金属学及热处理 第2章 纯金属的结晶 第2章 纯金属的结晶 金属由液态转变为固态的过程称为凝固。由于凝 固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变 过程称为 金属由液态转变为固态的过程称为凝固。由于凝 固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变 过程称为结晶结晶。 在铸造、焊接、液态模锻和金属的半固态成形等 方面都存在金属的结晶问题。 在铸造、焊接、液态模锻和金属的半固态成形等 方面都存在金属的结晶问题。 金属结晶后所得到的组织对金属随后的加工和使 用性能影响很大。 金属结晶后所得到的组织对金属随后的加工和使 用性能影响很大。 与合金相比，纯金属的结晶比较简单。与合金相比，纯金属的结晶比较简单。 第2章 纯金属的结晶 金属结晶的现象；金属结晶的现象； 金属结晶的热力学条件；金属结晶的热力学条件； 金属结晶的结构条件；金属结晶的结构条件； 晶核的形成；晶核的形成； 晶核长大。晶核长大。 本章的主要学习内容：本章的主要学习内容： 2.1 金属结晶的现象 2.1.1 结晶过程的宏观现象结晶过程的宏观现象 热分析方法：在液态金属冷却结晶过程中,温度 与时间的变化关系曲线，从热分析曲线可以看 到如下两个宏观特征： 热分析方法：在液态金属冷却结晶过程中,温度 与时间的变化关系曲线，从热分析曲线可以看 到如下两个宏观特征： （1）过冷现象）过冷现象 实际结晶温度实际结晶温度T1低于理论 结晶温度 低于理论 结晶温度T0的现象。 过冷度： 的现象。 过冷度：T = T0- T1 金属纯度越高、冷却速度 越快，过冷度越大。 金属纯度越高、冷却速度 越快，过冷度越大。纯金属结晶冷却曲线示意图纯金属结晶冷却曲线示意图 2.1 金属结晶的现象 2.1.1 结晶过程的宏观现象结晶过程的宏观现象 1mol物质从一个相转变为 另一个相时，伴随着放出和吸收 的热量称为 物质从一个相转变为 另一个相时，伴随着放出和吸收 的热量称为相变潜热相变潜热。 金属结晶放出热量。结晶 潜热补偿了散失到环境的热量， 保持结晶过程体系温度不变，在 冷却曲线上出现平台。 结晶时间 。 金属结晶放出热量。结晶 潜热补偿了散失到环境的热量， 保持结晶过程体系温度不变，在 冷却曲线上出现平台。 结晶时间 = tf- ts tstf 结晶开始结晶开始结晶结束结晶结束 （2）结晶潜热：）结晶潜热： 2.1 金属结晶的现象 2.1.2 金属结晶的微观过程金属结晶的微观过程 当液态金属冷却至实际结晶温度时，晶核并未 立即出生，而是经过了一定时间后才开始出现第一 批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为 当液态金属冷却至实际结晶温度时，晶核并未 立即出生，而是经过了一定时间后才开始出现第一 批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为孕育期孕育期。 随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同 时，液态金属中又继续产生新的晶核。就这样，液 态金属中不断形核、不断长大，使液态金属越来越 少，直到各个小晶体相互接触，液态金属耗尽，结 晶过程结束。 。 随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同 时，液态金属中又继续产生新的晶核。就这样，液 态金属中不断形核、不断长大，使液态金属越来越 少，直到各个小晶体相互接触，液态金属耗尽，结 晶过程结束。 2.1 金属结晶的现象 2.1.2 金属结晶的微观过程金属结晶的微观过程 纯金属结晶过程意图纯金属结晶过程意图 一个晶核长成的小晶体就是一个晶粒。晶核随机形 成，晶粒位向不同，众多晶粒组成一块多晶体。 一个晶核长成的小晶体就是一个晶粒。晶核随机形 成，晶粒位向不同，众多晶粒组成一块多晶体。 如果只有一个晶核形成并长大，得到一块单晶体。如果只有一个晶核形成并长大，得到一块单晶体。 2.2 金属结晶的热力学条件 金属各相的状态都有其相应的自由能。物质的最稳 定状态一定是其自由能最低状态。物质由一个高自 由能状态向一个低自由能状态的转变是自发的，转 变前后的自由能差就成为该转变的驱动力。 金属各相的状态都有其相应的自由能。物质的最稳 定状态一定是其自由能最低状态。物质由一个高自 由能状态向一个低自由能状态的转变是自发的，转 变前后的自由能差就成为该转变的驱动力。 无论金属是液态还是固态，其自由能均随温度和压 力的变化而变化，即： 无论金属是液态还是固态，其自由能均随温度和压 力的变化而变化，即： dG = VdP - SdT 式中：式中：G为自由能；为自由能；V为体积；为体积；P为压力；为压力；S是熵；是熵；T 为热力学温度。为热力学温度。 如果压力为常数，即如果压力为常数，即dP = 0，则有，则有:S dT dG = 2.2 金属结晶的热力学条件 熵的物理意义是表征系统中原子排列混乱程度的参 数。熵值永远是正数，所以金属无论是液态还是固 态，系统的自由能总是随温度的提高而降低。 熵的物理意义是表征系统中原子排列混乱程度的参 数。熵值永远是正数，所以金属无论是液态还是固 态，系统的自由能总是随温度的提高而降低。 温度升高，原子活动能力提高， 原子排列混乱程度增加，熵值增 加，所以系统自由能的下降速度 随温度的升高而提高。 温度升高，原子活动能力提高， 原子排列混乱程度增加，熵值增 加，所以系统自由能的下降速度 随温度的升高而提高。 液态金属原子排列混乱程度大于 固态，即 液态金属原子排列混乱程度大于 固态，即SLSS，所以液相自由 能曲线的斜率大于固相。 ，所以液相自由 能曲线的斜率大于固相。 0 T0T GL GS G S dT dG = 2.2 金属结晶的热力学条件 只有温度低于只有温度低于T0，固态金属的 自由能才低于液态金属，结晶 才能自发进行，所以金属结晶 一定要低于理论结晶温度，即 一定要有过冷度。 ，固态金属的 自由能才低于液态金属，结晶 才能自发进行，所以金属结晶 一定要低于理论结晶温度，即 一定要有过冷度。 过冷度越大，液固两相自由能 差越大，相变驱动力越大，结 晶速度越快。 过冷度越大，液固两相自由能 差越大，相变驱动力越大，结 晶速度越快。 在某一温度下，液固两相自由能相等，具有同样的 稳定性，这一温度就是理论结晶温度 在某一温度下，液固两相自由能相等，具有同样的 稳定性，这一温度就是理论结晶温度T0。 0 T0T GL GS G T1 T G = GS- GL 具有光滑界面的非金属的长大速度随过冷度增加先增加而 后下降，同时受结晶驱动力和源自扩散能力的制约。 具有光滑界面的非金属的长大速度随过冷度增加先增加而 后下降，同时受结晶驱动力和源自扩散能力的制约。 具有粗糙界面的金属结晶温度较高，形核和长大都快，不 等过冷到较低温度结晶就结束了，因此其的长大速度随过 冷度增加而增加，一般不超过极大值。 具有粗糙界面的金属结晶温度较高，形核和长大都快，不 等过冷到较低温度结晶就结束了，因此其的长大速度随过 冷度增加而增加，一般不超过极大值。 晶体生长的线速度 与过冷度的关系 晶体生长的线速度 与过冷度的关系 2.5 晶核长大 2.5.6 晶粒大小的控制晶粒大小的控制 在常温下，金属的晶粒越小，强度和硬度越高， 同时塑性和韧性越好。 在常温下，金属的晶粒越小，强度和硬度越高， 同时塑性和韧性越好。 晶粒平均直径 (mm) 抗拉强度 (MPa) 屈服强度 (MPa) 延伸率 (%) 9.71654028.8 7.01803830.6 2.52114439.5 0.202635748.8 0.162646550.7 0.1027811650.0 晶粒大小对纯铁机械性能的影响晶粒大小对纯铁机械性能的影响 2.5 晶核长大 2.5.6 晶粒大小的控制晶粒大小的控制 有些金属材料不能通过热处理改变晶粒大小，因 此通过结晶条件控制晶粒大小十分重要。 有些金属材料不能通过热处理改变晶粒大小，因 此通过结晶条件控制晶粒大小十分重要。 晶粒大小取决于形核率和长大速度的相对大小。 形核率越大，同时长大速度越小，则晶粒越小。 晶粒大小取决于形核率和长大速度的相对大小。 形核率越大，同时长大速度越小，则晶粒越小。 单位体积中的晶粒数目单位体积中的晶粒数目ZV为：为：ZV= 0.9(N/G)3/4 单位面积中的晶粒数目单位面积中的晶粒数目ZS为：为：ZS= 1.1(N/G)1/2 2.5 晶核长大 2.5.6 晶粒大小的控制晶粒大小的控制 工业生产中采用的细化晶粒方法：工业生产中采用的细化晶粒方法： 快速冷却快速冷却 提高冷却速度，增大过冷度，增大形 核率与长大速度比值（ 提高冷却速度，增大过冷度，增大形 核率与长大速度比值（N/G），细化晶 粒。一般只适用于小件和薄件，对大件很 难实现。 ），细化晶 粒。一般只适用于小件和薄件，对大件很 难实现。 G N T 铸型材料、铸型尺寸、冷却条件、 浇注温度、浇注速度。 铸型材料、铸型尺寸、冷却条件、 浇注温度、浇注速度。 实现方法：实现方法： 2.5 晶核长大 2.5.6 晶粒大小的控制晶粒大小的控制 工业生产中采用的细化晶粒方法：工业生产中采用的细化晶粒方法： 变质处理变质处理 变质处理是在浇注前往液态金属中加入形核剂（变质 剂），促进形成大量的非均匀形核来细化晶粒。 变质处理是在浇注前往液态金属中加入形核剂（变质 剂），促进形成大量的非均匀形核来细化晶粒。 铝合金中加入钛、锆、钒；铸铁中加入硅铁或硅钙合金。铝合金中加入钛、锆、钒；铸铁中加入硅铁或硅钙合金。 举例：举例： 将钠盐加入到将钠盐加入到Al-Si合金中，钠能富集到硅的表面，降低 硅的长大速度，使合金细化。称为长大抑制剂。 合金中，钠能富集到硅的表面，降低 硅的长大速度，使合金细化。称为长大抑制剂。 2.5 晶核长大 2.5.6 晶粒大小的控制晶粒大小的控制 工业生产中采用的细化晶粒方法：工业生产中采用的细化晶粒方法： 振动和搅拌振动和搅拌 对即将凝固的液态金属进行振动和搅拌，一方 面依靠外界输入能量使晶核提前形成，另一方面使 成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，细化晶粒。 对即将凝固的液态金属进行振动和搅拌，一方 面依靠外界输入能量使晶核提前形成，另一方面使 成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，细化晶粒。 振动和搅拌的方法有：机械振动，电磁振动和 超声振动。 振动和搅拌的方法有：机械振动，电磁振动和 超声振动。 第2章-小结，思考题，复习题 金属结晶的现象金属结晶的现象金属结晶热力学条件金属结晶热力学条件 金属结晶结构条件金属结晶结构条件 晶核的形成晶核的形成 过 冷 现 象 过 冷 现 象 结 晶 潜 热 结 晶 潜 热 体系 自由 能 体系 自由 能 过 冷 度 过 冷 度 液 体 结 构 特 点 液 体 结 构 特 点 结 构 起 伏 结 构 起 伏 均 匀 形 核 均 匀 形 核 晶体 长大 机制 晶体 长大 机制 金属 结晶 微观 过程 金属 结晶 微观 过程 非 均 匀 形 核 非 均 匀 形 核 晶核长大晶核长大 固液 界面 微观 结构 固液 界面 微观 结构 温 度 梯 度 温 度 梯 度 晶 体 形 态 晶 体 形 态 长 大 速 度 长 大 速 度 晶粒 大小 控制 晶粒 大小 控制 第2章-小结，思考题，复习题 思考题：思考题： （1）从热力学基本公式和形核能量关系出发， 推导均匀形核时临界形核半径和过冷度的关系、 形核功的表达式、以及形核功与过冷度的关系。 ）从热力学基本公式和形核能量关系出发， 推导均匀形核时临界形核半径和过冷度的关系、 形核功的表达式、以及形核功与过冷度的关系。 （2）根据结晶的热力学条件解释为什么金属结 晶一定要有过冷度？ ）根据结晶的热力学条件解释为什么金属结 晶一定要有过冷度？ 第2章-小结，思考题，复习题 复习题：复习题： （1）影响接触角的因素有哪些？选择什么样的 异相质点可以促进非均匀形核？ ）影响接触角的因素有哪些？选择什么样的 异相质点可以促进非均匀形核？ （2）常