第3章金属材料的凝固与固态相变

1、第三章第三章 材料的凝固与固态相变材料的凝固与固态相变3.1 单一组元单一组元材料的材料的凝固凝固 1.结晶的概念结晶的概念 材料从液态转变为材料从液态转变为固体固体的的过程称为过程称为凝固凝固，若转变为，若转变为晶态晶态固体就称为固体就称为结晶，通常也称为结晶，通常也称为一次结晶一次结晶。而把材料从一种固。而把材料从一种固体晶态转变为另一种固体晶态体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为的过程称为二次结晶或重结晶二次结晶或重结晶。 理论结晶温度理论结晶温度T T0 0或熔点是固或熔点是固态和液态的能量相等的温度。态和液态的能量相等的温度。 理论结晶温度理论结晶温度T T0 0与开与开始结晶温度始

2、结晶温度T Tn n之差叫做过之差叫做过冷度，用冷度，用TT表示。表示。 T= TT= T0 0T Tn n 冷却速度越大，则冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过开始结晶温度越低，过冷度也就越大。冷度也就越大。 过冷是结晶的必要过冷是结晶的必要条件条件 2.2.材料的结晶过程材料的结晶过程 液态材料结晶是由液态材料结晶是由形核形核和和长大长大两个密切联系的基本两个密切联系的基本过程来实现的。过程来实现的。 晶核的形成晶核的形成 1 1）自发形核）自发形核 从液态内部由材料本身原子自发长出从液态内部由材料本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核。结晶核心的过程叫做自发形核。 2 2）非自发形核

3、）非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过程叫做依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核。非自发形核。 图图2-5 2-5 材料结晶示意图材料结晶示意图 晶体的长大晶体的长大 1 1）平面长大。在冷却速度较）平面长大。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以其小的情况下，纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。表面向前平行推移的方式长大。 2 2）树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有）树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形状长形成负温度梯度，这

4、时金属晶体往往以树枝状的形状长大。大。 树枝状长大树枝状长大钢锭缩孔中暴露的枝晶钢锭缩孔中暴露的枝晶 3.影响形核和长大的因素影响形核和长大的因素 成核速率成核速率N N 为为单位时间单位体单位时间单位体积形成的晶核数（个积形成的晶核数（个/m3s), 长大速长大速度度G为为单单位时间晶体长大的长度位时间晶体长大的长度（m/s) 。 （1）过冷度的影响）过冷度的影响 随着过冷度的增加随着过冷度的增加, 形核速率和形核速率和长大速度均会增大。当过冷度进一长大速度均会增大。当过冷度进一步增大时，成核速率增大更快，因步增大时，成核速率增大更快，因而比值而比值N/G也增大也增大, 结果使晶粒细化。结果

5、使晶粒细化。 （2）难熔杂质的影响）难熔杂质的影响 增加晶核的数量，使晶粒细化。增加晶核的数量，使晶粒细化。 4.晶粒大小及控制晶粒大小及控制（1）晶粒度的概念）晶粒度的概念 晶粒度是晶粒大小的量度。晶粒度是晶粒大小的量度。用单位体积中晶粒的数目用单位体积中晶粒的数目Zv或单或单位面积上晶粒的数目位面积上晶粒的数目Zs表示。表示。 在一般情况下在一般情况下,形核速率越形核速率越大大,长大速度越小，晶粒越小长大速度越小，晶粒越小, 则则金属的强度金属的强度, 塑性和韧性越好。塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化工程上使晶粒细化, 是提高金属是提高金属机械性能的重要途径之一。机械性能的重要途径之一。（

6、2）晶粒大小的控制）晶粒大小的控制 1）增大过冷度）增大过冷度 2）变质处理：在液体金属中加）变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。和改善组织。金属型铸造金属型铸造 砂型铸造砂型铸造 冷却速度大冷却速度大 冷却速度小冷却速度小针状改变成细小颗粒状针状改变成细小颗粒状 5. 5. 同素异构转变同素异构转变 金属在固态下随温度的改变，由一种晶格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。转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。bccfccbccFeFeFe 9121394 铁的铁的同素异构转变是同素异构转变是

7、钢铁材料能够钢铁材料能够进行热处理改性的内因和依据进行热处理改性的内因和依据。 同素异构转变是在固态下完成的，同素异构转变是在固态下完成的，也是通过形核、长大来完成的。称为重也是通过形核、长大来完成的。称为重结晶。结晶。 6. 非晶态材料的形成非晶态材料的形成 如果冷却过程很快，液态物质来不及形核或已形成如果冷却过程很快，液态物质来不及形核或已形成的极少量核心来不及长大就被凝固住了，由此就产生了的极少量核心来不及长大就被凝固住了，由此就产生了非晶态材料。如将高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。非晶态材料。如将高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的钢水以

8、每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将时间就将1300的钢水降到的钢水降到200以下，形成非晶带材。以下，形成非晶带材。3.2 3.2 多多组元材料的凝固组元材料的凝固 3.2.1 3.2.1 相图相图 相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态，也称为的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态，也称为平衡图或状态图。对于多相体系，个相间的相互转化，平衡图或状态图。对于多相体系，个相间的相互转化，新相的形成，旧相的消失与温度，压力，组成有关。新相的形成，旧相的消失与温度，压力，组成有关。 1相图的绘

9、制相图的绘制2.2.几种基本的相图几种基本的相图 （1 1）匀晶相图）匀晶相图 AlAl1 1B B线为液相线，线为液相线，AaAa1 1B B为固相线，图中有两个单相区和为固相线，图中有两个单相区和一个双相区（一个双相区（L+L+相区）。相区）。平衡结晶过程的特点为：平衡结晶过程的特点为： 结晶过程包括生核与长大（更趋向于树枝状长大）。结晶过程包括生核与长大（更趋向于树枝状长大）。 结晶是在一个温度区间内进行的。结晶是在一个温度区间内进行的。 获得成分均匀的固溶体（实际结晶时成分是不均匀的）。获得成分均匀的固溶体（实际结晶时成分是不均匀的）。 （2 2）共晶相图）共晶相图 在共晶合金相图中，

10、共晶合金相图中，acbacb为液相线，为液相线，adcebadceb为固相线，为固相线，合金系有三种相，相图中有三个单相区（合金系有三种相，相图中有三个单相区（L L、）；）；三个两相区（三个两相区（L+L+、L+L+、+）；一条三相）；一条三相(L+)(L+)共存线（水平线共存线（水平线dcedce）。）。 dcedce为共晶线。为共晶线。 Lc Lc d d+ + e e 共晶反应所生成的两相共晶反应所生成的两相机械混合物叫共晶体。成机械混合物叫共晶体。成分在分在dede之间的合金平衡结之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。晶时都会发生共晶反应。 TC 共晶合金共晶合金( (合金合金)的的

11、结晶过程结晶过程共晶合金共晶合金组织的形组织的形态态 合金的室温组织全部为共合金的室温组织全部为共晶体；由晶体；由和和两相组成。两相组成。 冷却到冷却到1 1点温度后点温度后, , 发生发生共晶反应全部转变为共晶体共晶反应全部转变为共晶体 (+) (+) 。 亚共晶合金亚共晶合金 ( (合金合金)的的结晶过程结晶过程 1 1点点, L ; , L ; 1 1点点 2 2点点, L ; , L ; 2 2点点 2 2点点, , Lc (d+ e); 此时此时, , 合金转变为合金转变为 + + (d+ e) 2 2点点 3 3点点, , ; ; 合金的室温组织合金的室温组织: : + + + (

12、+) , + (+) , 合金的组成相合金的组成相:和和。 过共晶合金的结晶过程过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似，室温组与亚共晶合金相似，室温组织为织为+ + + (+) + (+) 。合金的组成相为合金的组成相为和和。 （3 3）及其他相图）及其他相图 如包晶相图和有共析转变（由一种固相转变成完全共析转变（由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相，此两相混合物称为共析体）不同的两种相互关联的固相，此两相混合物称为共析体）的相图等。的相图等。 3 3 合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系 （1 1）合金的使用性能）合金的使用性能与相图的关系与相图的关系 溶质的溶入量越多，溶质的

13、溶入量越多，晶格畸变越大，则合金晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电的强度、硬度越高，电阻越大。阻越大。 两相组织合金的力学两相组织合金的力学和物理性能与成分呈直和物理性能与成分呈直线关系变化。线关系变化。 （2 2）合金的工艺性能与相图的关系）合金的工艺性能与相图的关系铸造性能：铸造性能：纯组元和纯组元和共晶成分的合金的流共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，动性最好，缩孔集中，铸造性能好。铸造性能好。 锻造性能：锻造性能：单相合金单相合金的锻造性能好。单相的锻造性能好。单相组织时变形抗力小，组织时变形抗力小，变形均匀，因而变形变形均匀，因而变形能力大。双相组织的能力大。双相组织的合金变

14、形能力差些，合金变形能力差些，特别是组织中存在有特别是组织中存在有较多的化合物相时。较多的化合物相时。 4 4 铸锭铸锭( (件件) )的凝固的凝固 把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做铸造。的工艺叫做铸造。 最典型的铸造结构，整最典型的铸造结构，整个铸锭明显地分为三个各具个铸锭明显地分为三个各具特征的晶区。特征的晶区。 细等轴晶区细等轴晶区 在铸锭的在铸锭的表层形成的一层厚度不大、表层形成的一层厚度不大、晶粒很细的区域。晶粒很细的区域。 柱状晶区柱状晶区 粗等轴晶区粗等轴晶区 3.3 3.3 铁碳合金铁碳合金 3.3.1 Fe-F

15、e3.3.1 Fe-Fe3 3C C相图相图 1.1.铁碳合金的相结构与铁碳合金的相结构与性能性能（1 1）铁素体（）铁素体（F F或或） 碳在碳在FeFe中中的间隙固溶体，体的间隙固溶体，体心立方晶格。铁素心立方晶格。铁素体的性能特点是强体的性能特点是强度低、硬度低、塑度低、硬度低、塑性好。性好。 （2 2）奥氏体（）奥氏体（A A或或） 碳在碳在FeFe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，面心立方晶格。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于面心立方晶格。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形。塑性变形。 五个单相区、七个两五个单相区、七个两相区和三个三相区。相区和三个三相区。3 相图中重要的点相图

16、中重要的点和线和线 C点为共晶点，点为共晶点，ECF为共晶线为共晶线 S点为共析点，点为共析点，PSK为共析线为共析线 GS线线 ES线线（3）渗碳体（）渗碳体（Fe3C） 化合物相，有条状、网状、片状、化合物相，有条状、网状、片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。渗碳体粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。渗碳体硬度高（硬度高（800HBW），塑性差，脆性大。），塑性差，脆性大。2.相图分析相图分析 C C点为共晶点，点为共晶点，ECFECF为共晶线。为共晶线。合金在平衡结晶过程合金在平衡结晶过程中冷却到中冷却到11481148时，时，C C点成分的点成分的L L发生共晶反

17、应，生成发生共晶反应，生成E E点成分的点成分的A A和和FeFe3 3C C。 ，成分在此线的铁碳合金，在平衡成分在此线的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。结晶过程中均发生共晶反应。 共晶反应的产物是奥氏共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，体与渗碳体的共晶混合物，称称莱氏体莱氏体，以符号，以符号LdLd表示。表示。Lc AE+Fe3C1148 S S点为共析点点为共析点, PSK, PSK为共析线为共析线. .合金在平衡结晶过程合金在平衡结晶过程中冷却到中冷却到727727时，时，S S点成分的点成分的A A发生共析反应，成分在发生共析反应，成分在PSKPSK的铁碳合金，在平

18、衡结晶过程中均发生共析反应。的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSKPSK线亦称线亦称A1A1线。线。 共析反应产物是铁素体与渗共析反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称碳体的共析混合物，称珠光体珠光体，以符号以符号P P表示。在显微镜下珠光表示。在显微镜下珠光体的形态呈片状。体的形态呈片状。 珠光体的强度很高，塑性、珠光体的强度很高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。之间。As Fp + Fe3C727 GS GS线线 是合金是合金冷却时自冷却时自A A中开始析中开始析出出F F的临界温度线，的临界温度线，通常称通常称A A3 3线。线。 ESE

19、S线线 碳在碳在A A中中的固溶线，通常叫的固溶线，通常叫做做 A Acmcm线 。线 。 A A FeFe3 3C C。 3.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变铁碳合金在平衡状态下的相变 根据根据FeFeFeFe3 3C C相图，铁碳合金可分为三类：相图，铁碳合金可分为三类： 1)1)工业纯铁工业纯铁 wc 0.0218%0.0218% 2) 2)钢钢0.0218% 0.0218% wc 2.11% 2.11% 3) 3)白口铸铁白口铸铁2.11% 2.11% wc 6.69% 6.69% 工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F F），呈白色状。由于其强），呈白色状。由于其强度低、硬度低、不宜用作结构材料。度低、硬度低、不宜用作结构材料。1.1.共析钢共析钢 wc =0.77% =0.77%的平衡结晶过程的平衡结晶过程 共析钢的室温组织组成物全部是共析钢的室温组织组成物全部是P P，而组成相为，而组成相为F F和和FeFe3 3C C。 2.2.