第3章 材料的凝固

1、凝固凝固结晶结晶非晶体非晶体晶体晶体液体液体水水结晶结晶 = 相变相变 冰冰1. 结晶驱动力结晶驱动力 F0 （不是过冷度（不是过冷度T） 自然界的自发过程进行的热力学条件都是自然界的自发过程进行的热力学条件都是F0 体系中各种能量的总和叫做内能体系中各种能量的总和叫做内能U，其中可以对外，其中可以对外 做功或向外释放的能量叫自由能做功或向外释放的能量叫自由能F，F=U-TS（熵）（熵）（1）当温度当温度TT0时，时，FsFL, 液相稳定液相稳定（2）当温度当温度TT0时，时，FsFL, 固相稳定固相稳定（3）当温度当温度T=T0时，时，Fs=FL, 平衡状态平衡状态 T0：理论结晶温度（：理

2、论结晶温度（熔点熔点或或平衡结晶温度）平衡结晶温度） 在该温度下在该温度下, 液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态动平衡状态2. 冷却曲线冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关系曲线称金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度实际结晶温度T1。 纯金属的冷纯金属的冷却曲线却曲线3. 结晶的过冷现象与过冷度结晶的过冷现象与过冷度 过冷过冷: 液态金属在理论结晶温度以下液态金属在理论结晶温度以下 开始结晶的现象称开始结晶的现象称过冷过冷。 过冷度：过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度理论结晶温度与实际结晶温度 的差的差 T称

3、称过冷度过冷度。 T= T0 T1 过冷度大小与冷却速度有关，过冷度大小与冷却速度有关，冷速越冷速越 大，大， 过冷度越大过冷度越大。晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。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，直到液体完全消失晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。晶核的形成方式：晶核的形成方式： 形核有两种方式形核有两种方式，即，即均匀形核均匀形核和和非均匀形核非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核均

4、匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。均匀形核均匀形核非均匀形核示意图非均匀形核示意图2. 晶核的长大方式晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种晶核的长大方式有两种，即，即均匀长大均匀长大和和树枝状长大树枝状长大。实际金属的结晶主要以树枝状长大。实际金属的结晶主要以树枝状长大。这是由于晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成这是由于晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一一次轴次轴，一次轴又会产生，一次轴又会产生二次轴二次轴，树枝间最后被填充，树枝间最后被填充均匀长大均匀长大树枝状长大树枝状长大晶

5、粒的大小称为晶粒的大小称为晶粒度晶粒度。用单位面积上的。用单位面积上的晶粒数目晶粒数目或晶粒的或晶粒的平均直径平均直径表示。表示。 控制晶粒大小的方法：控制晶粒大小的方法：1. 1. 控制过冷度：影响控制过冷度：影响形核率形核率和和长大速度长大速度2. 2. 变质处理变质处理 变质处理变质处理: : 又称又称孕育处理孕育处理，是一种有意向液态金属中，是一种有意向液态金属中加入非自发形核物质从而细化晶粒的方法。加入非自发形核物质从而细化晶粒的方法。3. 3. 振动、搅拌振动、搅拌1394912 -Fe -Fe -Fel定义：定义：物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称物质在固态下晶体结构随温度变

6、化的现象称同素异同素异l铁的同素异构转变铁的同素异构转变l铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：纯铁的冷却曲线和同素异晶转变纯铁的冷却曲线和同素异晶转变 -Fe，fcc -Fe，bcc912 Cl组元：组元：是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。物质。Fe-C二元相图二元相图三元相图三元相图l两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图l称称二元匀晶相图二元匀晶相图。1. 匀晶相图匀晶相图形成条件：固态下二组元性质相近无限互溶匀晶。液相

7、固液两相区 固相反应式： L L + （成分不断变化）（与液相同成分） 相图的分析相图的分析Cu-Ni合金相图合金相图L 成分（成分（wt %Ni）温度（温度（）CuNil当液态金属自当液态金属自高温冷却到高温冷却到 t1温度时，开始温度时，开始结晶出成分为结晶出成分为 1的固溶体，的固溶体，其其Ni含量高于含量高于合金平均成分合金平均成分.l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变匀晶转变或或匀晶反应匀晶反应。分垂线。在成分垂线相当分垂线。在成分垂线相当于温度于温度t 的的o点作水平线，点作水平线，其与液固相线交点其与液固相线交点a、b所所对应的成分对

8、应的成分x1、x2即分别即分别为液相和固相的成分。为液相和固相的成分。12 tLLObaxx1x2AB121122LxxxxQxxxxQ l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。的长度。l 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量l设合金的重量为设合金的重量为1，液相重量为液相重量为QL，固相重量为固相重量为Q oobbxx1x2QLQabaoxxxxQabobxxxxQ211212L 21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或l杠杆定律只适用于两相区杠杆定律只适用于两相区。单相区无必

9、要使用，。单相区无必要使用，三相区不能使用。三相区不能使用。l消除方法：消除方法：生产上常将铸件加热到固相线以下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、长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作作扩散退火扩散退火.形成条件：固态下二组元有限溶解，在恒定温度、恒定成分，二固相同时结晶。反应式：LE（液） M+Nl 相区：相区：相图中有相图中有:l三个单相区：三个单相区： L 、 、 ；l三个两相区：三个两相区：L+ 、L+ 、 + ；l一个三相区：一个三相区：即水平线即水平线CED。l 液

10、固相线液固相线: 液相线液相线AEB, 固相线固相线ACEDB. A、B分别为分别为Pb、Sn的熔点的熔点.共晶转变共晶转变: 在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出在一定温度下，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反应.过共晶合金过共晶合金: 共晶点以共晶点以右的合金右的合金称称过共晶合金过共晶合金。Pb-Sn合金相图合金合金I I （w wSnSn=10%=10%）的结晶过程）的结晶过程含10%Sn的Pb-Sn合金显微组织合金合金II （共晶合金共晶合金）的结晶过程）的结晶过程II合金合

11、金（亚共晶合金）的结晶过程（亚共晶合金）的结晶过程+（ + ）合金合金 （过共晶合金）的结晶过程（过共晶合金）的结晶过程+ + l 相图分析相图分析l单相区：单相区：L、 、l二相区：二相区：L+ 、 L+ 、 + l三相区：三相区：L+ + （水（水平线平线PDC）1.1.固溶体固溶体 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + l珠光体两相呈片层相间分布珠光体两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。性能介于两相之间。l 相区相区l 五个单相区：五个单相区： L、 、 、 、Fe3C l 七个两相区七个两相区: L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、l + 、 +Fe3

12、C l工业纯铁工业纯铁(0.0008% F C%L+A-A-A+F-F+Fe3CIII2共析钢共析钢 C%=0.77%C%=0.77% L-L+A-A-A+P-PL-L+A-A-A+P-P相组成物相组成物：F F和和FeFe3 3C C F%= F%= Fe3C%= 组织组成物组织组成物 ：P 珠光体珠光体3亚共析钢亚共析钢 0.0218%C%L+A-A-A+F-A+P+F-P+F 相组成物相组成物：F，Fe3C F%=Fe3C%=室温组织室温组织: F+PP%=F%=含碳量含碳量0.40%0.40%钢显微组织钢显微组织 4过共析钢过共析钢 L-L+A-A-A+Fe3CII-A+P+Fe3CII-P+Fe3CII相组成物：F，Fe3CF%= Fe3C%= 组织组成物：P，Fe3CII 组织相对量：Fe3CII%= P%= 含碳量含碳量1.4%钢的组织钢的组织钢钢铁素体铁素体 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