1、 什么是结晶?金属凝固即结晶 液态金属中，金属原子作不规则运动。但在小范围内，原子会出现规则排列。这些小范围内的规则排列称短程有序。这种短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。固态金属属于晶体材料，金属原子是规则排列,也叫长程有序。凝固(结晶)即原子排列从短程有序到长程有序的过程液态金属 结构固态金属 结构 金属从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列状态（晶态）的过程均属于结晶过程。一次结晶:金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶.二次结晶:金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。一.结晶定义二.纯金属结晶的条件 液态金属结晶实际温度低于熔点(理论结晶
2、温度),这种现象称为过冷现象。过冷度：熔点T0与开始结晶温度 Tn之差叫做过冷度（T），T=T0-Tn 液态金属要结晶，温度必须低 于T0，要有一定的过冷度。过冷度的大小取决于冷却速度。结晶时放出热量（结晶潜热），所以在冷却曲线上出现平台。三三.金属结晶微观过程金属结晶微观过程 金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。1.形核 液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心,生成的核心叫做晶核。(1)自发形核(均匀形核)在液态金属中,存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团,当温度降到结晶温度以下时,短程有序的原子集团变得稳定,不再消失,成为结晶核心,这个过程叫自发形核.这种在液态金属内部由金属原子
3、自发形成的晶核叫自发晶核.达到一定的过冷度,短程有序的原子集团才能吸收原子达到临界晶核尺寸成为晶核.自发生核需要很大的过冷度,如纯铝结晶时的过冷度为130,纯铁的过冷度为295 (2)非自发形核(非均匀形核)实际金属内部往往含有许多其它杂质,当液态金属降到一定温度后,有些杂质可附着金属原子,成为结晶核心,这个过程叫非自发形核,这种依附于杂质而形成的晶核叫做非自发晶核。能起非自发形核 作用的杂质必须符合“结构相似、尺寸相当”的原则，或杂质表面微细凹孔或裂纹中有残留未熔金属。非自发形核的过冷度较小,一般不超过20。自发生核和非自发生核同时存在,但非自发生核更重要,往往起优先的、主导的作用.2.晶体
4、的长大 (1)平面长大当冷却速度较慢时,金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大.晶体长大时,不同晶面的垂直方向上的长大速度不同.沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢,而非密排面的垂直方向上的长大速度较快.平面长大的结果,晶体获得表面为密排面的规则形状。(2)树枝状长大当冷却速度较快时,晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越,因而长大较快,成为伸入到液体中的晶枝.优先形成的晶枝称一次晶轴,在一次晶轴增长和变粗的同时在其侧面生出新的晶枝,即二次晶轴,其后又生成三次晶轴,四次晶轴.结晶后得到具有树枝状的晶体。实际金属结晶时,晶体多以树枝状长大方式长大。四四.结晶过程中晶粒度的控制结晶过程中晶粒度的控制
5、(一一).细晶强化细晶强化 晶粒的大小称为晶粒度,金属的晶粒越细小,强度硬度越高，韧性塑性越好，称为细晶强化。晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒平均直径mm 9.77.02.50.20 0.16 0.10拉伸强度MPa165180211263264278屈服点MPa4038445765116伸长率%28.8 30.6 39.5 48.8 50.7 50.0Nnn=2N+31.增大金属的过冷度 增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度,采用冷却能力较强的模子。例如采用金属型铸模,比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。(二).控制措施成核速率成核速率N(单位时间单位体积形单位时间单位体积形成的晶核
6、数成的晶核数,个个/m3s)晶体长大速度晶体长大速度G(单位时间晶体长单位时间晶体长大的长度大的长度,m/s)。2.变质处理 变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大(铝硅合金加入钠盐,钠富集在 硅表面,降 低硅的长 大速度,阻 碍粗大的 硅晶体的 形成)。变质剂应用举例 1.铝合金:钛、锆 4.镁合金:锆或锆的盐类 2.钢:钛、钒、铝 5.铜合金:铁、镁 3.铸铁:硅铁,硅钙,硅钙钡合金材料加入元素晶粒数个/cm2铸模铸造铝合金铸造铝合金ZL10410%Si,0.2%Mg,0.02%Mn,0.5%Fe /8-12沙模0
7、.1-0.2%B120-1500.05%Ti+0.05%Zr 180-200铸造铝合金铸造铝合金ZL3010.2%Si,0.3%Mn,8-10%Mg,0.2%Fe /8-10沙模0.1-0.2%Cr130-150 3.振动 在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。4.电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。五.金属铸锭的组织与控制（一）.铸锭分为三个各具特征的晶区 1.表层细晶区 液体金属注入锭模时，由于锭模温
8、度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大(所以实际意义不大)、晶粒很细的细晶区2.柱状晶区 细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，但此时长大速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。柱状晶是由外往里顺序结晶的，晶粒彼此间界面平直，气泡 缩孔很少，晶质较致密。柱状晶的性能具有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向的强度较高。对于那些主要受单向载荷的机器零件（如汽轮
9、机叶片）柱状晶结构是非常理想的。柱状晶的对生面由于常有非金属夹杂或低熔点杂质而为弱面，在热轧、锻造时容易开裂，所以对于熔点高和杂质多的金属，如铁、镍及其合金，不希望生成柱状晶；对于熔点低，不含易熔杂质，塑性较好的金属，即使全部为柱状晶，也能顺利地进行热轧、热锻，所以铝、铜等有色金属及合金，希望铸锭得到柱状晶结构。3.中心等轴晶区 随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区。等轴晶没有弱
10、面；其晶枝彼此嵌入，结合较牢，裂纹不易扩展；性能均匀，无方向性，是一般情况下的金属特别是钢铁铸件所要求的结构。(二).有利于柱晶生成的因素1采用导热性好、热容量大的铸模材料，增大铸模的厚度及降低铸模温度2提高浇铸温度和浇注速度 有利于在铸锭或铸件的截面上保持大的温度梯度3提高液体金属的加热温度 熔化温度高,非金属夹杂 物溶解多,柱晶前方液体形 核少.4结晶时单向散热 可采用定向结晶的方法(三).获得细小等轴晶的措施1.降低浇铸温度和浇铸速度。2.减少液体金属的过热度。3.对于小型铸件,提高过冷度以提 高形核率.4.对于大型铸件,进行变质处理.5.用机械振动、电磁搅拌等方法，可破坏柱状晶的形成，
11、有利于等轴晶的形成。作业一.术语解释11：过冷度、自发生核、非自发生核、树枝状长大、平面长大、结晶、一次结晶、二次结晶、变质处理、柱状晶、等轴晶二.填空 是非判断 选择题：P9-2(1)(2)(4)(5).P10-3(1)(2)(3)(4)(5).P11-4(1)(2)三.综合分析题6：13.P13-5(1)注：题目中去除“和动力”三个字。14.P13-5(2)15.P13-5(3)16.P13-5(4)17.P13-5(5)18.如何使钢铁铸件得到尽可能多的等轴晶并使之细化?铸造高碳高速钢的变质研究变质剂:0.3%Re-1.0%Ti-0.1%Mg摘自:符寒光等.Re-Ti-Mg复合变质高碳高速钢轧辊的组织和性能.钢铁研究学报,2003年(第15卷)第3期,39-43
