工程材料第3章

1、工工 程程 材材 料料第三章 金属的结晶 与二元相图 敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固液态金属结晶的动力液态金属结晶的动力过冷度：过冷度：TTmTn 纯铜的冷却曲线理论结晶温度理论结晶温度 液态和固态金属的自由能温度关系曲线敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固气体气体液体液体固体固体敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固温度升高温度降低 不同温度梯度下液固界面形状 晶体平面长大示意图密排面密排面非密排面非密排面敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固 电镜下观察

2、到的树枝晶负温度梯度负温度梯度敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固铸锭组织铸锭组织敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固冒口冒口疏松疏松气孔气孔中心偏析中心偏析敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固 二元合金相图的表示方法二元合金相图的表示方法 合金结晶后，既可以获得单相固溶体，也可以获得单相金属化合物，但更常见的合金结晶后，既可以获得单相固溶体，也可以获得单相金属化合物，但更常见的是获得既有固溶体又有金属化合物的多相组织。同种组元，结晶后所获得的相的是获得既有固溶体又有金属化合物的多相组织。同种

3、组元，结晶后所获得的相的性质、数目及其相对含量会随着合金成分和温度的变化而变化。性质、数目及其相对含量会随着合金成分和温度的变化而变化。 相图就是用来表示平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解。相图就是用来表示平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解。它是研究金属材料的一个重要工具。它是研究金属材料的一个重要工具。500600700800900100011001020304050607080901084 962 CuAgAg%wt+L+ L+L敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固记录仪记录仪时间温度开始凝固开始凝固凝固终了凝固终了热电

4、偶热电偶电炉电炉加热元件加热元件CuNi合金冷却曲线测定合金冷却曲线测定敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固900100011001200130014001500020406080100温度/ w(Ni)/%NiCu1083B 两组元不但在液态无线互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金两组元不但在液态无线互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所组成的相图称为系所组成的相图称为匀晶相图匀晶相图。结晶时，从液相结晶出单相固溶体的过程称为。结晶时，从液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变匀晶转变。如

5、：如：CuNi、AuAg、AuPt（铂）、（铂）、FeNi合金系。合金系。 匀晶转变匀晶转变L1455L+A敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固Cu30Ni70合金的平衡结晶过程900100011001200130014001500L2L0204060801001L+1455温度/ bw(Ni)/%NiCuca10830123L3L4234L1023时间O敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固杠杆定律杠杆定律 杠杆定理是分析相图时的重要杠杆定理是分析相图时的重要工具，可用来确定两相平衡时的两工具，可用来确定两相平衡时的两相成分和

6、相对量。相成分和相对量。 %100mnmrW%100mnnrWLnrmrmnnrmnmrWWL杠杆定律只适用于双相区杠杆定律只适用于双相区 900100011001200130014001500LL020406080100L+1455温度/ mnrw(Ni)/%NiCu1083敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固CuNi合金枝晶偏析示意图Cu-30%Ni合金的非平衡结晶组织 富Ni富Cu敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固液相线 102030405060708090PbPbSnSn0100200300400327.5 231.

7、9 LCEDGF191961.961.997.5L+L+ +BA183 w（Sn）温度， 固相线 共晶线 固溶线 L)(183NMCEoL L单相区：单相区：L、相、相；两相区：两相区：L、L、；三相区：三相区：MEN线上L共晶相图共晶相图敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固MEN61.9L+BA183 LL+ +PbPbSnSn123含含Sn19Sn19合金的平衡结晶合金的平衡结晶敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固 Pb PbSnSn共晶合金的平衡结晶过程（共晶合金的平衡结晶过程（61.961.9SnSn） )(183DC

8、EL LL(+)L(+)(L温度时间O(+)CED61.9L+BA183 LL+ +PbPbSnSn敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固%45.45%100195 .979 .615 .97%100%CDEC%6 .54%100195 .97199 .61%100%CDDECED61.9L+BA183 LL+ +PbPbSnSn敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固层片状（Al-CuAl2，定向凝固） 棒状或条状（Sb-MnSb，横截面） 螺旋状（Zn-Mg） Fe-C(石墨)的共晶组织 针状（Al-Si） 球状或短棒状（Cu-

9、CuO） 常见合金的共晶组织常见合金的共晶组织 敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固PbPbSnSn亚共晶合金的平衡结晶过程（亚共晶合金的平衡结晶过程（5050SnSn） CED61.9L+BA183 LL+ +PbPbSnSn123温度温度时间时间0122 3LL敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固CEDBALL+ +PbPbSnSn123%7 .27%100199 .61509 .61%1002%CEE%3 .72%1002%1%CEC亚共晶合金组织+（+）共 过共晶合金组织 +（+）共 组织组成物在相图上的标注组织组成物

10、在相图上的标注敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固包晶反应包晶反应 个液相和一个固相反应，生成一个固相的过程。个液相和一个固相反应，生成一个固相的过程。 恒温L203040506070809010AgPtBCPFDAL96266.3123442.412121186 10.5EAg，温度， 400600800100012001400160018001772L+L+ +敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固 只有只有P P点成分的合金才能在包晶反应后得到点成分的合金才能在包晶反应后得到100100的的相，相，P P点左侧会点左侧会有

11、有相剩余，相剩余，P P点右侧会有点右侧会有L L相剩余。相剩余。 金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变同素异构转变，金属的异构转变也称为，金属的异构转变也称为二次结晶二次结晶或或重结晶重结晶。 以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体称为该金属的以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体称为该金属的同素异晶体同素异晶体。纯铁的冷却曲线敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固铁碳合金中的碳有三种存在形式铁碳合金中的碳有三种存在形式敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相

12、长长3 材料的凝固材料的凝固铁素体铁素体奥氏体奥氏体不同形貌的渗碳体不同形貌的渗碳体1500150014001400130013001200120011001100100010009009008008007007006006001 12 23 34 45 56 615381538 12271227 AH 0.09JBNECFDKSP 0.0218LL+L+FeFe3 3C C+Fe+Fe3 3C C+Fe3C0.532.114.31148 727 0.77FeFe3Cw（C）%+ + +G 912 Q敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固1 12 2点：点：LL

13、3 34 4点：点：4 45 5点：点：单相固溶体单相固溶体5 56 6点：点： 7 7点：点： Fe3C室温组织：室温组织：Fe3C敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固12点：点：L23点：点：单相单相3点：共析反应点：共析反应)(30218. 072777. 0CFe 室温组织：室温组织：P P%8 .88%1000218. 069. 677. 069. 6%PKSK敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固17. 0149509. 053. 0 L)(30218. 072777. 0CFe 12点：点：L2点：发生包晶反应点：

14、发生包晶反应且液相有剩余。且液相有剩余。23点：点：L单相单相34点：点：单相单相45点：异晶转变点：异晶转变5点：共析转变点：共析转变室温组织：室温组织：P，随随C增加，增加，P含量增加。含量增加。 敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固室温时室温时 、FeFe3 3CC两相平衡：两相平衡： %945%PKK%65%3PKPCFe室温时，先共析室温时，先共析 、P P的组织相对量：的组织相对量： %8 .42%1000218. 077. 045. 077. 05%PKK%2 .57%1000218. 077. 00218. 045. 05%PSPP敦敦 德德

15、励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固1 13 3点同共析钢。点同共析钢。3 34 4点：点：脱溶，析出脱溶，析出二次渗碳体，二次渗碳体，成分沿成分沿ESES线变化直到线变化直到S S点。点。4 4点：共析转变点：共析转变室温组织：室温组织：P PFe3CFe3C，二次渗碳体呈网状分布二次渗碳体呈网状分布在原奥氏体晶界上。在原奥氏体晶界上。敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固%52%EFCF%48%3EFECCFe敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固PFe3CLd 敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相

16、长长3 材料的凝固材料的凝固敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固C C含量的变化对铁碳合金含量的变化对铁碳合金组织组织相对量的影响相对量的影响C C含量的变化对铁碳合金含量的变化对铁碳合金两相两相的相对量的影响的相对量的影响C C含量的变化对铁碳合金含量的变化对铁碳合金性能性能的影响的影响敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固 成核速率成核速率N N 越大越大, , 则结晶则结晶后的晶粒越多

17、后的晶粒越多, , 晶粒就越细小晶粒就越细小; ; 晶体长大速度晶体长大速度G G 越快越快, , 则则晶粒越粗。晶粒越粗。 随着过冷度的增大，成核随着过冷度的增大，成核速率和长大速度都增大，前者速率和长大速度都增大，前者的增大更快，比值的增大更快，比值N N / /GG也增大也增大, , 使晶粒细化。使晶粒细化。 增加过冷度增加过冷度 增大过冷度的主要办法是增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度提高液态金属的冷却速度, , 如用如用金属型代替砂型。金属型代替砂型。过冷度对形核率和长大速率的影响敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固 变质处理变质处理ZL1

18、02经（2/3NaF+1/3NaCl）变质处理共晶体共晶体共晶体共晶体ZL102未经变质处理敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固振动、搅拌等振动、搅拌等 在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长的树枝晶，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。正在生长的树枝晶，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，态金属

19、会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。从而可细化晶粒。 超声波震动对Al36Si组织的影响机械震动对铸锭组织的影响敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固Al-50%Si中间合金经综合细化处理后的微观组织敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固铸锭组织示意图铅锭宏观组织敦敦 德德 励励 学学 知知 行行 相相 长长3 材料的凝固材料的凝固不纯的砒霜颜色为红色，称为红信石，是鹤顶红的原型。砒霜（三氧化二砷）三氧化二砷）的毒性，明代本草纲目卷十云：“人服一钱（约3克）即死”，今人一般认为成人的中毒量为0.01克，致死量为0.1-0.2克。另外，在世界卫生组织确证的19种致癌物质中，砷居首位。相传在法国，人们把砒霜称