《机械制造工程》 第二章 金属的组织结构

发布日期:[13-09-02 21:57:54] 浏览人次:[]

第二章金属的组织结构

为什么不同材料具有不同性能,而且同一金属也有可能具有不同性能呢?大量研究证明:金属的性能除与金属的原子结构以及原子间的结合键有关外,还与金属原子的排列方式即组织结构有关。为此,本章将阐述金属组织结构的相关知识。

第一节金属的结晶

一、金属结晶的有关概念

金属能够以气态、液态和固态形式存在,并且在一定条件下这三种状态能够互相转变。金属由液态转变变为固态的过程叫凝固,又由于固态金属都是晶体,所以这一过程也称为结晶。

(一)晶体的概念

晶体是指原子(离子﹑分子)在三维空间呈有规则的周期性重复排列的物质。在自然界中,除了少数物质(如普通玻璃、松香等)以外,包括金属在内的绝大多数固体都是晶体。晶体的各项性能指标在不同方向上具有不同的数值,即各向异性,而非晶体则是各向同性的。自然界有些晶体的还具有规则的外形。晶体都具有固定的熔点,而非晶体则没有固定的熔点,凝固总是在某一温度范围逐渐完成。

(二)金属结晶时的过冷现象

1.理论结晶温度

从热力学角度来看,物质状态的稳定性是由该状态的自由能高低来决定的,总是自发地从自由能较高的不稳定状态向自由能较低的稳定状态转变。那么,物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外界做功的这一部分能量就叫做“自由能(F)”。

图2-1所示的是同一金属在液态和固态时自由能随温度变化的曲线。由图可见,液态自由能FL和固态自由能FS都随温度升高而降低,但是结构不同,自由能随温度的变化是不同的,液态自由能降低得更快些,因此两条曲线交于T0温度。在T0温度,液态和固态的自由能恰好相等,两种状态具有同样的稳定性,固相和液相处于动态平衡,既不熔化,也不结晶。液态和固态自由能相等时所对应的温度T0,就是理论结晶温度或理论熔点。

2.过冷现象

如果将液态纯金属缓慢冷却,每隔一定时间测量一次温度,最后把实验数据绘在“温度-时间”坐标中,便可得到图2-2所示的冷却曲线,图中T0表示理论结晶温度。由图可见,在结晶之前,冷却曲线连续下降。当液态金属冷却到结晶温度T0时,并不开始结晶。一直冷却到T0以下的某个温度Tn时,液态金属才开始结晶,这种实际结晶过程只有在理论结晶温度以下才能进行的现象叫过冷现象。这是因为,要使液态金属进行结晶,就要使温度低于理论结晶温度,造成液相与固相间的自由能差(△F=FL-FS),即具有一定的结晶驱动力才可以。结晶发生时,由于“结晶潜热”(结晶时释放的能量)释放,补偿了冷却散失的热量,所以冷却曲线上出现“平台”,对应的温度Tn称为实际结晶温度,平台延续的时间就是结晶过程所用的时间,结晶完成以后,冷却曲线又开始连续下降。

实际结晶温度Tn与理论结晶温度T0之间的温度差,称为过冷度,用△T表示,即△T=T0-Tn。液态金属过冷度的大小,一方面取决于液态金属的本性和纯度,另一方面取决于液态金属的冷却速度。冷却速度越大,则过冷度越大。因为冷却速度越大,要发生结晶所需结晶驱动力越大,自由能差△F要求越大,实际结晶温度越低,于是过冷度越大。

图2-1 液态和固态自由能随 图2-2 纯金属的冷却曲线

温度变化的示意图

二、金属的结晶过程

物质结晶时,首先在液体中出现一些极微小的固态质点,然后以它为核心向液体中长大,这种刚刚出现的作为结晶核心的微小固态质点,称为晶核。结晶过程就是不断形成晶核与晶核不断长大的过程。

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图2-3金属结晶过程示意图

液态金属的等温结晶过程如图2-3所示。将液态金属快速冷却到T0以下某个温度等温,液态金属并不立即开始结晶,而是经过一段时间以后才出现第一批晶核。这是因为最初形成的一些不稳定原子有序排列的小集团是随后产生晶核的来源,称为“晶胚”。当液体被过冷至结晶温度

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文章作者:王金凤 | 文章来源:郑州航空工业管理学院 | 责任编辑:admin | 发送至邮箱: | 加入收藏:
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