再结晶温度对晶粒大小的影响

    教学情境二　金属的结晶

    学习与训练子目标

     掌握过冷度的概念及晶粒大小对金属机械性能的影响

     掌握金属同素异晶转变的过程

    物质由液态转变成固态的过程称为凝固，如果凝固的固态物质是原子有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。研究并控制金属材料的结晶过程，对改善金属材料的组织和性能都有重要的意义。

    知识点一　纯金属的冷却曲线和过冷现象

    金属结晶过程的实质是液态金属原子由不规则排列的非晶体状态转变为规则排列的晶体状态。

    研究金属结晶过程通常采用热分析法：将金属熔化成液体，然后以极缓慢的冷却速度进行冷却，同时记录下温度随时间变化的情况，把记录下来的数据描绘在温度—时间坐标图中，便获得金属的冷却曲线，如图2-9所示。

    由冷却曲线可见，液态金属随着冷却时间的增长，温度不断下降，当冷却到某一温度时，金属开始结晶。结晶时是液态与固态共存并向固态转化，此时释放出大量结晶潜热，补偿了外界散失的热量，使温度并不随冷却时间的增长而下降，冷却曲线中出现了水平线段，该水平线段所对应的温度就是金属的结晶温度（或熔点） 。结晶终了后，固态金属的温度又随时间增加而下降。

    液态金属在无限缓慢的冷却条件下结晶的温度，称为理论结晶温度，用T₀表示，如图2-9（a）所示。在实际生产中，金属结晶时的冷却速度都是相当快的，以致液态金属温度达到T₀时也不能结晶，或者说来不及结晶，而是继续冷却至T₀以下的T₁时才结晶，T₁称为实际结晶温度，如图2-9（b）所示。这种金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度ΔT，即

    ΔT = T₀−T₁

    实践证明，金属总是在一定的过冷度下结晶的，过冷是结晶的必要条件。同一金属结晶时，冷却速度越快，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。

    

    

    图2-9　纯金属结晶时的冷却曲线

    知识点二　金属的结晶过程

    金属的结晶不是在瞬间完成的，结晶过程包括晶核形成与晶体长大两个基本过程，如图2-10所示。

    

    

    图2-10　纯金属结晶过程示意图

    实验证明，液态金属中总是存在着许多原子呈近似有序排列的小原子团。在理论结晶温度以上，这些小原子团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当低于理论结晶温度时，这些小原子团的一部分就成为稳定的结晶核心，形成自发晶核。与此同时，某些外来的难熔质点也可充当晶核，形成非自发晶核。随着时间的推移，晶核周围的原子按一定的规律在晶核上堆积，晶核不断长大，在晶核长大的同时又不断形成新的晶核，直到液态金属全部消失，晶体彼此接触为止，最终形成由许多外形不规则的晶体结构组成的固态金属。

    在结晶时，由每一个晶核长成的晶体就是一个晶粒。晶核起初不受约束自由生长。当晶粒长大互相接触后，晶体向着尚未凝固的部位生长，最后形成由许多外形不规则的晶粒组成的多晶体。由于晶界比晶粒内部凝固得晚，所以在其上面有较多低熔点的杂质。

    知识点三　晶 粒 度

    一、晶粒大小对金属机械性能的影响

    金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，而晶粒大小是金属组织的重要标志之一。晶粒的大小称为晶粒度，可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目愈多，晶粒愈小。为了测量方便，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为，晶粒愈细，塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形愈均匀、内应力集中愈小，而且晶粒愈细，晶界面愈多，晶界就愈曲折，晶粒与晶粒间交错的机会就愈多，愈不利于裂纹的传播和发展，彼此就愈紧固，强度和韧性就愈好。表2-1说明了晶粒大小对纯铁机械性能的影响。

    

    表2-1　晶粒大小对纯铁机械性能的影响

    

    二、细化晶粒的方法

    

    

    图2-11　成核率、长大速度与过冷度的关系示意图

    金属晶粒的大小取决于结晶时的成核率N（单位时间、单位体积内所形成的晶核数目）和晶核的长大速度v。成核率越大，则结晶后的晶粒越多，晶粒就越细小。另外，如成核率不变，长大速度越慢，则结晶时间越长，生成的晶核越多，晶粒越细小。

    工程中，常用的细化晶粒的方法有以下几种：

    （一）增加过冷度

    液态金属结晶的成核率、长大速度与过冷度之间的关系如图2-11所示。成核率N与长大速度v是随过冷度ΔT的增加而增加的。当过冷度较小时，长大速度比成核率增加显着，结晶后获粗晶粒；当过冷度增大到一定程度时，成核率的增加大大超过长大速度的增加，结晶后获细晶粒。因此，增加过冷度总能使晶粒细化。

    实际生产中常常采用降低浇铸温度、减小铸型温度升高的速度、提高冷却速度的方法增大过冷度，从而使晶粒细化。

    （二）变质处理

    变质处理又称孕育处理，是利用在液态金属中加入难熔固体质点，使之形成大量的人工晶核（非自发晶核）获得细晶粒的方法。所加难熔固体质点称孕育剂或变质剂。孕育剂的作用是促进成核，阻止晶粒长大。例如，在钢中加入钛、硼、铝等，在铁水中加入硅铁、硅钙合金等都可起到细化晶粒的作用。

    （三）附加振动

    金属结晶时，采用增加金属液的运动，如电磁搅拌、机械振动和超声波处理等方法，或促进晶核形成，或打碎正在生长的枝晶，增加晶核，都可达到细化晶粒的目的。

    知识点四　金属的同素异构转变

    大多数金属在结晶完成后的继续冷却过程中，其晶体结构不再发生变化。但有些金属在固态下，其晶格形式随温度的变化而发生改变。金属在固态下随温度的变化，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构（晶）转变。由同素异构（晶）转变所得到的不同晶格类型的晶体称为同素异晶体。图2-12是纯铁的冷却曲线和晶格变化情况。由图可见，液态纯铁在1 538℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe，继续冷却到1 394℃时发生同素异构转变，转变为面心立方晶格的γ-Fe，再冷却到912℃时又发生同素异构转变，转变为体心立方晶格的α-Fe，912℃以下不再变化。转变可用下式表示：

    

    

    图2-12　纯铁的冷却曲线示意图

    除铁外，还有铬、锰、钴、钛、锡金属具有同素异构转变。同素异构转变是进行热处理的基础，有重要的实际意义。

    金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处，实质上它是一个重结晶过程，并遵循结晶的一般规律：有一定的转变温度；转变时需要过冷；有潜热产生；转变过程也是一个成核和晶核长大的过程。

    由于同素异构转变是在固态下发生的，其原子扩散要比液态下困难得多，因此，转变时需要较大的过冷度。同时，不同类型晶格的致密度不同，势必引起晶体体积的变化，产生较大的内应力。

    思考与训练

    复习本教学情境的基本知识，思考选择正确答案。

    一、概述

    1.由液态金属变为固态金属的过程称为＿＿。

    A.凝固　　B.结晶　　 C.再结晶　　 D.重结晶

    2.金属从一种固态晶体结构转变成另一种固态晶体结构的过程称为重结晶，下列转变中＿＿属于重结晶转变。

    A.共晶转变 　　B.结晶　　 C.再结晶　　 D.同素异构转变

    3.金属从一种固态晶体结构过渡到另一种固态晶体结构的过程称为＿＿。

    A.共晶转变　　 B.结晶　　 C.再结晶 　　D.重结晶

    二、过冷度

    1.关于金属结晶过程中过冷度的描述，下列说法错误的是＿＿。

    A.过冷度是理论结晶温度与实际结晶温度的差值

    B.实际结晶温度高于理论结晶温度

    C.冷却速度越大，过冷度则越大

    D.过冷度是实际液态金属结晶的必要条件

    2.对纯金属而言，下列说法错误的是＿＿。

    A.不会在恒温下结晶 　　 B.不会发生相变

    C.都能进行形变强化 　　 D.都能进行时效强化

    三、结晶时的能量条件

    1.当系统的温度＿＿T0时，系统过热，ΔE＿＿0，液态金属处于稳定状态，熔化自发进行。

    A.小于/小于 　　　 B.大于/大于

    C.小于/大于 　　　 D.大于/小于

    2.当系统的温度＿＿T0时，系统过冷，ΔE＿＿，液态金属处于稳定状态，结晶自发进行。

    A.小于/小于 　　　 B.大于/大于

    C.小于/大于 　　　 D.大于/小于

    3.液态金属结晶时，过冷度ΔT＿＿，自由能差ΔE＿＿，所以液态金属结晶的倾向越大。

    A.越大/越大 　　　 B.越大/越小

    C.越小/越小 　　　 D.越小/越大

    四、金属结晶的基本规律

    1.下列关于金属结晶过程的说法不正确的是＿＿。

    A.金属结晶不是瞬间完成的，结晶过程包括晶核形成与晶体长大两个基本过程

    B.对一个晶粒的形成来说，它具有严格区分的成核和长大两个阶段

    C.对整体液态金属结晶过程来说，成核与长大过程始终交叉进行，所以说结晶是成核与长大并进的过程

    D.尺寸增大稳定性增高的远程有序原子团称为晶胚

    2.金属的结晶过程包含＿＿和＿＿。

    A.晶核不断形成/晶核长大 　　　　B.晶粒/晶界

    C.晶界/亚晶界 　　　　　　 D.晶核/晶核长大

    五、晶体长大方式

    1.液态金属在晶体长大过程中，＿＿是其动力。

    A.过冷度的大小　　　　　　　　　　　　 B.成核数量的多少

    C.过冷度的大小和成核数量的多少 　　　　D.形成枝晶的多少

    六、晶粒度对金属机械性能的影响

    1.实际金属晶体的晶粒越细，则＿＿。

    A.机械性能越差 　　　　 B.工艺性越好

    C.机械性能越好 　　　　D.工艺性越差

    2.同一金属结晶后，晶粒较细的＿＿。

    A.强度较高而塑性较差　　　　 B.强度较低而塑性较差

    C.强度较低而塑性较好 　　　　D.强度较高而塑性较好

    七、影响晶粒度的因素

    1.金属结晶后，其晶粒的粗细与结晶时＿＿有关。

    A.形核率和形核速度 　　　　　 B.形核速度和形核面积

    C.形核率和晶核长大速度　　　　 D.晶粒度和晶核长大速度

    八、控制晶粒度的方法

    1.为得到较细的金属晶粒，可采用＿＿、＿＿和附加振动等措施。

    A.适当减小过冷度/变质处理　　　　 B.适当增加过冷度/变质处理

    C.适当增加过冷度/处理变质　　　　 D.适当减小过冷度/处理变质

    2.为得到较细的金属晶粒，生产上可采用增加过冷度等措施，对较大的铸件，其过冷度应＿＿。

    A.较大　　　 B.较小 　　C.不宜过大　　 D.不宜过小

    3.下列关于控制晶粒度的方法的说法，不正确的是＿＿。

    A.孕育剂的作用是促进成核，阻止晶粒长大

    B.采用增强金属液的运动，如电磁搅拌、机械振动和超声波处理等方法，或促进形成晶核，或打碎正在生长的枝晶增加晶核而达到细化晶粒的目的

    C.过冷度越大，越能细化晶粒

    D.生产中采用降低浇铸温度、减小铸型温度升高的速度、提高冷却速度的方法，增大过冷度，从而可使晶粒细化

    4.对于控制晶粒度的方法，下列措施中属于控制过冷度的有＿＿。

    Ⅰ. 降低浇铸温度；Ⅱ. 减小铸型温度升高的速度；Ⅲ. 加入人工晶核；Ⅳ. 增强金属液的运动；Ⅴ. 打碎正在生长的枝晶。

    A.Ⅰ+Ⅱ+Ⅳ 　B.Ⅰ+Ⅱ+Ⅴ　 C.Ⅱ+Ⅲ+Ⅴ　 D.Ⅰ+Ⅱ

    九、同素异构转变

    1.对于纯铁来说，由γ-Fe转变为α-Fe是属于＿＿。

    A.共析转变　 B.共晶转变　 C.等温转变 　D.同素异构转变

    2.金属的同素异构转变就是金属在固态下发生的＿＿。

    A.结晶 　　B.凝固 　　C.重结晶 　　D.再结晶

    3.由α-Fe转变为γ-Fe的温度是＿＿。

    A.912℃ 　　B.727℃ 　　C.770℃　　 D.1 143℃

    4.同素异构转变又称为＿＿。

    A.结晶　　 B.再结晶　　 C.共析转变　　 D.重结晶

    5.下列中＿＿是具有同素异构的元素。

    Ⅰ. Fe；Ⅱ. Cu；Ⅲ. V；Ⅳ. Zn；Ⅴ. C；Ⅵ. Sn。

    A.Ⅱ+Ⅲ+Ⅴ　　 B.Ⅰ+Ⅴ　　 C.Ⅱ+Ⅳ+Ⅵ 　　D.Ⅰ+Ⅵ

    6.固态金属在不同温度或压力下具有不同晶格的现象称为＿＿现象。

    A.同素异构　　 B.再结晶 　　C.共析转变　　 D.重结晶