第1章5節(jié) 金屬結(jié)晶

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機(jī)械工程材料MaterialsForMechanicalEngineering第1.5節(jié)

金屬的結(jié)晶冷卻曲線與過(guò)冷度二.結(jié)晶的一般過(guò)程三晶粒大小及其控制四.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（現(xiàn)象）物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為凝固。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過(guò)程稱(chēng)為結(jié)晶。物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的過(guò)程稱(chēng)為相變。因而結(jié)晶過(guò)程是相變過(guò)程。玻璃制品水晶一、冷卻曲線與過(guò)冷1、冷卻曲線金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱(chēng)冷卻曲線。曲線上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱(chēng)實(shí)際結(jié)晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的.

純金屬的冷卻曲線2、過(guò)冷與過(guò)冷度純金屬都有一個(gè)理論結(jié)晶溫度T0(熔點(diǎn)或平衡結(jié)晶溫度)。在該溫度下,液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)。結(jié)晶只有在T0以下的實(shí)際結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。霧凇液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象稱(chēng)過(guò)冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差T稱(chēng)過(guò)冷度

T=T0–T1過(guò)冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過(guò)冷度越大。二、結(jié)晶的一般過(guò)程1、結(jié)晶的基本過(guò)程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程組成.液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱(chēng)為晶坯。在T0以下,經(jīng)一段時(shí)間后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱(chēng)為晶核。T0T1ΔT液體和晶體自由能隨溫度變化晶核半徑與ΔG關(guān)系氣體、液體、晶體的結(jié)構(gòu)晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。2、晶核的形成方式形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱(chēng)均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱(chēng)非均勻形核。非均勻形核更為普遍。均勻形核非均勻形核示意圖3、晶核的長(zhǎng)大方式晶核的長(zhǎng)大方式有兩種，即均勻長(zhǎng)大和樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。均勻長(zhǎng)大樹(shù)枝狀長(zhǎng)大在正溫度梯度下，晶體生長(zhǎng)以平面狀態(tài)向前推進(jìn)。界面處的結(jié)晶潛熱只能通過(guò)固相傳導(dǎo)出去，所以界面的推進(jìn)速度受到固相傳熱速度的控制。由于界面處的液體具有最大的過(guò)冷度，當(dāng)界面上偶爾發(fā)生晶體凸起，就會(huì)進(jìn)入溫度較高的液體中，晶體生長(zhǎng)速度立即減慢甚至停止。因此固-液界面保持為穩(wěn)定的平面狀，晶體生長(zhǎng)以平面狀態(tài)向前推進(jìn)。宏觀上為鋸齒（或稱(chēng)為臺(tái)階）狀的光滑界面，也是如此，界面保持著原狀向前平面式推進(jìn)

正溫度梯度在金屬結(jié)晶時(shí)會(huì)放出潛熱，造成界面的溫度大于液相處和固相處，產(chǎn)生負(fù)溫度梯度。

在負(fù)的溫度梯度下，界面前方的液體具有更大的過(guò)冷度，因此，當(dāng)界面某處固相偶然伸入液相，便能夠以更大的速率生長(zhǎng)。伸入液相的晶體形成一個(gè)晶軸，稱(chēng)為一次晶軸。由于一次晶軸生長(zhǎng)時(shí)也會(huì)放出結(jié)晶潛熱，其側(cè)面周?chē)囊合嘀杏之a(chǎn)生負(fù)的溫度梯度。這樣，一次晶軸上又會(huì)產(chǎn)生二次晶軸。同理，二次晶軸上也會(huì)長(zhǎng)出三次晶軸（見(jiàn)下圖）。由于這樣生長(zhǎng)的結(jié)果很像樹(shù)枝，所以被稱(chēng)為樹(shù)枝狀生長(zhǎng)，晶體以樹(shù)枝狀生長(zhǎng)時(shí)，晶體樹(shù)枝逐漸變粗，樹(shù)枝間的液體最后全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，使每個(gè)枝晶成為一個(gè)晶粒。

實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大.這是由于存在負(fù)溫度梯度，且晶核棱角處的散熱條件好，生長(zhǎng)快，先形成一次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)生二次軸…，樹(shù)枝間最后被填充。負(fù)溫度梯度樹(shù)枝狀長(zhǎng)大樹(shù)枝狀長(zhǎng)大的實(shí)際觀察樹(shù)枝狀長(zhǎng)大的實(shí)際觀察樹(shù)枝狀結(jié)晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶三、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于相變之一—固態(tài)相變。1、鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵在固態(tài)冷卻過(guò)程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：1394℃912℃-Fe?-Fe?-Fe物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱(chēng)同素異純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe、-Fe為體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)，-Fe為面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)。都是鐵的同素異構(gòu)體。-Fe-Fe2、固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)⑴形核一般在某些特定部位發(fā)生（如晶界、晶內(nèi)缺陷、特定晶面等）。⑵由于固態(tài)下擴(kuò)散困難，因而過(guò)冷傾向大。⑶固態(tài)轉(zhuǎn)變伴隨著體積變化，易造成很大內(nèi)應(yīng)力。固態(tài)相變的晶界形核(Sn-0.5%Cu鑄態(tài)，255K)錫疫晶粒大小及其控制1、晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶粒度?？捎镁Я５钠骄娣e或平均直徑表示。工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級(jí)來(lái)表示晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)。通過(guò)100倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來(lái)評(píng)級(jí)。一、結(jié)晶后的晶粒大小及其控制2、決定晶粒度的因素晶粒的大小取決于晶核的形成速度和長(zhǎng)大速度。過(guò)冷度對(duì)N、G的影響單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率(N)。單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度叫長(zhǎng)大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越細(xì)小.因此，凡是促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大的因素，都能細(xì)化晶粒.3、控制晶粒度的方法⑴控制過(guò)冷度：隨過(guò)冷度增加，N/G值增加，晶粒變細(xì)。⑵變質(zhì)處理：又稱(chēng)孕育處理。即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。所加入的非均勻形核物質(zhì)叫變質(zhì)劑（或稱(chēng)孕育劑）。Al-Si合金組織緩冷快冷未變質(zhì)變質(zhì)鑄鐵變質(zhì)處理前后的組織變質(zhì)處理前變質(zhì)處理后變質(zhì)處理使組織細(xì)化。變質(zhì)劑為硅鐵或硅鈣合金。電磁攪拌細(xì)化晶粒示意圖超聲振動(dòng)細(xì)化晶粒示意圖⑶振動(dòng)、攪拌等：對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子的宏觀組織(縱截面)細(xì)晶的熔模鑄件(上)普通鑄件(下)4、晶粒大小對(duì)金屬性能的影響常溫下，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，因而金屬的強(qiáng)度、硬度越高，同時(shí)塑性、韌性也越好,即細(xì)晶強(qiáng)化。高溫下，晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生滑動(dòng)，因而細(xì)晶粒無(wú)益。但晶粒太粗易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因而高溫下晶粒過(guò)大、過(guò)小都不好。晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度的關(guān)系單晶葉片s=i+Kd-1/2二、鑄錠(件)組織與缺陷在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。鑄錠(件)的組織及其存在的缺陷對(duì)其加工和使用性能有著直接的影響。1、鑄錠(件)的組織鑄錠(件)的宏觀組織通常由三個(gè)區(qū)組成:⑴表層細(xì)晶區(qū)⑵柱狀晶區(qū)⑶中心粗等軸晶區(qū)⑴表層細(xì)晶區(qū)：澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過(guò)冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。⑵柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過(guò)冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。⑶中心粗等軸晶區(qū):由于結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導(dǎo)致柱狀晶生長(zhǎng)停止，當(dāng)心部液體全部冷至實(shí)際結(jié)晶溫度T1以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。⑴縮孔：縮孔是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)體積收縮且補(bǔ)縮不足造成的。可通過(guò)改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等來(lái)進(jìn)行控制。鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除.2、鑄造缺陷鑄造缺陷的類(lèi)型較多，常見(jiàn)的有縮孔、氣孔、疏松、偏析、夾渣、白點(diǎn)等，它們對(duì)性能是有害的.縮孔⑵偏析：合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱(chēng)為偏析。鑄錠(件)在結(jié)晶時(shí),由于各部位結(jié)晶先后順序不同，合金中的低熔點(diǎn)元素偏聚于最終結(jié)晶區(qū)，造成宏觀上的成分不均勻，稱(chēng)宏觀偏析。適當(dāng)控制澆注溫度和結(jié)晶速度可減輕宏觀偏析。硫在鋼錠中偏析的模擬結(jié)果⑶氣孔:氣孔是指液態(tài)金屬中溶解的氣體或反應(yīng)生成的氣體在結(jié)晶時(shí)未逸出而存留于鑄錠(件)中的氣泡.鑄錠中的封閉的氣孔可在熱加工時(shí)焊合，張開(kāi)的氣鑄件中的氣孔孔需要切除。鑄件中出現(xiàn)氣孔則只能報(bào)廢。縮松課后作業(yè)：

課內(nèi)作業(yè)：

1、對(duì)某碳素鋼進(jìn)行金相分析，其組織為P+Fe3C網(wǎng)，其中P為98%，請(qǐng)問(wèn)此碳素鋼的含碳量大約是多少？2、鐵碳合金中的組織有哪些，簡(jiǎn)述其性能特點(diǎn)。4.某倉(cāng)庫(kù)中的鋼材經(jīng)金相分析后發(fā)現(xiàn)組織為P+F，其中F占80%。問(wèn)此鋼的含碳量大約為多少？5.現(xiàn)有形狀和尺寸完全相同的四塊平衡狀態(tài)的鐵碳合金，它們的含碳量wc分別為0.20%、0.40%、1.2%、3.5%，根據(jù)你所學(xué)的知識(shí)可用哪些方法來(lái)區(qū)別它們？

習(xí)題1、如果將一軟焊料反復(fù)彎曲數(shù)次，會(huì)發(fā)現(xiàn)它仍舊很軟。而對(duì)一退火銅也作同樣彎曲就會(huì)明顯變硬，以至經(jīng)過(guò)幾次之后就不能用手彎曲了。這是為什么？2、鎢在1000℃變形加工，錫在室溫下變形加工，請(qǐng)說(shuō)明它們是熱加工還是冷加工？（鎢熔點(diǎn)是3410℃，錫熔點(diǎn)是232℃)。3、在室溫下對(duì)鉛板進(jìn)行彎折，愈彎愈硬，而稍隔一段時(shí)間再行彎折，鉛板又象最初一樣柔軟，這是什么原因？

習(xí)題課內(nèi)作業(yè)：課內(nèi)作業(yè)：1、在正火熱處理過(guò)程中，為什么加熱后要有一段保溫時(shí)間？2、鋸條、彈簧和重要的軸在淬火后一般分別應(yīng)進(jìn)行什么回火熱處理，并簡(jiǎn)述理由。1．將Ф5mm的T8鋼加熱至760℃并保溫足夠時(shí)間，問(wèn)采用什么樣的冷卻工藝可得到如下組織：珠光體，索氏體，托氏體，上貝氏體，下貝氏體，托氏體+馬氏體，馬氏體+少量殘余奧氏體；請(qǐng)畫(huà)出C曲線并在其上描繪出工藝曲線示意圖。2.指出下列零件的鍛造毛坯進(jìn)行正火的主要目的及正火后的顯微組織：⑴20鋼齒輪；⑵45鋼小軸；⑶T12鋼銼刀。3．生產(chǎn)中常用增加鋼中珠光體量的方法來(lái)提高來(lái)亞共析鋼的強(qiáng)度，問(wèn)用何種熱處理工藝？為什么？4．比較45鋼分別加熱到700℃、750℃和840℃水冷后硬度值的高低，并說(shuō)明原因。習(xí)題5．某一用45鋼制的零件，其加工路線如下：備料→鍛造→正火→粗機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)→精機(jī)械加工→高頻感應(yīng)加熱淬火+低溫回火→磨削請(qǐng)說(shuō)明各熱處理工序的目的及熱處理后的組織。6．選擇下列零件的熱處理方法并編寫(xiě)簡(jiǎn)明的工藝路線（選用鍛造毛坯，且鋼材具有足夠的淬透性）：⑴某機(jī)床變速箱齒輪（模數(shù)m=4