材料的凝固及结晶

第三章材料的凝固与结晶

第一节凝固的概念第二节金属的结晶和铸锭第三节合金的结晶过程

第一节凝固的概念

目的要求：通过讲授晶体与非晶体的凝固，使学生掌握物质从液态转变为固态所遵循的基本规律．

授课内容：

一，晶体的结晶

二，非晶体的结晶

重点：晶体结晶时过冷现象及热力学条件

难点：晶体与非晶体凝固的不同点

教学方法：课堂讲授并结合多媒体演示

讲授重点内容提要

一，晶体的凝固

物质从液态到固态的转变过程统称为＂凝固＂，如果通过凝固能形成晶体结构，则可称为＂晶体＂．凡纯元素（金属或非金属）的结晶都具有一个严格的＂平衡结晶温度＂（即理论结晶温度Ｔ０），高于此温度（即实际结晶温度Ｔ１）才能进行结晶；两者之差ΔＴ＝Ｔ０－Ｔ１称为过冷度，处于平衡结晶温度时，液体与晶体同时共存，达到可逆平衡．

为什么纯元素的结晶都具有一个严格不变的平衡结晶温度呢？这是因为它们的液体与晶体之间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故．这一能量叫做＂自由能（Ｆ）．同一物质的液体与晶体，由于其结构不同，它们在不同温度下的自由能变化是不同的,如图3-1所示．

由此可见，要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论温度，造成液体与晶体间的自由能差：（ΔF=F液－F晶），即具有一定的结晶驱动力才行．

二：非晶体的凝固

若凝固后的物质不是晶体，而是非晶体，那就不能称之为结晶，只能称为凝固．非晶体的凝固与晶体的晶体，都是由液体转化为固体，但本质上又有区别．非晶体的凝固实质上是靠熔体粘滞系数连续加大完成，即非晶体固态可看作粘滞系数很大的＂熔体＂，需在一个温度范围内逐渐完成凝固．

第二节金属的结晶和铸锭

目的要求:通过讲授金属的结晶过程

授课内容:

一:金属的结晶过程

二:金属结晶后的晶粒大小

1:晶粒大小与性能的关系

2:晶粒大小的控制

三:金属铸锭组织

1:表面细晶粒层

2;柱状晶粒层

3:中心等轴晶

重点:凝固的概念,金属结晶的铸锭.

难点:对结晶热力学条件的理解,金属的铸锭组织

讲授重点内容提要:

一:金属的结晶过程

纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经历的这段时间内发生的.它是不断形成晶核和晶核不断长大的过程,如图3-3所示.（P38页）

二:金属结晶后的晶粒大小.

1:晶粒大小与性能的关系.

金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体,而晶粒的大小是金属组织的重要标志之一.一般情况下,晶粒愈细小,金属的强度就愈高,塑性和韧性也愈好.表3-1（P39页）说明晶粒大小对纯铁机械性能的影响.

2:晶粒大小的控制

金属结晶后单位体积中晶粒数目Z,取决于结晶时的形核率N(晶核形核数目/S·m㎡)与晶核生长速率G(㎜/s),它们存在着以下的关系:Z∝√N/G,由上可知,当晶粒生长速率G一定时,晶核形核率N愈大,晶粒数目就愈多,反之则愈细. 1):增大过冷度:

金属结晶时的冷却速度愈大,其过冷度便愈大,不同过冷度ΔT对晶核形核率N和生长速率G的影响,如图3-6所示.

2):变质处理:

在液态金属结晶前,加入一些细小的变质剂,使金属结晶时的晶核形核率N

增加或生长速率G降低,这种细化晶粒的方法,称为变质处理.

3):附加振动:

金属结晶时,如对液态金属附加机械振动.超声波振动.电磁振动等措施,由于振动能使液态金属在铸模中运动加速,造成枝晶破碎,这就不仅可以使已长成的晶粒因破碎而细化,而且破碎的枝晶可以作为晶核,增加形核率N.所以,附加振动也能使晶粒细化.

三:金属的铸锭组织.

典型的金属的铸锭组织有三个区域组成：表面细晶粒区；柱状晶区；中心等轴晶区。

1:表面细晶粒层:

表面细晶粒的形成主要是因为钢液刚浇入铸模后,由于模壁温度较低,表面金属遭到剧烈的冷却,造成了较大的冷却所致,此外,模壁的人工晶核作用也是这层晶粒细化的原因之一.

2:柱状晶粒层:

柱状晶粒的形成主要是因为铸锭模壁散热的影响.

3:中心等轴晶粒

随着柱状晶粒成长到一定程度,铸锭中心部的剩余液体温度差也愈来愈小,趋于均匀冷却的状态;同时由于一些未熔杂志推移至铸锭中心,或将柱状晶的枝晶分枝冲断,漂移到铸锭中心,它们都可以成为剩余液体的晶核,这些晶核由于在不同方向上的成长速度相同,因而便形成较粗大的等轴晶粒区.

第三节合金的结晶过程

目的要求:通过讲授二元相图使学生掌握二元相图的基本类型与相图的分析.

授课内容:

一:二元合金相图的建立

1:相图的意义及几个名词的解释

2:二元相图的建立

二:二元匀晶相图

1:相图分析

2:合金的结晶过程

3:二元相图的杠杆定律

三:二元共晶相图

1:相图分析

2:合金结晶过程

3:比重偏析

四:二元包晶相图

1:相图分析

2:合金的结晶过程

五:形成稳定化合物的二元合金相图

六:具有共析反应的二元合金相图

七:合金的性能与相图间的关系

重点:二元相图,合金性能与二元相图的关系

难点:二元相图的识别与分析

讲授重点内容提要:

一:二元相图的建立

1:相图的定义及几个名词的解释

1):组元:通常把组成合金的最简单.最基本.能够独立存在的物质称为组元.

2):合金系:由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金,称为合金系.

3):相图:用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图,有城状态图或平衡图,相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的,都是接近平衡状态的组织.

2:二元相图的建立

以Pb-Sn合金系为例,说明用热分析实验方法测定相图的过程.（图3－9，42页）1):配制一系列不同成分的Pb-Sn合金.

配制的合金数目愈多,合金成分的间隔愈小,测绘出来的合金相图就愈精确. 2):在非常缓慢冷却条件下,测定这些合金从液态到固态在平衡结晶过程中的冷却曲线,如图3-10所示.

3):如图3-10所示:找出各合金冷却曲线上的临界点,并将它们标注在成分--温度坐标系.

4):将各成分线上具有相同意义的点连接成线,并根据已知条件和实际分析结果写