冷技术（>106/℃）可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结
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2.1.1 结晶的条件
物质由液态转变为固态的 过程称为凝固。
物质由液态转变为晶态的 过程称为结晶。
物质由一个相转变为另一 个相的过程称为相变。因 而结晶过程是相变过程。
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玻璃制 品
水 晶
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2.1 纯金属的结晶
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2.1.2 结晶的过程
① 结晶的基本过程
结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。
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，称为晶胚。在T0以下, 经一段时间后(即孕育 期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。
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