第三單元金屬的結晶凝固結晶金屬由液態轉變為固態的過程。結晶是指從原子不規則排列的液態轉變為原子規則排列的晶體狀態的過程。5

金屬的結晶物質從液態到固態的轉變過程。若凝固后的物質為晶體，則稱之為結晶。金屬及其合金都是晶體，所以它們的凝固過程就是結晶。凝固過程影響后續工藝性能、使用性能和壽命。凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎。金屬冶煉、鑄造、焊接工藝過程就是結晶過程。平衡結晶溫度或理論結晶溫度金屬熔點通常把金屬從液態轉變為固體晶態的過程稱為一次結晶。而把金屬從一種固體晶格轉變為另一種固體晶格的過程稱為二次結晶或重結晶。

同素異晶轉變模塊一純金屬的結晶一、熱分析試驗方法熱分析試驗方法過冷結晶潛熱1.冷卻曲線信息量很大呦2過冷現象（1）過冷：金屬的實際結晶溫度總是低于其理論結晶溫度的現象。（2）過冷度：金屬材料的理論結晶溫度(Tm)與其實際結晶溫度T0之差△T=Tm-T0(3)過冷度大小與冷卻速度有關，冷速越大，過冷度越大。二、結晶過程1.結晶的基本過程形核－長大晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核產生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。形核長大形成多晶體兩個過程重疊交織2.晶核的形成均勻形核12

非均勻形核自發形核(均勻形核)：在液態金屬中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集團。當溫度降到結晶溫度以下時，短程有序的原子集團變得穩定，不再消失，成為結晶核心。這個過程叫自發形核。均勻形核非自發形核（非均勻形核）：實際金屬內部往往含有許多其它雜質。當液態金屬降到一定溫度后，有些雜質可附著金屬原子，成為結晶核心，這個過程叫非自發形核。非均勻形核實際金屬結晶主要以樹枝狀長大。這是由于存在負溫度梯度，冷卻速度較快時，晶體的棱角和棱邊的散熱條件比面上的優越，因而長大較快，成為伸入到液體中的晶枝。優先形成的晶枝稱一次晶軸，先形成一次軸，一次軸又會產生二次軸…，樹枝間最后被填充。實際金屬結晶時，晶體多以樹枝狀長大方式長大。3.樹枝狀長大合金的結晶理論與純金屬相同。合金的結晶不是在恒溫下進行的，有一定的結晶溫度范圍。在結晶過程中不只有一個固相和液相，而是在不同范圍內有不同的相，各相成分也發生變化。模塊二晶粒大小及控制

一、細晶強化金屬結晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個晶粒是由一個晶核長成的晶體，實際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆粒狀。在一般情況下,晶粒越小,則金屬的強度,塑性和韌性越好。工程上使晶粒細化,是提高金屬力學性能的重要途徑之一。這種方法稱為細晶強化。1.增加過冷度

一定體積的液態金屬中，若形核率N(單位時間單位體積形成的晶核數,個/m3·s)越大，則結晶后的晶粒越多，晶粒就越細小；晶體長大速度G(單位時間晶體長大的長度,m/s)越快，則晶粒越粗。

二、細化晶粒的措施隨著過冷度的增加,形核速率和長大速度均會增大。但前者的增大更快，因而比值N/G也增大,結果使晶粒細化。增大過冷度的主要辦法是提高液態金屬的冷卻速度，采用冷卻能力較強的模子。實際生產中，通常采用降低鑄型溫度、采用蓄熱大和散熱快的金屬鑄型、局部加冷鐵以及采用水冷鑄型等。這種方法只適合于小件或薄件，對于大型工件，如冷卻速度過大，會使結晶時的內應力加大，導致工件的變形甚至開裂。2.變質處理變質處理就是在液體金屬中加入孕育劑或變質劑，以增加晶核的數量或者阻礙晶核的長大，以細化晶粒和改善組織。例如，在鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋼水中加入鈦、釩、鋁等。

氣輪機轉子的宏觀組織(縱截面)細晶的熔模鑄件(上)普通鑄件(下)鑄鐵變質處理前后的組織變質處理前變質處理后變質處理使組織細化。變質劑為硅鐵或硅鈣合金。3.振動

在金屬結晶的過程中采用機械振動、超聲波振動等方法，可以破碎正在生長中的樹枝狀晶體，形成更多的結晶核心，獲得細小的晶粒。

4.電磁攪拌將正在結晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感應現象，液態金屬會翻滾起來，沖斷正在結晶的樹枝狀晶體的晶枝，增加結晶核心，從而可細化晶粒。鑄錠三晶區12

鑄錠缺陷模塊三金屬鑄錠的組織工業上應用的金屬零部件一般由兩種途徑獲得：一種是將液態金屬澆注到一定形狀與尺寸的鑄型中直接凝固而成，稱為鑄件（Casting）。另一種是通過液態金屬澆注成方或圓的鑄錠（Ingotcasting），然后再通過熱軋或鍛壓，最終可能通過切削加工和熱處理，甚至焊接來獲得零部件的幾何尺寸和性能。金屬結晶后的組織統稱為鑄態組織。對于鑄件來說，鑄態組織和缺陷直接影響它的力學性能。對于鑄錠來說，鑄態組織和缺陷直接影響它的加工性能，也有可能影響到最終零部件的力學性能。金屬鑄錠的組織和質量，不僅在鑄造生產中，而且對幾乎所有的金屬零部件都是重要的。一、鑄錠三晶區2006200720082009中間柱狀晶粒層表面細晶粒層中心等軸晶粒層40⑴表層細晶區：澆注時，由于冷模壁產生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細的等軸晶粒區。⑵柱狀晶區：由于模壁溫度升高，結晶放出潛熱，使細晶區前沿液體的過冷度減小，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而形成柱狀晶區。⑶中心粗等軸晶區:由于結晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導致柱狀晶生長停止，當心部液體全部冷至實際結晶溫度T1以下時，在雜質作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。金屬鑄錠的三個晶區的形成44表層細晶粒層

柱狀晶粒層中心等軸晶粒區液體金屬澆入鑄模后，由于模壁溫度較低，表層

金屬劇烈冷卻，過冷度大，且模壁的異質形核作用，故鑄錠表層形成細晶粒層。柱狀晶粒區成長到一定厚度時，散熱的方向性已不明顯，內部液體處于均勻冷卻狀態，晶核在不同方向的成長速度相同，因此在鑄錠的中心便形成粗大的等軸晶粒區。表層細晶粒層形成后，鑄錠的冷卻速度下降，晶核的形成速率不如成長率大，各晶粒成長較快。由于沿垂直于模壁方向散熱較快，故晶粒編沿這一方向長大，形成柱狀晶粒層。鑄錠表層細晶區的組織致密，力學性能好，但該區很薄，對鑄錠性能影響不大。柱狀晶區的組織比中心粗大等軸晶區致密，其塑性較差，呈現各向異性，在鍛造和軋制時容易開裂。因此，對塑性較差、熔點高的金屬不希望產生柱狀晶區。中心粗大等軸晶區組織疏松，雜質較多，力學性能較低。定向凝固（Directionalsolidification）是指在熔模鑄造型腔中建立特定的溫度梯度，使金屬熔液散熱方向單一并垂直于生長中的固-液界面，從而使金屬沿與散熱相反的方向結晶，獲得單向生長的柱狀晶體。定向凝固技術最突出的成就是在渦輪風扇發動機葉片中的應用，定向凝固高溫合金渦輪葉片消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應力軸方向，從而改善了合金的使用性能。提高發了發動機的推力和可靠性，并延長了使用壽命。定向凝固方法有下降功率法和快速逐步凝固法。定向凝固技術圖定向結晶裝置原理圖二、鑄造缺陷鑄造缺陷的類型較多，常見的有縮孔、氣孔、疏松、偏析、夾渣、白點等，它們對性能是有害的。1.縮孔縮孔是由于液態金屬結晶時體積收縮且補縮不足造成的。可通過改變結晶時的冷卻條件和加冒口等來進行控制。鋼錠出現縮孔在鍛軋前應切除。集中縮孔形成過程示意圖502.偏析合金中各部分化學成分不均勻的現象稱為偏析。鑄錠(件)在結晶時,由于各部位結晶先后順序不同，合金中的低熔點元素偏聚于最終結晶區，造成宏觀上的成分不均勻，稱宏觀偏析。適當控制澆注溫度和結晶速度可減輕宏觀偏析。硫在鋼錠中偏析的模擬結果3．氣孔金屬在熔融狀態時能溶解大量的氣體，如氮氣、氧氣、氫氣等，在冷卻過程中，由于溶解度隨溫度的降低而下降，特別是在金屬結晶時，由于氣體溶解度的劇烈下降而析出大量的氣體。當金屬完全凝固，而氣體不能逸出時，在鑄錠或件內部形成了氣孔（Castingporosity）。氣孔一般是圓形的，表面較光滑。氣孔對鑄件的危害很大，它不僅減少鑄件有效截面積，而且造成局部應力集中，成為材料斷裂的裂紋源，可以使金屬力學性能降低，甚至造成鑄件報廢。對要求承受液壓和氣壓的鑄件，若含有氣孔，能明顯降低其致密性。鑄錠內部的氣孔在壓力加工時一般可以焊合，但靠近鑄錠表層的皮下氣孔，則可能由于表皮破裂而氧化，在壓力加工時不能焊合，應在壓力加工前車去，否則易在表面形成裂紋。模塊四合金的結晶合金的結晶不是在恒溫下進行的，有一定的結晶溫度范圍。在結晶過程中不只有一個固相和液相，而是在不同范圍內有不同的相，各相成分也發生變化。用單一的冷卻曲線難以說明合金的結晶過程，就必須借助于合金相圖這一重要工具。由地圖引出相圖我家在哪里？合金的成分？合金的狀態？合金的組成相？合金相圖又稱合金狀態圖或平衡圖，是表示在平衡（極其緩慢加熱或冷卻）條件下，合金系中各種合金狀態與溫度、成分之間關系的圖形。合金的相變？相圖是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據。根據組元數,分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。2.二元合金相圖的建立目前，合金狀態圖主要是通過實驗測定的，且測定合金狀態圖的方法很多，但應用最多的是熱分析法。以Cu—Ni合金相圖測定為例，說明熱分析法的應用及步驟：（1）配制不同成分的合金試樣，如Ⅰ純銅；Ⅱ80%Cu+20%Ni;Ⅲ60%Cu+40%Ni；合金Ⅳ40%Cu+60%Ni；合金Ⅴ：20%Cu+80%Ni;合金Ⅵ純Ni。（2）測定各組試樣合金的冷卻曲線并確定其相變臨界點；（3）將各臨界點繪在溫度—合金成分坐標圖上；（4）將圖中具有相同含義的臨界點連接起來，即得到Cu、Ni合金相圖。LL+αα

用熱分析法測定Cu－Ni相圖相圖由兩條線構成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個相區，液相線以上為液相區L，固相線以下為固溶體區，兩條線之間為兩相共存的兩相區（L+）。

LL+

成分（wt%Ni）溫度（℃）CuNi液相線固相線二、二元勻晶相圖合金的兩組元在液態和固態下均無限互溶時所構成的相圖稱為二元勻晶相圖。二元勻晶相圖是最簡單二元相圖，Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、W-Mo及Fe-Ni等合金都具有這類相圖。現以Cu-Ni合金為例分析相圖簡單二元相圖。

Cu-Ni合金相圖1.相圖構成相圖由兩條線構成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個相區，液相線以上為液相區L，固相線以下為固溶體區，兩條線之間為兩相共存的兩相區（L+）。

2.合金的結晶過程合金的結晶只有在緩慢冷卻條件下才能得到成分均勻的固溶體。由于實際生產中，合金冷卻速度快，原子擴散不充分。擴散過程總是落后于結晶過程，合金結晶是在非平衡的條件下進行的。使先結晶出的枝晶軸含有較多的高熔點元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后結晶的枝晶間含有較多的低熔點元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。3.枝晶偏析在一個枝晶范圍內或一個晶粒范圍內成分不均勻的現象,

稱作枝晶偏析。枝晶偏析的消除不僅與冷速有關，而且與液固相線的間距有關。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴重。枝晶偏析會影響合金的力學、耐蝕、加工等性能。生產上常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長時間保溫，以使原子充分擴散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作均勻化或擴散退火。三、二元共晶相圖當兩組元在液態下完全互溶，在固態下有限互溶,并發生共晶反應時所構成的相圖稱作共晶相圖。以Pb-Sn相圖為例進行分析。1．相圖分析共晶相圖中有三個單相區：液相區L，固相α和β相區；三個兩相區：L+α區，L+β區，α+β區；一個三相共存點：C點。AB在一定溫度下，由一定成分的液相同時結晶出兩個成分和結構都不相同的新固相的轉變稱作共晶轉變或共晶反應。。

在共晶線對應的溫度下（183℃），E點成分的合金同時結晶出C點成分的

固溶體和D點成分的

固溶體，形成這兩個相的機械混合物：LE?(

C+D)共晶反應的產物，即兩相的機械混合物稱共晶體或共晶組織。發生共晶反應的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點稱共晶點。具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點以左的合金稱亞共晶合金，位于共晶點以右的合金稱過共晶合金。Pb-Sn共晶組織2.Pb-Sn合金的結晶過程共晶合金結晶過程亞共晶合金結晶過程過共晶合金的結晶過程3.相組分和組織組分不同成分的Pb-Sn合金具有不同的顯微組織，其中α、αⅡ、β、βⅡ及共晶組織（α＋β）各具有一定的組織特征，是組成顯微組織的獨立部分，并在顯微鏡下可以明顯區分，稱之為組織組分。成分位于F點至G點之間的Pb-S