武汉理工工程材料3第二章2.1PPT课件

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单位面积晶粒数 16 32 64 128 256 512 1024 2048 （个/mm2）
晶粒平均直径 250 177 125 88 62 44 31 22 （μm）
细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象。
比较：细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑。 固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓。
形核率越大，在单位体积中形成的晶核数量就越多， 每个晶粒长大的空间就越小，晶粒就越细小；长大 速度越小，在晶体长大的过程中，可能形成的晶粒 数目就越多，晶粒越细小。凡促进形核N↑、抑制长 大G↓或使N/G↑的因素，都能细化晶粒。
非自发形核 —— 依附于外来杂质生成的晶核。
• 由液体中规则排列的原子集团形成晶核的过程称为自发形核。 • 以液体中固态杂质为核心形成晶核的过程称为非自发形核。 • 自发形核和非自发形核同时存在，非自发形核更普遍、更重
要，往往起着优先和主导作用。
• 自发形核的△T 约 200℃；非自发形核的△T 约 20℃。
广义结晶概念：一种原子排列状态 --> 另一种原子规则排列状态(晶态)
液态--> 晶态（一次结晶） 晶体--> 晶态（二次结晶）
液体
晶体
实验室测定液态金属结晶时温度与 时间对应关系的曲线——冷却曲线
热分析装置示意图
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
T
T= T0 - Tn
T0
• 实际金属主要以树枝状方式长大。这是由于晶核长大过程 中有潜热放出，晶核尖角处散热条件较好，生长较快，先 形成一次晶轴，一次晶轴形成后又会产生二次晶轴，如此 不断成长和分枝，直至液体全部消失为止。
• 在结晶过程中，如果金属液体供应不充分，树枝晶之间的 间隙不被填满，可保留树枝状晶体的形态。这证明树枝晶 之间的空隙是最后被填充的。
晶坯 形核
晶核
长大
晶体
金属的结晶是由晶核的形成（形核）和晶核的长大 两个基本过程组成的。形核和晶核长大过程示意：
液态金属
形核
晶核长大
完全结晶
金属结晶微观过程示意图
结晶的一般规律：形核、晶核长大
晶核的形成
两种形核方式——自发形核与非自发形核 自发形核 由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸 后形成的结晶核心。
第2章 金属材料组织 和性能的控制
2.1 纯金属的结晶 2.2 合金的结晶 2.3 金属的塑性加工 2.4 钢的热处理 2.5 钢的合金化 2.6 表面技术
2.1 纯金属的结晶
1. 纯金属的结晶 2. 同素异构转变 3. 细化铸态金属晶粒的措施 4. 铸锭的结构
1. 纯金属的结晶
凝固(coagulation)：液态 --> 固态（晶体或非晶体）。 结晶( crystal )： 液态--> 晶态。
自发形核
非自发形核示意图
晶核长大过程
晶核两种长大方式 — 平面生长与树枝状生长。
平面生长
正温度梯度下（帮助理解，不作要求）
界面为平行于熔点Tm 的平直面，与散热垂直， 晶体生长所需过冷度小， 界面温度与熔点接近， 晶体长大时界面均匀一 致地向液相推进，如果 偶有突出，便进入过冷 度小的温区，长大立刻 慢下来。
液态金属在理论结晶温度以下暂不结晶的现象称过冷。
理论结晶温度与实际结晶温度之差T称为过冷度。 T= T0 –Tn
过冷度与冷却速度有关。冷却速度越大，实际结晶温度越低， 过冷度越大。
冷却速度越大，过冷度越大。
结晶的一般过程
液态金属中时刻存在着原子规则排列的小原子集团，它们 时聚时散，称为晶坯。在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些尺寸较大的晶坯，可能长大成为晶核。晶核继续以一 定方式长大，就成为晶体。
在各种强化方法中，细晶强化是唯一同时提高强度 和塑性的方法。
影响晶粒度的因素 晶粒的大小取决于晶核的形成速度（形核率） 和长大速度。
形核率(N) ：单位时间、单位体积内形成的晶核数目， 单位为cm-3·s-1 。
长大速度(G) ：单位时间内晶体生长的长度，单位 cm·s -1 。
单位体积中的晶粒数目为： ZV=0.9（N / G）3 / 4
t
两次同素异构转变
•-Fe、-Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构 (FCC)，都是铁的同素异晶体。 •固态下的同素异构转变与液态金属的结晶过程类似，新 同素异晶体的形成也包括形核和长大两个过程，故称为二 次结晶或重结晶。 •同素异构转变是在固态下进行的固态转变过程。
• 固态转变的特点： • 形核一般易在某些特定部位发生，如晶界、晶内缺陷、特
定晶面等。 • 由于固态下扩散困难，因而需要较大的过冷度。 • 固态转变伴随着体积变化，易造成很大的内应力。如 -Fe
向-Fe转变时体积会膨胀1%。
3. 细化晶粒的措施
一个晶粒是由一个晶核长大形成的晶体。 晶粒度 —— 表示晶粒的大小，通常分为8级。 晶粒度号数越大，晶粒越细。
晶粒度
1
2
3
4
5
6
7
2．同素异构转变
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。
纯铁的同素异构转变：
1394 C
912 C
-Fe（bcc） -Fe（fcc）
-Fe（bcc）
912 C
-Fe
-Fe
纯铁的冷却曲线
T 1538
} 1394
-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
“平面状”长大方式——平面晶
负温度梯度下（帮助理解，不作要求）
由于界面前沿液体的过冷度 较大，如果界面的某一部分 发展较快偶有突出，它将进 入过冷度更大的液体中，从 而突出尖端生长得更快，最 后长成树枝状晶体。
“树枝状”长大方式
晶核的树枝状长大
金属的树枝晶
冰的树枝晶
金属的树枝晶
金属的树枝晶
理论结晶温度
}T
Tn
开始结晶温度
t
过冷现象）
结晶驱动力 —液态和固态自由能之差△F
热力学定律：自然 界一切自发转变过 程总是从能量较高 的状态趋向能量较 低的状态。
液态和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ态自由能随温度变化曲线
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, 液体和晶体处于动态平衡（即结晶出的小晶 坯与熔化进入液体的小晶坯在数量上相等）。 要实现结晶（即结晶出的小晶坯数＞熔化进入液体的小晶 坯数），只有在T0以下的某一温度，结晶才可能进行。