纯金属的结晶

纯金属的结晶1、教学目标通过教学使学生掌握结晶的基本概念，金属的结晶过程，晶粒的细化，金属铸锭的组织特征。2、教学重点金属的结晶过程，晶粒的细化。3、教学难点金属的结晶过程，晶粒的细化。纯金属的结晶1.结晶的基本概念（1）结晶温度和过冷现象①凝固纯金属的结晶1.结晶的基本概念（1）结晶温度和过冷现象①凝固物质由液态转变为固态的过程称为凝固。纯金属的结晶1.结晶的基本概念（1）结晶温度和过冷现象①凝固②结晶纯金属的结晶1.结晶的基本概念（1）结晶温度和过冷现象①凝固②结晶物质凝固后获得晶体称为结晶。纯金属的结晶1.结晶的基本概念（1）结晶温度和过冷现象①凝固②结晶③结晶温度纯金属的结晶1.结晶的基本概念（1）结晶温度和过冷现象①凝固②结晶③结晶温度液固转变温度称为结晶温度。纯金属的结晶1.结晶的基本概念（1）结晶温度和过冷现象④过冷度纯金属的结晶1.结晶的基本概念（1）结晶温度和过冷现象④过冷度金属的实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0的现象称为过冷，其温度差△T=T0-T1叫做过冷度。纯金属的结晶1.结晶的基本概念（1）结晶温度和过冷现象④过冷度纯金属的结晶1.结晶的基本概念（1）结晶温度和过冷现象④过冷度由于结晶时放出了结晶潜热，补偿了此时向环境散发的热量，使温度保持恒定，结晶完成后，温度继续下降。冷却速度越大，过冷度越大，即金属的结晶温度越低。纯金属的结晶1.结晶的基本概念（1）结晶温度和过冷现象①凝固②结晶③结晶温度④过冷度（2）结晶的能量条件纯金属的结晶1.结晶的基本概念（1）结晶温度和过冷现象①凝固②结晶③结晶温度④过冷度（2）结晶的能量条件金属的结晶只有出现过冷现象，结晶过程才能自发进行。过冷度越大，结晶的驱动力越大，结晶越容易进行。纯金属的结晶2.结晶过程金属的结晶过程实际上是原子由不规则排列的液态转变为原子呈规则排列的固态。金属结晶包括形核和核的长大两过程。纯金属的结晶2.结晶过程（1）形核自发形核：只依靠液体本身在一定过冷条件下形成晶核的过程。非自发形核：实际生产中，金属液体内常存在各种固体的杂质微粒，依附于杂质表面形成晶核的过程。纯金属的结晶2.结晶过程（2）晶核长大晶核的长大是液态金属中的原子向晶核表面转移，被晶核不断吸附的过程。当过冷度非常小时，晶核在长大过程中可以保持规则的外形。过冷度稍大一些，晶核只在生长的初期可以具有规则外形，随即以树枝状方式长大。纯金属的结晶2.结晶过程（2）晶核长大晶核形成后，液态金属原子就以此为中心，按一定的几何规律堆积而形成晶体。在晶核的棱角处，由于散热速度较快优先生长，形成晶轴，再在晶轴的棱角处以同样原因长出分枝，如此不断生长和分枝，逐渐发展成为树枝状，称为枝晶，最后树枝间的空隙被填满，便成为一颗晶粒。纯金属的结晶3.晶粒的细化（1）晶粒大小对金属性能的影响晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性都越高。（2）细化晶粒的途径晶核生长的形核率叫生长率（G）。单位时间在单位体积内所形成的晶核数目称形核率（N）。纯金属的结晶3.晶粒的细化（1）晶粒大小对金属性能的影响晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性都越高。（2）细化晶粒的途径①增大过冷度当过冷度增大时，生核率大大增加，而生长率增大较慢，因而可细化晶粒。纯金属的结晶3.晶粒的细化（1）晶粒大小对金属性能的影响晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性都越高。（2）细化晶粒的途径②变质处理又称孕育处理，即在浇注前向金属液体中加入少量高熔点微粒，以增加结晶时非自发晶核的核心。纯金属的结晶3.晶粒的细化（1）晶粒大小对金属性能的影响晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性都越高。（2）细化晶粒的途径③附加振动结晶时，采用机械振动、超声波振动或电磁搅拌等措施，使液态金属在铸型中运动，造成枝晶破碎，且碎晶块又起晶核作用，从而细化晶粒。纯金属的结晶4.金属铸锭的组织特征（1）表层细晶粒区当金属液注入锭模后，表层金属液受到模壁的强烈过冷，形成大量晶核，模壁又促进非自发形核，因而形成细晶区。纯金属的结晶4.金属铸锭的组织特征（2）柱状晶区细晶粒区形成后，模壁温度升高，金属液冷却变慢，形核率下降。由于垂直于模壁方向散热最快，晶核便沿着垂直于模壁方向的液体中长大，形成柱状晶粒。纯金属的结晶4.金属铸锭的组织特征（3）中心等轴晶区结晶接近铸锭中心，剩下的液体散热速度慢，过冷度小，但被流动金属液带进中心的未熔质点和被冲断的细晶块可以作为晶核向各方向均匀生长而形成较粗大的等轴晶粒。纯金属的结晶5.金属的同素异构转变同一种元素在不同固态温度下，其晶格类型会发生转变称为同素异构转变。纯铁具有同素异构转变，可以形成体心立方晶格和面心立方晶格的同素异构体。体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格