金属学与热处理知识点总结—

金属学与热处理知识点总结——纯金属的结晶

2019-08-02 11:26:47 作者：本网整理来源：材料人考学分享至：

过冷度：金属理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。

相变潜热：1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。

短程有序：在液体中的微小范围，存在着紧密接触规则排列的原子集团。

长程有序：在晶体中大范围内的原子有序排列。

结构起伏或相起伏：不断变化着的短程有序原子集团。

均匀形核：若液相中各个区域出现新相晶核的几率都是相同的，这种形核方式即为均匀形核。

非均匀形核：新相优先于出现于液相中的某些区域。

过冷度越大，则临界晶核半径越小。

形核功：形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3，还有1/3的表面能没有得到补偿，需要另外供给，需要对形核做功，这个功称为形核功。

能量起伏：微区域内暂时偏离平衡能量的现象。

过冷度、相起伏、能量起伏是形核的基础。

临界形核功与过冷度的平方成成反比，过冷度越大，临界形核功显著降低，从而使结晶过程易于进行。

形核率：单位时间单位体积液相中形成的晶核数目。

形核率受两个方面的控制：一方面，随着过冷度的增加，临界形核半径和形核功随之减小，易于形核，形核率增加。另一方面，形核过程有迁移扩散过程，但是增加过冷度，就势必降低原子的扩散能力，造成形核困难，形核率减少。

有效形核温度：在到达一定的过冷度之前，液态金属中基本不形核，一旦到达临界过冷度时，形核率急剧增加，相应的温度称为有效形核温度。

金属玻璃：如果能使液态金属急剧降温，获得极大过冷度，以至没有形核就降温到原子难以扩散的温度，得到固体金属，它的原子排列状况与液态金属相似，这种材料称非晶态金属，又称金属玻璃。

金属结晶形核的要点：

1. 液态金属的结晶必须在过冷条件下进行，过冷度必须大于临界过冷度，晶胚尺寸必须大于临界晶核半径rk，前者提供形核驱动力，后者是形核的热力学条件。

2. r_k值大小与晶核的表面能成正比，与过冷度成反比。过冷度越大，则r_k值越小，形核率越大，但形核率有一极大值。如果表面能越大，形核所需的过冷度也应越大，凡是能降低表面能的办法都能促进形核。

3. 均匀形核既需要结构起伏，也需要能量起伏。

4. 晶核形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下进行。

5. 在工业生产中，液态金属凝固总是以非均匀形核方式进行。

光滑界面：从原子尺度看，界面是光滑平整的，液固两相截然分开，界面上的固相原子都位于固相晶体结构所规定的位置，形成平整的原子平面，通常为固相的密排晶面。在光学显微镜下，光滑界面由曲折的若干小平面组成，所以又称为小平面界面。

粗糙界面：从原子尺度观察，这种界面高低不平，并存着几个原子间厚度的过渡层。在过渡层中，液相与固相犬牙交错分布，由于过渡层很薄，在光学显微镜下，这类界面是平直的，又称非小平面界面。

晶体长大机制：二维晶核长大机制螺位错长大机制连续长大机制

正温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况。

负温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况。

晶体长大的要点：

1. 具有粗糙界面的金属，其长大机制为连续长大，长大速度大，所需过冷度小。

2. 具有光滑界面的金属化合物、半金属或非金属等，其长大机制可能有两种方式，其一为二维晶核长大方式，其二为螺型位错长大方式，它们的长大速度都很慢，所需的过冷度较大。

3. 晶体成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关。在正温度梯度下长大时，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈锯齿状，粗糙界面的形态为平行于T_m等温面的平直界面，呈平面长大方式，在负温度梯度下长大，一般金属和半金属的界面都呈树枝状，只有那些杰克逊因子α值较高的物质仍然保持着光滑界面状态。

晶粒度：晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。

细化晶粒的方法：

1. 控制过冷度形核率和长大速度都与过冷度有关，增大结晶时的过冷度，形核率和长大速度均随之增加，但形核率的增长率大于长大速度的增长率。增加过冷度的方法主要是提高液态金属的冷却速度。措施：1. 采用金属型或石墨型代替砂型，局部加冷铁，采用水冷铸型。2. 降低浇注温度和浇注速度，使铸型温度不至于升高太快，延长凝固时间，晶核数目增多，获得细小晶粒。

2. 变质处理在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。

3. 振动、搅拌对即将凝固的金属进行振动和搅拌，一方面，是输入能量使晶核提前形成，另一方面，是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加。

铸锭三晶区的形成：

1. 表层细晶区当高温的液态金属被浇注到铸型中时，液体金属首先与铸型的模壁接触，一般来说，铸型的温度较低，产生很大的过冷度，形成大量晶核，再加上模壁的非均匀形核作用，在铸锭表层形成一层厚度较薄，晶粒很细的等轴晶区。

2. 柱状晶区表层晶区形成后，由于液态金属的加热及凝固时结晶潜热的放出，使模壁的温度逐渐升高，冷却速度下降，结晶前沿过冷度减小，难以形成新的结晶核心，结晶只能通过已有晶体的继续生长来进行，由于散热方向垂直于模壁，因而晶体沿着与散热相反的方向择优生长形成柱状晶区。

3. 中心等轴晶区当柱状晶区长大到一定程度，由于冷却速度进一步下降及结晶潜热的不断放出，使结晶前沿的温度梯度消失，导致柱状晶长大停止，当心部全部冷却到实际结晶温度以下时，以杂质和被冲下的晶枝碎块为结晶核心均匀长大，形成粗大的等轴晶区。

从性能角度出发，外层细等轴晶区很薄，对铸锭机械性能影响不大，柱状晶粒由于彼此相妨碍，树枝的分枝较少，结晶后显微缩孔少，组织致密，但是柱状晶方向一致，使铸件的性能有方向性，柱状晶粒交界处容易聚集杂质而形成弱面，压力加工则易沿脆弱面开裂，粗大等轴晶长大时彼此交叉，不存在脆弱面，但树枝状晶体发达，分枝较多，因而显微缩孔多，结晶后组织不致密，但显微缩孔一般均未氧化，铸锭热压力加工时显微缩孔一般可焊合。

铸锭组织的控制：

1. 铸型的冷却能力铸型及刚结晶的固体的导热能力越大，越有利于柱状晶的生成。常采用导热性好与热容量大的铸型材料，增大铸型的厚度及降低铸型温度，以增大柱状晶区。

2. 浇注温度与浇注速度柱状晶的长度随浇注温度的提高而增加，当浇注温度达到一定值时，可以获得完全的柱状晶区。这是由于浇注温度或者浇注速度的提高，均将使温度梯度增大，因而有利于柱状晶区的发展。

3. 熔化温度熔化温度越高，液态金属的过热度越大，非金属夹杂物溶解得越多，非均匀形核数目减少，从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶的发展。

定向凝固技术：通过单向散热使整个铸件获得全部柱状晶的技术称为定向凝固技术。

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