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1、,第三章 金属与合金的结晶,结晶过程：金属与合金从液态冷却转变为固态的过程，是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程，这一过程称为结晶过程。金属材料的结晶及组织影响：金属材料经过熔炼和浇注后，都要经历一个结晶过程，金属材料结晶时形成的组织不仅影响其铸态性能，而且也影响随后经过一系列加工后材料的的性能。,第一节 纯金属的结晶热分析装置：纯金属都有一个固定的熔点，纯金属的结晶过程都是在一个恒定的温度下进行。热分析装置由电炉、坩锅、热电偶和线纯金属等组成。,1、电炉 2、坩锅 3、液态金属 4、热电偶,一、纯金属的冷却曲线和过冷现象纯金属冷却曲线的获得：用热分析装置将纯金
2、属加热熔化成液体，然后让液态金属缓慢冷却下来，并在冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，然后将记录下来的数据绘制在温度时间坐标中。,纯金属的结晶温度：由纯金属的冷却曲线可见，液态金属随着冷却时间的增长，由于它的热量向外散失，温度将不断降低。当冷却到某一温度时，温度却并不随时间的增长而下降，在曲线上出现一个平台（水平线段），平台所对应的温度，就是纯金属的结晶温度。（熔点）,冷却曲线上出现平台的原因：纯金属在结晶时过程中，释放的结晶潜热补偿了外界散失的热量，使温度并不随冷却时间的增长而下降，直到金属结晶终了后，已没有结晶潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。,（二）、纯金属的结晶过程纯金属的结晶过
3、程是在冷却曲线上，平台所经历的这段时间内发生的。它是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。晶核：液态金属中，总是存在着许多类似于晶体中原子有规则排列的小集团。在理论结晶温度以上，这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当低于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核,纯金属的结晶过程示意图,晶体接触：随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，同时液态金属中又会不断地形成新的晶核并不断长大，直到液态金属全部消失，晶体彼此产接触。,（三）、金属结晶后的晶粒大小,金属晶粒大小的表示方法：,1、用单位体积内的晶粒数目来表示，数目越多，晶粒越细小。,2、以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均
4、直径来表示。细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。,（三）、金属结晶后的晶粒大小,金属结晶后晶粒大小与形核率N和晶核的长大速率G两个因素有关。形核率：单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。长大速率：单位时间内晶核向周围长大的平均线速度细化晶粒的办法：促进形核率N，抑制长大速率G。,过冷度过大的缺陷：在连续冷却情况下，冷却速度愈大，过冷度就愈大。对于在铸锭或大铸件，要获得大的过冷度是不易办到的，更不易使整个体积均匀冷却，而且冷却速度过大，往往导致铸件开列而报废。,2、变质处理 在液态金属结晶前加入一些细小的难熔质点（变质剂），以增加形核率或降低长大速率，从而细化晶粒的方法，称
5、为变质处理。例如，往铝液中加钛、硼；往钢水中加入钛、锆、铝等；往铸铁水中加入硅铁、硅钙合金，都能使晶粒细化，从而提高金属的力学性能。,3、附加振动 金属结晶时，对金属液附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎，而破碎的枝晶尖端又可起晶核作用，增加了形核率N，达到细化晶粒的目的。,四、金属的同素异构转变概念：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶格的现象。同素异构体：由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体。同素异构体表达：、在常温下的同素异构体一般用希腊字母表示。、在较高温度下的同素异构体依次用、等表示。,四、右图为纯铁的冷却曲线。液态纯铁在1538C时，结晶成具有体
6、心立方晶格的-Fe，继续冷却到1394C时发生同素异构转变，由体心立方晶格-Fe转变为面心立方晶格的-Fe，再继续冷却到912C时，又发生同素异构转变，由面心立方晶格的-Fe转变为体心立方晶格的-Fe.如再继续冷却，晶格的类型不再发生变化。,金属的同素异构转变的特点：,1、由于同素异构转变是在固态下发生的，原子扩散比在液态中困难得多，这使同素异构转变具有较大的过冷度；,2、由于转变时晶体结构的致密度改变引起晶体体积的变化,从而产生较大的内应力。,金属的同素异构转变是钢在淬火时引起应力、导致工件变形和开裂的重要因素。,第二节 合金的结晶合金结晶的过程与纯金属相似，也包括形成晶核和晶粒长大两个基本
7、过程。但合金的结晶一般不是恒温过程，并伴随有相变和组织转变过程。因此，习惯采用合金相图来分析合金的结晶过程。合金相图 表示金属的相结构和状态随成分和温度的情况发生变化的示意图，由于合金相图是在平衡状态下建立的，所以也称为平衡状态图。平衡状态 结晶时，过冷度0，即加热/冷却速度极为缓慢的过程。利用相图，可以清楚地了解不同成分的合金在不同温度下的相组成和组织组成情况，以及在温度转变时可能发生的转变等，因此相图是研究合金的结晶过程的重要工具。,（一）二元合金相图的分析 二元合晶相图，是一个以温度为纵坐标、合金成分为横坐标的平面图形。1.相图分析两个单相区：L、一个两相区：L+液相线：acb（液相往固
8、相转变的开始线，在L和L+相之间）固相线：adb（液相往固相转变的完成线，在L+和相之间）,（二）二元合金相图的测定方法下面以Cu-Ni二元合金系为例，说明应用热分析法测定其相变点及绘制相图的方法。,、配制一系列成分不同的Cu-Ni合金wCu=100%；wCu（80%）+wNi（%）；wCu（0%）+wNi（40%）；wCu（40%）+wNi（60%）；wCu（20%）+wNi（80%）；wNi（100%）；、用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线。即温度时间曲线。,（二）二元合金相图的测定及绘制方法下面以Cu-Ni二元合金系为例，说明应用热分析法测定其相变点及绘制相图的方法。,、找出图中各冷
9、却曲线上的相变点。纯金属的结晶过程是在恒温下进行的，故只有一个相变点；合金都是在一个温度范围内结晶的，温度较高的相变点表示开始结晶温度，称为上相变点。在图上用“”表示。温度较低的相变点表示结晶终了温度，称为下相变点，在图上用“”表示。,、将各个合金的相变点分别标注在温度成分坐标图中相应的合金线上。、连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线。这样就获得了Cu-Ni合金相图。图中各开始结晶温度连成的相界线称tA(L)tB为液相线；各结晶终了温度相连成的相界线tA()tB称为固相线。,2、二元匀晶相图匀晶相图：凡在二元合金系中，两组元在液态和固态下以任何比例均可相互溶解，即在固态下能形成无限固溶体
10、时，相图属匀晶相图。匀晶相图的合金有：Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag等合金系。,（一）Cu-Ni合金相图分析A点：纯铜的熔点1083CB点：纯镍的熔点1455CALB液相线：代表各种成分的Cu-Ni合金在冷却过程中开始结晶、或在加热过程中熔化终了的温度。AB固相线：代表各种成分的Cu-Ni合金在冷却过程中结晶终了、或加热过程中开始熔化的温度。,三个不同相区的表示：、在液相线ALB以上是单相的液相区，合金处于液体状态，以“L”表示；、固相线AB以下为合金处于固体状态的固相区，该区域内是Cu与Ni组成的单相无限固溶体，以“”表示；、在液相线ALB与固相线AB之间是液相+固相的两相共存区（即结晶
11、区），以L+表示。,（二）杠杆定律在单相区内只存在一相，相的成分就是合金成分，相的质量就是合金的质量。在两相区内，由于合金正处在结晶过程中，随着结晶过程的进行，合金中各相的成分和相的相对量都在不断发生变化。杠杆定律：确定两相区内两个组成相以及相的成分和相的相对量的法则。,合金中液、固两相的相对量（相对质量分数）的表达式：,杠杆定律：杠杆的支点为合金的原始成分，杠杆两端表示该温度下两相的成分，杠杆的全长表示合金的质量，两相的质量与杠杆臂长成反比，故称杠杆定律。,支点,、二元共晶相图共晶相图：凡是二元合金系中两组元在液态能完全互溶，而在固态互相有限溶解，并发生共晶转变的相图，称为共晶相图。属于共晶
12、相图的合金系有：Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Ag-Cu。,（一）Pb-Sn合金相图分析、图中左边部分是Sn溶于Pb中，形成固溶体的部分匀晶相图。、图中右边部分是Pb溶于Sn中，形成固溶体的部分匀晶相图。、A这Pb的熔点；B为Sn的熔点。,、液相线AE：液相在AE以上开始结晶出固溶体。液相线BE：液相在BE线上开始结晶出固溶体。、固相线AM：固溶体结晶终了的固相线。固相线BN：固溶体结晶终了的固相线。,、固溶线：由于在固态下，Pb与Sn的相互溶解度随温度的降低而逐渐减小，故MF线为Sn溶于Pb的固态溶解度曲线；NG线为Pb溶于Sn的固态溶解度曲线。、C点液相线AE、BE与固相线MEN的交
13、点，表示在C点所对应的温度（tc=183C）下，成分为C点的液相（LC）将同时结晶出成分为M点的固溶体和成分为N点的固溶体的混合物。,、固溶线：由于在固态下，Pb与Sn的相互溶解度随温度的降低而逐渐减小，故MF线为Sn溶于Pb的固态溶解度曲线；NG线为Pb溶于Sn的固态溶解度曲线。、C点液相线AE、BE与固相线MEN的交点，表示在C点所对应的温度（tc=183C）下，成分为C点的液相（LC）将同时结晶出成分为M点的固溶体（M）和成分为N点的固溶体（N）的混合物。,共晶相图的六个相区：三个单相区为L、和相区；三个两相区为L+、L+和+相区。共晶线MEN是L+三相平衡的共存线。,（二）合金的结晶过
14、程分析、合金（F、M点间的合金）当合金由液相缓冷到点时，从液相中开始结晶出Sn溶于Pb的固溶体，随着温度的下降，固溶体量不断增多，而液相量不断减少，液相成分沿液相线AE变化，固相的成分沿固相线AM变化。,合金的冷却曲线及结晶过程示意图,当合金冷却到点时，液相全部结晶成固溶体，其成为为原合金成分，继续冷却时，在点温度范围内，固溶体不发生变化,合金的冷却曲线及结晶过程示意图,当合金冷却到点时，Sn在Pb中溶解度已达到饱得。温度再下降到点以下，Sn在Pb中溶解度已过饱和，故过剩的Sn以固溶体的形式从固溶体中析出。随着温度的下降，和固溶体的溶解度分别沿MF和NG两条固溶线变化，因此，从固溶体中不断析出
15、固溶体。,.合金（E点的合金）E点是共晶点，故成分为E点的合金也称为共晶合金。当合金缓慢冷却到E点时，由于E点是两条液相线AE、BE的交点，故液相同时结晶出和两种固溶体。即发生共晶转变。,合金的冷却曲线及结晶过程示意图,3.合金（E、M点间的合金）成分在E点与M点之间的合金，称为亚共晶合金。当合金缓冷到点时，开始从液相中结晶出固溶体，随着温度的下降，固溶体的量不断增多，剩余的液相量不断减少。同时，固溶体的成分沿固相线AM向M点变化，液相成分沿液相线AE由点向E点变化。,合金的冷却曲线及结晶过程示意图,当温度下降到点时，固溶体的成分为M点成分，而剩余液相的成分达到E点成分，这时剩余的液相已具备了进行共晶转变的温度和成分条件，因而在2点发生共晶转变。冷却曲线上也出现一个代表共晶转变的水平台阶2-2，直到剩余的液体完全变成共晶体。,合金的冷却曲线及结晶过程示意图,合金的冷却曲线及结晶过程示意图,合金的冷却曲线及结晶过程示意图,合金的冷却曲线及结晶过程示意图,按组织成分填写的Pb-Sn合金相图,（三）合金的相组分与组织组分Pb-Sn合金结晶所得的组织中仅出现、两相，、相称为合金的相组分。由于不同合金的形成条件不同，各种相将以不同的数量、形状、大小互相组合，因而在显微镜下可观察到不同的组织，组织组成物即为组织组分。,按组织成分填写的Pb-Sn合金相图,
