第二章金属的结晶

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四、控制晶粒度的方法
1、控制过冷度：随过冷度 增加，N/G值增加，晶粒 变细。
例 1 快速凝固和亚快速凝固
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快速凝固的定义
由液相到固相的冷却速度相当快，从而获 得
了传统铸锭冷却速率下所不能获得的成分、相结
构或显微结构快速凝固冷却速率>105℃/s
一般工业上冷却速率范围：10-3～10 ℃/s
现在是否明白了。
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二、结晶的一般过程
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， 称为晶坯。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。
液体和晶体自由能随温度变化
ΔT
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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。
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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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
一、冷却曲线与过冷度
1、冷却曲线
理论
纯金属的冷却曲线
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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实际 3
2。过冷与过冷度
概念解说
每一种物质都有自己的平衡结晶温度或者称 为理论结晶温度，但是，在实际结晶过程中， 实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，这 种现象称为过冷现象，两者的温度差值被称 为过冷度
因而细晶粒无益。
单晶叶片
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三、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。 因此，凡是促进形核、抑制 长大的因素，都能细化晶粒。
过冷度对N、G的影响
过冷度大小与冷却速度有
关，冷速越大，过冷度越
大。
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同学们有想过为什么存在过冷度吗？？
金属结晶时为什么必须过冷的根本原因：在等温 等压条件下，物 质系统总是自发地从自由能较高 的状态向自由能较低的状态转 变。而过冷度是指 金属的理论结晶温度T0与实际结晶温度T1的 差 值，要获得结晶过程所必需的驱动力，一定要使 实际结晶温度 低于理论结晶温度，这样才能满足 结晶的热力学条件。过冷度越 大，固、液两相自 由能的差值越大，即相变驱动力越大，结晶速 度 便越快。所以存在过冷度是结晶的必要条件。
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。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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二、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。
高温下，晶界呈粘滞状态， 在外力作用下易产生滑动， 晶粒大小与金属强度的关系
带形液流
固体
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例 2 控制过冷度
对于大体积铸件，如何控制过冷度？ 均匀形核
如何实现均匀形核？
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4137H低合金钢（35CrMo）的大过冷 凝固
图 实验装置示意图
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1．氩气； 2．耐火砖； 3．感应线；圈 4．石英管； 5．记录仪； 6．数据在线采集系统； 7．坩埚； 8．热电偶； 9．金属液
第二章 材料的凝固
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型： 1。一种形成晶体，称为结晶。结晶过程是相变过程 2。另一种是形成非晶体，非晶材料在凝固过程中 是逐渐变硬的。
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看图回答那个是晶 体那不是？
有固定的凝固温度
结晶
逐渐变硬 非晶体
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第一节 纯金属的结晶
非均匀形核更为普遍。
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均匀形核 非均匀形核示意图
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3、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状
长大。 在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推
进。
2021/3正/10温度梯度
均匀长大
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实际金属的结晶主要以树枝状长大。
这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的 散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次 轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。
负温度梯度
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树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
晶
金 属 的 树 枝 晶
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温度梯度G和冷却速率R对晶体形貌的影 响
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第二节 晶粒大小的控制
一、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。
大铸锭：10-2 ℃/s
中等铸锭：1 ℃/s
Байду номын сангаас
薄的铸锭：102 ℃/s
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实现快速凝固的两个基本条件：
（a ） 金属熔液必须被分散成液流或液滴，而且至
少在一个方向上的尺寸极小，便于散热；
（b）必须有能带走热量的介质。
熔体可成为
冷却借助于
液滴
气体
圆形液滴
液体
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T1 T0
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晶核半径与ΔG关系8
晶核形后便向各方向生长，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、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。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
坩埚容量10kg
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钢液的冷却曲线
4137H低合金钢的理论结晶温度为1503℃
1503℃
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稀土加入量与过冷度的关系
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晶粒尺寸与过冷度随稀土加入量的 变化关系
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作业
为什么添加稀土过冷度增加、晶粒化？
下面以钢来加以说明
在纯净钢生产过程中,随钢液纯净度提高,钢 中杂质和非均质形核质点数量减少, 影响钢 液过冷度和凝固组织的晶粒度。许多研究结 果表明,钢中加入稀土能起到净化钢液的作 用。