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1、第三章 金属与合金的结晶,内容提要：纯金属的结晶；合金相图的建立；合金的结晶；合金性能与相图间的 关系。,物质由液态转变为固态的过程称为凝固。物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。,第一节 纯金属的结晶,一.冷却曲线与过冷度二.结晶的一般过程三.金属结晶后的晶粒大小 四.同素异构转变,一、冷却曲线与过冷1、冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的.,To 理论结晶温度:液态金属在非常缓慢的冷却条件下结晶的温度。Tn 实际结晶温度：液态金属冷却到To以下某一个温度下开始结晶的温度
2、。,金属的冷却曲线,2、过冷与过冷度液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度之差T称过冷度。T=T0 Tn过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。,二、结晶的一般过程,1、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下,经一段时间后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。,晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。,2、晶核的形成方式形核有两种方式，即自发形核和
3、非自发形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核。非自发形核更为普遍。,自发形核,3、晶核的长大方式晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。,树枝状长大,(1)平面长大：当冷却速度较慢时，金属晶体以平面长大方式长大。在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。,(2)树枝状长大：当金属的冷却速度较快时晶体以树枝状长大方式长大。,实际金属结晶主要以树枝状长大.这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。,负温度梯度,树枝状长大的实际观察,树枝状结晶,三、金属结晶后的晶粒大
4、小,1、晶粒大小 金属结晶完后、由许多晶粒组成。晶粒的大小用单位体积内的晶粒的数目来表示。金属晶粒越细，金属的强度、硬度、塑性和韧性越高。结晶后晶粒的大小还与结晶时的形核率N和晶核的长大速度G有关。在实际生产中，液态金属能达到的过冷范围内N的增长比G的增长要快，故，随 T的增加 N/G值增加，晶粒就变细。,2、控制晶粒度的方法,控制过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。变质处理：又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。,Al-Si合金组织,铸铁变质处理前后的组织,变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。,电
5、磁搅拌细化晶粒示意图,超声振动细化晶粒示意图,振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，,另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。,3、晶粒大小对金属性能的影响,常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好,即细晶强化。高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。,多晶铁的拉伸变形,室温,高温,四、同素异构转变,构转变。同素异构转变属于相变之一固态相变。1、铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：,物质在固态
6、下晶体结构随温度变化的现象称同素异,-Fe、-Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。,2、固态转变的特点,形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。,由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。,第二节 合金的结晶,一、二元相图的建立二、二元相图的基本类型与分析 1、二元匀晶相图 2、二元共晶相图 3、二元包晶相图 4、形成稳定化合物的二元相图 5、具有共析反应的二元相图三、相图与合金性能之间的关系,合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明
7、图解。又称状态图或平衡图。用相图可以了解不同成分的合金；可以知道该合金由那些相组成的；相对成分和含量是多少；还可以知道加热和冷却过程中发生的转变。,合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。,组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元,如Fe-C合金中的Fe3C。,相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。,一、二元相图的建立,几乎所有的相图都是通过实验得到的
8、，最常用的是热分析法。,二元相图的建立步骤为：以Cu-Ni合金(白铜)为例1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。2.将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。,3.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。,相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。,二、二元相图的基本类型与分析,两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。如，Cu-Ni合金相图和 Cu-Au 合金相图以Cu-Ni合金为例进行分析。,1、二元匀晶相图,相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液
9、相区L，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相（L+）。,合金的结晶过程除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。,当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分,随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。,这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。,成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时,固溶体的成分又变回到合金成分3上来。液固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。,杠杆定律处
10、于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成,分垂线。在成分垂线相当于温度t 的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。,则 QL+Q=1 QL x1+Q x2=x 解方程组得,式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。,确定两平衡相的相对重量设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。,因此两相的相对重量百分比为：,两相的重量比为：,上式与力学中的杠杆定律完全相
11、似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。例（如图）,合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。,枝晶偏析,在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距
12、越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。,生产上常将铸件加热到固相线以下100-200长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。,Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织,平衡组织,枝晶偏析组织,2、二元共晶相图,当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以 Pb-Sn 相图为例进行分析。,相图分析 相：相图中有L、三种相,是溶质Sn在 Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。相区：相图中有三个单相区：L、；三个两相区：L+、L+、+；一个三相区：即水平线CED。,固溶线:溶解度点的
13、连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。,液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。,在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。,共晶线：水平线CED叫做共晶线。在共晶线对应的温度下（183），E点成分的合金同时结晶出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体，形成这两个相的机械混 合物：LE(C+D),共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。,具有共晶成分
14、的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共,晶点以右的合金称过共晶合金。凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。,合金的结晶过程 含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。,温度降到3点以下，固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相 相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。形成二次相的过程称二次析出,是固态相变的一种。,H,由于二次相析出温度较低，一般十分细小。,室温下的相对重量百分比为：,由 析出的二次 用 表示。随温度下降，
15、和 相的成分分别沿CF线和DG线变化，的重量增加。,合金室温组织为+。,成分大于 D点合金结晶过程与合金相似，室温组织为+。,共晶合金(合金)的结晶过程液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和,发生共晶反应：LE(C+D)。,析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。,共晶组织形态,层片状(Al-CuAl2定向凝固),条棒状(Sb-MnSb横截面),螺旋状（Zn-Mg）,Pb-Sn共晶组织,共晶组织形态,在共晶转变过程中，L、三相共存,三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。共晶组织中的相称共晶相.共晶转变结束时，和 相的相对重量百分比为：,共
16、晶结束后，随温度下降，和 的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶 中析出，从共晶 中析出，由于共晶组织细，与共晶结合，与共晶 结合，共晶合金的室温组织仍为(+)共晶体。,室温下两相的相对重量百分比是多少？,亚共晶合金(合金)的结晶过程合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到C点，液相成分变化到E点,此时两相的相对重量为：,在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：L(+)，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等,即QE=QL反应结束后，在共晶温度下、两相的相对重量百分比为：,温度继续下降，将从一次 和共晶 中析出，从共晶 中析出。其室温组织为+(+)+。,如何求
17、室温下三种组织组成物的相对重量？,过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为,二次相为室温组织为+(+)+。,Pb-Sn合金的结晶过程,组织组成物在相图上的标注组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。,和,和,共晶体(+)都是组织组成物。相与相之间的差别主要在结构和成分上。,组织组成物之间的差别主要在形态上。如、和共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。,Pb-Sn亚共晶组织,组织组成物在相图上的标注,3、二元包晶相图,当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时
18、所构成的相图称作包晶相图。以Pt-Ag相图为例简要分析,相图分析单相区：L、二相区：L+、L+、+三相区：L+（水平线PDC）,在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。,水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+P D。该反应是液相L包着固相,新相 在L与的界面上形核，并向L和两个方向长大。,合金的结晶过程 包晶成分合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为+II,PD成分合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为+II+II,DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出室温组织为+II。,4、形成稳定化合物的二元相图,稳定化合物是指在熔化前不发生分解
19、的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C)。其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区)。垂足是其,成分,顶点是其熔点,结晶过程同纯金属.分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析.,共析转变也是固态相变。最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:S P+Fe3C。,5、具有共析反应的二元相图,共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。,(奥氏体，铁素体，Fe3C渗碳体),共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合,金(共析成分合金)
20、、亚共析合金(共析线上共析点以左的合金)、过共析合金(共析线上共析点以右的合金)。,铁碳合金相图,共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。,与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。,珠光体,6、二元相图的分析步骤,实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。分清相图中包括哪些基本类型相图 确定相区 相区接触法则相邻两个相区的相数差为1 单相区的确定 液相线以上为液相区；,Fe-Fe3C相图,靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区；相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区
21、），也可能是相区分界线；,相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。,两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相,区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。,Fe-Fe3C相图,常见三相等温水平线上的反应,作出典型合金冷却曲线示意图二元合金冷却曲线的特征是:在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。,分析典型合金的结晶过程,由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现拐点:a.由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐;,b.由相数多的相区进入相数少的相区曲线向左拐
22、。发生三等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。,分析合金结晶过程 画出组织转变示意图。,计算各相、各组织组成物相对重量百分比：a.在单相区，合金由单相组成，相的成分、重量即合金的成分、重量。,b.在两相区，两相的成分随温度沿各自的相线变化，各相和各组织组成物的相对重量可由杠杆定律求出。合金成分为杠杆的支点，相或组织组成物的成分为杠杆的端点。c.在三相区，三个相成分固定，重量不断变化，杠杆定律不适用。,三、相图与合金性能之间的关系,相图与合金力学性能、物理性能的关系 两相机械混合物的合金:性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如：混=Q+Q HB混=HB Q+HBQ(Q、Q为两相相对重量),单相固溶体的合金：性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，、HB、增加，塑性下降。形成稳定化合物的合金：性能-成分曲线出现拐点。,相图与铸造性能的关系,固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾向大,树枝晶发达,流动性降低,补缩能力下降,分散缩孔增加.共晶合金结晶温度低，流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性能好。,
