模块三金属的结晶

模块三金属的结晶课题一纯金属的结晶一金属结晶的现象二金属结晶的条件三形核规律四晶核长大的规律五晶粒大小的控制课题二合金的结晶一二元合金相图的建立二二元匀晶相图三共晶相图四包晶相图五其他相图【学习目标】知识点1．了解纯金属结晶的宏观现象与微观过程，掌握晶核形成的条件、细晶强化的方法及其作用机理；2．了解合金状态图的概念及其建立方法，熟悉二元合金状态图的基本类型、分析方法、典型合金的平衡结晶过程及其组织；3．理解合金性能与相图的关系。技能点1．通过学习二元合金相图及典型合金的结晶过程，会初步分析一般的二元合金相图，初步判断合金的相或组织组成物；2．通过杠杆定律的学习，能够初步定量分析合金的相组成和组织组成。任务提出一般情况下，液态金属凝固形成晶体时，冷却速度越快，其力学性能越好，因此可通过加快冷却速度来提高力学性能。但对于截面尺寸变化越大的大型铸件，由于散热较慢，而且过分大的冷却速度往往导致铸件开裂而造成废品，因此，其力学性能的提高受到冷却速度的限制，在生产中，又是如何提高其力学性能的呢？任务分析要解决此问题，需要先了解金属结晶的过程，及其与铸件力学性能的关系。课题一纯金属的结晶相关知识一金属结晶的现象液态L→固态SS可以是非晶体。一种原子排列状态过渡为另一种原子规则排列状态(晶态)的转变过程。一L→S晶态S→S晶态一次结晶二次结晶凝固结晶液态金属在结晶时的温度——时间曲线1金属结晶的过冷现象过冷度——理论结晶温度和实际结晶温度之差。ΔT=T0－T1冷却速度越快，过冷度越大过冷—液态金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度的现象。只有当液体的过冷度达到一定的大小，结晶过程才能开始进行—过冷是金属结晶的必要条件。2纯金属的结晶过程二金属结晶的条件1金属结晶的能量条件金属结晶的能量条件是：固态金属的自由能必须低于液态金属的自由能。只有在过冷的条件下，即TnT0时，才能满足这一能量条件，这正是结晶必须过冷的根本原因。2金属结晶的结构条件结晶的实质，就是使具有“近程有序”结构的液体转变为具有“远程有序”结构的固体。显然，在一定条件下，液态金属中近程有序排列的原子集团有可能成为结晶的核心。因此“相起伏”就是液态金属结晶的结构条件。三形核规律1自发形核（均质形核）2非自发形核（异质形核）自发形核必须同时满足以下条件：1）必须过冷。只有过冷才能满足FLFS的条件，结晶才有推动力。过冷度越大，结晶的趋势也越大。2)）必须同时具备与一定的过冷度（△T）相适应的结构起伏（rK）和能量起伏（△FK）。生产中，常在液态金属中有意地加人一些能够促进非自发形核的固态物质，以增加液态金属结晶时的形核率、细化组织。提高力学性能。所加入的物质称为变质剂。四晶核长大的规律1晶核长大的机理2晶核长大的方式晶核长大的实质，就是液相中的原子向晶核表面迁移、堆砌而结合的过程。五晶粒大小的控制1晶粒大小对力学性能的影响2影响晶粒大小的因素在常温下，晶粒越细小，金属的强度、硬度就越高，塑性、韧性也越好。控制晶粒的大小最重要的是控制晶核的形核率和长大速率。3晶粒大小的控制①提高过冷度②变质处理在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。③振动、搅拌机械振动、超声波振动、电磁振动六同素异晶转变任务实施金属的晶粒大小对金属的力学性能有重要的影响。一般情况下，晶粒越细，金属的强度、塑性、韧性越好。在生产中，尤其是在制造力学性能要求高、截面尺寸变化较大的大型铸件时，力学性能的提高收到冷却速度的限制，在浇铸前向液态金属中加入一定的孕育剂，使其分散在金属液中作为人工晶核，可使晶粒显著增加，起到细化晶粒的作用，从而提高力学性能。综合训练1．纯金属结晶时出现哪些现象?包括哪些过程?2．金属形核的方式有几种?通常金属结晶时形核的主要方式是哪一种?晶粒的形态如何?3．试述金属结晶的条件。4．影响晶粒大小的因素有哪些?如何影响晶粒大小?5．晶粒大小对金属力学性能如何影响?试述细化晶粒的原理及其措施。课题二合金的结晶任务提出钢铁厂，通常熔炼炉一旦开炉后，不允许停电，为什么?任务分析熔炼炉开炉后，就要熔化金属材料，若材料熔化了一部分，或者还没到浇注温度就停电，熔化了的金属在加热或随后冷却时可能会发生变化，若下次继续加热会遇到更大的麻烦，甚至可能出大事故，要解释其原因就要学习合金结晶的相关知识。相关知识一二元合金相图的建立二二元匀晶相图二组元在液态时完全互相溶解，在固态时也能互相溶解，并形成无限固溶体的合金系，其相图称为匀晶相图。1相图分析2固溶体的平衡结晶及其组织3杠杆定律的应用4固溶体的不平衡结晶及其组织5固溶体合金的性能和相图的关系三共晶相图凡二组元在液态时完全互溶，在固态时形成两种不同的固相，并发生共晶转变的合金系．其相图称为共晶相图。1相图分析2合金的平衡结晶及其组织3共晶合金性能与成分的关系四包晶相图凡二组元在液态下完全互溶，在固态下形成有限固溶体，并发生包晶转变的合金系统，其相图称为包晶相图。1相图分析2典型合金的平衡结晶及其组织五其他相图1共析相图2包析相图任务实施通过对二元合金结晶的学习，可知两种组元在熔化后从高温冷却到低温时有可能会生成新相，新相的熔点可能很高，若停电后再次加热的温度可能很高，表层以下的金属先熔化，体积膨胀，产生爆炸，非常危险，因此钢铁厂不允许停电。综合训练1．共晶、包晶、共析、包析有何转变特征和图形特征？2．共晶转变的产物一般有哪几种基本形态？3．在亚共晶合金和过共晶合金的结晶过程中，若初晶是固溶体或纯金属时，其形态一般呈何状态？4．初晶是亚金属和非金属(Pb、Bi、Si等)或化合物时，其形态一般呈何状态？