蔡启舟-工程材料学（ii）第二章.ppt

1,第二章 纯金属的结晶,金属结晶的现象 金属结晶的条件 晶核的形成 晶核的长大 金属铸锭的宏观组织与缺陷,2,第一节 金属结晶的现象,凝固与结晶,自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且在一定的条件下，它们可以发生互相转变。,凝固：物质从液态到固态的转变过程。,结晶：晶体的形成形成过程。,广义上讲，金属从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列状态(晶态)的过程均属于结晶过程。 通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶， 而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。,3,液态金属的结晶过程决定着铸件凝固后的组织，并对随后冷却过程的相变、过饱和相的析出及铸件的热处理过程产生极大的影响。此外，它还影响到结晶过程中的其他伴生现象，如偏析、气体析出、补缩过程和裂纹形成等。因此对铸件得质量、性能以及其他的工艺过程都具有及其重要得作用。,无缺陷铸件,有缩孔铸件,4,5,1.1 结晶过程的宏观现象,利用热分析装置，将温度随时间变化记录下来，所得的曲线称为冷却曲线。 金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度 (T )。 T = Tm Tn,(1) 过冷现象,6,过冷度随金属的种类、纯度以及结晶时的冷却速度有关。,影响因素,金属种类不同，过冷度也不同 纯度越高，过冷度越大； 其它条件相同时，冷却速度越快，过冷度也越大。 当冷却速度达到106 /s以上时，液态金属来不及结晶就固化下来，这样形成的固体称为金属玻璃，是一种非晶态材料。,7,(2) 结晶潜热,结晶潜热 环境散热冷却平台平台延续的过程就是结晶所需的时间。,1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。 熔化时吸收热量熔化潜热 结晶时放出热量结晶潜热,结晶潜热环境散热温度上升局部区域出现重熔现象。因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶的重要因素。,8,1.2 金属结晶的微观过程,熔体过冷 形核 晶核长大 未转变液体部分形核 晶核长大 相邻晶体互相接触 液体全部转变。,每个成长的晶体就是一个晶粒，它们的接触分界面就形成晶界。,孕育期,9,第二节 金属结晶的条件,金属各相Gibbs自由能G可表示为： G = H TSpVTS， H：焓，：内能，：压力，：体积，T：温度，S：熵。 dGdUpdVVdpTdSSdT 而 dUTdS-pdV (热力学第一定律) 因此：dG = TdSpdVVdpTdSSdT Vdp SdT 对于金属凝固过程，dp0 因此：dG/dT = -S,2.1 金属结晶的热力学条件,10,dG/dT = -S 熵S表征系统中原子排列混乱程度的参量，S恒大于零。 固相原子排列有序；因此： Ss SL ( dG/dT )s( dG/dT )L,因此，液固两相G-T曲线斜率不同，液相下降更快。两者交点Tm处，GL=Gs，表示两相可以同时共存，处于热力学平衡状态，这一温度Tm就是金属的理论结晶温度。只有T Tm时，液体转变为固体时吉布斯自由能下降，存在结晶的驱动力，结晶过程才能发生。,11,过冷度DT与结晶驱动力,T Tm, LS, G0, 过程自发进行, Hf 为相变潜热,12,可见：TTm时，过冷度DT = 0， DGv= 0, 没有结晶驱动力，不能凝固。 因此，实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。这就说明了为什么必须过冷的根本原因。,13,2.2 金属结晶的结构条件,l）组成：液态金属是由原子集团、游动原子、空穴或裂纹组成。 2) 特征：“近程有序”、“远程无序” 原子间能量不均匀性，存在能量起伏。 原子团是时聚时散，存在结构起伏。 同一种元素在不同原子团中的分布量，存在成分起伏。,液态金属的结构,14,相起伏或结构起伏是结晶的结构条件。只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才能形成晶胚，这些晶胚才可能形成晶核结晶。,15,第三节 晶核的形成,亚稳态的液态金属通过起伏作用在某些微观小区域内形成稳定存在的晶态小质点的过程称为形核。形核的首要条件是系统必须处于亚稳态以提供相变驱动力；其次，需要通过起伏作用克服能障才能形成稳定存在的晶核并确保其进一步生长。由于新相和界面相伴而生，因此界面自由能这一热力学能障就成为形核过程中的主要阻力。 根据构成能障的界面情况的不同，可能出现两种不同的形核方式：,均匀形核,非均匀形核,16,3.1 均匀形核,在没有任何外来界面的均匀熔体中的生核过程。均质生核在熔体各处几率相同，晶核的全部固液界面皆由生核过程提供。因此，所需的驱动力也较大。理想液态金属的生核过程就是均匀形核，又称均质形核或自发形核。,17,液相与固相体积自由能之差-相变的驱动力 由于出现了固/液界面而使系统增加了界面能-相变的阻力,(1) 形核热力学,18,临界形核半径,19,临界形核功等于表面能的1/3。由液态金属中的能量起伏提供。,(2) 形核功,20,形核功和过冷度的关系：,21,(3) 形核率,形核速率为单位时间、单位体积生成固相核心的数目。临界尺寸r的晶核处于介稳定状态，既可溶解，也可长大。当r rk时才能成为稳定核心，即在rk的原子集团上附加一个或一个以上的原子即成为稳定核心。其成核率 为：,N1为受形核功影响的形核率因子；N2为受原子扩散能力的形核率因子。,NL为单位体积液相中的原子数；NS为固一液界面紧邻固体核心的液体原子数；v为液体原子振动频率；p为被固相接受的几率，Gk为形核功；GA液体原子扩散激活能。,22,此式由两项组成：,1） ；由于生核功随过冷度增大而减小，它反比于T2。故随过冷度的增大，此项迅速增大，即生核速度迅速增大；,2） ；由于过冷增大时原子热运动减弱，故生核速度相应减小；,23,上述两个矛盾因素的综合作用，使生核速度N随过冷度T变化的曲线上出现一个极大值。过冷度开始增大时，前一项的贡献大于后一项，故这时生核速度随过冷度而增大；但当过冷度过大时，液体的粘度迅速增大，原子的活动能力迅速降低，后一项的影响大于前者，故生核速度逐渐下降。,在实际金属中，由于金属原子的活动能力强，不易出现极大点，即随着过冷度的增大，形核率急剧增加。,24,(4) 均匀生核理论的局限性,均匀形核的过冷度很大,约为0.2Tm，如纯铝结晶时的过冷度为130、纯铁的过冷度为295。实际上金属结晶时的过冷度一般为几分之一度到几十摄氏度。这说明了均质形核理论的局限性。实际的液态金属（合金），都会含有多种夹杂物。同时其中还含有同质的原子集团。某些夹杂物和这些同质的原子集团即可作为凝固核心。固体夹杂物和固体原子集团对于液态金属而言为异质，因此，实际的液态金属（合金）在凝固过程中多为非均匀形核。,25,3.2 非均匀形核,非均匀形核 (又称非均质形核、异质形核)：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行生核的过程。异质形核优先发生在外来界面处，因此，热力学能障较小，所需驱动力也较小。实际液态金属的生核过程一般都是非均匀形核。,26,(1) 形核热力学,实际的液态金属中存在的大量的高熔点既不熔化又不溶解的夹杂物可以作为形核的基底。晶核即依附于其中一些夹杂物的界面形成，其模型如图所示。假设晶核在界面上形成球冠状，达到平衡时则存在以下关系 ：,27,该系统吉布斯自由能的变化为,上式中各项参数的计算如下：,28,令：,则：,29,对上式求导，并令：,可求出：,均匀形核,30,异质形核的临界功与润湿角有关。 当时 =00时，f()=0, 此时界面与晶核完全润湿，新相能在界面上形核； 当 =1800时，f()=1， 此时界面与晶核完全不润湿，新相不能依附界面而形核。 实际上晶核与界面的润湿角一般在001800间变化，晶核与界面为部分润湿，0f()1, 总是,由上可知，均质形核和异质形核的临界晶核尺寸相同，但异质核心只是球体的一部分，它所包含的原子数比均质球体核心少得多，所以异质形核阻力小。,31,钛在铝合金中是非常有效的形核剂。,向铝液中添加Ti，Ti和Al反应生成TiAl3, 晶格相似：TiAl3 四方晶格; Al 面心立方 晶格常数：a=b=0.543nm, c=0.859nm aAl0.405nm 包晶反应：L + TiAl3, 使依附在TiAl3质点上形核,32,(2) 形核速率,根据上式可知，异质形核率与下列因素有关：,过冷度(T)：过冷度越大，形核率越高。,33,界面：界面由夹杂物的特性、形态和数量来决定。如夹杂物基底与晶核润湿，则形核率大。,失配度,5%，完全共格，形核能力强； 5%25%，不共格，无形核能力。,34,夹杂物基底形态影响临界晶格的体积。凹形基底的夹杂物形成的临界晶核的原子数最少，形核率大。因此夹杂物或外界提供的界面愈多，形核率就愈大。,(3) 衬底形态,35,(4) 液态金属(合金)的过热及持续时间的影响：异质核心的熔点比液态金属的熔点高。但当液态金属过热温度接近或超过异质核心的熔点时，异质核心将会熔化或是其表面的活性消失，失去了夹杂物应有持性，从而减少了活性夹杂物数量，形核率则降低。 (5) 当过冷度太大时，原子热运动减弱，生核速度减小，但对金属一般达不到极大值。,36,第四节 晶核的长大,液体金属中生核以后，液体中的原子陆续向晶体表面排列堆砌，晶体便不断长大。因此晶体的生长是液体中原子向晶体表面的堆砌过程，也是固一液界面向液体中不断推移的过程。晶体生长主要受以下因素的影响。 (1) 界面前沿的温度条件； (2) 界面的结构； 晶体长大方式可从宏观和微观来分析。宏观长大是讨论固一液界面所具有的形态，微观长大则讨论液相中的原子向固一液界面堆积的方式。,37,4.1固液界面的微观结构,固一液界面在微观上有粗糙和光滑之分，而这对晶体的长大有很大影响。 假定液体原子在界面上堆砌呈无规则，由于这些原子的堆砌，自由能相对变化量为：,(1)液一固界面的吉布斯自由能,N为固液界面上可供原子占据的全部位置， 为表面配位数，为晶体内部的配位数；x=NA/N，为全部N个位置中原子所占位置NA的分数。,38,把上式按 作图可见：对于2的金属，当x=0.5时界面的自由能最低，处于热力学稳定状态。对于2的物质，只有当x0.05和x0.95时，界面的自由能才是最低的，处于热力学稳定状态。因此，有两种不同的界面。,39,(2) 固一液界面的微观结构,当2，x=0.5时，界面为最稳定的结构，这时界面上有一半位置被原子占据，而一半位置则空着，其微观上是粗糙的，高低不平，称为粗糙界面。大多数的金属界面属于这种结构。, 粗糙界面,40,b.光滑或平整界面,当2，x0.05和x0.95时，界面为最稳定的热力学结构，这时界面上的位置几乎全被原子占满，或者说几乎全是空位，其微观上是光滑平整的，称为平整界面。非金属及化合物大多数属于这种结构。,41,4.2 晶体长大机制,晶体的微观生长方式和速率由固-液界结构决定。,对平整的固一液界面，因界面上没有多少位置供原子占据，单个的原子无法往界面上堆砌。此时如同均质形核那样，在平整界面上形成一个原子厚度的核心，叫二维晶核。由于二维核心的形成，产生了台阶；液相中的原子即可源源不断地沿台阶堆砌，使晶体侧向生长。当台阶被完全填满后，又在新的平整界面上形成新的二维台阶，如此继续下去，完成凝固过程。,(1) 二维晶核长大机制,42,(2) 螺型位错长大机制,当平整界面有螺型位错出现时，界面就成为螺旋面并且必然存在台阶，液相中的原子不断地向台阶处堆砌、于是一圈又一圈地堆砌直至完成凝固过程。其生长速率v3与过冷度存在以下关系：,43,对于粗糙的固-液界面,由于界面有50的空位可接受原子，液体中的原子可单个进入空位与晶体连接，界面沿其法线方向向前推进，这称为连续生长或垂直生长。金属采用多这种方式生长。也称其为正常生长方式。,(3) 连续长大机制,44,4.3 固液界面前沿液体中的温度梯度,正温度梯度固液界面前沿液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布。其结晶前沿的过冷度随至界面距离的增加而减小。 负温度梯度固液界面前沿液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布。其结晶前沿的过冷度随至界面距离的增加而增大。,45,(1) 正温度梯度下生长的界面形态,4.4 晶体生长的界面形状晶体形态,结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失，相界面向液相中的推移速度受其散热速率的控制。,46,光滑界面的晶体，显微界面是某一晶体学密排面。一般而言，密排面界面能小，但生长速度慢。原子密度小的晶面，其长大速度较大，最后非密排面将逐渐缩小而消失，晶体的界面将完全变为密排晶面，这种情况有利于形成具有规则形状的晶体。, 光滑界面的情况,47, 粗糙界面的情况,晶体成长时固液界面的形状决定于散热，实际上为平行于理论结晶温度的等温面。,在小的区域内界面为平面，局部的不平衡带来的小凸起因前沿的温度较高而放慢生长速度，因此可理解为齐步走，称为平面推进方式生长。,48,(2) 负温度梯度下生长的界面形态,负温度梯度下结晶过程的潜热不仅可通过已凝固的固体向外散失，而且还可向低温的液体中传递。, 粗糙界面,具有粗糙界面的晶体表面某些局部偶尔突出，突出处发展有利，突出尖端向液体生长，其横向发展速度远小于向前方的长大速度，因此突出尖端很快长成细长的晶体，称为主干。,49,负温度梯度下固液界面不可能保持平面形式生长，即使开始形成的晶核是一平面或多面体，也是不稳定的。 在尖端和棱角等有利生长的地方优先上长成主干，称为一次晶枝。 一次晶枝成长变粗，相变潜热释放，使其侧面也成为负温度梯度，因此侧面又长出二次枝晶，二次枝晶还可以长出三次枝晶。表现为树枝晶的方式长大。 每个枝晶发展为一个晶粒。 对于高纯金属，枝晶间接触面全部填满后分不出枝晶，只看到晶粒边界。 如果金属不纯，树枝间最后凝固的地方残留杂质，枝晶轮廓依然可见。,50,树枝晶的取向,fcc：； bcc：； hcp ：Mg Zn,51,52, 光滑界面,具有光滑界面的晶体在不太大，负温度梯度很大时仍可能长成树枝晶，但往往带有小平面的特征，如Sb；很大时，即使大的负温度梯度，仍然可能长成规则形状的晶体。,纯锑表面的树枝晶,53,4.5 长大速度,连续生长、二维生长和螺型位错生长三种晶体生长方式的生长速度的比较如图：可见，连续生长的速度最快，因粗糙界面上相当于有大量的台阶。其次是螺旋生长。当T很大时，三者的生长速度趋于一致致。也就是说当过冷度很大时，平整界面上会产生大量的二维核心，或产生大量的螺型位错台阶，使平整界面变成粗糙界面。,1-连续生长 2-二维生长 3-螺型位错生长,54,4.6 晶粒大小的控制,晶粒大小的称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。工程实际中往往采用定量金相的办法对晶粒度进行评级。 一般的测定方法是在放大100倍下观察后和标准的进行对比评级，18级，级别高的晶粒细。级别的定义为在放大100倍下，每平方英寸内1个晶粒时为一级，数量增加 倍提高一级。,55,晶粒大小取决于形核率(N)和长大速度(G)。N越大，G越小，单位体积内晶粒数量多，单个成长的空间越小，晶粒越细小。单位体积的晶粒数Zv和单位面积的晶粒数Zs可分别表示为：,凡能促进形核、抑制长大的因素都能细化晶粒。因此根据结晶时形核和长大的规律，为了细化铸锭和焊缝区组织，工业生产中常采用以下方法：,56,控制过冷度。降低浇注温度、浇注速度以及加快冷却速度可以提高过冷度。如采用金属模、或加快散热，尽管形核率和长大速度都提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒将细化。 变质处理。人为加入促进形核的其它高熔点细粉末，如在铜中加少量铁粉或铝中加Al2O3粉等，以非均匀方式形核并阻碍长大。 振动、搅拌。铸件凝固中用机械或超声波等外来能量促进晶核提前形成，此外搅拌和振动有助于使枝晶破碎，可细化晶粒尺寸。,57,第五节 金属铸锭的宏观组织与缺陷,5.1 铸锭三晶区的形成,表面细晶粒区 是紧靠铸型壁的激冷组织，也称激冷区，由无规则排列的细小等轴晶所组成。 柱状晶区 由垂直于型壁（沿热流方向）彼此平行排列的柱状晶粒所组成。 内部等轴晶区 由各向同性的等轴晶组成。等轴晶的尺寸比表面细晶粒区的晶粒尺寸粗大。,58,铸件宏观凝固组织中的晶区数及其相对厚度并不是一成不变的，而是随着合金的成分和冷却凝固条件的改变而变化，有时可以形成无中心等轴晶或全部由等轴晶组成的宏观组织。决定铸件性能的重要因素是柱状晶区与等轴晶区的相对量，表面细晶粒区的影响很有限。,59,(1) 表面细晶粒区,铸模温度较低，靠近模壁的薄层液体产生极大的过冷度。 模壁可作为非均匀形核的基底。,铸模的浇注时表面温度、热传导性能、浇注温度 模壁非均匀形核能力。, 形成原因, 组织性能特点,晶粒极细，组织致密，力学性能很好。但一般都很薄，有的只有几个毫米，实际意义不大。, 影响因素,60,2. 柱状晶区,激冷细晶层前沿液体温度高，过冷度变小，不足于独立形核，结晶主要靠晶体生长来维持。 垂直模壁方向散热最快，表层细晶区中一次晶轴取向平行于散热方向的晶粒生长最快，迅速地长入晶体，其它取向的晶粒受邻近晶粒的限制，不能发展。 优先生长的晶粒并排向液体中生长，其侧面彼此限制不能发展，从而形成柱状晶区。, 形成原因,61,生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密。 柱状晶比较粗大，晶界面积小，排列位向一致，其性能具有明显的方向性：纵向好、横向差。 凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体 ，将导致铸件热裂。, 组织性能特点,62,铸型和结晶体的导热性能。导热能力越好，形成越有利。 浇注温度与浇注速度。浇注温度越高，浇注速度越快，温度梯度越大，柱状晶形成越有利。浇注温度高于一定值是可以得到完全的柱状晶。 熔化温度。熔化温度越高，熔体过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，非均匀形核核心越少，减少了柱晶前沿形核的可能性，有利于柱状晶的发展。, 影响因素,63,(3) 中心等轴晶区, 形成原因,随着柱状晶的发展，经过散热，铸锭中心部分的液态金属的温度全部降至熔点以下，再加上液态金属中杂质等因素的作用，满足了形核对过冷度的要求，于是整个熔体中同时形核。由于此时的散热已经失去方向性，晶体在液体中可以自由生长，各个方向生长速度差不多，即长成等轴晶。当它们成长到柱状晶相遇，凝固全部结束，形成等轴晶区。,64, 组织性能特点,晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。 枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。 细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。晶粒越细综合性能越好。,65,5.2 铸锭组织的控制,(1) 铸型的冷却能力,铸型及刚结晶的固体的导热能力越大，越有利于柱状晶的生成。生产上经常采用导热性好与热容量大的铸型材料，增大铸型的厚度及降低铸型温度等，以增大柱状晶区。 对于较小尺寸的铸件，如果铸型的冷却能力很大，以致使整个铸件都在很大的过冷度下结晶，这时不但不能得到较大的柱状晶区，反而促进等轴晶区的发展(形核率增大)。如采用水冷结晶器进行连续铸锭时，就可以使铸锭全部获得细小的等轴晶粒。,66,(2) 浇注温度与浇注速度,柱状晶的长度随浇注温度的提高而增加，当浇注温度达到一定值时，可以获得完全的柱状晶区。这是由于浇注温度或者浇注速度的提高，均将使温度梯度增大，因而有利于柱状晶区的发展。,穿晶组织,67,(3) 熔化温度,熔化温度越高，液态金属的过热度越大，非金属夹杂物溶解得越多，非均匀形核数目越少，从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶区的发展。,对于钢铁等许多材料的铸锭和大部分铸件来说，一般都希望得到尽可能多的等轴晶。提高液态金属中的形核率，限制柱状晶的发展，细化晶粒是改善铸锭组织，提高铸件性能的重要途径。,68,游离晶体的产生与液态金属的流动密切相关。凡是能够增加液流对型壁的冲刷和促进液态金属内部产生对流的浇注工艺均能扩大并细化等轴晶区。,图 不同浇注工艺铸锭的宏观组织,中心顶注法,靠近型壁（6孔）顶注法,(4)加强液体在浇注和凝固期间的流动,69,在铸件凝固过程中，采用某种物理方法，如振动（机械振动、超声波振动等）、搅拌（机械、电磁搅拌等）或铸型旋转等方法，均可以引起固相和液相的相对运动，导致枝晶的脱落、破碎及游离、增殖，在液相中形成大量的晶核，有效地减小或消除柱状晶区，细化等轴晶组织。,(5) 动态下结晶细化等轴晶,70,通过单向散热使整个铸件获得全部柱状晶的技术称为定向凝固技术。,定向凝固,磁性铁合金的最大磁导率方向是方向，而柱状晶的一次晶轴正好是这一方向，所以可利用定向凝固技术来制备磁性铁合金。,应用例1,71,利用定向凝固技术生产的涡轮叶片，使柱状晶的一次晶轴方向与最大负荷方向保持一致，从而提高涡轮叶片在高温下对塑性变形和断裂的抗力。,应用例2,定向凝固高温合金叶片,72,5.3 铸锭缺陷,(1) 缩孔,铸锭或铸件中经常存在一些缺陷，常见的缺陷有缩孔、气孔及夹杂物等。,金属在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减小现象，称为收缩(Contraction)。它是金属本身的物理性质，也是引起缩孔、缩松、应力、变形、热裂和冷裂等缺陷的重要原因。,液态金属从浇注温度冷却到常温要经历三个阶段：液态收缩阶段(I)、凝固收缩阶段(II)和固态收缩阶段(III) 。在不同的阶段，金属具有不同的收缩特性。,73,形成原因：液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值。 缩孔危害：缩孔会使铸件中有效承载面积减小，导致应力集中，可能成为裂纹源；并且降低铸件的气密性，特别是承受压应力的铸件，容易发生渗漏而报废。,缩孔分类：集中缩孔 分散缩孔（缩松或疏松）,74, 集中缩孔,形成条件：是铸件由表及里地逐层凝固（而不是整个体积同时凝固），缩孔就集中在最后凝固的地方。 集中缩孔的另一种形式：二次缩孔或中心线缩孔,75,为了缩短缩孔的长度，使铸锭的收缩尽可能地提高到顶部，从而减少切头率，提高材料的利用率。通常采用的方法是：,加快底部的冷却速度。如在铸型底部安放冷铁，使凝固尽可能地自下而上进行，从而使缩孔大大减小； 在铸锭顶部加保温冒口，使铸锭上部的液体最后凝固，收缩时可得到液体的补充，把缩孔集中到顶部的保温冒口中； 使铸型壁上薄下厚，锭子上大下小，可缩短缩孔长度,76, 分散缩孔(缩松),大多数金属结晶时以树枝晶方式长大。在柱状晶尤其是粗大的中心等轴晶形成过程中，由于树枝晶的充分发展以及各晶枝间相互穿插和相互封锁作用，使一部分液体被孤立分隔于各枝晶之间，凝固收缩时得不到液体的补充，结晶结束后，便在这些区域形成许多分散的形状不规则的缩孔，称为缩松(疏松)。,形成条件：,77,(2) 气孔,液体凝固时，其中所溶解的气体将以分子状态逐渐富集于固液界面前沿的液体中，形成气泡。这些气泡长大到一定程度后便可能上浮，若浮出表面，即逸散到周围环境中；如果气泡来不及上浮，或者铸锭表面已经凝固，则气泡将保留在铸锭内部，形成气孔。,形成原因：,78,形成过程：,形核、长大、上浮三阶段 上浮受阻保留于凝固金属气孔,79,与缩孔的危害类似。承载面积减小，应力集中，裂纹源；气密性降低。,气孔的危害,防止措施：,减小液体金属的吸气量或对液体金属进行除气处理。铸锭内部的气孔在压力加工时一般都可以焊合，而靠近铸锭表层的皮下气孔，则可能由于表皮破裂而被氧化，在压力加工时不能焊合，故在压力加工前必须车去，否则易在表面形成裂纹。,80,a. FeS夹杂物 b. Al2O3夹杂物 c. 球形夹杂物,(3) 夹杂物,铸锭中的夹杂物，根据其来源可分为两类：一类称为外来夹杂物，如在浇注过程中混入的耐火材料等；另一类称为内生夹杂物，它是在液态金属冷却过程中形成的。如金属与气体形成的金属氧化物或其他金属化合物，当除不尽时即残留在铸锭(如铝锭、铜锭)内，其形状、大小和分布随夹杂物不同而异，通常在光学显微镜下都可以观察到。夹杂物的存在对铸锭(件)的性能会产生一定的影响。,81, 加熔剂 金属液表面覆盖一层熔剂，上浮的夹杂物能被它吸收。如铝合金精炼时加入氯盐和氟盐。或者加入熔剂与夹杂物形成重度更轻的夹杂物，以有利于排除。如球墨铸铁加冰晶石熔剂，可降低夹杂物的熔点,而有利于减少铸件产生夹杂物缺陷。 过滤法 金属液通过过滤器达到去除夹杂物的目的。过滤器分非活性与活性两种，前者起机械作用，后者还多一种吸附作用，排渣效果更好.,夹杂物除去方法,82,珍珠岩及处理后形成的渣,83,84,名词概念,内容要求,过冷度 形核率 长大与长大速度 光滑界面 粗糙界面 均匀形核 非均匀形核,结晶的一般过程是怎样的，均匀形核和非均匀形核的主要差别，为什么晶核需要一定的临界尺寸。 金属材料结晶过程中晶体长大方式与温度分布的关系。 控制晶粒尺寸和凝固体组织的方法，及其用凝固理论的解释。,小 结,