9-CH2 共晶相图包晶相图(第12周)
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超声振动细化晶粒示意图
电磁搅拌细化晶粒示意图
2.1
纯金属的结晶
2.1.4 铸锭的结构
一. 铸锭结构 铸锭分为三个各具特征的晶区：
铸锭的凝固过程
(1) 细晶区；(2)柱状晶区；(3)等轴晶区 铸锭结构
2.1
纯金属的结晶
2.1.4 铸锭的结构 二. 铸锭晶粒形状的影响因素
柱状是由外往里顺序结晶的，晶质较致密。但柱状晶的接 触面由于常有非金属夹杂或低熔点杂质而为弱面，在热轧、锻 造时容易开裂，所以对于熔点高和杂质多的金属，例如铁、镍 及其合金，不希望生成柱状晶；但对于熔点低，不含易熔杂 质，塑性较好的金属，即使全部为柱状晶，也能顺利地进行热 轧、热锻，所以铝、铜等有色金属及合金，反而希望铸锭得到 柱状晶结构。 柱状晶的性能具有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向的强 度较高。对于那些主要受单向载荷的机器零件，例如汽轮机叶 片等，柱状晶结构是非常理想的。
过冷度对N、G的影响
随过冷度增加，N/G值增加，晶粒 变细。
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2.1
纯金属的结晶
2.1.3 细化铸态金属晶粒的措施 1.增大金属的过冷度 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。 超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属、亚 稳态结构的金属和非晶态结构的金属。非晶态金 属具有特别高的强度和韧性、优异的软磁性能、 高的电阻率、良好的抗蚀性等。
工程材料 Engineering Materials
主讲教师：李端玲
Instructor: Li, Duanling E-mail: liduanling@
开课单位:自动化学院
Department：Automation School
第2章
金属材料组织和性能的控制
2.1 纯金属的结晶 2.2 合金的结晶 2.3 金属的塑性加工 2.4 钢的热处理 2.5 钢的合金化 2.6 表面技术
Engineering Materials
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三、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：
纯铁的同素异构转变
-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
1394℃
912℃
2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部位 发生（如晶界、晶内缺陷、 特定晶面等）。
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2.1
纯金属的结晶
2.1.3 细化铸态金属晶粒的措施
金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶 核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。晶粒大小可用晶 粒度来表示，晶粒度号越大晶粒越细。 晶难， 因而过冷倾向大。 ⑶固态转变伴随着体积变 化，易造成很大内应力。
(Sn-0.5%Cu铸态，255K)
2.1
纯金属的结晶
2.1.2 同素异构转变 金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相 似，故称为二次结晶或重结晶。在发生同素异构 转变时金属也有过冷现象，也会放出潜热，并具 有固定的转变温度。新同素异晶体的形成也包括 形核和长大两个过程。同素异构转变是在固态下 进行，因此转变需要较大的过冷度。由于晶格的 变化导致金属的体积发生变化，转变时会产生较 大的内应力。例如 γ -Fe转变为α - Fe时，铁 的体积会膨胀约1％。它可引起钢淬火时产生应 力， 严重时会导致工件变形和开裂。 适当提高冷却速度，可以细化同素异构转变 后的晶粒，从而提高金属的机械性能。
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自发形核
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2.1
纯金属的结晶
2.1.1 纯金属的结晶 二、纯金属的结晶过程 金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。 1. 形核 液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的 核心。生成的核心叫做晶核。形核有两种方式。 (2) 非自发形核 实际金属内部往往含有许多 其它杂质。当液态金属降到一定 温度后，有些杂质可附着金属原 子，成为结晶核心，这个过程叫 非自发形核。这种依附于杂质而 形成的晶核叫做非自发晶核。
Engineering Materials
平面长大
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二、金属的结晶
2、纯金属的结晶过程 金属的结晶包括两个基本过程：形核与长 大。 2）. 晶体的长大 晶体的长大有两种方式: (2)树枝状长大 当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边 的散热条件比面上的优越，因而长大较快， 成为伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝 称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的同 时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。 其后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后得 到具有树枝状的晶体。
过冷度对N、G的影响
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2.1
纯金属的结晶
2.1.3 细化铸态金属晶粒的措施
1.增大金属的过冷度
随着过冷度的增加, 形核速率和长大速 度均会增大。但当过冷度超过一定值后， 成核速率和长大速度都会下降。这是由于 液体金属结晶时成核和长大，均需原子扩 散才能进行。当温度太低时，原子扩散能 力减弱，因而成核速率和长大速度都降 低。对于液体金属，一般不会得到如此大 的过冷度，通常处于曲线的左边上升部 分。所以, 随着过冷度的增大，成核速率 和长大速度都增大，但前者的增大更快， 因而比值N/G也增大, 结果使晶粒细化
2.1
纯金属的结晶
2.1.3 细化铸态金属晶粒的措施
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。
Engineering Materials
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2.1
纯金属的结晶
2.1.4 铸锭的结构 二. 铸锭晶粒形状的影响因素 金属加热温度高，冷却速度大，铸造温度高和 浇注速度大等，有利于在铸锭或铸件的截面上保 持较大的温度梯度，获得较发达的柱状晶。结晶 时单向散热，有利于柱状晶的生成。 为了获得柱状晶结构，可采用定向结晶的方 法。具有细长柱状晶的铝镍钴永磁合金即是用这 种方法生产的。
2.1
纯金属的结晶
金属材料冶炼后，浇注到锭模或 铸模中，通过冷却，液态金属转变为 固态金属，获得一定形状的铸锭或铸 件。固态金属处于晶体状态，因此金 属从液态转变为固态（晶态）的过程 称为结晶过程。 广义上讲，金属从一种原子排列 状态转变为另一种原子规则排列状态 （晶态）的过程均属于结晶过程。通 常把金属从液态转变为固体晶态的过 程称为一次结晶，而把金属从一种固 体晶态转变为另一种固体晶态的过程 称为二次结晶或重结晶。
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2. 纯金属的结晶过程 形核和晶核长大的过程
液态金属 形核 晶核长大 完全结晶
2.1
纯金属的结晶
2.1.1 纯金属的结晶 二、纯金属的结晶过程 金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。 1. 形核 液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的 核心。生成的核心叫做晶核。形核有两种方式。 (1) 自发形核 在液态金属中，存在大量尺寸不同的 短程有序的原子集团。当温度降到结晶温 度以下时，短程有序的原子集团变得稳 定，不再消失，成为结晶核心。这个过程 叫自发形核。这种由液态金属内部由金属 原子自发形成的晶核叫自发晶核。
Engineering Materials
非自发形核
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2. 晶体的长大
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。
二、金属的结晶
2、纯金属的结晶过程 金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。 2）. 晶体的长大 晶体的长大有两种方式: • • (1)平面长大 当冷却速度较慢时，金属晶体以 其表面向前平行推移的方式长大。 晶体长大时，不同晶面的垂直方向 上的长大速度不同。沿密排面的垂 直方向上的长大速度最慢，而非密 排面的垂直方向上的长大速度较 快。平面长大的结果，晶体获得表 面为密排面的规则形状。
树枝状长大
2.1
纯金属的结晶
2.1.1 纯金属的结晶 二、纯金属的结晶过程 金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。 2. 晶体的长大 实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。
平面长大的规则形状晶体
Engineering Materials
树枝状长大的树枝状晶体
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2.1
纯金属的结晶
2.1.2 同素异构转变 许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、 铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心 立方晶格。钨、钼、钒等金属则为体心立方晶 格。但有些金属在固态下，存在两种或两种以上 的晶格形式，如铁、钴、钛等。这类金属在冷却 或加热过程中，其晶格形式会发生变化。金属在 固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种 晶格的现象，称为同素异构转变。 同素异构转变属于相变之一—固态相变。
1 晶粒度 单位面积晶粒 数（个／mm2) 16 32 64 128 256 512 1024 2048 2 3 4 5 6 7 8
