2-2工程材料第2章

第三章 材料的凝固第一节 纯金属的结晶

第二节 合金的结晶第三节 铁碳合金相图 第四节 凝固组织及其控制机械与汽车工程学院 1

物质由液态转变为固态的过程称为凝固。

玻璃制品

物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。

物质由一个相转变为另一个相的过程称为 相变。因而结晶过程 是相变过程。机械与汽车工程学院

水晶

第一节 纯金属的结晶一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变

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一、冷却曲线与过冷1、冷却曲线纯金属的冷却曲线

金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲 线上水平阶段所对应的温 度称实际结晶温度T1。

曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.机械与汽车工程学院 4

2、过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶 温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。 结晶只有在T0以下的实际 结晶温度下才能进行。

雾 凇

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液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象

称过冷。

理论结晶温度与实际结 晶温度的差 T称过冷度 T= T0 –T1

过冷度大小与冷却速度 有关，冷速越大，过冷 度越大。机械与汽车工程学院 6

二、结晶的一般过程

液体和晶体自由能随温度变化

1、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核 的长大两个基本过程组成. 液态金属中存在着原子排 列规则的小原子团，它们ΔT

T1 T0

时聚时散，称为晶坯。在T0以下, 经一段时间后(即

晶 核 半 径 与 关 系7

ΔG

孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。机械与汽车工程学院

晶核形成后便向各方向生长，同 时又有新的晶核产生。晶核不断 形成，不断长大，直到液体完全

消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。

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2、晶核的形成方式

形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。

以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。非 均 匀 形 核 示 意 图 均匀形核机械与汽车工程学院 9

3、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种， 即均匀长大和树枝状长大。均匀长大

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树枝状长大

在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。

正温度梯度

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实际金属结晶主要以树枝状长大.这是由于存在负温度梯度，且晶 核棱角处的散热条件好，生长快，

先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…,树枝间最后被填充。负温度梯度

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树枝状长大的实际观察

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树枝状长大的实际观察

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树枝状结晶金 属 的 树 枝 晶

金 属 的 树 枝 晶

金 属 的 树 枝 晶机械与汽车工程学院

冰 的 树 枝 晶15

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4晶粒大小的控制

随着过冷度的增加, 形核 速率和长大速度均会增大。 但前者的增大更快，因而

比值N/G也增大, 结果使晶粒细化。

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1.控制过冷度 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。

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，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒 和改善组织。

例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、 钒、铝等。机械与汽车工程学院 18

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。

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三、同素异构转变

物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异

构转变。同素异构转变属于相变之一—固态相变。

纯铁的同素异构转变

1、铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次

晶体结构变化，其变化为： -Fe -Fe -Fe机械与汽车工程学院 20

1394℃

912℃

-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC), -Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。

-Fe

-Fe机械与汽车工程学院 21