工程材料第四章凝固與細晶第1頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月

第四章凝固與結晶

4.1液態(tài)金屬的結構

4.2金屬結晶的基本規(guī)律

4.3聚合物、陶瓷的凝固與結晶凝固：液體→固體（晶體或非晶體）結晶：液體→晶體第2頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1液態(tài)金屬的結構射線衍射分析，證明液態(tài)的結構比較接近于固態(tài)。其內部原子排列從長程看是不規(guī)則的。但從短程看，則存在有規(guī)則排列的小原子集團。在原子周圍存在大量空隙或孔洞。這種原子團尺寸不一，瞬時存在，瞬時形成，在金屬液中此起彼伏地不斷變化，這種現象即稱為結構起伏。

結構起伏是發(fā)生結晶的基礎。液態(tài)金屬結構

第四章凝固與結晶第3頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2金屬結晶的基本規(guī)律1、冷卻曲線與金屬的結晶溫度

圖1熱分析裝置示意圖圖2純金屬冷卻曲線

第四章凝固與結晶第4頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2金屬結晶的基本規(guī)律2、過冷現象與過冷度?

純金屬的實際開始結晶溫度總是低于理論結晶溫度，這種現象稱為過冷。

過冷度

△T=Tm-TnTm-----理論結晶溫度，Tn------實際結晶溫度。?金屬結晶，必須過冷，否則，就不會產生結晶。純金屬的△T不是一個恒定值，對同一種純金屬液，冷卻速率越大，△T就越大。

第四章凝固與結晶結晶的條件：液態(tài)金屬具有一定的過冷度。第5頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、結晶的條件★熱力學第二定律：自由能差△E是物質中能夠自動向外界釋放出其中多余或者能夠對外做功的這一部分能量?！鱁=EL-ES圖3金屬在不同狀態(tài)下的自由能隨溫度的變化自由能高自由能低等溫等壓狀態(tài)

第四章凝固與結晶★T=Tm時，EL=ES

△E=0，兩相平衡；★T<Tm時，△E<0，結晶過程可自動進行。★△E=△T·（Lm/Tm）過冷度△T越大，結晶的驅動力也越大第6頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2金屬結晶的基本規(guī)律圖4純金屬結晶過程示意圖圖5鋼錠中的樹枝狀晶體

第四章凝固與結晶第7頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月4、晶核的形成與長大

①自發(fā)形核與非自發(fā)形核?自發(fā)形核:金屬液在過冷的條件下，一定尺寸以上的原子團即可成為晶核而長大。這種由金屬本身原子團形成晶核的過程稱為自發(fā)形核。?

非自發(fā)形核:在過冷條件下，金屬本身原子依附于外來物質或外來微粒表面而形成晶核并長大的過程叫非自發(fā)形核。

第四章凝固與結晶結構相似尺寸相當非自發(fā)形核所需的過冷度比自發(fā)形核時要小得多，例如小液滴純鐵均勻形核時的過冷度可達295℃，這樣大的過冷度在實際生產中是不可能看到的。實際金屬結晶的過冷度一般不超過20℃，就是因為金屬液中總含有微量的難熔雜質微?；蜩T型壁等可作為非均勻形核的基底。第8頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月4、晶核的形成與長大

②晶核的長大

(1)平面長大當冷卻速度較慢時，金屬晶體以其表面向前平行推移的方式長大。平面長大的結果，晶體獲得表面為密排面的規(guī)則形狀。(2)樹枝狀長大當冷卻速度較快時，晶體的棱角和棱邊的散熱條件比面上的優(yōu)越，因而長大較快，成為伸入到液體中的晶枝。優(yōu)先形成的晶枝稱一次晶軸，在一次晶軸增長和變粗的同時，在其側面生出新的晶枝，即二次晶軸。其后又生成三次晶軸、四次晶軸。結晶后得到具有樹枝狀的晶體。

第四章凝固與結晶第9頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月5、金屬結晶后晶粒的大小

自發(fā)形核時臨界晶核半徑形核功為非自發(fā)形核時

臨界晶核半徑形核功為一般情況下0＜θ＜π則?

盡管非自發(fā)臨界晶核半徑與自發(fā)臨界半徑相等，但實際上差異較大。如圖所示：圖9自發(fā)形核與非自發(fā)形核的臨界晶核半徑比較均質時rKrK非均質所以

第四章凝固與結晶第10頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2金屬結晶的基本規(guī)律6、金屬結晶后晶粒大小的控制①增加過冷度增加過冷度，△T增大，rK減小，形核率增加，晶粒越細，A均勻/非均勻減小，形核越容易；但是，△T不能太大，否則，原子擴散速度減慢，結構起伏減小，形核率減小。

主要措施：增加凝固過程的冷卻速度；降低澆注溫度，選擇吸熱能力和導熱能力較大的鑄型材料。

成核速率、長大速度與過冷度的關系

第四章凝固與結晶

晶粒越小,金屬的強度、塑性和韌性越好。細晶強化提高金屬機械性能的重要途徑之一。第11頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月6、金屬結晶后晶粒大小的控制②變質處理

變質處理就是人為向金屬液中加入某些物質（稱為變質劑），作為非自發(fā)形核的基底，從而細化晶粒。例如，鉛合金中加入微量Ti、Zr，鋼中加入微量Al或Ti。③附加振動

采用機械、超聲波、電磁振動使鑄型中金屬液產生運動，晶軸碎裂，增加結晶核心，從而細化金屬晶粒。4.2金屬結晶的基本規(guī)律思考題如果其他條件相同，試比較不同鑄造條件下鑄錠晶粒的大?。?）金屬模鑄造與砂模鑄造（2）高溫澆鑄與低溫澆鑄（鑄型溫度）（3）鑄成薄件與鑄成厚件（4）澆鑄時采用振動與不采用振動

第四章凝固與結晶第12頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2金屬結晶的基本規(guī)律7、鑄件的凝固組織圖8為鑄錠截面的典型宏觀組織示意圖。圖中可以看到具有不同組織特征的三個晶區(qū)。即細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)。

第四章凝固與結晶第13頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2金屬結晶的基本規(guī)律7、鑄錠組織圖9鑄件的宏觀組織形成過程示意圖

第四章凝固與結晶第14頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2金屬結晶的基本規(guī)律7、鑄錠組織鑄錠組織三個晶區(qū)的形成原因？1)表層細晶區(qū)劇烈冷卻，產生很大的過冷度，形成大量晶核，故得到很細的晶粒組織。2)柱狀晶區(qū)模壁被熔液加熱而升高溫度，結晶潛熱釋放，形核迅速下降，擇優(yōu)生長。3)中心粗等軸晶粒區(qū)接近鑄錠中心，液相中的溫度已比較均勻，剩余液相幾乎同時進入過冷狀態(tài)。中心區(qū)的過冷度變小，形核率也較低，由表層細晶區(qū)形成的小晶塊或柱狀晶體的多次晶軸受液流沖擊而破碎的小晶塊，它們被金屬液的流動帶進中心區(qū)，作為晶核而長大，形成中心等晶軸區(qū)。

第四章凝固與結晶第15頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2金屬結晶的基本規(guī)律7、鑄錠組織

第四章凝固與結晶第16頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3陶瓷、聚合物的凝固與結晶

陶瓷結晶規(guī)律與金屬相類似，需要一定的過冷度，也是晶核形成與核長大的過程，組織變化規(guī)律與合金相似。聚合物結晶過程也是晶核形成與長大過程，有自發(fā)形核與非自發(fā)形核之分，所不同的是“大分子結構鏈段”替代了液態(tài)金屬中的“原子團（或臨界晶核）”。

第四章凝固與結晶第17頁，課件共18頁，創(chuàng)作于2023年