[工學(xué)]金屬工藝學(xué)(已修改)
2025-01-28 05:14 本頁面
【正文】 朱明工作室 授人以魚不如授人以漁 金屬工藝學(xué) 2 主講 : 朱明 高級(jí)技師、經(jīng)濟(jì)師、工程師 高級(jí)技能專業(yè)教師 汽車維修高級(jí)考評(píng)員 第二章 金屬材料的基本知識(shí) 三、純金屬的結(jié)晶 什么叫結(jié)晶？前面我們已經(jīng)知道：金屬在固態(tài)下一般都是晶體，其原子在空間呈有規(guī)律排列；而在液態(tài)下，則原子的排列并不規(guī)則。因此， 金屬的結(jié)晶就是金屬液體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過程，亦即金屬原子有無序到有序的排列過程。 這里有兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)：一是什么是理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度，理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為“ 過冷度 ”；二是結(jié)晶的兩個(gè)過程。 下面請(qǐng)先看描述理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度的“純金屬的冷卻曲線”。 時(shí)間 理論結(jié)晶溫度 實(shí)際結(jié)晶溫度 ℃ 0 純金屬的冷卻曲線 規(guī)律： 冷卻速度愈快，實(shí)際結(jié)晶溫度愈低，過冷度就愈大。 過冷度 液＋固區(qū) 固相區(qū) 液相區(qū) 開始結(jié)晶 結(jié)晶完畢 金屬結(jié)晶時(shí) 隨時(shí)間的增長(zhǎng)，溫度逐漸降低，為什么到實(shí)際結(jié)晶溫度時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)呢？原因是： ，但其溫度并沒下降，這是由于在這一溫度液體開始結(jié)晶，其結(jié)晶釋放潛熱，補(bǔ)償了液體對(duì)外的熱量散失。 ，這臺(tái)階對(duì)應(yīng)的溫度正是實(shí)際結(jié)晶溫度。 ，終了時(shí)間即結(jié)晶的終了，結(jié)晶終了后就沒有結(jié)晶潛熱來補(bǔ)償熱量的散失，所以溫度又開始下降。 再看 結(jié)晶的過程，它實(shí)際上分為“晶核的形成”和“晶核的長(zhǎng)大”兩個(gè)過程。 — 當(dāng)液態(tài)金屬溫度下降到實(shí)際結(jié)晶溫度時(shí)，在某些局部微小的體積內(nèi)，原子自發(fā)的聚集在一起，并按金屬晶體的固有規(guī)律排列成有規(guī)則的原子集合體，形成結(jié)晶的核心，稱為 晶核 。實(shí)際生產(chǎn)中，金屬液體內(nèi)常存在各種固態(tài)的雜質(zhì)微粒。金屬結(jié)晶時(shí)，依附于這些雜質(zhì)的表面形成晶核比較容易。比如，鑄造發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金 ZL103時(shí)，加入 Ti（鈦）和 B（硼）比不加這兩種元素，晶核數(shù)增加了 ～ 25倍！這種依附于雜質(zhì)表面而形成晶核的過程稱為 非自發(fā)形核（外來形核） ，它在生產(chǎn)中所起的作用更為重要。 朱明工作室 授人以魚不如授人以漁 — 晶核形成后，它可以吸附周圍液體中的原子，向晶核靠攏，使晶核不斷長(zhǎng)大 (見下圖）。 晶粒以樹枝狀方式長(zhǎng)大： 晶核 → 長(zhǎng)出棱角 → 樹枝狀的一次晶軸 → 二次晶軸→ 三次晶軸 → 四次晶軸 ?? 相鄰的晶軸相遇 → 晶軸變粗 → 再生出新的晶軸 ?? 純金屬結(jié)晶過程示意圖 可以看到，每個(gè)晶核長(zhǎng)成的晶體就是晶粒。晶粒的粗細(xì)對(duì)金屬的力學(xué)性能影響很大。 同一成分的金屬，晶粒愈細(xì)，其強(qiáng)度、硬度愈高，而且塑性和韌性也愈好 。(當(dāng)然，晶粒粗也有其特性，比如，粗晶粒的金屬的耐蝕性好；作為軟磁材料的純鐵，晶粒越粗大，則導(dǎo)磁率越大，磁滯損耗減少。 )就利用金屬的力學(xué)性能而言，促使和保持晶粒細(xì)化是金屬冶煉和熱加工過程中的一項(xiàng)重要任務(wù) 。細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的主要途徑有： ，以增加晶核數(shù)目。 ，向金屬液內(nèi)加入變育劑（孕育劑）進(jìn)行變質(zhì)處理，以增加外來晶核。 、超聲波振動(dòng)、電磁振動(dòng)等措施，輸入能量，促進(jìn)均勻形核，打碎枝晶，增加形核率。 純鐵晶粒度與力學(xué)性能的關(guān)系： 晶粒度 (晶粒數(shù) /mm3) ?b (N/mm2) ?s (N/mm2) ? (％ ) 237 46 51 274 70 194 294 108 形核率和長(zhǎng)大速率與過冷度的關(guān)系曲線 金屬結(jié)晶后，晶粒大小取決于 形核率 N和 長(zhǎng)大率 G。 N越大， G越小，則晶粒越細(xì)： 冷卻速度不同形成的晶粒度不同示意圖 加入孕育劑進(jìn)行變質(zhì)處理得到不同的晶粒大小： 四、鐵碳合金 （一）純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 就像 碳有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：木炭、石墨、金剛石 一樣，鐵及錫、鈦、錳等金屬在結(jié)晶之后，會(huì)在不同溫度范圍內(nèi)將呈現(xiàn)出不同的晶格，如純鐵就可以形成體心立方和
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