金属学与热处理 表2-1晶粒大小对纯铁力学性能的影响 晶粒平均直径dlmm 抗拉强度oMPa 屈服强度aMPa 延仲率b(%) 30.6 39.5 48.8 1)晶粒度的概念 晶粒的大小称为晶粒度,用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度(或直径)表示 金属结晶后的晶粒度与形核速率N和长大速度G有关。所谓形核速率N即单位时间内在单 位体积中所形成晶核的数目。所谓长大速度G即晶体长大的线速度。形核速率越大,单位 体积中所生成的晶核数目越多,晶粒也越细小:若形核速率一定,长大速度越小,则结晶 的时间越长,生成的晶核越多,晶粒越细小。单位体积内晶粒的总数目么v与形核速率N 和长大速度G之间存在如下关系: 2=09/N) 单位面积内晶粒的总数目Zs的关系式为 (2-3) 从金属结晶的过程可知,凡是促进形核,抑制长大的因素,都能细化晶粒。通过改变 浇注温度和冷却条件,便可改变金属液相的过冷度,从而可以控制晶粒大小。 2)晶粒度的控制 在工业生产中,为了细化铸态的晶粒,以提高铸件及焊缝的性能,采取的措施如下: (1)增加过冷度。金属结晶时,形核速率N和长大速度G都与过冷度有关,如图2.6 所示。随着过冷度的增加,形核速率N和长大速度G都增加,并在一定过冷度下达到最大 值,但随着过冷度的进一步增加,两者都减小,这是由于温度过低时,液体中原子扩散困 难,N和G都随之减小。在生产实践中,冷却条件往往处于曲线的左边部分,而曲线的右 边部分的冷却条件在实际中难以达到。所以,随着过冷度的增加,形核速率N和长大速度 G都増加,但形核速率N增加更快,故NG增大,使晶粒细化。铸造生产中,通过降低浇 注温度、加快冷却速度等都能增大金属液相的过冷度,使晶粒细化。加快冷却速度的方法 主要有:采用散热快的金属铸型、降低金属铸型的预热温度、减小涂料层的厚度以及采用 水冷铸型等。随着超高速急冷(10K/s~104K/s)技术的发展,可以获得超细化晶粒的金属 亚稳态金属和非晶态金属。此类金属有良好的机械性能和物理化学性能,且有极大的发 展前景。对体积大、形状复杂的铸件,很难获得大的过冷度,就采用变质方法或物理方法 来细化晶粒 (2)变质处理。变质处理又叫孕育处理,就是在液态金属中加入孕育剂或变质剂,以 增加非自发形核的数目,促进形核,抑制晶核长大,从而达到细化晶粒的目的。用于细化 晶粒的变质剂有如下几种:在浇注前向液体金属中加入同类金属细粒,或加入结构完全对·34· 金属学与热处理 ·34· 表 2-1 晶粒大小对纯铁力学性能的影响 晶粒平均直径 d/mm 抗拉强度 σb/MPa 屈服强度 σs/MPa 延伸率 δ/(%) 9.7 165 40 28.8 7.0 180 38 30.6 2.5 211 44 39.5 0.2 263 57 48.8 1) 晶粒度的概念 晶粒的大小称为晶粒度，用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度(或直径)表示。 金属结晶后的晶粒度与形核速率 N 和长大速度 G 有关。所谓形核速率 N 即单位时间内在单 位体积中所形成晶核的数目。所谓长大速度 G 即晶体长大的线速度。形核速率越大，单位 体积中所生成的晶核数目越多，晶粒也越细小；若形核速率一定，长大速度越小，则结晶 的时间越长，生成的晶核越多，晶粒越细小。单位体积内晶粒的总数目 ZV 与形核速率 N 和长大速度 G 之间存在如下关系： 3 4 V 0.9 N Z G ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (2-2) 单位面积内晶粒的总数目 ZS的关系式为 1 2 S 1.1 N Z G ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (2-3) 从金属结晶的过程可知，凡是促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒。通过改变 浇注温度和冷却条件，便可改变金属液相的过冷度，从而可以控制晶粒大小。 2) 晶粒度的控制 在工业生产中，为了细化铸态的晶粒，以提高铸件及焊缝的性能，采取的措施如下： (1) 增加过冷度。金属结晶时，形核速率 N 和长大速度 G 都与过冷度有关，如图 2.6 所示。随着过冷度的增加，形核速率 N 和长大速度 G 都增加，并在一定过冷度下达到最大 值，但随着过冷度的进一步增加，两者都减小，这是由于温度过低时，液体中原子扩散困 难，N 和 G 都随之减小。在生产实践中，冷却条件往往处于曲线的左边部分，而曲线的右 边部分的冷却条件在实际中难以达到。所以，随着过冷度的增加，形核速率 N 和长大速度 G 都增加，但形核速率 N 增加更快，故 N/G 增大，使晶粒细化。铸造生产中，通过降低浇 注温度、加快冷却速度等都能增大金属液相的过冷度，使晶粒细化。加快冷却速度的方法 主要有：采用散热快的金属铸型、降低金属铸型的预热温度、减小涂料层的厚度以及采用 水冷铸型等。随着超高速急冷(105 K/s～1011K/s)技术的发展，可以获得超细化晶粒的金属、 亚稳态金属和非晶态金属。此类金属有良好的机械性能和物理化学性能，且有极大的发 展前景。对体积大、形状复杂的铸件，很难获得大的过冷度，就采用变质方法或物理方法 来细化晶粒。 (2) 变质处理。变质处理又叫孕育处理，就是在液态金属中加入孕育剂或变质剂，以 增加非自发形核的数目，促进形核，抑制晶核长大，从而达到细化晶粒的目的。用于细化 晶粒的变质剂有如下几种：在浇注前向液体金属中加入同类金属细粒，或加入结构完全对