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郑州槽钢:什么是纯金属的结晶

对于槽钢这种金属材料来说,金属的结晶是指金属自液态冷却转变为固态的过程,也就是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到呈规则排列的晶体状态的过程。原子由不规则排列的液态逐步过渡到规则的晶体状态的过程称为结晶。金属结晶时形成的铸态组织不仅影响其铸态性能,而且也影响其随后经过一系列加工后所形成的材料的性能。因此,掌握结晶规律可以帮助我们有效地控制金属的结晶过程,从而获得性能优良的金属材料。

一、纯金属的结晶过程

郑州槽钢金属材料的成型通常需要经过熔炼和铸造,即经历由液态变成晶体状态的结晶过程。下面以纯金属为例,说明金属的结晶过程。

1.金属结晶的条件

金属结晶的温度和结晶过程的规律可以通过热分析法进行研究,热分析法装置如图2-5所示。将熔化为液体的纯金属缓慢冷却下来,在冷却过程中,每隔一定的时间测量一次温度,将记录下来的数据描绘在温度—时间的坐标图中,绘制成表示金属结晶过程的曲线,称为金属的冷却曲线,如图2-6所示。

图2-5 热分析法装置示意图 图2-6 纯金属冷却曲线

由冷却曲线可见,当液体金属缓慢冷却到a 点时,液体金属开始结晶,到b 点结晶终了,a~b 两点之间的水平线即为结晶阶段,它所对应的温度就是纯金属的结晶温度。纯金属在缓慢冷却条件下(即平衡条件)的结晶温度与缓慢加热条件下的熔化温度是同一温度,称为理论结晶温度,用T 0 表示。

图2-7 纯金属实际结晶时的冷却曲线

在实际生产中,金属结晶时的冷却速度较快,液态金属总是冷却到理论结晶温度以下的某一温度T 1 才开始结晶,如图2-7所示。金属实际结晶温度(T 1 )低于理论结晶温度(T 0 )的现象称为“过冷”现象。理论结晶温度和实际结晶温度之差(ΔT ),称为过冷度(ΔT =T 0 -T 1 )。过冷是金属能够自动进行结晶的必要条件,金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关,冷却速度越快,金属的实际结晶温度越低,过冷度也就越大。

2.纯金属的结晶过程

实验证明,纯金属的结晶是晶体在液体中从无到有、由小变大的过程,即晶核的形成与长大的过程。

(1)形核

当液态金属的温度下降到接近T 1 时,从液体中首先形成一些按一定晶格类型排列的微小晶体,这些小晶体很不稳定,遇到热流和振动就会立即消失。但是,在过冷度存在的条件下,一些稍大一点的细微小晶体的稳定性较好,有可能进一步长大成为结晶的核心,我们称其为晶核。晶核的形成过程称为形核,而这种只依靠液体本身在一定过冷度条件下形成晶核的过程叫做自发形核。在实际生产中,金属液体内常存在各种固态的杂质微粒,金属结晶时,依附于这些杂质的表面较易形成晶核。这种依附于杂质表面而形成晶核的过程称为非自发形核。非自发形核在生产中所起的作用更为重要。

(2)长大

晶核形成之后,会吸附其周围液态中的原子不断长大,这时,形核与长大两个过程是同时在进行着的。晶核长大会使液态金属的相对量逐渐减少。开始时各个晶核自由生长,并保持着规则的外形,当各个生长着的小晶体彼此接触后,接触处的生长过程自然停止。因此,晶体的规则外形遭到破坏。当每个晶核长大到互相接触、液态金属耗尽时,结晶过程结束。纯金属的结晶过程如图2-8所示。每个长大了的晶核就成为一个晶粒,晶粒与晶粒之间自然形成的界层称为晶界。金属中的夹杂物往往聚集在晶界上,晶界处的金属原子由于受相邻晶粒的影响,原子排列不是很规则。

图2-8 纯金属结晶过程示意图

为了观察金属内部晶体或晶粒的大小、方向、形状和排列状况等组成关系,通常需要把金属材料制成试样,经处理后借助于金相显微镜进行观察,即观察金属的显微组织。

二、纯铁的同素异晶转变

大多数金属结晶后,其晶格不再发生变化,但也有少数金属(如铁、铬、锡、钴、钛等)在固态时会发生晶格类型的转变,这种在固态下随温度的变化由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构晶变。同素异晶转变也是成核长大过程。

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图2-9 纯铁的冷却曲线

图2-9所示为纯铁的冷却曲线,其表示了纯铁的结晶和同素异晶转变过程。由图可见,液态纯铁在1538℃进行结晶,得到具有体心立方晶格的δ -Fe,继续冷却到1394℃时发生同素异晶转变,体心立方晶格δ -Fe转变为面心立方晶格γ -Fe,再继续冷却到912℃时又发生同素异晶转变,面心立方晶格γ -Fe转变为体心立方晶格α -Fe,如继续冷却到室温,则晶格的类型不再发生变化。

纯铁的同素异晶转变是钢铁材料通过热处理改变其组织并获得所需性能的理论依据。纯铁发生同素异晶转变时会产生较大的内应力,金属的体积也发生变化。例如γ -Fe转变为α -Fe时,铁的体积会膨胀约1%,这是钢热处理时引起应力,导致工件变形和开裂的重要原因。

三、实际金属的晶体结构与晶体缺陷

1.实际金属的晶体结构

金属内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体,如图2-10(a)所示。单晶体在自然界几乎不存在,但可用人工方法制成某些单晶体(如单晶硅、冰糖)。晶体具有各向异性的特点,但工业上实际使用的金属材料,一般不具有各向异性,这是因为实际应用的金属材料通常是多晶体材料。多晶体材料是指一块金属材料中包含着许多小晶体,每个小晶体内的晶格位向是一致的,而各小晶体之间彼此方位不同。这种由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶体结构,如图2-10(b)所示。

图2-10 金属的晶体结构示意图

(a)单晶体;(b)多晶体

在多晶体中,由于每个晶粒的晶格位向不同,所以晶界上原子的排列总是不规则的。多晶体金属之所以测不出各向异性,就是因为其每个晶粒虽然具有各向异性的特点,但由于多晶体内各晶粒的晶格位向互不一致,他们自身的各向异性相互抵消,故表现出各向同性,称为“伪各向同性”。

2.晶体缺陷

在实际金属晶体中,由于结晶条件不理想以及晶体受到外力的作用等,原子的排列情况并不是绝对规则的。晶体中原子排列不规则的区域,称为晶体缺陷。按缺陷的几何形态,晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变,使变形抗力增大,从而提高材料的强度和硬度。

(1)点缺陷(空位、间隙原子)

晶格中某个原子脱离了平衡位置,形成空结点,称为空位;某个晶格间隙挤进了原子,则此原子称为间隙原子;当异类原子占据晶格的位置时,则此异类原子称为置换原子。空位、间隙原子和置换原子使周围的晶格偏离了理想晶格,即发生了“晶格畸变”,点缺陷的存在,提高了材料的硬度和强度,点缺陷是动态变化着的,它是造成金属中物质扩散的原因,如图2-11所示。

图2-11 点缺陷

(2)线缺陷(位错)

线缺陷是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中最普通的线缺陷就是位错,位错的主要类型有螺型位错和刃型位错。

如图2-12所示为刃型位错的几何模型,在这个晶体的某一水平面(ABCD )的上方多出一个原子面(EFGH ),中断于ABCD 面上的EF 处,这个原子面如同刀刃一样插入晶体,使晶体中以EF 为中心线的附近一定范围的区域内原子位置都发生错动。位错线中心的原子错动最大,晶核畸变严重,离位错线越远,晶格畸变越小,直至恢复正常。

图2-12 刃型位错的几何模型

(a)立体;(b)平面

位错很容易在晶体中移动,对金属的塑性变形、强度、扩散和相变等力学性能和物理化学性能都起着重要的作用。位错的产生会使金属的强度提高,但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量位错,生产中还可通过冷变形后使金属位错增多,能有效地提高金属强度。

(3)面缺陷(晶界、亚晶界)

实际上金属多是由大量外形不规则的晶粒组成的多晶体。晶界可以被看成是两个邻近晶粒间具有一定宽度的过渡地带,晶界处的原子排列是不规则的,处于不稳定的状态,如图2-13(a)所示。在电子显微镜下观察晶粒可以看出,每个晶粒都是由一些小晶块组成,这些小晶块称为亚晶粒。两个亚晶粒的边界是由一系列刃形位错构成的角度特别小的晶界,称为亚晶界,如图2-13(b)所示。

图2-13 面缺陷示意图

(a)晶界;(b)亚晶界

面缺陷主要是指晶界与亚晶界。面缺陷同样使晶格产生畸变,能提高金属材料的强度。通过细化晶粒可增加晶界的数量,是强化金属的有效手段,同时,细化晶粒的金属塑性和韧性也得到了改善。

综上所述,纯金属的晶体结构不仅是多晶体的,而且还存在许多晶体缺陷,尽管从晶体的整体性来看,这些缺陷是局部的、少量的,但对金属的性能却有重大的影响。例如,由于晶体缺陷引起的晶格畸变,可提高常温下金属材料的强度和硬度;同时晶体缺陷也能对金属的塑性变形和热处理产生影响。

四、晶粒大小与细化晶粒的方法

晶粒大小对力学性能的影响很大,在室温下,一般情况是金属的晶粒越细,其强度、硬度越高,塑性、韧性越好,这种现象称为细晶强化。因此,细化晶粒是改善材料力学性能的重要措施。由结晶过程可知,金属结晶后的晶粒大小取决于结晶时的形核率(单位时间、单位体积所形成的晶核数目)与晶核的长大速度,形核率越高、长大速度越小,则结晶后的晶粒越细小。因此,细化晶粒的根本途径是提高形核率和降低晶核长大速度。常用细化晶粒的方法有以下几种。

1.增加过冷度

图2-14 形核率和长大速度与过冷度的关系

金属的形核率和长大速度均随过冷度而发生变化,如图2-14所示,但两者变化速度并不相同,在很大范围内形核率比晶核长大速度增长更快,因此,增加过冷度能使晶粒细化。在铸造生产时用金属型浇注的铸件比用砂型浇注得到的铸件晶粒细小,就是因为金属型浇注散热快、过冷度大的缘故。这种方法只适用于小型铸件,因为大型铸件冷却速度较慢,不易获得较大的过冷度,而且冷却速度过大时容易造成铸件开裂,对于大型铸件可采用其他方法使晶粒细化。

2.变质处理

在浇注前向液态金属中加入一些细小的变质剂(又称孕育剂),以增加形核率或降低晶核长大速度,获得细小的晶粒,这种方法称为变质处理(或孕育处理)。例如,在钢中加入钛、硼、铝,在铸铁中加入硅铁、硅钙等变质剂,均能起到细化晶粒的作用。变质处理是生产中最常用的细化晶粒的方法。

3.振动处理

金属在结晶时,对液态金属加以机械振动、超声波振动和电磁振动等措施,使生长中的枝晶破碎,破碎的枝晶又可作为结晶核心,增加形核率,达到细化晶粒的目的。


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