第4章 纯金属的结晶与细晶强化

液态原子的近程有序
形核有两种方式， 均匀形核和非均匀形核。 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。
1. 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。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 晶胚的产生，会导致系统的体积自由能降低，同时， 晶胚的产生，会导致系统的体积自由能降低，同时，由于晶 胚产生了新界面，增加了界面自由能。 胚产生了新界面，增加了界面自由能。总的系统自由能变化 ΔG总是体积自由能和界面自由能的代数和 假定晶胚为球形， 总是体积自由能 的代数和， ΔG总是体积自由能和界面自由能的代数和，假定晶胚为球形， 晶胚半径为r则有如下表达式： 晶胚半径为r则有如下表达式： 4 3 2
缩孔
（2）气孔 ）
气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结 晶时未逸出而存留于铸锭中的气泡. 晶时未逸出而存留于铸锭中的气泡.铸锭中的封闭的气孔 可在热轧时焊合。 可在热轧时焊合。
铸件中的气孔
（3） 偏析 ）
合金中各部分化学成分不 均匀的现象称为偏析。 均匀的现象称为偏析。 （4）夹杂 ）
界面自由能
结晶的驱动力： 结晶的驱动力：体积自由能的 降低 结晶的阻力： 结晶的阻力：界面自由能的增加 形核的基础： 形核的基础：结构起伏和能量起 伏
系 ΔG* 统 自 由 能 变 化 Δ-G
晶胚
晶核
rk
r0
r
体积自由能
晶核半径与Δ 的关系 图4-7 晶核半径与ΔG的关系
2. 非均匀形核 以液体中存在的固态杂质或容器壁为核心形核称非均 匀形核。 匀形核。 非均匀形核方式形核所需的临界过冷度大大降低。 非均匀形核方式形核所需的临界过冷度大大降低。而 形核所需的结构起伏和能量起伏也较低， 形核所需的结构起伏和能量起伏也较低，因此形核比 均匀形核要容易的多。非均匀形核更为普遍。 均匀形核要容易的多。非均匀形核更为普遍。
变质处理前
铸铁变质处理前后的组织 变质剂为硅铁或硅钙合金
变质处理后
3. 振动、搅拌等 振动、
对正在结晶的金属进行振动或搅 动，一方面可靠外部输入的能量 来促进形核; 来促进形核;另一方面也可使成长 中的枝晶破碎， 中的枝晶破碎，使晶核数目显著 增加。 增加。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
电源 热电偶
温 度
金属
Tm Tn
恒温器（0℃） X-Y记录仪
△T
电炉
时间
热分析装置示意图
纯金属结晶时的冷却曲线
过冷： 过冷：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象 过冷度：理论结晶温度 与实际结晶温度T 的差∆ 过冷度：理论结晶温度Tm与实际结晶温度 n的差∆T ∆T= Tm –Tn 过冷度大小与冷却速度有关， 过冷度大小与冷却速度有关， 冷速越大，过冷度越大。 冷速越大，过冷度越大。
柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热， ⑵ 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区 前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热， 前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热， 使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。 使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。
三、控制晶粒度的方法 1. 提高金属的过冷度 随过冷度增加， 随过冷度增加，N/G 增加 值增加，晶粒变细。 值增加，晶粒变细。 (1) 提高液态金属的冷却速 度. 如铸造中采用金属型 代替砂型。 代替砂型。 (2) 提高液态金属的过冷能 如采用慢速浇注。 力。如采用慢速浇注。
2. 变质处理 又称孕育处理。 又称孕育处理。即液态金属 内加入变质剂（或称孕育剂、 内加入变质剂（或称孕育剂、 形核剂）， ），以增加异质核心 形核剂），以增加异质核心 的数量， 的数量，促进非均匀形核的 进行从而细化晶粒的方法。 进行从而细化晶粒的方法。
σs= σ0+Kd-1/2
晶粒大小与金属强度的关系
多晶铁的拉伸变形
室温
高温
二、 晶粒度及其影响因素
晶粒度：表示晶粒大小的尺度。 晶粒度：表示晶粒大小的尺度。工业生产上采用晶粒度等 级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分为8 级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分为8级
钢的标准晶粒度级别图
N 单位体积中的晶粒数 ZV = 0.9 G
一、铸锭的宏观组织
铸锭的宏观组织通常由三个区组成: 铸锭的宏观组织通常由三个区组成
表层细晶区 柱状晶区
中心等轴晶区
铸锭的宏观组织
表层细晶区：浇注时， ⑴ 表层细晶区：浇注时，由于 冷模壁产生很大的过冷度及 非均匀形核作用， 非均匀形核作用，使表面形 成一层很细的等轴晶粒区。 成一层很细的等轴晶粒区。
树枝状长大的实际观察
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
§4.4 晶粒大小及细晶强化
一、晶粒大小对金属性能的影响 常温下，晶粒越细，因而金属的 常温下，晶粒越细， 强度、硬度越高，同时塑性、 强度、硬度越高，同时塑性、韧 性也越好,即细晶强化 即细晶强化。 性也越好 即细晶强化。 高温下，晶界呈粘滞状态， 高温下，晶界呈粘滞状态，在外 力作用下易产生滑动， 力作用下易产生滑动，因而细晶 粒无益。 粒无益。但晶粒太粗易产生应力 集中。因而高温下晶粒过大、 集中。因而高温下晶粒过大、过 小都不好。 小都不好。
硫在钢锭中偏析的模拟结果
§4.6 金属的同素异晶转变
物质在固态下晶体结构类型随温度变化的现象称同素异 构转变（同素异晶转变）。属于固态相变。 ）。属于固态相变 构转变（同素异晶转变）。属于固态相变。
1. 铁的同素异构转变
3/ 4
形核率(N):单位时间、单位体积内形成的晶核数目。 形核率 单位时间、单位体积内形成的晶核数目。 单位时间 长大速度(G):单位时间内晶核生长的长度。 单位时间内晶核生长的长度。 长大速度 单位时间内晶核生长的长度 晶粒的大小取决于形核率和晶粒长大速度的相对大 比值越大， 因此， 小。 N/G比值越大，晶粒越细小 因此，凡是促进形 比值越大 晶粒越细小.因此 核、抑制长大的因素，都能细化晶粒. 抑制长大的因素，都能细化晶粒
§4.5 铸锭的组织与缺陷
在实际生产中， 在实际生产中，液态金属被浇 注到铸模中便得到铸锭。 注到铸模中便得到铸锭。 铸锭的组织（晶粒大小、形状、 铸锭的组织（晶粒大小、形状、 取向、元素和杂质分布） 取向、元素和杂质分布） 及其 存在的缺陷对其加工和使用性 能有着直接的影响。 能有着直接的影响。
Tn G 自 由 能 ∆G = GS – GL < 0
∆T
GS GL Tm
图4-4 液相和固相自由能随温 度变化示意图
§4.3 纯金属的结晶过程
结晶由形核和长大两个基本过程组成. 结晶由形核和长大两个基本过程组成 一、 形核 当液态金属过冷至实际结晶温度 经过一段孕育期， 后，经过一段孕育期，在液态金 属内部开始出现微小的固态颗粒， 属内部开始出现微小的固态颗粒， 称之为晶胚。 称之为晶胚。当晶胚达到某一临 界尺寸后， 界尺寸后，就成为可以稳定存在 并自发长大的晶核。 并自发长大的晶核。这一过程称 形核。 为形核。
过冷度很小时， 过冷度很小时，结晶以均匀长大方式进行
均匀长大
实际金属结晶时冷速较大， 实际金属结晶时冷速较大，主要以树枝状长大 原因：晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴， 原因：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。 一次轴又会产生二次轴 ，树枝间最后被填充。
三、铸锭的缺陷
铸锭缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、 铸锭缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、 偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的. 偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的 缩孔：由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。 ⑴ 缩孔：由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。 可分为集中缩孔和分散缩孔（疏松）。铸锭出现集中缩 可分为集中缩孔和分散缩孔（ 疏松） 孔在锻轧前应切除.而疏松在热轧过程中可焊合。 孔在锻轧前应切除 而疏松在热轧过程中可焊合。 而疏松在热轧过程中可焊合 疏 松
∆G = πr ⋅ ∆F + 4πr σ 3
界面自由能 系 ΔG* 统 自 由 rk r0 能 变 化 体积自由能 Δ-G 晶胚 晶核
r
均匀形核
晶核半径与Δ 的关系 图4-7 晶核半径与ΔG的关系
随晶胚尺寸增大，系统自由能增加， r<rk时 ， 随晶胚尺寸增大 ， 系统自由能增加 ， 晶胚不能成为稳 定的晶核，而是瞬时形成，瞬时消失。 定的晶核，而是瞬时形成，瞬时消失。 随着晶胚尺寸增大，系统的自由能降低， r>rk时 ， 随着晶胚尺寸增大 ， 系统的自由能降低 ， 晶胚就可以 自发地长大成稳定的晶核而不会消失。 自发地长大成稳定的晶核而不会消失。 晶胚可能长大成为稳定的晶核，也可能消失。 r＝rk时，晶胚可能长大成为稳定的晶核，也可能消失。 因此， 的晶胚称为临界晶核， 称为临界晶核半径。 因此 ， 把尺寸为 rk的晶胚称为临界晶核 ， rk称为临界晶核半径 。
a)气态原子无规则排列 a)气态原子无规则排列
b)液态原子的近程有序 b)液态原子的近程有序
c)固态原子的长程有序 c)固态原子的长程有序
为什么研究金属的结晶？ 为什么研究金属的结晶？
§4.2 冷却曲线与过冷度 1. 冷却曲线
通过实验（热分析法） 通过实验（热分析法）测得的液态金属冷却时温度 与时间的关系曲线。 与时间的关系曲线。
⑶中心等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断 中心等轴晶区 由于结晶潜热的不断放出， 减慢，导致柱状晶生长停止， 减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至熔点以 下时， 下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大 的等轴晶粒。 的等轴晶粒。