第二章,金属的结晶PPT讲稿.ppt

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1、第二章,金属的结晶第1页，共62页，编辑于2022年，星期三 第二章第二章 金属的结晶金属的结晶2.1 结晶的基本概念结晶的基本概念2.2 晶核形成规律晶核形成规律2.3 晶核长大规律晶核长大规律2.4 金属铸锭的组织与缺陷金属铸锭的组织与缺陷2.5 结晶理论的拓展与应用结晶理论的拓展与应用第2页，共62页，编辑于2022年，星期三2.1 结晶的基本概念结晶的基本概念凝固：物质从液态转为固态的过程。凝固：物质从液态转为固态的过程。结晶：若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。结晶：若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属的结晶：金属凝固时，通常是由原子不规则排列金属的结晶：金属凝固时，通常是由原子

2、不规则排列的液体向规则排列的晶体转变的过程，称为金属的结的液体向规则排列的晶体转变的过程，称为金属的结晶。晶。第3页，共62页，编辑于2022年，星期三1.晶核的形成与晶核长大晶核的形成与晶核长大结晶过程示意图结晶过程示意图纯铁的金相组织纯铁的金相组织第4页，共62页，编辑于2022年，星期三2.结晶的条件结晶的条件（1）过冷度：过冷度：过冷现象过冷现象-实际结晶温度低于理论实际结晶温度低于理论 结晶温度的现象。结晶温度的现象。过冷度过冷度-理论结晶温度与实际结晶温度之差。理论结晶温度与实际结晶温度之差。TTmTn结晶速度结晶速度vv，TT 结论：过冷是结晶的必要条件。结论：过冷是结晶的必要条

3、件。第5页，共62页，编辑于2022年，星期三（2）自由能：自由能：自发转变的能量条件：自发转变的能量条件：自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。状态趋向于能量最低的稳定状态。在一定温度条件下，只有引起体系自由能（即能够对外在一定温度条件下，只有引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。自由能又可由下式表示：自由能又可由下式表示：G=H-TS H-热焓热焓 S-熵值熵值根据热力学条件：根据热力学条件：dG=VdP-SdT 结晶在恒压下进行：结晶在恒

4、压下进行：dP=0 dG=-SdT ,第6页，共62页，编辑于2022年，星期三对对 进行讨论：进行讨论：S0 dG/dT0,随温度随温度 T的升高，的升高，dG0 说明说明G-T曲曲 线为下降曲线；线为下降曲线；S0 T S SLSS 随温随温 度的升高度的升高GL-T曲线的变化率曲线的变化率 大于大于GS-T,两曲线在两曲线在Tm处相遇处相遇 GL=GS ；依据热力学条件依据热力学条件G0时才能时才能 结晶，欲使结晶，欲使GS-GL=G0，必须使必须使TTm.这定性地说明了结晶必须过冷这定性地说明了结晶必须过冷 所以：所以：过冷是结晶的必要学条件。过冷是结晶的必要学条件。固、液相固、液相G

5、-T曲线曲线纯金属形核的热力学条件是纯金属形核的热力学条件是:TnTm,GSGL,G0第7页，共62页，编辑于2022年，星期三设设:固态金属的自由能为固态金属的自由能为Gs，液态金属的自由能为，液态金属的自由能为GL 金属凝固时金属凝固时:G=GS-GL在温度在温度Tn时，时，G=H-TS GS=HS-TnS;GL=HL-TnSL单位体积自由能：单位体积自由能：GV=GS-GL=（HS-HL）Tn(SS SL)纯金属的结晶在恒温、恒压下进行：纯金属的结晶在恒温、恒压下进行：HSHL=Lm(熔化热或熔化热或H)第8页，共62页，编辑于2022年，星期三欲使欲使GV0,必须必须T0（因为（因为L

6、m、Tm均为正值）均为正值）过冷度越大，结晶的驱动力越大，结晶越容易进行。过冷度越大，结晶的驱动力越大，结晶越容易进行。第9页，共62页，编辑于2022年，星期三（3）结构起伏：结构起伏：金属熔化时的体积变化：大多数金属熔化时体积变化仅金属熔化时的体积变化：大多数金属熔化时体积变化仅为为35，熔化前后原子间距变化不大，熔化前后原，熔化前后原子间距变化不大，熔化前后原子间结合力较为接近。子间结合力较为接近。液态金属具有与固态金属相同的结合建和近似的原子间液态金属具有与固态金属相同的结合建和近似的原子间结合力，在熔点附近的液态金属还存在与固态金属相似结合力，在熔点附近的液态金属还存在与固态金属相似

7、的原子堆垛和配位情况。的原子堆垛和配位情况。因此，从微观上看，液态金属是由许多强烈游动、紧密接触、因此，从微观上看，液态金属是由许多强烈游动、紧密接触、规则排列的原子集团所组成。它们大小不一，处于时聚时散，规则排列的原子集团所组成。它们大小不一，处于时聚时散，此起彼伏的状态。这种很不稳定的现象称为此起彼伏的状态。这种很不稳定的现象称为“结构起伏结构起伏”或或“相起伏相起伏”。液态金属结构与固态相似存在液态金属结构与固态相似存在“近程有序近程有序”，“近程密近程密 堆堆”，“远程无序远程无序”.”.第10页，共62页，编辑于2022年，星期三均匀的液态金属凝固过程中结晶的核心就是在结构起伏的均匀

8、的液态金属凝固过程中结晶的核心就是在结构起伏的基础上形成的，故这些结构起伏又称为基础上形成的，故这些结构起伏又称为“晶胚晶胚”。固态晶体的微观结构固态晶体的微观结构 液态晶体的微观结构液态晶体的微观结构(相起伏相起伏)液态金属的微观结构为结构起伏液态金属的微观结构为结构起伏-近程有序的原子集团时近程有序的原子集团时聚时散。聚时散。第11页，共62页，编辑于2022年，星期三结构起伏尺寸随结构起伏尺寸随T,rmax；温度越低，结构起伏出现的温度越低，结构起伏出现的几率越大。几率越大。结构起伏：结晶的必要条件（之二）。结构起伏：结晶的必要条件（之二）。第12页，共62页，编辑于2022年，星期三2

9、.2 晶核的形成规律晶核的形成规律晶核的形成有两种方式：均匀形核和非均匀形核。晶核的形成有两种方式：均匀形核和非均匀形核。均匀形核均匀形核是靠自身的结构起伏和能量起伏等条件在均匀的是靠自身的结构起伏和能量起伏等条件在均匀的母相中无择优位置，任意地形成核心。这种晶核由母相中母相中无择优位置，任意地形成核心。这种晶核由母相中的一些原子团直接形成，不受其它外界影响。的一些原子团直接形成，不受其它外界影响。非均匀形核非均匀形核是在母相中利用自有的杂质、模壁等异质作是在母相中利用自有的杂质、模壁等异质作为基底，择优形核。这种晶核受杂质等外界影响。为基底，择优形核。这种晶核受杂质等外界影响。由于非均匀形核

10、所需能量较少，且实际中不可避免地存在杂质由于非均匀形核所需能量较少，且实际中不可避免地存在杂质等，因此金属凝固时的形核主要为非均匀形核。但非均匀形核的等，因此金属凝固时的形核主要为非均匀形核。但非均匀形核的基本原理仍是以均匀形核为基础的，因此先讨论均匀形核。基本原理仍是以均匀形核为基础的，因此先讨论均匀形核。第13页，共62页，编辑于2022年，星期三1.均匀形核均匀形核（1）形核时能量的变化）形核时能量的变化 体积自由能体积自由能-是结晶的动力（负值，使是结晶的动力（负值，使G总总）表面表面自由能自由能-是结晶的阻力（正值，使是结晶的阻力（正值，使G总总）G总总 =G体积体积+G表面表面=-

11、GV V晶核晶核 S晶核晶核2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.GV-单位体积自由能，单位体积自由能，-比表面能比表面能G是是r的函数。的函数。第14页，共62页，编辑于2022年，星期三（2）临界形核半径和临界形核功）临界形核半径和临界形核功由由 的函数作图可知，的函数作图可知，在在r=rk时时G取得极大值。取得极大值。第15页，共62页，编辑于2022年，星期三讨论讨论：1.当当rrk则晶胚生长则晶胚生长，将

12、导致体系将导致体系Gk ，晶胚重新熔化而消失。晶胚重新熔化而消失。2.若若rrk 晶胚晶胚r ，体体 系的系的Gk,结晶自发进结晶自发进 行，此时的晶胚就成为行，此时的晶胚就成为 晶核。晶核。3.当当r=rk晶胚的长大和熔化都使晶胚的长大和熔化都使Gk，均为自发进行。，均为自发进行。因此因此rrk晶胚就成为晶核，半径为晶胚就成为晶核，半径为rk的晶核叫作临界的晶核叫作临界 晶核，晶核，rk的大小为临界晶核半径。的大小为临界晶核半径。4.当当r r0以后，随着晶核的长大，以后，随着晶核的长大，Gk 0 。第16页，共62页，编辑于2022年，星期三令令又因为：又因为：临界晶核半径为：临界晶核半径

13、为：由此可知由此可知:T ,rk ，较小晶胚便可以成为晶核。，较小晶胚便可以成为晶核。形核的结构条件形核的结构条件临界晶核半径大小临界晶核半径大小r rk k第17页，共62页，编辑于2022年，星期三讨论：讨论：1.TTK时，时，rmax rK 晶胚自行熔化晶胚自行熔化2.TTK时，时，rmaxrk 晶胚自发长大晶胚自发长大3.T=TK时，时，rmax=rk 晶胚长大，熔化晶胚长大，熔化 均为自发过程均为自发过程.结论：过冷是结晶的必要条件，结论：过冷是结晶的必要条件，而而TTTTK K是结晶的充是结晶的充分必要条件。分必要条件。满足了此条件结晶的三个条件（热力学条件、满足了此条件结晶的三个

14、条件（热力学条件、结构条件和能量条件）均能满足。结构条件和能量条件）均能满足。过冷度对临界晶核与过冷度对临界晶核与最大相起伏的影响最大相起伏的影响临界过冷度（临界过冷度（Tk）r mas 随随T 而而 第18页，共62页，编辑于2022年，星期三临界晶核的形核功临界晶核的形核功-Gk大小大小化简得化简得 形核的能量条件是：形成临界晶核时，系统自由能升高了临形核的能量条件是：形成临界晶核时，系统自由能升高了临界晶核表面能的三分之一大小，即均匀形核时体积自由能的界晶核表面能的三分之一大小，即均匀形核时体积自由能的降低只补偿了表面自由能增加的三分之二大小。形核功是过降低只补偿了表面自由能增加的三分之

15、二大小。形核功是过冷液体形核时的主要障碍。冷液体形核时的主要障碍。第19页，共62页，编辑于2022年，星期三能量起伏能量起伏-尺寸不同的尺寸不同的结构结构起伏具有的能量偏离体系起伏具有的能量偏离体系 平均能量的时起时伏，此起彼伏的现象。平均能量的时起时伏，此起彼伏的现象。表面能的形核功是由液态金属中的能量起伏来表面能的形核功是由液态金属中的能量起伏来 提供提供。（一定的相起伏对应的能量起伏）（一定的相起伏对应的能量起伏）第20页，共62页，编辑于2022年，星期三（3）形核率）形核率形核率是单位时间内单位体积液态金属中形成的晶核数。形核率是单位时间内单位体积液态金属中形成的晶核数。=K N1

16、 N2N1称为形核功因子称为形核功因子N2称为扩散概率因子称为扩散概率因子第21页，共62页，编辑于2022年，星期三 随着温度降低，过冷度增大，先是随着温度降低，过冷度增大，先是N1起主导作用，形核率增加，达到极起主导作用，形核率增加，达到极值后，随过冷度增加，形核率反而下降。值后，随过冷度增加，形核率反而下降。形核率明显增大时对应的过冷度称为有效形核过冷度，对金属形核率明显增大时对应的过冷度称为有效形核过冷度，对金属液体有效过冷度液体有效过冷度T0.2Tm，实际上有效过冷度实际上有效过冷度T0.02Tm，这是这是由于金属结晶都为非均匀形核。由于金属结晶都为非均匀形核。b)金属结晶的形核金属

17、结晶的形核率与过冷度的关系率与过冷度的关系第22页，共62页，编辑于2022年，星期三2.非均匀形核非均匀形核G非非=-GV V晶核晶核 S晶核晶核特点：特点：1.晶核是依附于已存在的界面晶核是依附于已存在的界面 上（固体表面、模壁杂质）形成上（固体表面、模壁杂质）形成,形核形核地点不均匀；地点不均匀；2.形核规律与均匀形核相同；形核规律与均匀形核相同；已知球冠体：已知球冠体：SaL=2r2(1-cos)-球冠的表面积球冠的表面积 ；SaB=r2sin2-晶核与基底接触的面积；晶核与基底接触的面积；V=1/3r3(2-3cos+cos3)-球缺体的体积球缺体的体积第23页，共62页，编辑于20

18、22年，星期三将（将（2 2）式代入）式代入(1)(1)式得：式得：将将L-B=S-B+L-Scos及及 代入整理后得到代入整理后得到：第24页，共62页，编辑于2022年，星期三利用求均质形核求利用求均质形核求r rK K的办法令：的办法令：求得：求得：由此可以看出大小与均匀形核相同；由此可以看出大小与均匀形核相同；T,r非非 。（1）临界形核半径和临界形核功）临界形核半径和临界形核功临界形核半径临界形核半径第25页，共62页，编辑于2022年，星期三将将 代入代入 下式：下式：临界晶核临界晶核形核功形核功第26页，共62页，编辑于2022年，星期三1.当当=0o,cos=1 ，G非非=0,

19、相当有天然晶核，相当有天然晶核，如如a)图图;2.当当=180o,cos=-1,G非非=G均均 如如c)图图;3.当当0o180o时，时，G非非G均均，非均匀形核，非均匀形核 的的在在0180o间变化间变化,如如b）图）图 所以非均匀形核功恒小于均匀形核功所以非均匀形核功恒小于均匀形核功第27页，共62页，编辑于2022年，星期三（2）形核率的影响因素）形核率的影响因素1）过冷度的影响）过冷度的影响（a a）非均匀形核需较小的过冷度）非均匀形核需较小的过冷度,相相 差差1010倍。倍。（b b）随着过冷度的增加，形核速度由）随着过冷度的增加，形核速度由 低向高的过渡平缓低向高的过渡平缓,不象均

20、匀形不象均匀形 核时那样有突然增高的现象。核时那样有突然增高的现象。（c c）随着过冷度增加形核速度达到最）随着过冷度增加形核速度达到最 大值，曲线就下降并且中断（不大值，曲线就下降并且中断（不 需深度过冷）需深度过冷）.金属结晶的形核金属结晶的形核率与过冷度的关系率与过冷度的关系第28页，共62页，编辑于2022年，星期三=0o,cos=1 ，G非非=0,越小越小形核功越小。形核功越小。两个相互接触的固体晶体结构越相似，之间的表面能越小，越有利于形两个相互接触的固体晶体结构越相似，之间的表面能越小，越有利于形核。对于液体中存在这种质点，能够促进形核，称为活性质点。符合这样核。对于液体中存在这

21、种质点，能够促进形核，称为活性质点。符合这样条件的固相质点或其界面与结晶体具有晶体结构的点阵匹配性，称为点阵条件的固相质点或其界面与结晶体具有晶体结构的点阵匹配性，称为点阵匹配原理，这种物质可称为形核剂。匹配原理，这种物质可称为形核剂。2）固相质点晶体结构的影响）固相质点晶体结构的影响第29页，共62页，编辑于2022年，星期三3）固相质点界面形貌的影响）固相质点界面形貌的影响固相质点界面形貌：表面下凹有利形核固相质点界面形貌：表面下凹有利形核第30页，共62页，编辑于2022年，星期三4）液体温度的影响）液体温度的影响 熔炼后的液体的实际温度高于熔点，液体金属实际温熔炼后的液体的实际温度高于

22、熔点，液体金属实际温度与熔点的差值称为过热度。过热度对均匀形核没有影响，度与熔点的差值称为过热度。过热度对均匀形核没有影响，对非均匀形核影响很大。因为过热度增大有两方面的影响：对非均匀形核影响很大。因为过热度增大有两方面的影响：a.杂质质点的形貌或表面状态会发生变化。杂质质点的形貌或表面状态会发生变化。b.杂质质点的数量会减少。杂质质点的数量会减少。第31页，共62页，编辑于2022年，星期三2.3 晶核长大规律晶核长大规律宏观上：晶核的界面向液相中逐步推移。宏观上：晶核的界面向液相中逐步推移。微观上：液相中的原子移动或扩散到成核晶体的表面，并微观上：液相中的原子移动或扩散到成核晶体的表面，并

23、按照晶体点阵的规律由不规则到规则排列的过程。按照晶体点阵的规律由不规则到规则排列的过程。液态金属原子扩散迁移较容易，影响晶核长大的主要液态金属原子扩散迁移较容易，影响晶核长大的主要因素是晶核表面牢固的接纳原子的能力。因素是晶核表面牢固的接纳原子的能力。第32页，共62页，编辑于2022年，星期三1.液态界面的微观结构液态界面的微观结构 (a)微观光滑界面微观光滑界面-原子尺度原子尺度(b)微观粗糙界面微观粗糙界面-原子尺度原子尺度平滑型粗糙型第33页，共62页，编辑于2022年，星期三 S/L界面界面S相的微观结构应当是相的微观结构应当是“界面能最低的结构界面能最低的结构”，假，假设固液平衡时

24、，界面能最低的时候的微观界面为平滑界面，设固液平衡时，界面能最低的时候的微观界面为平滑界面，向界面上任意增加原子，光滑界面向粗糙界面发展，这时界向界面上任意增加原子，光滑界面向粗糙界面发展，这时界面能的变化面能的变化(GS)可表示为：可表示为：.杰克逊因子取决于材料；杰克逊因子取决于材料；k.波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；Tm熔点；熔点；N.界面上原子位置数目界面上原子位置数目;.界面固相原子所占位置的比界面固相原子所占位置的比例数。例数。第34页，共62页，编辑于2022年，星期三 当当取不同数值时，取不同数值时，与与GS间间存在如下关系：存在如下关系：(1)对于对于2的曲线的曲线,在在xo.

25、5处界面能具有处界面能具有极小值，即界面的平衡结构应是约有一半的极小值，即界面的平衡结构应是约有一半的原子位置被固相原子占据而另一半位置空着原子位置被固相原子占据而另一半位置空着,此时界面呈此时界面呈粗糙界面粗糙界面。(大多数金属大多数金属)(2)对于对于3时，在时，在x靠近靠近0处和靠近处和靠近1处界面能最小处界面能最小,说明界面的平衡结构说明界面的平衡结构应是只有几个原子位置被固相原子占据或者极大部分原子位置都被固应是只有几个原子位置被固相原子占据或者极大部分原子位置都被固相原子占据相原子占据,即界面为基本上完整的晶面即界面为基本上完整的晶面,这时界面呈这时界面呈光滑界面光滑界面。（有。（

26、有机物和无机化合物）机物和无机化合物）(3)为为23，处于中间状态，情况较为复杂，其界面形式常属于混合型。，处于中间状态，情况较为复杂，其界面形式常属于混合型。（大多数类金属）（大多数类金属）无论光滑还是粗糙均为能量最低的结构。无论光滑还是粗糙均为能量最低的结构。第35页，共62页，编辑于2022年，星期三2.晶核长大机制晶核长大机制（1）垂直长大机制（粗糙界面）垂直长大机制（粗糙界面）垂直长大机制垂直长大机制 为界面推进速度及方向为界面推进速度及方向 界面上约有一半的结晶位置空着，界面上约有一半的结晶位置空着，可随机接纳从液相过来的原子。粗糙可随机接纳从液相过来的原子。粗糙界面上所有位置接纳

27、液相原子的能力界面上所有位置接纳液相原子的能力相同，液相的原子可以连续的、垂直相同，液相的原子可以连续的、垂直的向界面添加原子，不破坏粗糙度，的向界面添加原子，不破坏粗糙度，使界面迅速向液相推移。使界面迅速向液相推移。长大速度快，所需过冷度小，大多数长大速度快，所需过冷度小，大多数金属以这种机制生长。金属以这种机制生长。第36页，共62页，编辑于2022年，星期三（2）二维长大机制（光滑界面）二维长大机制（光滑界面）首先在光滑界面上首先在光滑界面上形成一些二维晶核，原形成一些二维晶核，原子靠二维晶核所形成的子靠二维晶核所形成的台阶与晶核连接实现二台阶与晶核连接实现二维晶核的扩展。此为理维晶核的

28、扩展。此为理想长大方式需较高的形想长大方式需较高的形核功，故长大速度较慢。核功，故长大速度较慢。二维晶核台阶长大机制示意图二维晶核台阶长大机制示意图 第37页，共62页，编辑于2022年，星期三螺位错台阶机制示意图螺位错台阶机制示意图螺旋长螺旋长大的大的SiCSiC晶体照片晶体照片（3）晶体缺陷长大机制（光滑界面）晶体缺陷长大机制（光滑界面）在界面上存在螺位错在界面上存在螺位错的露头的露头,可能在晶体表面可能在晶体表面形成台阶形成台阶,液相原子沿台液相原子沿台阶不断依附长大，每铺一阶不断依附长大，每铺一层原子，台阶向前移动一层原子，台阶向前移动一个原子间距，使台阶围绕个原子间距，使台阶围绕位错

29、旋转，最终晶体表面位错旋转，最终晶体表面形成由螺型台阶形成的生形成由螺型台阶形成的生长曲线。长曲线。第38页，共62页，编辑于2022年，星期三3.晶体生长的形态晶体生长的形态b.负温度梯度：负温度梯度：a.正温度梯度：正温度梯度：液液固界面前沿液相中的温度分布固界面前沿液相中的温度分布:随界面向液相推移随界面向液相推移 x，T，T 。随界面向液相推移随界面向液相推移 x,T,T ；（a a）：纯金属凝固时的纯金属凝固时的生长形态取决于生长形态取决于液液固界面的微观结构固界面的微观结构（内因）（内因）界面前沿液相中的温度分界面前沿液相中的温度分布（外因）布（外因）第39页，共62页，编辑于20

30、22年，星期三1.1.在在 长大特点：长大特点：结晶潜热只能通过固相散出，结晶潜热只能通过固相散出，相界面的推移速度受固相传热相界面的推移速度受固相传热速度所控制。速度所控制。2.光滑界面材料：通过台阶扩展而生长，随光滑界面材料：通过台阶扩展而生长，随x ,Tk ,并受小平面并受小平面长大的制约，以长大的制约，以“小平面长小平面长 大大”方式长方式长 大长成大长成“规则的几何外形规则的几何外形”。(1)正温度梯度下生长的界面形态正温度梯度下生长的界面形态3.粗造界面材料：按粗造界面材料：按“垂直垂直生长生长”机理而长大，界面机理而长大，界面处的小凸起，随着处的小凸起，随着x ,Tk ,，晶体生

31、长以晶体生长以接近接近平面状平面状向前推移，最后向前推移，最后长成长成“平面状平面状”。S/L界面V V 界面推进速度及方向界面推进速度及方向 垂直长大机制垂直长大机制小凸起小凸起平平直直化化第40页，共62页，编辑于2022年，星期三(2)负温度梯度下生长的界面形态负温度梯度下生长的界面形态1.在在 长大特点：长大特点：相界面上产生的结晶潜热既可通过固相、模壁、液相两个方向而相界面上产生的结晶潜热既可通过固相、模壁、液相两个方向而散热；散热；相界面的移动不再为固相的传热速度所控制。相界面的移动不再为固相的传热速度所控制。第41页，共62页，编辑于2022年，星期三2.粗糙界面材料：粗糙界面材

32、料：各晶轴具有一定的晶体学各晶轴具有一定的晶体学方向，如：方向，如：fcc、bcc各轴各轴相互垂直相互垂直,均为均为方向。方向。按按“垂直生长机理垂直生长机理”生长时，生长时，随着随着x TK,Vg x,从从而形成一次晶轴，二次晶而形成一次晶轴，二次晶轴在二次轴上再长出三次轴在二次轴上再长出三次晶轴晶轴.,以以“树枝状方式生树枝状方式生长长”长成长成树枝状晶体树枝状晶体。界面前沿液相的温度分布界面前沿液相的温度分布与晶体生长形态与晶体生长形态（a）负温度梯度）负温度梯度（b）树枝状生）树枝状生第42页，共62页，编辑于2022年，星期三3.3.光滑界面材料光滑界面材料因随因随x x的增大的增大

33、,T,TK K,V Vg g。受界面形貌。受界面形貌(小平面小平面)的影响，的影响，分以下两种情况：分以下两种情况：值较小的材料，为树枝方式长大，长成带有小平值较小的材料，为树枝方式长大，长成带有小平 面的树枝晶；面的树枝晶；值较大的材料，小平面长大，长成保持小平面特值较大的材料，小平面长大，长成保持小平面特 征的规则外形。征的规则外形。纯锑表面的纯锑表面的带有小平面带有小平面的树枝晶的树枝晶第43页，共62页，编辑于2022年，星期三4.晶体长大速度晶体长大速度 晶体长大速度与界面微观结构、生长方式等多种因素有关。一般晶体长大速度与界面微观结构、生长方式等多种因素有关。一般光滑界面比粗糙界面

34、的长大速度要慢得多，光滑界面以二维长大方式光滑界面比粗糙界面的长大速度要慢得多，光滑界面以二维长大方式生长时长大速度最小，光滑界面以螺型位错等缺陷台阶长大方式生长生长时长大速度最小，光滑界面以螺型位错等缺陷台阶长大方式生长时次之，粗糙界面以垂直长大方式生长时速度最快。大多数金属晶体时次之，粗糙界面以垂直长大方式生长时速度最快。大多数金属晶体具有粗糙界面并以枝晶方式长大，具有高的长大速度。具有粗糙界面并以枝晶方式长大，具有高的长大速度。长大速度与过长大速度与过冷度的关系：冷度的关系：第44页，共62页，编辑于2022年，星期三5.晶粒大小的控制晶粒大小的控制晶粒度：单位体积中的晶粒数目。晶粒度：

35、单位体积中的晶粒数目。晶粒度对金属材料的性能有重要影响，如强度、硬度、晶粒度对金属材料的性能有重要影响，如强度、硬度、塑性和韧性等都随着晶粒细化而提高。塑性和韧性等都随着晶粒细化而提高。晶粒的大小取决于形核率和长大速度。晶粒的大小取决于形核率和长大速度。Z ZV V（为单位体积中的晶粒数目）（为单位体积中的晶粒数目）N形核率，形核率，Vg长大速度长大速度 细化晶粒有以下细化晶粒有以下3种方法：种方法：第45页，共62页，编辑于2022年，星期三（1）增加过冷度）增加过冷度 并且并且T ，ZV。因此因此T可细化晶粒。可细化晶粒。工业中经常通过降低浇工业中经常通过降低浇铸温度，提高铸型的吸铸温度，

36、提高铸型的吸热能力和导热能力的办热能力和导热能力的办法，增大过冷度。法，增大过冷度。第46页，共62页，编辑于2022年，星期三 在液态金属中利用非自发形核理论加入能促进形核（在液态金属中利用非自发形核理论加入能促进形核（N），拟制长），拟制长大（大（Vg）的形核剂（变质剂）增加形核率的处理方法，使）的形核剂（变质剂）增加形核率的处理方法，使ZV，以达，以达细化晶粒的目的。细化晶粒的目的。浇铸灰口铁时加石墨。浇铸灰口铁时加石墨。碳钢中加碳钢中加0.10.2%的的Ti、V形成形成TiC、VC难熔细粒的晶核。难熔细粒的晶核。Al-Si中加入中加入Na盐抑制盐抑制Si的长大速度的长大速度,从而使从而

37、使Zv细化晶粒。细化晶粒。（2）变质处理）变质处理1）根据点阵匹配原理，加入形核剂形成非均匀形核。）根据点阵匹配原理，加入形核剂形成非均匀形核。2）形核剂与液体反应生成难溶化合物。）形核剂与液体反应生成难溶化合物。3）加入长大抑制剂。）加入长大抑制剂。第47页，共62页，编辑于2022年，星期三在浇铸前，搅拌、超声或机械振动等使在浇铸前，搅拌、超声或机械振动等使TT，NN，以达以达Z ZV V，细化晶粒的目的。，细化晶粒的目的。原理：振动使枝晶破碎，原理：振动使枝晶破碎，NN；振动使散热加快；振动使散热加快,T,T均使晶核增多均使晶核增多Z ZV V；（3）动态细化）动态细化第48页，共62页

38、，编辑于2022年，星期三2.4 金属铸锭的组织与缺陷金属铸锭的组织与缺陷1.铸锭组织：铸锭组织：表层细晶粒区表层细晶粒区柱状晶粒区柱状晶粒区 中心等轴状晶粒中心等轴状晶粒区区第49页，共62页，编辑于2022年，星期三（一）表层细晶区（一）表层细晶区 铸锭的最外层是一层很薄的细小等轴晶区，各晶粒铸锭的最外层是一层很薄的细小等轴晶区，各晶粒的取向是随机的。当金属液注入铸模后，由于壁模温的取向是随机的。当金属液注入铸模后，由于壁模温度较低，表层金属液受到模壁的强烈过冷，形成大量度较低，表层金属液受到模壁的强烈过冷，形成大量晶核，同时，模壁及金属液中的杂质有非均匀形核的晶核，同时，模壁及金属液中的

39、杂质有非均匀形核的作用。作用。特点：晶粒十分细小，组织致密，机械性能很特点：晶粒十分细小，组织致密，机械性能很好。但由于细晶区的厚度一般都很薄，有的只有几个好。但由于细晶区的厚度一般都很薄，有的只有几个毫米厚，所以没有多大的实际意义。毫米厚，所以没有多大的实际意义。第50页，共62页，编辑于2022年，星期三（二）柱状晶区（二）柱状晶区 柱状晶区由垂直于模壁的粗大的柱状晶区由垂直于模壁的粗大的柱状晶构成。在细晶区形成的同时，模柱状晶构成。在细晶区形成的同时，模壁温度升高，金属液冷却减慢。此外，壁温度升高，金属液冷却减慢。此外，由于细晶区结晶潜热的释放，使细晶区由于细晶区结晶潜热的释放，使细晶区

40、前沿液体的过冷度减小，形核率大大下前沿液体的过冷度减小，形核率大大下降，此时各晶粒可较快成长，它们的生降，此时各晶粒可较快成长，它们的生长方向是任意的，但只有那些一次晶轴长方向是任意的，但只有那些一次晶轴垂直于模壁的晶体，因与散热方向一致垂直于模壁的晶体，因与散热方向一致而优先生长，从而长成柱状晶粒，而另而优先生长，从而长成柱状晶粒，而另一些晶轴倾斜于模壁的晶体的生长则受一些晶轴倾斜于模壁的晶体的生长则受到阻碍而不能继续生长。到阻碍而不能继续生长。组织特征：晶粒相互平行，组织特征：晶粒相互平行，组织致密，缺陷少，柱晶组织致密，缺陷少，柱晶交界处含有杂质；性能出交界处含有杂质；性能出现了方向性，

41、在柱状晶交现了方向性，在柱状晶交界处产生界处产生 脆弱面，裂纹易脆弱面，裂纹易于扩展。于扩展。第51页，共62页，编辑于2022年，星期三（三）中心等轴晶区（三）中心等轴晶区 随柱状晶的发展，经过散热，铸锭中心部分的液态金属的温度随柱状晶的发展，经过散热，铸锭中心部分的液态金属的温度已比较均匀，全部降至熔点以下，再加上液态金属中的杂质等因素已比较均匀，全部降至熔点以下，再加上液态金属中的杂质等因素的作用，满足形核时对过冷度的要求，于是在整个剩余液体中同时的作用，满足形核时对过冷度的要求，于是在整个剩余液体中同时形核。由于此时的散热已经失去了方向性，晶核在液体中可以自由形核。由于此时的散热已经失

42、去了方向性，晶核在液体中可以自由生长，在各个方向上的长大速度差不多相等，于是就长成了等轴晶。生长，在各个方向上的长大速度差不多相等，于是就长成了等轴晶。当它们长到与柱状晶相遇，全部液体凝固完毕后，就形成了明显的当它们长到与柱状晶相遇，全部液体凝固完毕后，就形成了明显的中心等轴晶区。中心等轴晶区。特点：各个晶粒在长大时彼此交叉，枝杈间的搭接牢固。裂纹特点：各个晶粒在长大时彼此交叉，枝杈间的搭接牢固。裂纹不易扩展。另外，等轴晶区不存在明显的脆弱界面，各晶粒的取向不易扩展。另外，等轴晶区不存在明显的脆弱界面，各晶粒的取向各不相同，其性能也没有方向性。这是等轴晶区的有点。但其缺点各不相同，其性能也没有

43、方向性。这是等轴晶区的有点。但其缺点是等轴晶的树枝状晶比较发达，分枝较多，因此组织不够致密，但是等轴晶的树枝状晶比较发达，分枝较多，因此组织不够致密，但对性能的影响不大。因此，一般的铸锭，尤其是铸件，都要求得到对性能的影响不大。因此，一般的铸锭，尤其是铸件，都要求得到发达的等轴晶组织。发达的等轴晶组织。第52页，共62页，编辑于2022年，星期三2.铸锭组织的控制铸锭组织的控制第53页，共62页，编辑于2022年，星期三（一）利于形成柱状晶的措施：（一）利于形成柱状晶的措施：1.1.高的浇铸温度高的浇铸温度,快的浇铸速度快的浇铸速度(可使可使 )利于柱状晶利于柱状晶形成形成;2.2.固相或模壁

44、散热快，且有方向性利于柱状晶的形成固相或模壁散热快，且有方向性利于柱状晶的形成;3.3.高的熔化温度，使活化质点消除，利于柱状晶形成。高的熔化温度，使活化质点消除，利于柱状晶形成。1.1.变质处理，加入形核剂，促进非均匀形核或抑制长大变质处理，加入形核剂，促进非均匀形核或抑制长大 的措施；的措施；2.2.降低浇铸温度，增大过冷度，促进形核；降低浇铸温度，增大过冷度，促进形核；3.3.快速冷却快速冷却(使使T)T)，均匀散热，避免择优生长；，均匀散热，避免择优生长；4.4.低熔化温度，加大液面流动，振动等增加非均匀形核低熔化温度，加大液面流动，振动等增加非均匀形核 的核心。的核心。(二）利于形成

45、等轴晶的措施二）利于形成等轴晶的措施第54页，共62页，编辑于2022年，星期三3.金属铸锭中的缺陷金属铸锭中的缺陷金属铸锭中的缺陷包括缩孔、疏松、气孔及夹杂物。金属铸锭中的缺陷包括缩孔、疏松、气孔及夹杂物。（一）缩孔（一）缩孔 大多数金属的液态密度小于固态密度，因此结晶时要发生体积收缩，大多数金属的液态密度小于固态密度，因此结晶时要发生体积收缩，使原来填满铸型的液态金属，凝固后就不再填满，此时如果没有液体金属使原来填满铸型的液态金属，凝固后就不再填满，此时如果没有液体金属继续补充的话，就会出现收缩孔洞，称为缩孔。缩孔分为集中缩孔和分散继续补充的话，就会出现收缩孔洞，称为缩孔。缩孔分为集中缩孔

46、和分散缩孔。缩孔。金属铸锭由表及里地顺序结晶时，先结晶部分的体积收缩可以由尚未结晶金属铸锭由表及里地顺序结晶时，先结晶部分的体积收缩可以由尚未结晶的液态金属来补充，而最后结晶部分的体积收缩则得不到补充，因此整个铸锭的液态金属来补充，而最后结晶部分的体积收缩则得不到补充，因此整个铸锭结晶时的体积收缩都集中到了最后结晶的部分，形成了集中缩孔。集中缩孔破结晶时的体积收缩都集中到了最后结晶的部分，形成了集中缩孔。集中缩孔破坏了铸锭的完整性，并使其附近含有较多的杂质，在以后的轧制过程中随铸锭坏了铸锭的完整性，并使其附近含有较多的杂质，在以后的轧制过程中随铸锭整体的延伸而延伸，并不能焊合，造成废品，所以必

47、须予以切除。整体的延伸而延伸，并不能焊合，造成废品，所以必须予以切除。第55页，共62页，编辑于2022年，星期三 大多数金属结晶时是以树枝晶方式长大的，在柱状晶大多数金属结晶时是以树枝晶方式长大的，在柱状晶合粗大的中心等轴晶形成过程中，由于树枝晶的充分发展合粗大的中心等轴晶形成过程中，由于树枝晶的充分发展以及各晶枝间相互穿插合封锁作用，使一部分液体被孤立以及各晶枝间相互穿插合封锁作用，使一部分液体被孤立分隔于各枝晶之间，凝固收缩时得不到液体的补充，于是分隔于各枝晶之间，凝固收缩时得不到液体的补充，于是在结晶结束后，便在这些区域形成许多分散的显微缩孔，在结晶结束后，便在这些区域形成许多分散的显

48、微缩孔，称为疏松。疏松使铸锭的只密度降低，在一般情况下，疏称为疏松。疏松使铸锭的只密度降低，在一般情况下，疏松处没有杂质，表面也未被氧化，在压力加工时可以焊合。松处没有杂质，表面也未被氧化，在压力加工时可以焊合。（二）疏松（二）疏松第56页，共62页，编辑于2022年，星期三（三）气孔（三）气孔 气体在固液中的溶解度不同，凝固时析出的气体来不及逸气体在固液中的溶解度不同，凝固时析出的气体来不及逸出，保留在铸锭中形成气孔。出，保留在铸锭中形成气孔。（四）夹杂物（四）夹杂物铸锭中与基体金属成分、结构都不相同的颗粒称为夹杂物。铸锭中与基体金属成分、结构都不相同的颗粒称为夹杂物。一是外来夹杂物；二是内

49、部反应生成夹杂物。一是外来夹杂物；二是内部反应生成夹杂物。第57页，共62页，编辑于2022年，星期三2.5 结晶理论的拓展和应用结晶理论的拓展和应用（一）定向凝固技术（一）定向凝固技术 是指在凝固过程中，在凝固金属或者凝固熔体中建立特是指在凝固过程中，在凝固金属或者凝固熔体中建立特定方向的温度梯度，从而使金属沿着与热流方向相反的方向定方向的温度梯度，从而使金属沿着与热流方向相反的方向结晶，获得具有特定取向的柱状晶或单晶的技术。结晶，获得具有特定取向的柱状晶或单晶的技术。第58页，共62页，编辑于2022年，星期三1.柱状晶的生长技术柱状晶的生长技术柱状晶性能具有明显的方向柱状晶性能具有明显的

50、方向性。性。沿柱状晶晶轴方向的强度较沿柱状晶晶轴方向的强度较高。高。主要受单向载荷的机器零件，主要受单向载荷的机器零件，如汽轮机叶片等，柱状晶结构如汽轮机叶片等，柱状晶结构是非常理想的。是非常理想的。第59页，共62页，编辑于2022年，星期三2.单晶的生长技术单晶的生长技术第60页，共62页，编辑于2022年，星期三（二）急冷凝固技术（二）急冷凝固技术微晶和纳米晶金属微晶和纳米晶金属 非晶态金属非晶态金属 准晶态金属准晶态金属 快速冷却，常规工艺冷却速度不超过快速冷却，常规工艺冷却速度不超过102/s，急冷，急冷的冷却速度一般达到的冷却速度一般达到104/s以上。以上。雾化技术，模冷技术，表