金属材料组织与性能的控制概述.pptx
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注意：等轴晶没有弱面，性能均匀，无方向性.
金属铸锭的组织 1－细晶区 2－柱状晶区 3－中心等轴晶区
表面细晶粒层：综合性 能好
柱状晶粒层：各向异性 中心粗大等轴晶粒层：
–高温性能好
纯金属的结晶－铸锭的结构
影响铸锭晶粒形状的因素
在铸锭上保持较大的温度梯度（如加热温度高 ，冷却速度大，铸造温度高，浇注速度大）， 可获得较发达的柱状晶；结晶时单向散热，也 有利于柱状晶的形成；
➢细化晶粒 • 基本定义
晶粒度:用于描述晶粒大小的参数; 常用的表示方法：单位体积的晶粒数目（ZV） ；或单位面积内的晶粒数目（ZS）或晶粒的平 均线长度（或直径）表示;
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
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8级，1-4级为 粗晶粒，5-8级为细晶粒。
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
此外还可加入某些合金元素或盐类，可以降低 固相界面的表面能或附着在晶体的结晶前缘，阻碍 晶粒长大，也可获得细晶组织；在铝合金液体中加 入钛、锆；在铝硅合金中加入钠盐等，都可达到细 化晶粒的目的。
保证铸件截面温度的均匀性（如铸造温度低， 冷却速度小等）能够促进等轴晶的形成； 此外，通过机械振动、电磁搅拌等方法可破 坏柱状晶，有利于等轴晶的形成；
纯金属的结晶－铸锭的缺陷
铸造缺陷主要有：缩孔、疏松、气孔
缩孔 由液体凝固时体积收缩造成的。如果最后凝固
的地方液体得不到补充，即可形成缩孔； 疏松（分散缩孔）
实验一
金相试样的制备及其显微组织观察
时间：3月23日（星期三上午1、2节） 地点：教学B楼东地下室（靠近操场）
➢ 基本概念
金属材料组织和性能的控制
纯金属的结晶
结晶，一次结晶，重结晶（二次结晶，同素异构转 变）
理论结晶温度，实际结晶温度 过冷、过冷度
• 影响过冷度的因素：冷却速度、金属本性
力作用下，变形的晶粒也多，可使应力分散，变形 均匀，并使得金属具有较好的塑性和韧性，所以晶 粒细化不仅是提高金属强度、硬度，而又是提高塑 性和韧性的重要途径。
§4 金属的结晶
纯铁晶粒度与力学性能的关系
晶粒度 (晶粒数 /mm2)
6.3
b (N/mm2)
237
s (N/mm2)
46
51
274
70
194
294
108
(％)
35.3
44Baidu Nhomakorabea8
47.5
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
细晶强化： 通过细化晶粒的方法，提高材料的强度、塑性和韧
性等机械性能，这是一种重要的材料强化途径。
措施：
增大金属的过冷度
主要取决于液态金属的冷却速度。
通过采用冷却能力强的模子，提高液体金属冷却速 度：①采用金属型铸造，增大铸件的冷却速度。②铸 件壁厚设计适当，薄壁铸件可提高冷却速度，细化晶 粒。
• 柱状晶的性能具有方向性，沿其长轴方向强 度较高。对于承受单向载荷的构件，可采用柱 状晶结构；
纯金属的结晶－铸锭的结构
➢ 粗等轴晶区
随着柱状晶区的发展，过冷度大大减小， 温度趋于均匀化，同时散热的方向性已不明显 ，内部液体处于均匀冷却状态，晶核在不同方 向的成长速度相同，因此在铸锭的中心便形成 粗大的等轴晶粒区。
纯金属的结晶－铸锭的结构
铸锭结构
铸锭结构不均匀;主要分三个典型晶区：
细等轴晶区 在金属的表层形成的一层厚度不大、晶粒
很细、三维方向尺寸相近的区域； 原因：由于外层金属的过冷度大，模壁具有自发
形核的作用，因而导致生成的晶核多；
纯金属的结晶－铸锭的结构
➢ 柱状晶区 表层细晶粒层形成后，铸锭的冷却速度下降
过冷度的 影响
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
过冷度增大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率 和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高 了N与G的比值，晶粒变细。
金属在结晶后的晶粒粗细与（N/G）有关
–（N/G）越大 –（N/G）越小
晶粒越细 晶粒越粗
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困 难。
➢ 改变熔体的过冷度即可改变相变驱动力，控制结晶过程的进行。
➢ 结晶过程：
形核、长大
纯金属的结晶－同素异构转变
同素异构转变（重结晶） 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； 如：铁、钴、钛
同素异构晶体 同属于一种金属，但具有不同晶体结构的晶
体； 如δ－Fe、γ－Fe、α－Fe
-Fe 1394℃ -Fe 912℃ -Fe
金 属 的 同 素 异 构 转 变
纯金属的结晶－同素异构转变
纯金属的结晶－同素异构转变
固态相变的晶界形核
纯金属的结晶－同素异构转变
同素异构转变的特点 l 有过冷现象，有固定的转变温度 l 新晶体的形成也包括形核和长大两个过程； l 要较大的过冷度； l 转变时引起体积发生变化，产生较大的内应力
结晶时不能保证液体的补给，在枝晶间和枝晶内 形成的细小分散的缩孔。
– 在热轧过程中疏松可以闭合
纯金属的结晶－铸锭的缺陷
➢气孔 气体来不及逸出，留在金属内部
，形成气孔； 轧制中气孔可引起裂纹等缺陷，
故应严格控制。
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
工程应用：
细化铸铁金属晶粒 定向结晶 制取单晶
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
不仅如此，过冷度过大导致冷却速度过大，会 使金属中内应力增大，造成铸件的变形和裂纹等 缺陷，生产中常采用其他细化晶粒的方法。
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
措施： 变质处理（工程上常用）
在液体金属中加入孕育剂或变质剂，增加非 自发形核的数量或者阻碍晶核长大，以细化晶 粒和改善组织。
如在钢水中加入钛、钒、铝等可增加形核数 量，细化晶粒。
一般晶粒度越大，也就是越细越好， 其原因主要为以下两条：
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
➢ 晶粒粗细决定了晶界面积的大小。
晶粒细小，金属材料总晶界面积增加。晶 粒愈细，晶界愈多，位错运动困难，则金属材料 的强度和硬度显著提高。
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
当晶粒细小时，同一位向的晶粒数目增加，在外
，晶核的形成速率不如成长率大，各晶粒成长 较快。由于沿垂直于模壁方向散热较快，故晶 粒编沿这一方向长大，形成柱状晶粒层。
纯金属的结晶－铸锭的结构
➢ 柱状晶区
• 尽管柱状晶晶质致密，但在柱状晶的接触面 由于杂质的存在而成为弱面，在热轧、锻造时 容易开裂。 对高熔点和杂质多的金属（如铁、镍及其 合金），应控制柱状晶的生成；
金属铸锭的组织 1－细晶区 2－柱状晶区 3－中心等轴晶区
表面细晶粒层：综合性 能好
柱状晶粒层：各向异性 中心粗大等轴晶粒层：
–高温性能好
纯金属的结晶－铸锭的结构
影响铸锭晶粒形状的因素
在铸锭上保持较大的温度梯度（如加热温度高 ，冷却速度大，铸造温度高，浇注速度大）， 可获得较发达的柱状晶；结晶时单向散热，也 有利于柱状晶的形成；
➢细化晶粒 • 基本定义
晶粒度:用于描述晶粒大小的参数; 常用的表示方法：单位体积的晶粒数目（ZV） ；或单位面积内的晶粒数目（ZS）或晶粒的平 均线长度（或直径）表示;
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
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8级，1-4级为 粗晶粒，5-8级为细晶粒。
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
此外还可加入某些合金元素或盐类，可以降低 固相界面的表面能或附着在晶体的结晶前缘，阻碍 晶粒长大，也可获得细晶组织；在铝合金液体中加 入钛、锆；在铝硅合金中加入钠盐等，都可达到细 化晶粒的目的。
保证铸件截面温度的均匀性（如铸造温度低， 冷却速度小等）能够促进等轴晶的形成； 此外，通过机械振动、电磁搅拌等方法可破 坏柱状晶，有利于等轴晶的形成；
纯金属的结晶－铸锭的缺陷
铸造缺陷主要有：缩孔、疏松、气孔
缩孔 由液体凝固时体积收缩造成的。如果最后凝固
的地方液体得不到补充，即可形成缩孔； 疏松（分散缩孔）
实验一
金相试样的制备及其显微组织观察
时间：3月23日（星期三上午1、2节） 地点：教学B楼东地下室（靠近操场）
➢ 基本概念
金属材料组织和性能的控制
纯金属的结晶
结晶，一次结晶，重结晶（二次结晶，同素异构转 变）
理论结晶温度，实际结晶温度 过冷、过冷度
• 影响过冷度的因素：冷却速度、金属本性
力作用下，变形的晶粒也多，可使应力分散，变形 均匀，并使得金属具有较好的塑性和韧性，所以晶 粒细化不仅是提高金属强度、硬度，而又是提高塑 性和韧性的重要途径。
§4 金属的结晶
纯铁晶粒度与力学性能的关系
晶粒度 (晶粒数 /mm2)
6.3
b (N/mm2)
237
s (N/mm2)
46
51
274
70
194
294
108
(％)
35.3
44Baidu Nhomakorabea8
47.5
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
细晶强化： 通过细化晶粒的方法，提高材料的强度、塑性和韧
性等机械性能，这是一种重要的材料强化途径。
措施：
增大金属的过冷度
主要取决于液态金属的冷却速度。
通过采用冷却能力强的模子，提高液体金属冷却速 度：①采用金属型铸造，增大铸件的冷却速度。②铸 件壁厚设计适当，薄壁铸件可提高冷却速度，细化晶 粒。
• 柱状晶的性能具有方向性，沿其长轴方向强 度较高。对于承受单向载荷的构件，可采用柱 状晶结构；
纯金属的结晶－铸锭的结构
➢ 粗等轴晶区
随着柱状晶区的发展，过冷度大大减小， 温度趋于均匀化，同时散热的方向性已不明显 ，内部液体处于均匀冷却状态，晶核在不同方 向的成长速度相同，因此在铸锭的中心便形成 粗大的等轴晶粒区。
纯金属的结晶－铸锭的结构
铸锭结构
铸锭结构不均匀;主要分三个典型晶区：
细等轴晶区 在金属的表层形成的一层厚度不大、晶粒
很细、三维方向尺寸相近的区域； 原因：由于外层金属的过冷度大，模壁具有自发
形核的作用，因而导致生成的晶核多；
纯金属的结晶－铸锭的结构
➢ 柱状晶区 表层细晶粒层形成后，铸锭的冷却速度下降
过冷度的 影响
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
过冷度增大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率 和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高 了N与G的比值，晶粒变细。
金属在结晶后的晶粒粗细与（N/G）有关
–（N/G）越大 –（N/G）越小
晶粒越细 晶粒越粗
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困 难。
➢ 改变熔体的过冷度即可改变相变驱动力，控制结晶过程的进行。
➢ 结晶过程：
形核、长大
纯金属的结晶－同素异构转变
同素异构转变（重结晶） 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； 如：铁、钴、钛
同素异构晶体 同属于一种金属，但具有不同晶体结构的晶
体； 如δ－Fe、γ－Fe、α－Fe
-Fe 1394℃ -Fe 912℃ -Fe
金 属 的 同 素 异 构 转 变
纯金属的结晶－同素异构转变
纯金属的结晶－同素异构转变
固态相变的晶界形核
纯金属的结晶－同素异构转变
同素异构转变的特点 l 有过冷现象，有固定的转变温度 l 新晶体的形成也包括形核和长大两个过程； l 要较大的过冷度； l 转变时引起体积发生变化，产生较大的内应力
结晶时不能保证液体的补给，在枝晶间和枝晶内 形成的细小分散的缩孔。
– 在热轧过程中疏松可以闭合
纯金属的结晶－铸锭的缺陷
➢气孔 气体来不及逸出，留在金属内部
，形成气孔； 轧制中气孔可引起裂纹等缺陷，
故应严格控制。
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
工程应用：
细化铸铁金属晶粒 定向结晶 制取单晶
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
不仅如此，过冷度过大导致冷却速度过大，会 使金属中内应力增大，造成铸件的变形和裂纹等 缺陷，生产中常采用其他细化晶粒的方法。
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
措施： 变质处理（工程上常用）
在液体金属中加入孕育剂或变质剂，增加非 自发形核的数量或者阻碍晶核长大，以细化晶 粒和改善组织。
如在钢水中加入钛、钒、铝等可增加形核数 量，细化晶粒。
一般晶粒度越大，也就是越细越好， 其原因主要为以下两条：
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
➢ 晶粒粗细决定了晶界面积的大小。
晶粒细小，金属材料总晶界面积增加。晶 粒愈细，晶界愈多，位错运动困难，则金属材料 的强度和硬度显著提高。
纯金属的结晶－结晶理论的工程应用
当晶粒细小时，同一位向的晶粒数目增加，在外
，晶核的形成速率不如成长率大，各晶粒成长 较快。由于沿垂直于模壁方向散热较快，故晶 粒编沿这一方向长大，形成柱状晶粒层。
纯金属的结晶－铸锭的结构
➢ 柱状晶区
• 尽管柱状晶晶质致密，但在柱状晶的接触面 由于杂质的存在而成为弱面，在热轧、锻造时 容易开裂。 对高熔点和杂质多的金属（如铁、镍及其 合金），应控制柱状晶的生成；