金屬學與熱處理知識點總結——純金屬的結晶
2019-08-02 11:26:47
作者：本網整理 來源：材料人考學
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過冷度：金屬理論結晶溫度與實際結晶溫度之差稱為過冷度。
相變潛熱：1mol物質從一個相轉變為另一個相時，伴隨著放出或吸收的熱量稱為相變潛熱。短程有序：在液體中的微小范圍，存在著緊密接觸規則排列的原子集團。均勻形核：若液相中各個區域出現新相晶核的幾率都是相同的，這種形核方式即為均勻形核。形核功：形成臨界晶核時，體積自由能的下降只補償了表面能的2/3，還有1/3的表面能沒有得到補償，需要另外供給，需要對形核做功，這個功稱為形核功。臨界形核功與過冷度的平方成成反比，過冷度越大，臨界形核功顯著降低，從而使結晶過程易于進行。形核率受兩個方面的控制：一方面，隨著過冷度的增加，臨界形核半徑和形核功隨之減小，易于形核，形核率增加。另一方面，形核過程有遷移擴散過程，但是增加過冷度，就勢必降低原子的擴散能力，造成形核困難，形核率減少。有效形核溫度：在到達一定的過冷度之前，液態金屬中基本不形核，一旦到達臨界過冷度時，形核率急劇增加，相應的溫度稱為有效形核溫度。金屬玻璃：如果能使液態金屬急劇降溫，獲得極大過冷度，以至沒有形核就降溫到原子難以擴散的溫度，得到固體金屬，它的原子排列狀況與液態金屬相似，這種材料稱非晶態金屬，又稱金屬玻璃。1. 液態金屬的結晶必須在過冷條件下進行，過冷度必須大于臨界過冷度，晶胚尺寸必須大于臨界晶核半徑rk，前者提供形核驅動力，后者是形核的熱力學條件。2. rk值大小與晶核的表面能成正比，與過冷度成反比。過冷度越大，則rk值越小，形核率越大，但形核率有一極大值。如果表面能越大，形核所需的過冷度也應越大，凡是能降低表面能的辦法都能促進形核。4. 晶核形成過程是原子的擴散遷移過程，因此結晶必須在一定的溫度下進行。5. 在工業生產中，液態金屬凝固總是以非均勻形核方式進行。光滑界面：從原子尺度看，界面是光滑平整的，液固兩相截然分開，界面上的固相原子都位于固相晶體結構所規定的位置，形成平整的原子平面，通常為固相的密排晶面。在光學顯微鏡下，光滑界面由曲折的若干小平面組成，所以又稱為小平面界面。粗糙界面：從原子尺度觀察，這種界面高低不平，并存著幾個原子間厚度的過渡層。在過渡層中，液相與固相犬牙交錯分布，由于過渡層很薄，在光學顯微鏡下，這類界面是平直的，又稱非小平面界面。晶體長大機制：二維晶核長大機制 螺位錯長大機制 連續長大機制正溫度梯度：液相中的溫度隨至界面距離的增加而提高的溫度分布狀況。負溫度梯度：液相中的溫度隨至界面距離的增加而降低的溫度分布狀況。1. 具有粗糙界面的金屬，其長大機制為連續長大，長大速度大，所需過冷度小。2. 具有光滑界面的金屬化合物、半金屬或非金屬等，其長大機制可能有兩種方式，其一為二維晶核長大方式，其二為螺型位錯長大方式，它們的長大速度都很慢，所需的過冷度較大。3. 晶體成長的界面形態與界面前沿的溫度梯度和界面的微觀結構有關。在正溫度梯度下長大時，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈鋸齒狀，粗糙界面的形態為平行于Tm等溫面的平直界面，呈平面長大方式，在負溫度梯度下長大，一般金屬和半金屬的界面都呈樹枝狀，只有那些杰克遜因子α值較高的物質仍然保持著光滑界面狀態。晶粒度：晶粒的大小稱為晶粒度，通常用晶粒的平均面積或平均直徑來表示。1. 控制過冷度 形核率和長大速度都與過冷度有關，增大結晶時的過冷度，形核率和長大速度均隨之增加，但形核率的增長率大于長大速度的增長率。 增加過冷度的方法主要是提高液態金屬的冷卻速度。措施：1. 采用金屬型或石墨型代替砂型，局部加冷鐵，采用水冷鑄型。2. 降低澆注溫度和澆注速度，使鑄型溫度不至于升高太快，延長凝固時間，晶核數目增多，獲得細小晶粒。2. 變質處理 在澆注前往液態金屬中加入形核劑，促進形成大量的非均勻晶核來細化晶粒。3. 振動、攪拌 對即將凝固的金屬進行振動和攪拌，一方面，是輸入能量使晶核提前形成，另一方面，是使成長中的枝晶破碎，使晶核數目增加。1. 表層細晶區 當高溫的液態金屬被澆注到鑄型中時，液體金屬首先與鑄型的模壁接觸，一般來說，鑄型的溫度較低，產生很大的過冷度，形成大量晶核，再加上模壁的非均勻形核作用，在鑄錠表層形成一層厚度較薄，晶粒很細的等軸晶區。2. 柱狀晶區 表層晶區形成后，由于液態金屬的加熱及凝固時結晶潛熱的放出，使模壁的溫度逐漸升高，冷卻速度下降，結晶前沿過冷度減小，難以形成新的結晶核心，結晶只能通過已有晶體的繼續生長來進行，由于散熱方向垂直于模壁，因而晶體沿著與散熱相反的方向擇優生長形成柱狀晶區。3. 中心等軸晶區 當柱狀晶區長大到一定程度，由于冷卻速度進一步下降及結晶潛熱的不斷放出，使結晶前沿的溫度梯度消失，導致柱狀晶長大停止，當心部全部冷卻到實際結晶溫度以下時，以雜質和被沖下的晶枝碎塊為結晶核心均勻長大，形成粗大的等軸晶區。從性能角度出發，外層細等軸晶區很薄，對鑄錠機械性能影響不大，柱狀晶粒由于彼此相妨礙，樹枝的分枝較少，結晶后顯微縮孔少，組織致密，但是柱狀晶方向一致，使鑄件的性能有方向性，柱狀晶粒交界處容易聚集雜質而形成弱面，壓力加工則易沿脆弱面開裂，粗大等軸晶長大時彼此交叉，不存在脆弱面，但樹枝狀晶體發達，分枝較多，因而顯微縮孔多，結晶后組織不致密，但顯微縮孔一般均未氧化，鑄錠熱壓力加工時顯微縮孔一般可焊合。1. 鑄型的冷卻能力 鑄型及剛結晶的固體的導熱能力越大，越有利于柱狀晶的生成。常采用導熱性好與熱容量大的鑄型材料，增大鑄型的厚度及降低鑄型溫度，以增大柱狀晶區。2. 澆注溫度與澆注速度 柱狀晶的長度隨澆注溫度的提高而增加，當澆注溫度達到一定值時，可以獲得完全的柱狀晶區。這是由于澆注溫度或者澆注速度的提高，均將使溫度梯度增大，因而有利于柱狀晶區的發展。3. 熔化溫度 熔化溫度越高，液態金屬的過熱度越大，非金屬夾雜物溶解得越多，非均勻形核數目減少，從而減少了柱狀晶前沿液體中形核的可能性，有利于柱狀晶的發展。定向凝固技術：通過單向散熱使整個鑄件獲得全部柱狀晶的技術稱為定向凝固技術。
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