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金属与合金的晶体结构与结晶-第二节 金属的结晶

2011-11-2 15:06| 发布者: fansiyuan| 查看: 4365| 评论: 0|来自: 中国材料显微镜网

摘要: 一、纯金属的结晶1、结晶的概念 金属的结晶是指金属由液态转变为固态的过程。2、纯金属的冷却曲线 纯金属的结晶都是在一定温度下进行的,它的冷却结晶过程可用图2-7所示的冷却曲线来描述。 由冷却曲线可见,液态金属 ...
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一、纯金属的结晶
1、结晶的概念  金属的结晶是指金属由液态转变为固态的过程。
2、纯金属的冷却曲线  纯金属的结晶都是在一定温度下进行的,它的冷却结晶过程可用图2-7所示的冷却曲线来描述。
     由冷却曲线可见,液态金属随着冷却时间的延长,它所含的热量不断散失,温度也不断下降,但是当冷却到某一温度时,温度随时间延长并不变化,在冷却曲线上出现了“平台”,“平台”对应的温度是纯金属实际结晶温度。出现“平台”的原因,是结晶时放出的潜在热正好补偿了金属向外界散失的热量。结晶完成后,由于金属继续向环境散热,温度又重新下降。
     需要指出的是,图中T0为理论结晶温度,金属实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0的现象,称为“过冷现象”;理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度,以ΔT表示。ΔT=T0 -T1 。金属结晶时温度的大小与冷却速度有关,冷却速度越大,过冷度就越大,金属的实际结晶温度越低。


二、纯金属的结晶过程
     纯金属的结晶过程发生在冷却曲线上平台所经历的这段时间。液态金属结晶时,都是首先在液态中出现一些微小的晶体——晶核,它不断长大,同时新晶核又不断产生并相继长大,直至液态金属全部消失为止,如图2-8所示。因此金属的结晶包括晶核的形成和晶核的长大两个基本过程,并且这两个过程是同时进行的。
1、晶核的形成  由图2-8可见,当液态金属冷至结晶温度以下时,某些类似晶体原子排列的小集团便成为结晶核心,这种由液态金属内部自发形成结晶核心的过程称为自发形核。而在实际金属中常有杂质的存在,这种液态金属依附于这些杂质更容易形成晶核。这种依附于杂质或型壁而形成晶核的过程称为非自发形核。自发形核和非自发形核在金属结晶时是同时进行的,但非自发形核常起优先和主导作用。

2、晶核的长大  晶核形成后,当过冷度较大或金属中存在杂质时,金属晶体常以树枝状的形式长大。在晶核形成初期,外形一般比较规则,但随着晶核的长大,形成了晶体的顶角和棱边,此处散热条件优于其它部位,因此在顶角和棱边处以较大成长速度形成枝干。同理,在枝干的长大过程中,又会不断生出分支,最后填满枝干的空间,结果形成树枝状晶体,简称枝晶。


三、金属结晶后的晶粒大小
     金属结晶后晶粒大小对金属的力学性能有重大影响,一般来说,细晶粒金属具有较高的强度和韧性。为了提高金属的力学性能,希望得到细晶组织,因此必须了解影响晶粒大小的因素及控制方法。
     结晶后的晶粒大小主要取决于形核率N与晶核的长大速度率G。显然,凡能促进形核率N,抑制长大速率G的因素,均能细化晶粒。
1、增加过冷度  形核率和长大速率都随过冷度增大而增大,但在很大范围内形核率比晶核长大速率增长得更快。故过冷度越大,单位体积中晶粒数目越多,晶粒细化。
实际生产中,通过加快冷却速度来增大过冷度,这对于大型零件显然不易办到,因此这种方法只适用于中、小型铸件。
2、变质处理  在液态金属结晶前加入一些细小变质剂,使结晶时形核率N增加,而长大速率G降低,这种细化晶粒方法称为变质处理。
此外,采用机机械振动、超声波和电磁波振动等,增加结晶动力,使枝晶破碎,也间接增加形核核心,同样可细化晶粒。



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