当前课程知识点：工程材料 > 第2章金属材料组织和性能的控制 > 2.1纯金属的结晶 > 纯金属的结晶（4）
下面介绍第二章第1节的
第4个部分
结晶理论的工程应用
一 细化铸态金属晶粒
这是一个重点内容
金属结晶以后
获得大量的晶粒组成的多晶体
一个晶粒是由一个晶核长大
形成的晶体
实际金属的晶粒
在显微镜下成为颗粒状
我们看这张照片
是一个多晶体的显微形貌
这些黑色的就是晶界
所围的区域就像一个等轴状态
一个颗粒一样
那晶粒的大小用晶粒度来表示
它是指在单位面积内
能够看到的晶粒的个数
或者说平均的晶粒尺寸
晶粒度通常分为1到8个等级
晶粒度越大
晶粒尺寸越小
一般情况下晶粒越细
金属的强度 塑性和韧性越好
使晶粒细化
提高金属的力学性能的方法
称为细晶强化
那么有哪些措施可以细化晶粒呢
我们下面分别介绍
第一是增大金属的过冷度
我们看这张图
横坐标为过冷度
当过冷度增加时
它的形核率
它的长大速率都会增加
当达到一个峰值以后又开始下降
为什么达到一个峰值
又会下降呢
大家想一想
实际上当你的过冷度过大的时候
温度过低
那么原子的扩散能力会变弱
所以这个时候它的形核率
和长大速率都会下降
但是实际上在我们工程中
过冷度通常处于曲线的左半部分
也就是说随着过冷度的增大
形核率和长大速率都会增大
但形核率增大更快
所以晶粒会细化
也就是说增大过冷度
可以细化晶粒
提高过冷度主要有以下几个方法
一个是提高液体的冷却速度
另外一个可以采用冷却能力
较强的模子
好比说采用金属型铸模
就比采用沙型铸模
获得的晶粒都要细小
因为金属型铸模
它的冷却速率更高
采用超高速急冷的方法
可以获得非常细小的晶粒
获得亚稳态的结构
甚至可以得到非晶态的金属
2 变质处理
变质处理是指在液体金属中
加入孕育剂或者变质剂
以细化晶粒和改善组织的
这样一个方法
加入这些变质剂
或者孕育剂的作用
主要是增加晶核的数量
阻碍晶核的长大
好比说在铝合金液体中
加入钛和锆
在钢水中加入钛 钒 铝
在铸铁中加入硅铁 硅钙
硅钙钡合金
都可以使晶粒细化
3 振动
在结晶过程中采用机械振动
超声波振动的方法
就可以破碎生长中的
树枝状的晶体
形成更多的结晶的核心
从而细化晶粒
4 电磁搅拌
将正在结晶的金属置于一个
交变的电磁场中
由于电磁感应现象
使液态金属翻滚
冲断正在结晶的树枝状的
晶体的晶枝
增加结晶的核心 细化晶粒
这一种技术现在大量使用在
钢的连铸连轧中
二 定向结晶
金属加热温度高
冷却速度大
铸造温度高
和浇铸速度大的时候
有利于铸锭或者铸件的截面上
保持较大的温度梯度
从而获得发达的柱状晶
结晶时如果单向散热
也有利于柱状晶的形成
采用一些定向结晶的方法
可以获得柱状晶的结构
我们看当在结晶的过程中
在一个方向进行定向冷却的时候
就会获得定向的柱状晶
这被应用在生产细长柱状晶的
铝镍钴永磁合金中
三 单晶的制取
单晶是电子元件和激光元件的
重要原料
喷气发动机叶片
也开始使用金属的单晶
根据结晶理论
制备单晶的基本要求是
液体结晶时只有一个晶核
要严格防止有另外的晶核形成
通常有两种方法来制取单晶
第一种是尖端形核法来制取单晶
我们来看这个图
在这里形成一个晶核
然后定向冷却进行长大
获得一个单晶体
第二种是垂直提拉法制取单晶
我们看这个图
用一个晶种然后进行提拉
就可以获得单晶体
我们看看单晶硅的制取
也是采取这种方法
这样就获得一个大的单晶硅
单晶硅是重要的电子原材料
本节小节
本节主要介绍四个关键内容
1 金属结晶的条件
它需要一定的过冷度
2 金属结晶的驱动力
固态金属和液态金属之间的
自由能差是它的结晶驱动力
3 金属结晶的过程
它包括两个过程
一个是形核一个是长大
4 细化铸态金属的措施有四种
增大过冷度 变质处理
振动 电磁搅拌
-0.1中华民族对材料发展的重大贡献
-0.2材料的结合键
-0.3工程材料的分类
-习题--作业
-1.1金属材料的结构与组织
-第1章材料的结构与性能特点--1.1金属材料的结构与组织
-1.2金属材料的性能特点
-第1章材料的结构与性能特点--1.2金属材料的性能特点
-2.1纯金属的结晶
-2.1纯金属的结晶--作业
-2.2合金的结晶1
-2.2合金的结晶1--作业
-2.2合金的结晶2
-2.2合金的结晶2--作业
-2.3金属的塑性加工
-2.3金属的塑性加工--作业
-2.4钢的热处理
--钢的热处理（1）
--钢的热处理（2）
--钢的热处理（3）
--钢的热处理（4）
--钢的热处理（5）
--钢的热处理（6）
--钢的热处理（7）
-第2章金属材料组织和性能的控制--2.4钢的热处理
-2.5钢的合金化
--钢的合金化（1）
--钢的合金化（2）
--钢的合金化（3）
--钢的合金化（4）
-2.5钢的合金化--作业
-2.6表面技术
--表面技术（1）
--表面技术（2）
--表面技术（3）
--表面技术（4）
-2.6表面技术--作业
-3.1碳钢
--碳钢
-3.1碳钢--作业
-3.2合金钢
--合金钢（1）
--合金钢（2）
--合金钢（3）
--合金钢（4）
--合金钢（5）
--合金钢（6）
--合金钢（7）
-第3章金属材料--3.2合金钢
-3.3铸钢与铸铁
--铸钢与铸铁（1）
--铸钢与铸铁（2）
--铸钢与铸铁（3）
-第3章金属材料--3.3铸钢与铸铁
-3.4有色金属及其合金
-第3章金属材料--3.4有色金属及其合金
-4.1工程塑料
--工程塑料（1）
--工程塑料（2）
-4.2合成纤维
--合成纤维
-4.3合成橡胶
--合成橡胶
-习题--作业
-5.1普通陶瓷
--普通陶瓷（1）
--普通陶瓷（2）
-5.2特种陶瓷
--特种陶瓷
-习题--作业
-6.1复合材料的复合原则
-6.2复合材料的性能特点
-6.3非金属基复合材料
--非金属基复合材料
-6.4金属基复合材料
--金属基复合材料
-第6章复合材料--习题
-7.1电功能与磁功能材料
-7.2热功能与光功能材料
-7.3纳米材料
--纳米材料
-第7章功能材料及新材料--习题
-8.1机械零件的失效
-8.2机械零件失效分析
--机械零件失效分析
-8.3机械零件选材原则
--机械零件选材原则
-第8章零件失效分析与选材原则--习题
-9.1齿轮选材
--齿轮选材
-9.2轴类零件选材
--轴类零件选材
-9.3弹簧选材
--弹簧选材
-9.4刃具选材
--刃具选材
-第9章典型工件的选材及工艺路线设计--习题
-10.1汽车用材
--汽车用材
-10.2热能设备用材
--热能设备用材
-10.3航空航天器用材
-第10章工程材料的应用--习题
-全课总结
--全课总结
-期末考试--试卷
