哈工大——第三章_金属的结晶与显微组织

1、第三章 金属结晶与显微组织金属材料及热处理主讲人 刘 海哈尔滨工业大学空间材料与环境工程实验室86412462，86418720第三章 金属结晶与显微组织凝固结晶平衡结晶温度或理论结晶温度金属由液态转变为固态的过程。结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。凝固结晶平衡结晶温度或理论结晶温度金属熔点第三章 金属结晶与显微组织3.1 纯金属的结晶与组织 3.2 二元合金相图与合金组织 3.3 铁碳相图 3.4 铸锭（件）的组织与缺陷 第三章 金属结晶与显微组织3.1 纯金属的结晶与组织 结晶试验装置一、结晶过程的宏观现象1. 1. 冷却曲线（热分析曲线）冷却曲线（热分析曲

2、线） 金属由高温向低温冷却过程中所得到的温度和金属由高温向低温冷却过程中所得到的温度和时间关系曲线叫冷却曲线。时间关系曲线叫冷却曲线。TTmTn温度时间一、结晶过程的宏观现象2. 结晶过程的宏观特征1）过冷现象实际结晶是在低于理论结晶温度时开始的，这种现象称为过冷。实际结晶温度与理论结晶温度之差称谓过冷度，过冷度，表示为。2）结晶潜热一摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随放出或吸收的热量称为相变潜热。结晶时所放出的热量称为结晶潜热。nmTTT过冷结晶潜热结晶是形核和晶核长大的过程。结晶是形核和晶核长大的过程。金属在冷却过程中首先经过一段金属在冷却过程中首先经过一段“孕育期孕育期”，然后出现第

3、一，然后出现第一批晶核。随着时间的推移，晶核不断长大，同时有新的核不断批晶核。随着时间的推移，晶核不断长大，同时有新的核不断产生。在这一过程中，液态金属愈来愈少，直到各个晶体相互产生。在这一过程中，液态金属愈来愈少，直到各个晶体相互接触，液态耗尽，结晶过程结束。接触，液态耗尽，结晶过程结束。二、金属结晶微观过程形核长大形成多晶体两个过程重叠交织mmVTTLG两相自由能差潜热结晶温度过冷度过冷度能量起伏相起伏晶胚晶核1. 晶核的形成 液态金属依靠结构起伏和能量起伏形成时聚时散的呈短程有序排列的原子团（ 称为“晶胚” ）。当晶胚尺寸大于某一临界值时，就能自发长大为晶核。均匀形核均匀形核非均匀形核非

4、均匀形核是指完全依靠液态金属中是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程，液相的晶胚形核的过程，液相中各区域出现新相晶核的中各区域出现新相晶核的几率都是相同的。几率都是相同的。1）晶核的形成方式）晶核的形成方式 晶胚依附于液态金属中的固晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程。态杂质表面形核的过程。 实际金属的结晶主要以非均实际金属的结晶主要以非均匀形核的方式进行。匀形核的方式进行。均匀形核均匀形核SGVGV23434rGrGV0drGdmmVTTLGTLTGrmmVk22kkkSrG31431222231316TLTGmmk形核率形核率是指单位时间内单位体积液体中形成晶是指单位时间内单位体积

5、液体中形成晶核的数量。用核的数量。用NN1*N2表示。表示。形核功影响形核功影响原子扩散能力原子扩散能力急冷非晶态材料非均匀形核非均匀形核cosLL)cos1 (221rS222sinrS )coscos32(3133rV非均匀形核率所需过冷度较小点阵匹配原理固相表面原子排列与新相点阵结构相似时，既能有效促进新相的非均匀形核。振动、搅拌、超声波2. 晶核长大机制晶核长大机制1）二维晶核长大机制二维晶核长大机制当固液界面为光滑界面时，晶体长大只能依靠液相中的结构起当固液界面为光滑界面时，晶体长大只能依靠液相中的结构起伏和能量起伏，使一定大小的原子集团几乎同时落到光滑界面上伏和能量起伏，使一定大小

6、的原子集团几乎同时落到光滑界面上，形成具有一定原子厚度并具有一定宽度的平面原子集团。，形成具有一定原子厚度并具有一定宽度的平面原子集团。 2）螺型位错长大机制螺型位错长大机制界面依靠露头的螺型位错呈螺旋状生长。界面依靠露头的螺型位错呈螺旋状生长。 3）垂直长大机制垂直长大机制在粗糙界面上，几乎有一半应按晶体规律排列的原子位置上并在粗糙界面上，几乎有一半应按晶体规律排列的原子位置上并无原子从液相中扩散过来的原子很容易填入这些位置，所以液相无原子从液相中扩散过来的原子很容易填入这些位置，所以液相原子可以连续地、垂直地向界面增加，从而使界面迅速向液相推原子可以连续地、垂直地向界面增加，从而使界面迅速

7、向液相推移。大部分金属是以这种方式长大的。移。大部分金属是以这种方式长大的。2. 晶核长大机制晶核长大机制3. 晶体生长的界面形状晶体生长的界面形状晶体形态晶体形态粗糙界面粗糙界面树枝状树枝状 晶体的形态不仅与其生长机制有关，而且晶体的形态不仅与其生长机制有关，而且还与界面的微观结构、界面前沿的温度分布和还与界面的微观结构、界面前沿的温度分布和生长动力学很多因素有关。生长动力学很多因素有关。 3. 晶体生长的界面形状晶体生长的界面形状晶体形态晶体形态负温度梯度负温度梯度3. 晶体生长的界面形状晶体生长的界面形状晶体形态晶体形态 在负温度梯度下生长的界面形态在负温度梯度下生长的界面形态 具有粗糙

8、界面的晶体在负的温度梯度下生长时，由于界面前沿的液体中过冷度较大，如果某一局部发展较快，它将伸入到过冷度更大的液体中，从而更有利于突出尖端，向液体中生长。尽管突出尖端也可以横向生长，但由于结晶潜热的放出提高了尖端周围的液体温度，固横向生长速度远比朝前方的生长速度小。因此，在这种情况下，生长前方很快形成细长的主干。 如果初生晶核为多面体，在负的温度梯度下多面体尖端或棱角处很快生长出细长的主干，即所谓的一次晶轴。在一次晶轴上又会生出二次晶轴，形成树枝状结构。对于立方晶系，一次晶轴和二次晶轴都沿方向，并相互垂直 在结晶过程中，树枝状骨架逐渐发展，直到与相邻骨架相碰为止。骨架内不断生出更高次晶轴，同时

9、已经生出的晶轴逐渐加粗，直到晶轴间的熔液消耗完毕。3. 晶体生长的界面形状晶体生长的界面形状晶体形态晶体形态粗糙界面粗糙界面树枝状树枝状 晶体的形态不仅与其生长机制有关，而且晶体的形态不仅与其生长机制有关，而且还与界面的微观结构、界面前沿的温度分布和还与界面的微观结构、界面前沿的温度分布和生长动力学很多因素有关。生长动力学很多因素有关。 4. 晶粒大小的控制晶粒大小的控制1) 控制过冷度控制过冷度GNT 增加过冷度的方法是增加过冷度的方法是增加冷却速度。对于增加冷却速度。对于小薄件，可采用如下小薄件，可采用如下方法：方法：选用吸热、导热性选用吸热、导热性强的铸型材料；强的铸型材料；采用水冷铸造

10、；采用水冷铸造；降低浇注温度。降低浇注温度。 2) 变质处理变质处理GNT 3) 振动、搅拌、超声波振动、搅拌、超声波 在浇注前向液态金属中加入某些在浇注前向液态金属中加入某些难熔的固态粉末（变质剂），促进非难熔的固态粉末（变质剂），促进非均匀形核来细化晶粒。例：在铝、铝均匀形核来细化晶粒。例：在铝、铝合金、钢中加入合金、钢中加入 钛、锆等。钛、锆等。 4. 晶粒大小的控制晶粒大小的控制1) 控制过冷度控制过冷度3.1 纯金属的结晶与组织 3.2 二元合金相图与合金组织 3.3 铁碳相图 3.4 铸锭（件）的组织与缺陷 第三章 金属结晶与显微组织2.2二元合金相图与合金组织 合金相图合金相图用

11、图解的方法表示不同成分、温度下合金中相的平衡关系。相图是在及其缓慢的冷却条件下测定的，又称“平衡相图平衡相图”。一、二元合金相图的建立（以一、二元合金相图的建立（以Cu-Ni合金为例）合金为例）1）配制一系列成分的合金；）配制一系列成分的合金；100%Cu，30%Ni+70%Cu，50%Ni+50%Cu，70%Ni+30%Cu，100%Ni2）测出上述合金的冷却曲线；测出上述合金的冷却曲线；3）根据各冷却曲线上的转折点）根据各冷却曲线上的转折点确定合金临界点；确定合金临界点；4）将这些临界点标在相图坐标）将这些临界点标在相图坐标系中相应位置上，最后把意义相系中相应位置上，最后把意义相同的各点联

12、结起来。同的各点联结起来。2.2二元合金相图与合金组织 二、二、 匀晶相图与合金组织匀晶相图与合金组织 匀晶相图是指两组元在液态和固态下均能无限互匀晶相图是指两组元在液态和固态下均能无限互熔的相图。具有这种相图的合金有：熔的相图。具有这种相图的合金有：Cu-Ni，Fe-Cr，Ag-Au，W-Mo1.1.相图分析相图分析组元：Cu，Ni点：tACu的熔点； tBNi的熔点；线：液相线LtA m tB 固相线tA n tB；区：两个单相区L， 一个两相区L+2.2 二元合金相图与合金组织 2. 杠杠定律%100%100abarabrbL2.2二元合金相图与合金组织 3合金的平衡结晶过程合金的平衡结

13、晶过程及组织及组织2.2二元合金相图与合金组织 3合金的平衡结晶过程合金的平衡结晶过程及组织及组织2.2二元合金相图与合金组织 影响因素：原子扩散；冷却速度4合金的非平衡结晶过程合金的非平衡结晶过程及组织及组织 在实际生产条件下，在实际生产条件下，一般冷却速度都较快，一般冷却速度都较快，固熔体中原子扩散过程固熔体中原子扩散过程不能充分进行。因此，不能充分进行。因此，先结晶的枝晶主轴含高先结晶的枝晶主轴含高熔点组元多，后结晶的熔点组元多，后结晶的分枝含底熔点组元多。分枝含底熔点组元多。这种在一个枝晶内成分这种在一个枝晶内成分不均匀的现象叫不均匀的现象叫“枝晶枝晶偏析偏析”或或“晶内偏析晶内偏析”

14、。 2.2二元合金相图与合金组织 Cu-Ni合金的合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织2.2二元合金相图与合金组织 三、共晶相图与合金组织三、共晶相图与合金组织 CL183共晶相图共晶相图两个组元在液态时无限互两个组元在液态时无限互溶，而在固态时有限互溶，并有共晶反溶，而在固态时有限互溶，并有共晶反应的相图。如应的相图。如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si，Al-Sn等。等。共晶相图两个组元在液态时无限互溶，而在固态时有限互溶，并有共晶反应的相图。如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si，Al-Sn等。 2.2二元合金相

15、图与合金组织 三、共晶相图与合金组织三、共晶相图与合金组织 1相图分析相图分析点分析：点分析：A、B分别为Pb和Sn的熔点;M、N为和固熔体最大溶解度点; F、G为和固熔体在室温下的溶解度点; E为共晶点线分析：线分析：AFB为液相线；AMNB为固相线；MEN为三相共存水平线, 在MEN线上发生共晶反应：区分析：区分析：三个单相区L、; 三个两相区L+、L+、+CL1831）共晶合金（）共晶合金（E点）点）2. 典型合金平衡结晶过程及组织典型合金平衡结晶过程及组织三、共晶相图与合金组织三、共晶相图与合金组织 2）含锡小于19%的合金 2. 典型合金平衡结晶过程及组织典型合金平衡结晶过程及组织三

16、、共晶相图与合金组织三、共晶相图与合金组织 2. 典型合金平衡结晶过程及组织典型合金平衡结晶过程及组织3）亚共晶合金三、共晶相图与合金组织三、共晶相图与合金组织 3. 不平衡结晶及组织1）伪共晶伪共晶在不平衡结晶过程中，在共晶成分附近的亚共晶或过共晶合金形成的共晶组织。2）离异共晶离异共晶在先共晶数量较多时，共晶组织中与先共晶相同的那相会依附于先共晶生长，剩下的另一相则单独存在于晶界处，从而使共晶组织特征消失。这种两相分离的共晶称为伪共晶。三、共晶相图与合金组织三、共晶相图与合金组织 2.2二元合金相图与合金组织 包晶相图两组元在液态无限互溶，在固态下有限互溶，并有包晶反应。例如：Pt-Ag，

17、Sn-Sb，Cu-Sn，Cu-Zn等。四、包晶相图与合金组织 1. 相图分析相图分析点分析：A、B分别为Pt和Ag的熔点；D为包晶点；P为相最大溶解度点；C为发生包晶反应时的液相成分点；E、F分别为和室温下的溶解度。线分析：ACB为液相线；APDB为固相线；PE、DF是和的溶解度曲线；PDC为三相共存水平线区分析：三个单相区L、和；三个两相区L+、L+、+在水平线上发生包晶反应：四、包晶相图与合金组织四、包晶相图与合金组织 L LC C+ +P PD四、包晶相图与合金组织四、包晶相图与合金组织 复杂二元相图可看作三复杂二元相图可看作三类基本相图的组合。类基本相图的组合。合金性能合金性能固溶体合

18、金固溶体合金共晶合金共晶合金锻造锻造铸造包晶合金包晶合金3.1 纯金属的结晶与组织 3.2 二元合金相图与合金组织 3.3 铁碳相图 3.4 铸锭（件）的组织与缺陷 第三章 金属结晶与显微组织2.3铁碳相图 纯铁渗碳体2.3铁碳相图 一、铁碳合金的组元和基本相1. 纯铁 铁是元素周期表上的第26个元素，属于过渡族金属元素。在一个大气压下，Fe的熔点为1538C，20C时的密度为7.87g/cm3。1）铁的多晶型转变bccCfccCbccFeFeFe91213942.3铁碳相图 一、铁碳合金的组元和基本相1. 纯铁 铁是元素周期表上的第26个元素，属于过渡族金属元素。在一个大气压下，Fe的熔点为

19、1538C，20C时的密度为7.87g/cm3。1）铁的多晶型转变2）铁素体（以F或表示）铁素体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为体心立方晶格结构，铁素体的最大溶碳量 ，室温下则小于 。3）奥氏体（以A或表示）奥氏体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为面心立方晶格结构，奥氏体最大溶碳量为 。bccCfccCbccFeFeFe9121394%0218. 0CW%001. 0%11. 2CW2.3铁碳相图 一、铁碳合金的组元和基本相2. 渗碳体 渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的间隙化合物，其含碳量为6.69%，Fe3C的晶体结构复杂，具有很高的硬度，但塑性很差（延伸率接近于零）。Fe3C的熔点为1227

20、C，在230C以下具有铁磁性。2.3铁碳相图 一、铁碳合金的组元和基本相3. 钢铁材料按含碳量分类2）亚共析钢 0.02180.77%C3）共析钢 0.77%C 4）过共析钢 0.772.11%C5）亚共晶白口铁 2.114.3%C6）共晶白口铁 4.3%C 7）过共晶白口铁 4.36.69%C1）工业纯铁0.0218%C纯铁钢铸铁2.3铁碳相图 钢钢铸铁铸铁纯铁纯铁1. 相图中的点 二、Fe-Fe3相图分析二、Fe-Fe3相图分析FeFeFeFe1. 相图中的点 五个单相区：ABCD以上液相区LAHNA固溶体区（）NJESGN奥氏体区（或A）GPQG铁素体区（或F）DFKL渗碳体区（Fe3C

21、） 七个两相区：L+，L+，L+ Fe3C，+，+，+ Fe3C，+ Fe3C2. 相图中的区相图中的区二、Fe-Fe3相图分析1）HJB包晶线 2）EFC共晶线转变产物为A与Fe3C的机械混合无，称为莱氏体（Ld）。3）PSK共析线转变产物为F与Fe3C的机械混合无，称为珠光体（P）3. 3. 三条水平线三条水平线 二、Fe-Fe3相图分析JCHBL1495CFeLECS31148CFePCS3727 1）GS线 为A析出F的起始温度，或F全部转变为A的终了温度，又称A3线 2）ES线 为碳在A中的溶解度曲线，当温度低于此曲线时，就从A中析出Fe3C，称为二次渗碳体（记为Fe3CII）。ES

22、线也叫Acm线。 3）PQ线 为碳在F中的固溶度曲线，当温度低于此曲线时，从F中析出Fe3C，称为三次渗碳体（记为Fe3CIII）。4. 4. 三条固态转变线三条固态转变线 二、Fe-Fe3相图分析三、碳钢在平衡条件下的固态相变及组织2.3铁碳相图 1. 共析钢共析钢为含碳量0.77%C的铁碳合金。在S点以上为单相奥氏体（A），在S点发生共析反应：，生成的片状F与Fe3C相间的组织，称为珠光体（P）。在S点以下共析钢为珠光体P。三、碳钢在平衡条件下的固态相变及组织 共析钢结晶组织示意图 奥氏体 珠光体 共析钢室温金相组织三、碳钢在平衡条件下的固态相变及组织三、碳钢在平衡条件下的固态相变及组织2

23、. 亚共析钢（以0.40%C为例） 亚共析钢为含碳量在0.0218-0.77%C之间的铁碳合金。在亚共析钢平衡冷却过程中发生下列过程：12点：匀晶转变2点： 包晶转变23点：匀晶转变34点：单相奥氏体A4点： 开始从A析出F，由于析出了含碳量极低的F，使未转变的A含碳量增加，随着温度的降低，A与F的含碳量分别沿GS和GP线变化。5点： 剩余A发生共析转变JCHBL1495LCFePCS3727L三、碳钢在平衡条件下的固态相变及组织亚共析钢结晶过程组织示意图 L1点以上L 12L 2点L 2334455点以下点以下三、碳钢在平衡条件下的固态相变及组织亚共析钢结晶过程显微组织 三、碳钢在平衡条件下

24、的固态相变及组织杠杆定律的应用 问题：计算含碳量问题：计算含碳量0.17%0.17%C C的亚共析钢中相的相对的亚共析钢中相的相对 含量和组织相对含量。含量和组织相对含量。 1）相含量%2 . 20218. 069. 60218. 017. 03PKPOWCFe%8 .9713CFeFWW2）组织相对含量%8 .190218. 077. 00218. 017. 0PSPOWP%2 .801PWWF三、碳钢在平衡条件下的固态相变及组织3. 过共析钢（含碳量大于0.77%C） 过共析钢结晶过程显微组织 练习题：练习题：计算在计算在727时共析转变刚刚完成时含碳量为时共析转变刚刚完成时含碳量为1.2

25、%的的过共析钢中的相组成和组织组成物的相对含量。过共析钢中的相组成和组织组成物的相对含量。三、碳钢在平衡条件下的固态相变及组织三、碳钢在平衡条件下的固态相变及组织4. 铸铁（含碳量2.116.69 %C） 四、含碳量对钢平衡组织及性能的影响+Fe3C+Fe3C+PP+Fe3CPLd+Fe3C+LdFe3C+LdLd+Fe3C+LdFe3C+Ld1. 按组织组成物标注的Fe-Fe3C相图FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+

26、 Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度CFe3CFePPPF3CFeLLLCFepddd332. 含碳量对平衡组织的影响 四、含碳量对钢平衡组织及性能的影响2. 含碳量对平衡组织的影响 四、含碳量对钢平衡组织及性能的影响钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%00.0218 0.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体四、含碳量对钢平衡组织及性能的影响 铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相。珠光体由铁素体和渗碳体组成，渗碳体以细片状分散地分布在铁素体的基体上，起了强化作用。与铁素体相比，珠光体具有较高的强度和硬度，但塑性较差。 工程上应保证所使用的铁碳合金具有适当的塑性和韧性，对碳素钢和普通低中合金钢，含碳量一般不超过1.3%。3. 含碳量对钢力学性能的影响四、含碳量对钢平衡组织及性能的影响 1）对切削加工性能的影响低碳钢中铁素体较多，塑韧性好，但易粘刀，切屑不易断。高碳钢中渗碳体多，硬度高，严重磨损刀具。中碳钢硬度和塑性适中，切削加