所以,结晶的必要条件是固态的自由能必须低于液态的自由能,这只有在过冷下才能满 足,过冷度愈大,则新、旧状态的自由能差△F愈大,结晶的推动力就愈大 结晶过程 图2-20示意地说明了结晶过程。首先从液体的某些部位形成一批稳定的原子集团作为 晶核,随着时间的增长,晶核不断长大,同时,又有新的晶核不断地从液体中产生并成长。这样 一直下去,直至全部液体结晶成为固体。所以金属最基本的结晶规律就是晶核的形成和成长 的过程。 图2-20结品过程的示意图 在晶核成长初期,其外形是比较规则的,如图2-21a)。但随着晶核的长大而形成棱角时 由于棱角部位散热条件好,得到优先成长,棱角处就长成类似树枝的枝干,如图2-21b)。同样 原因,枝于再长出分枝,如图2-21c)。最后再把枝间填满。品体的这种成长方式,叫做“枝晶成 长”。按这种方式结品出来的晶体称为“枝晶”,如图2-214)。冷却速度愈大技品成长的特 点愈明显。图2-22为锑锭表面的树枝状品体 散热方向 图221品体成长的示意图 图2-2锡淀表面的树枝状晶什
1一表层纽品泣层;2一注状品泣尽3一中心等轴品粒区 图224锭结构示意图 小,生核率与成长率的比值降低,各晶粒便可得到较快的成长。同时,由于结晶时热量是垂直 模壁向外散发的,垂直于祺壁方向的晶核成长率显然高于平行模壁方向的晶核成长率;而且 铸锭中心温度高,当柱状晶生长时,铸锭屮心部位尚未结晶,因此,垂宜于模方向的晶粒的成 长,不会因相互抵触而受影响,从而形成了柱状品粒层。 (三)心部等轴晶粒区 当结晶进行到铸锭中心区时,剩余钢液的散热大大减慢,外壁对漱热方向的影响已不明 显,趋于均匀散热的冷却状态。因此,晶粒便均匀地向各个方向长大,从而形成了等轴晶粒 由于中心区散热条件差,过冷度小,生核率低,所以等轴晶粒是很粗大的 对于钢锭来说,表面细晶粒层是很薄的,对其性能影响不明显。柱状晶粒虽比等轴晶粒细 密,但对钢锭一般是有害无益的。因为在钢锭断面上的柱状晶粒交界处往往分布着低熔点杂 质和非金属夹杂物从而形成脆弱面,在钢锭热轧时,容易在脆弱面处产生开裂。 对于塑性好的有色金属希望得到柱状晶体,这是因为柱状晶体组织较致密,机械性能良 好,再加上这些金属塑性好在压力加工时不会发生开裂 此外,金属铸锭还存在缩孔、琥松、气孔、夹渣和谝析等缺陷,应设法尽量避免 复习思考题 2-1名词解释 晶体、非晶体、晶体结构,晶格、晶胞、晶格常澈、致密度、配位数、晶面指数、晶向指数; 平衡结温度、实际结品温度、过冷度、变质处理; 晶粒、亚晶粒、晶界、亚晶界、位锴、多晶体。 2-2常见的金属晶格有哪几种?试画出它们的晶胞草图。a-Fe和γFe属何种晶体结 构? 3已知铜Cu)的原子直径为25A,求Cu的晶格常数及1mm3Cu中的原子数
2-4在立方晶格中,一原子平面通过y=1-、=3且平行于a轴,求它的晶面指数并用 图表示之 2-5一立方品格中的品向指数为C112],试用图表示之。 2-6体心立方晶格中的{10}晶面族包括哪几个原子排列相同而位向不同的晶面,试用 图表示。 2-7指出面心立方晶格中原子密度最大的晶面和晶向 8过冷度与冷却速度有何关系?它对金属的结晶过程和晶粒粗细有什么影响? 2-9在铸造生产中常采用哪些措施控制晶粒大小?试举例说明。 2-10为什么钢锭希望尽量减少柱状晶粒区?而铜锭和铝锭则往往希望扩大柱状晶粒区?
第三章金属的塑性变形和再结晶 生产上广泛使用的轧制、拉拔锻造和冲压等压力加工方法,都是通过塑性变形进行的 塑性变形还使金属组织和性能发生变化,是强化金属的一个重要途径。因此,研究金属在外力 作用下的变形机理,了解影响变形的因素,不但对掌握金属材料的压力加工工艺是重要的,并 且对了解金属机械性能的本质,合理使用金属材料也是有益的。 第一节金属的塑性变形 实际使用的金属都是多晶体,多晶体的塑性变形比较复杂。为了研究多晶体的塑性变形 机理,首先应该了解金属单晶体的塑性变形。 单屬体金属的塑性变形 金属单晶体的塑性变形有滑移和孪生等几种形式。在一般情况下,塑性变形都是以滑移 方式进行的。 (一)滑移变形 滑移变形是晶体一部分沿着一定的晶面和晶向与晶体的另一部分作相对移动而产生的变 形,其变形有以下的特点 (1)滑移只能在切应力作用下发生 图3-1表示金属单晶体在正应力作用下的变形示意图。图3-1a)表示未受力前原子处于 平衡位置;当受正应力作用时(图3-1b),原子间距被拉长原子间产生附加引力,力求恢复平 曲 a)未变形 b)弹性伸长 c)拉断 图3-1在正应力作用下单品体的变彩 衡位置,这时,附加引力与正应力平衡,晶体处于弹性变形状态,只要外力除去,原子就恢复到 原来的平衡位置;当正应力大于原子间的结合力时,品体就被拉断图31c)。所以,正应力只 能使晶体产生弹性变形或被拉断。 图3-2表示在切应力作用下单品体变形的示意图。在切应力作用下开始产生弹性变形
图3-2b),造成晶格的弹性歪扭;当切应力进一步增大,超过一定的临界值后,开始产生滑 移,外力除去后滑移面两侧的原子又重新处于平衡状态,但变形不能自行恢复,即产生了塑性 变形(图3-2c)。所以滑移变形在切应力作用下才能发生 (2)滑移常沿原子排列密度最大的晶面和品向发生 幽3-3表示金属晶体中的滑移面锳型。图中I一I晶面与Ⅱ一Ⅱ、亚一晶面比较 是一个原子排列最密的晶面,也是最容易滑移晶。因为原子排列密度最大的晶窗其晶面 图3-2在切应力作用下单晶体的变形 图3-3滑移面示意图 上原子间的距离最小,而晶面之间的距离最大,晶面之间的结合力最弱,因此,在切应力作 用下便容易发生晶面之间的滑移而产生塑性变形。发生滑移的晶面及晶向通常称为滑移面及 滑移方向:一个滑移面和此面上的滑移方向构成一个滑移系。表3-1列出了三种常见金属晶 格的滑移面、滑移方向及滑移系 由表可见,在体心立方晶格中,共有六个原子排列密度最大的晶面,即{110}晶面,每个面 上原子密度最大的晶向有2个,即(111,故共有12个滑移系。面心立方晶格中的滑移系也为 12个,而密排六方晶格的滑移系为3个。滑移系愈多发生滑移的可能性就愈大,金属的塑性 就愈好,而其中滑移方问的数目比滑移面数目的作用更大。由于面心立方晶格11面上的滑 移方向有3个,而体心立方量格{110}面上的滑移方向只有2个,所以面心立方品格的塑性比 体心立方晶格好得多。 3-1三种常见金属晶格的滑移系 体心立方品格 面心立方品格 密排六方品格 滑 110 对角线 方向×2 滑移系 6×2=12 4×3=12 1X3=3