晶粒大小对于金属机械性能的影响

晶粒大小对于金属力学性能的影响

晶粒大小对金属材料性能有很大影响：

晶粒之间的“边界”叫晶界，晶粒越大-则晶界也越大，而“晶界”又类似于材料中的“裂纹”；那么晶粒越大则材料中的“裂纹”越大。其次，晶粒部的原子排列较为规则，容易产生“滑移”；而晶界上的原子排列较为凌乱，存在许多“位错”和“劈间”，使得原子面之间不易滑移和变形。那么晶粒细小时，其的滑移变形就小且能被晶界有效抑制。第三，晶粒、晶界都越细小，外来的总重荷及变形将分散到更多的晶粒上，岂不更好。所以，晶粒越细--则金属材料的性能越好。

控制晶粒大小方法很多，主要原理有两个：

1.增大金属结晶时的过冷度。

2.增加结晶晶核。

第一节: 金属材料液态成形基础

(二)金属的结晶

1．结晶的条件

纯金属液体缓慢冷却过程的时间—温度的关系曲线，即纯金属的冷却曲线。

冷却曲线

分析冷却曲线可知，液体纯金属冷却到平衡结晶温度Tm（又称为理论结晶温度，热力学凝固温度，熔点和凝固点等）时，液体纯金属并不会立即自发地出现结晶，只有冷却到低于Tm后，固体才开始结晶，而后长大，并放出大量潜热，使温度回升到略低于平衡结晶温度，而在冷却曲线上出现一个温度平台。当凝固完成后，由于没有潜热释放，因此，温度又继续下降。理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之间的温度差称为过冷度，写作△T=Tm-Tn。

由图可知，金属结晶必须在一定的过冷度下才能自发的进行。从热力学观点来分析，任何引起系统自由能降低的过程都是自发的过程。在金属结晶前后的两个状态下，金属是由两个不同的相所组成，即液相和固相。两种不同聚集状态自然有两种不同的自由能。

图2-1-29所示是同一金属材料液相和固相的自由能—温度变化曲线。图中显示，两条曲线有一个交点，其对应的温度即为理论结晶温度Tm。在温度Tm时，液相和固相处于两相平衡状态，自由能相等，可长期共存。高于温度Tm时，液相比固相的自由能低，金属处于液相才是稳定的；低于温度Tm时，金属稳定的状态为固相。

因此，液态金属如果要结晶，就必须处于Tm温度以下。金属在液态与固态之间存在有一个自由能差（△F），这个能量差△F就是促使液体结晶的驱动力。

２．结晶的过程

液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程来实现。

液态金属结晶时，首先在液态中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然后再以它们为核心不断地长大。在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失。如动画2-1-8所示：

（１）晶核的形成

液态金属结晶时晶核常以两种方式形成：

1）自发形核——自发形核指依靠液态金属本身在一定过冷度下由其部自发长出结晶核心。

２)非自发形核——非自发形核指依附与金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核。

金属结晶过程中晶核的形成主要是以非自发形核方式为主

3)晶核的长大晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。

当过冷度较大，尤其是金属中存在杂质时，金属晶体常以树枝状的形式长大。在晶核开始长大的初期，因其部原子规则排列的特点，故外形也是比较规则的。但随着晶核的继续长大，形成了晶体的顶角和棱边，由于顶角和棱边处散热条件优于其它部

位并易于存在晶体缺陷等原因，晶体在顶角和棱边处优先长大，如图2-1-11所示。

图2-1-11 树枝状晶体长大过程

由此可见，其生长方式像树枝一样，先长出干枝，称为一次晶轴，然后在一次晶轴伸长和变粗的同时，在其侧面棱角处又长出分枝，称为二次晶轴。随着时间的推移，二次晶轴成长的同时又长出三次晶轴等，如此不断成长和分枝下去，直至液体全部消失。最后得到的晶体称为树枝状晶体，简称枝晶。每一枝晶将成长为一个晶粒。

第一节: 金属材料液态成形基础

3．铸件晶粒组织

铸件的晶粒组织是指铸件的晶粒形状和大小。

一般铸件的典型晶粒组织分为三个区域。看动画2-1-9铸件组织示意图。

(1)表层细晶粒区

当液态金属刚刚浇入铸模时，由于模壁温度很低，使与它接触的很薄一层液态金属发生强烈的过冷，形成大量的自发晶核。这些晶核迅速生长到互相接触，在铸件表层形成等轴细晶粒区。

(2)柱状晶粒区

细晶粒区形成的同时，模壁温度不断升高，使剩余液态金属的冷却速度逐渐降低，过冷度减小，形核率变慢，此时凡晶轴垂直于模壁的晶粒，沿着枝晶轴向模壁传热有利，所以这些晶粒优先得到长大，从而形成柱状晶粒。

(3)中心等轴晶粒区

随着柱状晶粒发展到一定程度，通过已结晶的柱状晶层和模壁向外散热的速度愈来愈慢，在锭模心部的剩余液态金属部温差愈来愈小，散热方向已不明显，

因而形成较粗大的等轴晶粒区。

由上述可知，铸锭的组织是不均匀的，从表层到心部依次由细小的等轴晶粒、柱状晶粒和粗大的等轴晶粒所组成。

4.铸件晶粒组织的控制

晶粒组织对铸件力学性能有很大影响

铸锭的表层细晶粒区的组织较为致密，力学性能较好，但由于该区很薄，故对铸锭性能影响不大。柱状晶粒区的组织较中心等轴晶粒区致密。但柱状晶的接触面由于常存在有非金属夹杂物和低熔点杂质而成为脆弱面，在热压力加工时常沿脆弱面断裂。因此，一般不希望钢锭柱状晶粒区过大。但对于塑性较好的有色金属及其合金，有时为了获得较致密的组织，反而希望得到柱状组织。

(1)细晶强化：

等轴晶的晶界长，杂质分布较分散，各方向的机械性能差异小，晶粒愈细小，铸件不但强度、硬度愈高，而且塑性和韧性愈好，这种提高金属强度的方法叫细晶强化。在所有强化金属的方法中，细晶强化是最理想的强化方法。所以，通常希望铸件为细等轴晶粒组织。

(2)细晶强化的方法：

1)增加液态金属结晶时的过冷度

根据过冷度对形核率和生长速率的影响规律，增大过冷度可以使铸件晶粒变小。在连续冷却情况下，冷却速度愈大，过冷度愈大，增大冷却速度可采取降低熔液的浇注温度，选用吸热能力和导热性较强的铸型材料等措施来达到。例如，

金属型比砂型冷区速度大，故金属型铸件比砂型铸件的晶粒细小。

2)变质处理

在金属液结晶前，向金属液中加入某些物质（称为变质剂），形成大量分散的固态微粒作为非自发形核界面，或起阻碍晶体长大的作用，从而获得细小晶粒，这种细化晶粒的方法，称为变质处理。

3)附加振动

金属液结晶时，可采用机械振动，超声波或电磁振动等措施，使铸型中液体金属运动，造成枝晶破碎，碎晶块起晶核作用，从而使晶粒细化。