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第六章金属的结晶.doc

发布:2016-10-09约2.05千字共7页下载文档
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第 3 章 纯金属的结晶 教学基本内容: 1、纯金属结晶的概念、结晶的条件和结晶的过程; 2、晶粒度的概念和表示方法,晶粒尺寸的控制途径; 3、铸锭的结构与缺陷 4、金属凝固新技术。 教学目的、要求(分掌握、熟悉、了解三个层次): 1、掌握金属的晶粒尺寸控制的途径; 2、熟悉纯金属结晶的概念、结晶的条件和结晶的过程; 3、了解铸锭的结构与缺陷和凝固新技术。 教学重点及难点: 1、重点: 1)纯金属结晶的条件; 2)金属的晶粒尺寸控制的途径。 2、难点: 1)结晶的必要条件和充分条件; 2)如何提高冷却速度,增加过冷度来获得微晶、纳晶和非晶态材料。 教学方法及手段: 1、PPT讲解; 2、课堂讨论。 作业、讨论题、思考题: 1、讨论与分析细化金属晶粒大小的方法? 2、讨论金属凝固的新技术? 第三章 金属的结晶 重点:金属在结晶中如何控制晶粒的大小,即细化晶粒的途径。 一、结晶的概念 1、近程有序(不稳定、随机、瞬变)和远程有序 2、定义: 1)从状态看:结晶通常是指金属自液态向固态过渡时晶体形成的过程,称为“一次结晶”。 2)从金属学观点:结晶则是指物质的原子从近程有序过度和远程有序结构的过程。 3、结晶的条件(驱动力) 1)自由能差(必要条件):ΔG下降。 2)过冷(外部条件) 过冷现象:金属的实际结晶温度(Tn)低于理论结晶温度(Tm)的现象,即在Tm以下金属仍处于液态的现象。 只有过冷才会产生驱动力ΔG0为结晶的必要条件。 3)过冷度(充分条件)与冷却曲线 过冷度一般为:10℃—30℃;冷却速度愈大、金属过冷度愈大。因此,采用金属型铸造的铸件的机械性能比砂型提高20~30%。 二、结晶的过程 1、形核 1)晶核:液体中最初形成分的一些作为结晶中心的稳定的微小晶体。 2)晶体形核的方式 (1)自发形核 是从过冷液体中直接产生晶核,由大尺寸的近程有序排列的原子发展而成。但自发形核需要很大的过冷度。 例: Fe需要ΔT=295℃; Ni需要ΔT=319℃ (2)非自发形核 依附于杂质微粒的表面或容器壁表面产生的核,过冷度小10~~~30℃,因此为主导形核方式。 2、晶粒长大 1) 以枝晶状长大;2)是有选择性(散热条件定)。 三、晶粒的大小的控制 1、晶粒度(晶粒大小) 1)表示方法:单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度。 2)晶粒度等级:分为八级,一级最粗,八级最细(幻灯)(100倍显微镜下的晶粒大小)。 3)晶粒大小对金属性能的影响 在一般情况下,晶粒愈小,则金属的强度、塑性和韧性愈好。 表:晶粒大小不同时纯铁的机械性能 晶粒截面的直径(10-2mm) 强度σb(MN/m2) 伸长率δ(%) 9.7 7.0 2.5 165 180 210 28.6 30.6 39.5 2、晶粒大小的控制 1)决定晶粒度的因素 形核率(N)G)N)G)T↑→ N/G↑→晶粒愈细小。 降低铸造温度,用金属型代砂型。适合小型或薄壁零件。 A、当冷却速度 102-4℃/s时 微晶材料(微晶合金、纳晶合金) 微晶合金的特点: ① 具有高强度、高硬度、良好的韧性、较高的耐磨性、耐蚀性及抗氧化、抗辐射性、稳定性好等优良性能。 ②还具有良好的物理性能,高电阻率,较高的超导,较高温度,高的矫顽力。 B、当冷却速度 106-8℃/s 非晶态材料 非晶态合金的特点: ①很高的室温强度、硬度、刚度;②具有良好的韧性和塑性; ③无晶体缺陷,因此具有很多的耐蚀性,及高电阻率,高导磁率,低磁损和低的声波衰率。 (2)变质处理 是指在液态金属结晶前,加入一些细小高溶点的物质,促使非自发形核的方法。该方法易实现、效果明显、最常用。 例:钢中加入Ti、V、Al;铸铁中加入Si、Ca、;铝中加入Ti、锆。 (3)振动,搅拌方法:破碎作用 四、铸锭的结构与缺陷 1、结构和性能 1)表层的细晶粒层 ΔT极大,形核率大,晶粒细小,性能好,但极薄,无实用价值。 2)柱状晶层 ΔT减小,使N G,且散热具有明显的方向性,只有与壁垂直的晶核优先长大成整齐、粗大的柱状晶。 性能:组织致密;性能具有明显的方向性,即纵向性能大于横向性能;但晶粒间存在脆弱面。 应用:涡轮叶片、磁性铁合金、有色金属等。 3)中心等轴晶区 ΔT很小,使N小,散热无方向性,晶核可向不同方向生长、形成粗大的等轴晶粒。 性能:无方向性,但组织疏松。 应用:一般铸件。 2、铸件缺陷:缩孔、缩松、气孔、偏析、夹杂等。 五、凝固技术 1、单晶的制备:垂直提拉法和尖端形核法。 2、急冷凝固技术:平面流铸造法、熔体拖拉法、快速凝固雾化法和双辊雾化法。
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