1、冶金技术教研室第二章第二章 纯金属的结晶纯金属的结晶教学目的与教学目的与要求要求1、了解金属结晶的现象：宏观的、微观的；2、熟悉金属结晶热力学、结果条件； 3、了解晶体结晶的过程，掌握晶体大小的控制方法；4、熟悉铸锭的内部组织及缺陷，了解钢中杂质元素的作用与影响。教学重点：教学重点：过冷度、结晶晶粒大小的控制教学难点：教学难点：纯金属结晶的条件冶金技术教研室金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差与理论结晶温度之差称为过冷度称为过冷度 (T )。 T = Tm Tn2.12.1 金属结晶的现象金属结晶的现象2.1.1 结晶结晶过程的宏观现象过程的宏观现象A. 过冷现象过冷现象冶金
2、技术教研室 纯度越高，过冷度越大纯度越高，过冷度越大； 其它条件相同时，其它条件相同时，冷却速度越快，过冷度也冷却速度越快，过冷度也越大越大。当冷却速度达到。当冷却速度达到106 oC/s以上时，液态以上时，液态金属来不及结晶就固化下来，这样形成的固金属来不及结晶就固化下来，这样形成的固体称为金属玻璃，是一种非晶态材料。体称为金属玻璃，是一种非晶态材料。A. 过冷现象过冷现象过冷度随金属的种类、纯度以及结晶时的过冷度随金属的种类、纯度以及结晶时的冷却速度有关。冷却速度有关。冶金技术教研室结晶潜热环境散热结晶潜热环境散热温度上升温度上升局部区域出现重局部区域出现重熔现象。因此结晶潜热的释放和重熔
3、，是影响结晶熔现象。因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶的重要因素。的重要因素。 结晶潜热结晶潜热 环境散热环境散热冷却平台冷却平台平台延续的平台延续的过程就是结晶所需的时过程就是结晶所需的时间。间。B、结晶潜热、结晶潜热冶金技术教研室 无论金属还是非金无论金属还是非金属，在结晶时都遵循相属，在结晶时都遵循相同的规律，即结晶过程同的规律，即结晶过程是是形核和长大的过程。形核和长大的过程。 2.1.2 金属金属结晶的微观过程结晶的微观过程 冶金技术教研室熔体过冷熔体过冷 形核形核 晶核长大晶核长大未转变液体未转变液体部分部分形核形核 晶核长大晶核长大相邻晶体互相接触相邻晶体互相接触 液体全部转变
4、。液体全部转变。孕育期 每个成长的晶体就是一个晶粒，它们的接触分每个成长的晶体就是一个晶粒，它们的接触分界面就形成晶界。界面就形成晶界。过过程程冶金技术教研室问题：问题：为什么金属不能在理为什么金属不能在理论结晶温度结晶，而论结晶温度结晶，而需要过冷？需要过冷？2.2 2.2 金属金属结晶的条件结晶的条件 冶金技术教研室金属各相金属各相Gibbs自由能自由能G可表示为：可表示为：G = H TSpVTS， H：焓，：内能，：压力，：体积，：焓，：内能，：压力，：体积，T：温度，：温度，S：熵。：熵。dGdUpdVVdpTdSSdT而而dUTdS-pdV (热力学第一定律热力学第一定律)因此：因
5、此：dG = TdSpdV pdV VdpTdSSdT Vdp SdT 对于金属凝固过程，对于金属凝固过程，dp0 因此：因此：dG/dT = -S2.2.1 金属金属结晶的热力学条件结晶的热力学条件冶金技术教研室dG/dT = -S熵熵S表征系统中原子排列混乱表征系统中原子排列混乱程度的参量，程度的参量，S恒大于零。恒大于零。固相原子排列有序；因此：固相原子排列有序；因此： Ss SL( dG/dT )s( dG/dT )L因此液固两相因此液固两相G-T曲线斜率不同，液相下降更快。两者交点曲线斜率不同，液相下降更快。两者交点Tm处，处，GL=Gs，表示两相可以同时共存，处于热力学平衡状，表示
6、两相可以同时共存，处于热力学平衡状态，这一温度态，这一温度Tm就是金属的理论结晶温度。只有就是金属的理论结晶温度。只有T00， D DHf f 为相变潜热，为相变潜热，TTm时，时，D DG Gv =0=0，因此有：，因此有：D DH Hf f = -T= -Tm mD DS S， D DS = -D DHf /Tm T T T Tm m时，时，D DS S变化很小，可视为常数，因此液固两相变化很小，可视为常数，因此液固两相GibbsGibbs自由自由能能差差D DGv v为为：D DGv v= -D DHf -TD DS= -DHDHf+TDHDHf /Tm m= -DHDHf D DT/T
7、m m可见：可见：TTm m时，时，过冷度过冷度D DT = 0T = 0， D DGv v= 0, , 没有结晶驱动力，没有结晶驱动力，不能凝固。不能凝固。因此实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结因此实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。这就说明了为什么必须过冷的晶的热力学条件。这就说明了为什么必须过冷的根本原因。根本原因。冶金技术教研室金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶核是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？核是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？它是怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液它是怎样转变成晶核的
8、？这些问题都涉及到液态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结构，对深入理解结晶时的形核和长大过程十分构，对深入理解结晶时的形核和长大过程十分重要。重要。2.2.2 金属金属结晶的结构条件结晶的结构条件冶金技术教研室液体的原子排列：液体的原子排列： 短程有序，长程无序。短程有序，长程无序。 短程有序集团不断出现短程有序集团不断出现和消失，处于变化之中。和消失，处于变化之中。 这些瞬间出现、消失的这些瞬间出现、消失的有序集团称为结构起伏有序集团称为结构起伏或相起伏。或相起伏。相起伏出现几率相起伏出现几率相起伏大小相起伏大小rmax2.2.2 金属金属结晶的结
9、构条件结晶的结构条件冶金技术教研室过冷度过冷度D DTrmax 相起伏或结构起伏是结晶的结构条件。只有相起伏或结构起伏是结晶的结构条件。只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才能形成在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才能形成晶胚。这些晶胚才可能形成晶核结晶。晶胚。这些晶胚才可能形成晶核结晶。冶金技术教研室 前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。但事实上，许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。但事实上，许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。如液态高纯如液态高纯Sn过冷过冷520oC时，经很长时间还不会时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还存在某种障碍。凝固。说明凝
10、固过程还存在某种障碍。因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如何进行的因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如何进行的（机理问题）？进行的速度如何（动力学问题）？（机理问题）？进行的速度如何（动力学问题）？以下两节的内容分别从以下两节的内容分别从形核形核和和长大长大两个基本过程进行讨论两个基本过程进行讨论冶金技术教研室母相中形成等于或超过一定临界尺寸的新母相中形成等于或超过一定临界尺寸的新相晶核的过程称为形核。液体金属中形核相晶核的过程称为形核。液体金属中形核有均匀形核和非均匀形核两种方式。有均匀形核和非均匀形核两种方式。2.32.3 晶核的形成晶核的形成冶金技术教研室 均匀形核均匀形核又又称均质形核
11、或自发形核。是指从液称均质形核或自发形核。是指从液相晶胚发展成一定临界尺寸晶核的过相晶胚发展成一定临界尺寸晶核的过程。程。均匀形核是一种理想的形核方式，只有在液均匀形核是一种理想的形核方式，只有在液态绝对纯净，也不和型壁接触下发生。液体态绝对纯净，也不和型壁接触下发生。液体各区域形核几率相同，只是依靠液态金属的各区域形核几率相同，只是依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。能量变化，由晶胚直接形核的过程。冶金技术教研室非均匀形核非均匀形核又称异质形核或非自发形核。是指依又称异质形核或非自发形核。是指依附液体中现有固体杂质或容器表面形附液体中现有固体杂质或容器表面形成晶核的过程。成晶核的过
12、程。实际液态金属中，总有或多或少的杂实际液态金属中，总有或多或少的杂质，晶胚总是依附于这些杂质质点上质，晶胚总是依附于这些杂质质点上形成晶核，实际的结晶过程主要是按形成晶核，实际的结晶过程主要是按非均匀形核方式进行。非均匀形核方式进行。冶金技术教研室2.42.4 晶核的长大晶核的长大 2.4.1 晶核晶核长大的条件长大的条件1. 1. 液相不断向晶体扩散供应原子，也即要求液相有足够液相不断向晶体扩散供应原子，也即要求液相有足够高的温度，以使液态金属原子具有足够的扩散能力。高的温度，以使液态金属原子具有足够的扩散能力。2. 2. 要求晶体表面能够不断而牢靠的接纳这些原子，晶体要求晶体表面能够不断
13、而牢靠的接纳这些原子，晶体表面上任意地点接纳原子的位置多少与晶体的表面结表面上任意地点接纳原子的位置多少与晶体的表面结构有关，并应符合结晶过程的热力学条件。构有关，并应符合结晶过程的热力学条件。决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是晶核的界面结构、界面前沿的温度梯度晶核的界面结构、界面前沿的温度梯度。冶金技术教研室2.4.2 界面界面结构结构光滑光滑界面界面原子尺度下，界面为平整的原子表面。原子尺度下，界面为平整的原子表面。一般为密排晶面。界面两侧固液原子一般为密排晶面。界面两侧固液原子截然分开，没有过渡层。光学显微镜截然分开，没有过渡层。光学显微镜下，光
14、滑界面由若干曲折的小平面构下，光滑界面由若干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。成，所以又称小平面界面。粗糙粗糙界面界面原子尺度下，界面两侧有几个原子层原子尺度下，界面两侧有几个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学显微镜下，这类界面是平直列。光学显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。的，所以又称非小平面界面。冶金技术教研室界面的微观结构不界面的微观结构不同，其接纳液相中同，其接纳液相中迁移过来的原子的迁移过来的原子的能力也不同，因此能力也不同，因此晶体长大时将有不晶体长大时将有不同机制。同机制。2.4.3 晶体晶体长大机制长大机制冶金技术
15、教研室a.a. 二维晶核长大机制二维晶核长大机制 （光滑界面、长大速度慢）（光滑界面、长大速度慢）b.b. 螺型位错长大机制螺型位错长大机制 （光滑界面，长大速度较快）（光滑界面，长大速度较快）c.c. 连续或垂直长大机制（粗糙界面，长大速度快，连续或垂直长大机制（粗糙界面，长大速度快，大部分金属晶体以此方式长大。）大部分金属晶体以此方式长大。）冶金技术教研室固固液液过冷度过冷度T/oCTm正温度梯度正温度梯度固固液液过冷度过冷度T/oCTm负温度梯度负温度梯度2.4.4 固固液界面前沿液体中的温度梯度液界面前沿液体中的温度梯度冶金技术教研室 结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失，结晶潜热只
16、能通过已结晶的固相和型壁散失，相界面向液相中的推移速度受其散热速率的控制。相界面向液相中的推移速度受其散热速率的控制。2.4.5 正正温度梯度下晶体的长大温度梯度下晶体的长大冶金技术教研室光滑界面的晶体，显微界面是某一晶体学密排面。一般光滑界面的晶体，显微界面是某一晶体学密排面。一般而言，密排面界面能小，但生长速度慢。原子密度小的而言，密排面界面能小，但生长速度慢。原子密度小的晶面，其长大速度较大，最后非密排面将逐渐缩小而消晶面，其长大速度较大，最后非密排面将逐渐缩小而消失，晶体的界面将完全变为密排晶面，这失，晶体的界面将完全变为密排晶面，这种情况有利于种情况有利于形成具有规则形状的晶体。形成
17、具有规则形状的晶体。G100100G101101G0010011）光滑界面的情况）光滑界面的情况冶金技术教研室2）粗糙界面的情况）粗糙界面的情况晶体成长时固液界面的形状决定于散热，晶体成长时固液界面的形状决定于散热，实际上为理论结晶温度的等温面。实际上为理论结晶温度的等温面。在小的区域内界面为平面，局部的不平衡在小的区域内界面为平面，局部的不平衡带来的小凸起因前沿的温度较高而放慢生带来的小凸起因前沿的温度较高而放慢生长速度，因此可理解为齐步走，称为平面长速度，因此可理解为齐步走，称为平面推进方式生长。推进方式生长。冶金技术教研室 具有粗糙界面的晶体表面某具有粗糙界面的晶体表面某些局部偶尔突出，
18、些局部偶尔突出，突出处发展有利，突出尖端向液体生长，其横向突出处发展有利，突出尖端向液体生长，其横向发展速度远小于向前方的长大速度，因此突出尖发展速度远小于向前方的长大速度，因此突出尖端很快长成细长的晶体，称为主干。端很快长成细长的晶体，称为主干。2.4.6 负温度负温度梯度下晶体的长大梯度下晶体的长大负温度梯度下结晶过程的潜热不仅可通过已负温度梯度下结晶过程的潜热不仅可通过已凝固的固体向外散失，而且还可向低温的液凝固的固体向外散失，而且还可向低温的液体中传递。体中传递。1） 粗糙界面粗糙界面冶金技术教研室l 负温度梯度下固液界面不可能保持平面形式生长，即使负温度梯度下固液界面不可能保持平面形
19、式生长，即使开始形成的晶核是一平面或多面体，也是不稳定的。开始形成的晶核是一平面或多面体，也是不稳定的。l 在尖端和棱角等有利生长的地方优先上长成主干，称为在尖端和棱角等有利生长的地方优先上长成主干，称为一次晶枝。一次晶枝。l 一次晶枝成长变粗，相变潜热释放，使其侧面也成为负一次晶枝成长变粗，相变潜热释放，使其侧面也成为负温度梯度，因此侧面又长出二次枝晶，二次枝晶还可以温度梯度，因此侧面又长出二次枝晶，二次枝晶还可以长出三次枝晶。表现为树枝晶的方式长大。长出三次枝晶。表现为树枝晶的方式长大。冶金技术教研室l 每个枝晶发展为一个晶粒。每个枝晶发展为一个晶粒。l 对于高纯金属，枝晶间接触面全部填满
20、后分不对于高纯金属，枝晶间接触面全部填满后分不出枝晶，只看到晶粒边界。出枝晶，只看到晶粒边界。l 如果金属不纯，树枝间最后凝固的地方残留杂如果金属不纯，树枝间最后凝固的地方残留杂质，枝晶轮廓依然可见。质，枝晶轮廓依然可见。冶金技术教研室fcc：；bcc：；hcp ：2） 树枝晶的取向树枝晶的取向3）光滑界面）光滑界面具有光滑界面的晶体在具有光滑界面的晶体在a a不太大时，负温度梯度很不太大时，负温度梯度很大时仍可能长成树枝晶，但往往带有小平面的特征，大时仍可能长成树枝晶，但往往带有小平面的特征，如如Sb（P51，Fig2.31）；）； a a很大时，即使大的负温很大时，即使大的负温度梯度，仍然
21、可能长成规则形状的晶体。度梯度，仍然可能长成规则形状的晶体。2.4.7 晶核晶核长大要点长大要点长大机理长大机理垂直长大垂直长大光滑界面光滑界面二维晶核长大二维晶核长大螺型位错长大螺型位错长大粗糙界面粗糙界面所需过冷度小，长所需过冷度小，长大速度大大速度大长大速度长大速度都很慢，都很慢，所需过冷所需过冷度很大。度很大。冶金技术教研室2.4.7 晶核晶核长大要点长大要点界面形态界面形态晶体生长的界面形态与界面前沿晶体生长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有的温度梯度和界面的微观结构有关。关。正温度正温度梯度下梯度下光滑界面光滑界面界面形态为一些互成界面形态为一些互成一定角度小晶面一定
22、角度小晶面粗糙界面粗糙界面界面形态为平行于界面形态为平行于T Tm的平直界面的平直界面负温度负温度梯度下梯度下一般金属和亚金属的一般金属和亚金属的界面都呈树枝状界面都呈树枝状冶金技术教研室一般的测定方法是在放大一般的测定方法是在放大100100倍下观察后和标准的进行倍下观察后和标准的进行对比评级，对比评级，1 18 8级级( (有更高的有更高的) )，级别高的晶粒细。级别，级别高的晶粒细。级别的定义为在放大的定义为在放大100100倍下，每平方英寸内倍下，每平方英寸内1 1个晶粒时为一个晶粒时为一级，数量增加级，数量增加 倍提高一级。倍提高一级。2.52.5 凝固理论应用凝固理论应用2.5.1
23、 晶粒晶粒尺寸尺寸晶粒大小的称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积晶粒大小的称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。工程实际中往往采用定量金或平均直径来表示。工程实际中往往采用定量金相的办法对晶粒度进行评级。相的办法对晶粒度进行评级。冶金技术教研室 表层细晶区表层细晶区 柱状晶区柱状晶区 中心等轴晶区中心等轴晶区2.5.2 铸锭铸锭的晶粒组织的晶粒组织冶金技术教研室晶粒极细，取向随机致密，一般都很晶粒极细，取向随机致密，一般都很薄，实际意义不大。薄，实际意义不大。J铸模温度较低，靠近模壁的薄层铸模温度较低，靠近模壁的薄层液体产生极大的过冷度液体产生极大的过冷度J模壁可作为非均匀形核的基底。
24、模壁可作为非均匀形核的基底。J铸模的浇注时表面温度、热传导铸模的浇注时表面温度、热传导性能、浇注温度性能、浇注温度J模壁非均匀形核能力。模壁非均匀形核能力。I. 表层等轴细晶区表层等轴细晶区成成 因因特特 点点影响因素影响因素冶金技术教研室垂直于模壁方向定向生长，晶粒粗大。垂直于模壁方向定向生长，晶粒粗大。柱晶生长方向为一次晶轴方向，立方晶系为柱晶生长方向为一次晶轴方向，立方晶系为。J 激冷细晶层前沿液体温度高激冷细晶层前沿液体温度高, ,过冷度变小，不过冷度变小，不足于独立形核，结晶主要靠晶体生长来维持。足于独立形核，结晶主要靠晶体生长来维持。J 垂直模壁方向散热最快，表层细晶区中一次晶垂直
25、模壁方向散热最快，表层细晶区中一次晶轴取向平行于散热方向的晶粒生长最快，迅速轴取向平行于散热方向的晶粒生长最快，迅速地长入晶体，其它取向的晶粒受邻近晶粒的限地长入晶体，其它取向的晶粒受邻近晶粒的限制，不能发展。制，不能发展。J 优先生长的晶粒并排向液体中生长，其侧面彼优先生长的晶粒并排向液体中生长，其侧面彼此限制不能发展，从而形成柱状晶区。此限制不能发展，从而形成柱状晶区。II. 柱状晶区柱状晶区成成 因因特特 点点 冶金技术教研室T 铸型和结晶体的导热性能铸型和结晶体的导热性能。导热能力越好，形成越导热能力越好，形成越有利。有利。T 浇注温度与浇注速度浇注温度与浇注速度。浇注温度越高，浇注速
26、度浇注温度越高，浇注速度越越快，温度梯度越大，柱状晶形成越有利。浇注温度快，温度梯度越大，柱状晶形成越有利。浇注温度高于一定值是可以得到完全的柱状晶。高于一定值是可以得到完全的柱状晶。T 熔化温度熔化温度。熔化温度越高，熔体过热度越大，非金熔化温度越高，熔体过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，非均匀形核核心越少，减少了属夹杂物溶解越多，非均匀形核核心越少，减少了柱晶前沿形核的可能性，有利于柱状晶的发展。柱晶前沿形核的可能性，有利于柱状晶的发展。II. 柱状晶区柱状晶区影响因素影响因素冶金技术教研室T柱晶区取向一致，性能呈各向异性。又称结晶织柱晶区取向一致，性能呈各向异性。又称结晶织构或铸造织构。
27、构或铸造织构。 例例1 1：磁性铁合金磁性铁合金凝固时柱状晶的取向凝固时柱状晶的取向为其最大磁为其最大磁 导率方向，因此常利用定向凝固的方法生产。导率方向，因此常利用定向凝固的方法生产。 例例2 2：具有柱晶或单晶结构的：具有柱晶或单晶结构的定向凝固高温合金定向凝固高温合金，抗蠕变，抗蠕变性能好。性能好。 例例3 3：BiBi2 2TeTe3 3系热电材料系热电材料L柱晶之间界面比较平直，结合力不强；特别是互柱晶之间界面比较平直，结合力不强；特别是互相垂直的柱晶交界面，更为脆弱。这些面成为弱相垂直的柱晶交界面，更为脆弱。这些面成为弱面，轧制时容易开裂。面，轧制时容易开裂。II. 柱状晶区柱状晶
28、区组织性能组织性能冶金技术教研室III. 中心等轴晶区中心等轴晶区等轴晶区的形等轴晶区的形成成凝固进行到后期，由于模壁散热和液体凝固进行到后期，由于模壁散热和液体的对流，中心液体的温度达到均匀，降的对流，中心液体的温度达到均匀，降到熔点以下，也可以形核生长。到熔点以下，也可以形核生长。这些晶核在液体中自由生长，各方向这些晶核在液体中自由生长，各方向的成长速度差不多，故成长为等轴晶，的成长速度差不多，故成长为等轴晶，当它们成长到柱状晶相遇，凝固全部当它们成长到柱状晶相遇，凝固全部结束，因而形成等轴晶区。结束，因而形成等轴晶区。冶金技术教研室III. 中心等轴晶区中心等轴晶区组织性能组织性能取向无
29、规，无明显弱面，强度高，取向无规，无明显弱面，强度高，不易开裂。不易开裂。对于铸锭一般都要求对于铸锭一般都要求获得细等轴晶组织。获得细等轴晶组织。冶金技术教研室 晶粒大小取决于形核率（晶粒大小取决于形核率（N）和长大速度）和长大速度(G）。）。N越大，越大，G越小，单位体积内晶粒数量多，单个成长的越小，单位体积内晶粒数量多，单个成长的空间越小，晶粒越细小。单位体积的晶粒数空间越小，晶粒越细小。单位体积的晶粒数Zv和单位和单位面积的晶粒数面积的晶粒数Zs可分别表示为：可分别表示为： 2/14/31 . 1,9 . 0GNZsGNZv2.5.3 铸件铸件晶粒大小的控制晶粒大小的控制 凡能促进形核、
30、抑制长大的因素都能细化晶粒。凡能促进形核、抑制长大的因素都能细化晶粒。因此根据结晶时形核和长大的规律，为了细化铸因此根据结晶时形核和长大的规律，为了细化铸锭和焊缝区组织，工业生产中常采用以下方法：锭和焊缝区组织，工业生产中常采用以下方法：冶金技术教研室 控制过冷度。控制过冷度。降低浇注温度、浇注速度以及加快降低浇注温度、浇注速度以及加快冷却速度可以提高过冷度。如采用金属模、或加冷却速度可以提高过冷度。如采用金属模、或加快散热，尽管形核率和长大速度都提高，但形核快散热，尽管形核率和长大速度都提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒将细化。率的提高快得多，所得到的晶粒将细化。 变质处理。变质处理。
31、人为加入促进形核的其它高熔点细粉人为加入促进形核的其它高熔点细粉末，如在铜中加少量铁粉或铝中加末，如在铜中加少量铁粉或铝中加AlAl2 2O O3 3粉等，以粉等，以非均匀方式形核并阻碍长大。非均匀方式形核并阻碍长大。 振动、搅拌。振动、搅拌。铸件凝固中用机械或超声波等外来铸件凝固中用机械或超声波等外来能量促进晶核提前形成，此外搅拌和振动有助于能量促进晶核提前形成，此外搅拌和振动有助于使枝晶破碎，可细化晶粒尺寸。使枝晶破碎，可细化晶粒尺寸。细化晶粒方法细化晶粒方法冶金技术教研室2.5.4 铸锭铸锭中的组织缺陷中的组织缺陷缩孔缩孔材料凝固后体积收缩后留下的空腔称为材料凝固后体积收缩后留下的空腔称
32、为缩孔缩孔缩孔是不可避免的，可通过加液体补缩减小缩孔，缩孔是不可避免的，可通过加液体补缩减小缩孔，让缩孔在不使用部位，如铸锭或铸件的冒口，凝让缩孔在不使用部位，如铸锭或铸件的冒口，凝固后切去来保证使用部位无缩孔。固后切去来保证使用部位无缩孔。疏松疏松实际为微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间实际为微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间收缩孔被凝固封闭而得不到液体补充而留下收缩孔被凝固封闭而得不到液体补充而留下的缺陷。的缺陷。中部比边缘多，大铸件比小铸件严重。对型材的中部比边缘多，大铸件比小铸件严重。对型材的轧制可减小或消除其不利的影响。轧制可减小或消除其不利的影响。 冶金技术教研室2.5.4 铸锭铸锭中
33、的组织缺陷中的组织缺陷气孔气孔气体在凝固体内形成的缺陷。气体在凝固体内形成的缺陷。气体的来源有气体的来源有析出型析出型( (气体在液、固中的溶解度气体在液、固中的溶解度不同不同) )和和反应型反应型( (凝固过程中发生的化学反应生成凝固过程中发生的化学反应生成) )夹杂物夹杂物外来夹杂物有浇铸中冲入的其它固体物，如外来夹杂物有浇铸中冲入的其它固体物，如 耐火材料、破碎铸模物等。耐火材料、破碎铸模物等。成分成分偏析偏析多组元体系中，不同位置材料的成分不均匀多组元体系中，不同位置材料的成分不均匀 叫做偏析。叫做偏析。 冶金技术教研室根据凝固理论，要想得到根据凝固理论，要想得到单晶体，在凝固的过程中
34、单晶体，在凝固的过程中只有晶体长大而不能有新只有晶体长大而不能有新的晶核形成，采取的措施的晶核形成，采取的措施包括：包括：2.5.5 单晶单晶的制备的制备 熔体的纯度非常高，防熔体的纯度非常高，防止非均匀形核；止非均匀形核； 液体的温度控制在精确的范围内，过冷度很小，可以生液体的温度控制在精确的范围内，过冷度很小，可以生长但不足以发生自发形核；长但不足以发生自发形核； 引入一个晶体引入一个晶体( (籽晶籽晶) )，仅让这个晶体在此环境中长大。，仅让这个晶体在此环境中长大。冶金技术教研室 非晶态材料制备方法很多，依材料的不同非晶态材料制备方法很多，依材料的不同而采取不同的手段。但使用较多的方法是
35、急速而采取不同的手段。但使用较多的方法是急速冷却法（冷却法（Rapid Solidification，RS），将液体），将液体急速冷却下来，使其来不及形核，到低温下因急速冷却下来，使其来不及形核，到低温下因黏度明显增加就呈现为固体。金属材料的冷却黏度明显增加就呈现为固体。金属材料的冷却速度需要达到速度需要达到106 /sec，如将小液滴通过低温，如将小液滴通过低温的轧辊，可得到很薄的非晶态薄片。的轧辊，可得到很薄的非晶态薄片。 2.5.6 非晶态非晶态固体的形成固体的形成 冶金技术教研室名词概念名词概念 内容要求内容要求 过冷度过冷度 形核率形核率 长大与长大速度长大与长大速度 光滑界面光滑界面 粗糙界面粗糙界面 均匀形核均匀形核 非均匀形核非均匀形核1.1. 结晶的一般过程是怎样的，均匀形核和非均匀形核的主结晶的一般过程是怎样的，均匀形核和非均匀形核的主要差别，为什么晶核需要一定的临界尺寸。要差别，为什么晶核需要一定的临界尺寸。2.2. 金属材料结晶过程中晶体长大方式与温度分布的关系。金属材料结晶过程中晶体长大方式与温度分布的关系。 3.3. 控制晶粒尺寸和凝固体组织的方法，及其用凝固理论的控制晶粒尺寸和凝固体组织的方法，及其用凝固理论的解释。解释。 小小 结结
