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极彩娱乐测试-纯金属的结晶

admin 2019-05-15 195人围观 ,发现0个评论

纯金属的结晶

1. 纯金属结晶的条件

纯金属结晶是指金属从液态转变为晶体状况的进程。纯金属都有必定的熔点,抱负条件下,在熔点温度时液体和固体共存,这时液体中原子结晶到固体上的速度与固体上的原子溶入液体中的速度持平,称此状况为动态平衡。金属的熔点又称为理论结晶温度,或平衡结晶温度。可是,实践条件下,液体金属都有必要低于该金属的理论结晶温度才干结晶。一般把液体冷却到低于理论结晶温度的现象称为过冷。因此,使液态纯金属能顺畅结晶的条件是它有必要过冷。理论结晶温度与实践结晶温度的极彩娱乐测试-纯金属的结晶差值称为过冷度。过冷度的巨细可选用热分析法进行测定。

热分析法设备简图如图 2.1 所示。在环境温度坚持不变的情况下,假如把液态金属放在坩埚内冷却,液态金属就以必定的速度冷却。在冷却进程中,每隔必定时刻丈量一次温度,然后把丈量成果制作在"温度—时刻"坐标中,便可得到如图 2.2 所示的冷却曲线。图中 T0 为金属的熔点(又称理论结晶温度),由图可见,在结晶之前,冷却曲线接连极彩娱乐测试-纯金属的结晶下降,当液态金属冷却到理论结晶温度 T0 时,并不开端结晶,而是冷却到 T0 以下的某个温度 T1时,液态金属才开端结晶。在结晶进程中,因为放出结晶潜热,补偿了冷却流失的热量,使结晶时的温度坚持不变,因此在冷却曲线上呈现了水平阶段,此所对应温度 T1 为该金属的开端结晶温度。水平阶段连续的时刻便是结晶开端到终了时刻。结晶终了时,液体金属悉数变成固态金属。随后,因为没有放出结晶潜热,固态金属温度就按本来冷却速度持续下降。

一般情况下,冷却曲线上呈现的水平阶段,是液体正在结晶的阶段,这时的温度便是纯金属的实践结晶温度(T1)。过冷度的巨细用式(2-1)表明:

T=T0-T1 (2-1)

式中 T0——理论结吉娃娃狗图片晶温度;

T1——金属实践结晶温度;

T——过冷度。

过冷度与金属的赋性和液态金属的冷却速度有关。金属的纯度越高,结晶时的过冷度越大;同一金属冷却速度越大,则金属开端结晶温度越低,过冷度也越大。总归,金属结晶有必要在必定的过冷度下进行,过冷是金属结晶的必要条件。金属结晶为什么有必要在过冷条件下才干进行?这是由结晶时的能量条件决议的,依据热力学条件,系统的自由能处于最低状况时,系统最安稳。因为液体和固体的结构不同,虽是同一物质,它们在不同温度下的自由能改动则不同。如图 2.3 所示的液态金属和固态金属自由能随温度而改动的曲线。液态自由能曲线改动比固态的要陡,两条曲线必定相交。曲线中的交点表明在该温度下液态与固态自由能持平,两者可共存并处于动态平衡。交点所对应的温度为理论结晶温度 T0,高于 T0时,液态比固态的自由能低,金属处于液态不是安稳的;低于 T0 时,由液态转变为固态可使自由能下降,所以便发作了结晶。因此,液态金属要结晶,有必要处于 T0 以下。换句话说,要使液体结晶,就有必要发作必定的过冷度,构成液体和固体间的自由能差 F,这个能量差便是促进液体结晶的推动力。液体结晶时就有必要树立同液相离隔的晶体界面而耗费能量 A。所以,只有当液体的过冷度到达必定的程度,使结晶的动力 F 大于树立小晶体界面所需求的外表能 A 时,结晶才干进行。

2. 纯金属结晶的一般进程

液态金属结晶是经过形核和长大这两个密切联系的根本进程来完成的。金属结晶可用图 2.4 来描绘,将液态金属冷却到某一温度,在必定的过冷度下,经过一段时刻的孕育阶段,晶核以必定的速率 N[1/(cm3. s)]生成,并随之以必定的线速度 G(mm/s)长大。一起剩下液体金属中还不断发作新晶核并一起不断长大,当液体结晶速度到达 50%左右时,各个晶粒开端彼此触摸,液体中可供结晶的空间随即减小,经过一段时刻之后液体悉数凝结,结晶完毕,终究得到了多晶体的金属结构。

归纳起来,液体金属结晶分形核和长大两个进程,下面别离评论形核和长大的规矩。

晶核的构成

晶核的构成有两种办法:自发形核和非自发形核。液态金属中存在很多尺度不同的短程有序的原子集团,这些原子集团称为晶坯,在理论结晶温度以上时,它们是不安稳的。当温度下降到 T0以下而且过冷度到达必定程度后,液体具有了结晶条件,液体中那些超越必定尺度(大于临界尺度)的短程有序的原子集团不再消失,成为结晶的中心。这种从液体内部自发作成结晶中心的办法叫自发形核。

过冷度越大,金属由液态转变为固态的推动力越大,能安稳存在的短程有序的原子集团的尺度越小,因此生成的自发晶核越多。可是,当过冷度过大或温度过低时,因为原子的活动能力太低,生成晶核所需的原子的分散受阻,形核的速率反而减小,故形核率与过冷度有关。

在实践金属结晶极彩娱乐测试-纯金属的结晶中,往往不需求自发形核那么大的过冷度就已开端形核,因为实践液态金属中总是不可避免地含有一些杂质,杂质的存在常常促进金属原子在其外表形核。此外,液态金属总是与锭模内壁相触摸,所以晶核就依附于这些现成的固体外表构成。这种依托外来质点作为结晶中心的办法称为非自发形核。

依照结晶时能量的条件,基底与晶体结构以及点阵常数越附近,它们的原子在触摸面上越简单符合,基底与晶核之间的界面能越小,然后可以削减形核时系统自由焓的增值,这样的基底促进非自发形核构成的效果较好,因此,当杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构类似或相其时,有利于构成非自发形核,晶核就优先依附于这些现成的外表而构成,也有些难熔金属的晶体结构与金属的结构相差甚远,可是其外表的凹孔或裂缝有时残留未熔金属,也可以成为非自发形核的中心。在出产实践中,液态金属结晶时形核办法首要对错自发形核。

2) 晶核的长大

晶核长大的本质是原子由液体向固体外表的搬运进程。纯金属结晶时,晶核长大办法首要有两种:一种是平面长极彩娱乐测试-纯金属的结晶大办法,另一种是枝晶长大办法。晶体长大办法,取决于冷却条件,一起也受晶体结构、杂质含量的影响。

当过冷度较小时,晶核首要以平面长大办法进行,晶核各外表的长大速度恪守外表能最小的规律,即晶核长成的规矩形状应使总的外表能趋于最小。晶核沿不同方向的长大速度是不同的,以沿原子最密排面笔直方向的长大速度最慢,外表能添加缓慢。所以,平面长大的成果,使晶核取得外表为原子最密排面的规矩形状。

当过冷度较大时,晶核首要以枝晶的办法长大,如图 2.5 所示。晶核长大初期,其外形为规矩的形状,但跟着晶核的成长,晶体棱角构成,棱角在持续长大进程中,棱角处的散热条件优于其他部位,所以棱角处优先成长,沿必定部位成长出空间骨架,这种骨架恰似树干,称为一次晶轴,在一次晶轴添加的一起,在其旁边面又会成长出分枝,称为二次晶轴,随后又成长出三次轴,等等。如此不断成长和分枝下去,直到液体悉数凝结,终究构成树枝状晶体。

树枝晶的各次晶轴都具有相同的固定方向,所以每一个树枝晶都是一个单晶体。多晶体金属的每一个晶粒一般都是由一个晶核以树枝晶的办法长成的。在枝晶成长进程中,因为液体的活动、晶轴自身重力的效果及彼此之间的磕碰以及杂质元素的效果,会使某些晶轴发作偏移或折断,致使构成晶粒中的亚晶界、位错等各种缺点。

晶核以树枝状长大的原因是:晶核长大进程中释放出结晶潜热,晶粒棱角处散热较快,因此长大速度快,成为深化到液体中的枝晶;棱角处缺点较多,从液体中搬运过来的原子简单固定,有利于枝晶的成长;晶核以枝晶的办法成长,外表积大,便于从液体中取得成长所需的原子。实践上,晶核长大的进程受冷却速度、散热条件及杂质的影响。假如操控了上述影响要素,就可操控晶粒长大办法,终究可到达操控晶体的安排和功能的意图。

3. 晶粒巨细及其操控

金属结晶今后,取得由很多晶粒组成的多晶体。对金属材料而言,晶粒的巨细与其强耐性有密切联系。一般情况下,晶粒越细微,则金属的强度越高,一起塑性和耐性也越好,见表 2-1。所以工程上经过操控金属结晶的进程来细化晶粒,这对改进金属材料的力学功能有重要意义。

1) 晶粒度的概念

晶粒的巨细称为晶粒度,用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度(或直径)表明。金属结晶后的晶粒度与形核速率 N 和长大速度 G 有关。所谓形核速率 N 即单位时刻内涵单位体积中所构成晶核的数目。所谓长大速度 G 即晶体长大的线速度。形核速率越大,单位体积中所生成的晶核数目越多,晶粒也越细微;若形核速率必定,长大速度越小,则结晶的时刻越长,生成的晶核越多,晶粒越细微。单位体积内晶粒的总数目 ZV 与形核速率 N和长大速度 G 之间存在如下联系:

单位面积内晶粒的总数目 ZS的联系式为

从金属结晶的进程可知,但凡促进形核,按捺长大的要素,都能细化晶粒。经过改动浇注温度和冷却条件,便可改动金属液相的过冷度,然后可以操控晶粒巨细。

2) 晶粒度的操控

在工业出产中,为了细化铸态的晶粒,以进步铸件及焊缝的功能,采纳的办法如下:

(1) 添加过冷度。金属结晶时,形核速率 N 和长大速度 G 都与过冷度有关,如图 2.6所示。跟着过冷度的添加,形核速率 N 和长大速度 G 都添加,并在必定过冷度下到达最大值,但跟着过冷度的进一步添加,两者都减小,这是因为温度过低时,液体中原子分散困难,N 和 G 都随之减小。在出产实践中,冷却条件往往处于曲线的左面部分,而曲线的右边部分的冷却条件在实践中难以到达。所以,跟着过冷度的添加,形核速率 N 和长大速度G 都添加,但形核速率 N 添加更快,故 N/G 增大,使晶粒细化。铸造出产中,经过下降浇注温度、加速冷却速度等都能增大金属液相的过冷度,使晶粒细化。加速冷却速度的办法首要有:选用散热快的金属铸型、下降金属铸型的预热温度、减小涂料层的厚度以及选用水冷铸型等。跟着超高速急冷(105K/s~1011K/s)技能的开展,可以取得超细化晶粒的金属、亚稳态金属和非晶态金属。此类金属有杰出的机械功能和物理化学功能,且有极大的开展前景。对体积大、形状杂乱的铸件,很难取得大的过冷度,就选用蜕变办法或物理办法来细化晶粒。

(2) 蜕变处理。蜕变处理又名孕育处理,便是在液态金属中参加孕育剂或蜕变剂,以添加非自发形核的数目,促进形核,按捺晶核长大,然后到达细化晶粒的意图。用于细化晶粒的蜕变剂有如下几种:在浇注前向液体金属中参加同类金属细粒,或参加结构彻底对应的高熔点物质细粒,在液相中直接起着外来晶核的效果。如浇注高铬钢时参加铬铁粉;在液态金属中参加少数的某些元素,构成安稳化合物作为活性质点,促进非自发形核;如在钢液中参加钛、钒、铌等构成碳化合物作为活性质点;铝液中参加钛、锆作为质点都能起到非自发形核的中心效果。有些物质不能供给结晶中心,但能阻挠晶粒长大,如液态金属中参加少数外表活性元素,能附着在晶核的结晶前沿,阻止晶核长大,如钢液中参加硼就归于此类蜕变剂。

(3) 振荡、拌和等。在金属结晶进程中,用机械振荡、超声波振荡以及拌和等办法,可极彩娱乐测试-纯金属的结晶以打碎正在长大的枝晶,添加结晶的中心,到达细化晶粒的意图。

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