金属学与热处理课件 02金属的结晶VIP专享VIP免费

1.1第2章金属的结晶1.1第2章金属的结晶返回总目录1.2第2章金属的结晶1.2教学提示：一切物质从液态转变为固态的过程称为凝固，凝固后形成晶体，则称为结晶。金属的结晶是铸锭、铸件及焊接件生产中的重要过程，这个过程决定了工件的组织和性能，并直接影响随后的锻压和热处理等工艺性能及零件的使用性能。相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解，是人们研究物质相变的过程及产物的有利工具。在生产中，相图可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重要依据。教学要求：本章让学生掌握结晶的概念、结晶基本过程以及结晶后获得细晶粒的方法，了解铸锭组织形成过程、铸锭组织结构与性能特点。熟悉匀晶相图、共晶相图的结构，能正确地分析相应合金的结晶过程，画出示意图，并能熟练地运用杠杆定律计算相组成物和组织组成物的相对量。1.3第2章金属的结晶1.3●2.1纯金属的结晶与铸锭●2.2合金的结晶●2.3结晶理论的应用实例●2.4二元相图的应用●小结●本章习题本章内容1.4第2章金属的结晶1.42.1纯金属的结晶与铸锭大多数金属材料都是在液态下冶炼，然后铸造成固态金属。由液态金属凝结为固态金属的过程，就是金属的结晶。在工业生产中，金属的结晶决定了铸锭、铸件及焊接件的组织和性能。因此，如何控制结晶就成为提高金属材料性能的手段之一。研究金属结晶的目的，就是要掌握金属结晶的规律，用以指导生产，提高产品质量。1.5第2章金属的结晶1.52.1.1纯金属的结晶1.纯金属结晶的条件纯金属结晶是指金属从液态转变为晶体状态的过程。纯金属都有一定的熔点，理想条件下，在熔点温度时液体和固体共存，这时液体中原子结晶到固体上的速度与固体上的原子溶入液体中的速度相等，称此状态为动态平衡。金属的熔点又称为理论结晶温度，或平衡结晶温度。但是，实际条件下，液体金属都必须低于该金属的理论结晶温度才能结晶。通常把液体冷却到低于理论结晶温度的现象称为过冷。因此，使液态纯金属能顺利结晶的条件是它必须过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。过冷度的大小可采用热分析法进行测定。2.1纯金属的结晶与铸锭1.6第2章金属的结晶1.6热分析法装置简图如图2.1所示。在环境温度保持不变的情况下，如果把液态金属放在坩埚内冷却，液态金属就以一定的速度冷却。在冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，然后把测量结果绘制在“温度—时间”坐标中，便可得到如图2.2所示的冷却曲线。图中T0为金属的熔点(又称理论结晶温度)，由图可见，在结晶之前，冷却曲线连续下降，当液态金属冷却到理论结晶温度T0时，并不开始结晶，而是冷却到T0以下的某个温度T1时，液态金属才开始结晶。在结晶过程中，由于放出结晶潜热，补偿了冷却散失的热量，使结晶时的温度保持不变，因而在冷却曲线上出现了水平阶段，此所对应温度T1为该金属的开始结晶温度。水平阶段延续的时间就是结晶开始到终了时间。结晶终了时，液体金属全部变成固态金属。随后，由于没有放出结晶潜热，固态金属温度就按原来冷却速度继续下降。2.1纯金属的结晶与铸锭1.7第2章金属的结晶1.71—电炉2—坩埚3—熔融金属4—热电偶热端5—热电偶6—保护管7—热电偶冷端8—检流计一般情况下，冷却曲线上出现的水平阶段，是液体正在结晶的阶段，这时的温度就是纯金属的实际结晶温度(T1)。过冷度的大小用式(2-1)表示：T=T0－T1(2-1)2.1纯金属的结晶与铸锭1.8第2章金属的结晶1.8式中T0——理论结晶温度；T1——金属实际结晶温度；T——过冷度。过冷度与金属的本性和液态金属的冷却速度有关。金属的纯度越高，结晶时的过冷度越大；同一金属冷却速度越大，则金属开始结晶温度越低，过冷度也越大。总之，金属结晶必须在一定的过冷度下进行，过冷是金属结晶的必要条件。金属结晶为什么必须在过冷条件下才能进行？这是由结晶时的能量条件决定的，根据热力学条件，系统的自由能处于最低状态时，系统最稳定。由于液体和固体的结构不同，虽是同一物质，它们在不同温度下的自由能变化则不同。如图2.3所示的液态金属和固态金属自由能随温度而变化的曲线。液态自由能曲线变化比固态的要陡，两条曲线必然相交...