工程材料 第三章 材料的凝固与结晶组织ppt课件

1、 第三章第三章 资料的凝固与结晶组织资料的凝固与结晶组织3.1 概述概述3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图3.4 铸态组织与冶金缺陷铸态组织与冶金缺陷1. 1. 纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，如何改善？如何改善？2. 2. 合金的结晶过程能否与纯金属的结晶过程合金的结晶过程能否与纯金属的结晶过程一样？一样？3. 3. 一样成分不同含量的合金的结晶过程能否一一样成分不同含量的合金的结晶过程能否一样？怎样表示？样？怎样表示？3.1 概概 述述一、凝固与结晶的概念一、凝固与结晶的概念1. 凝固：凝固：物质由液态转化为

2、固态的过程。物质由液态转化为固态的过程。2. 结晶：结晶：物质由一种原子陈列形状晶态或非晶态过渡为另一种物质由一种原子陈列形状晶态或非晶态过渡为另一种原子规那么陈列形状晶态的转变过程。原子规那么陈列形状晶态的转变过程。1一次结晶一次结晶 2二次结晶二次结晶二、晶态二、晶态1. 构造构造1晶态是原子在三维空间中有规那么地周期性反复陈列的物质。晶态是原子在三维空间中有规那么地周期性反复陈列的物质。2 非晶态是一种短程有序、长程无序的混合构造。非晶态是一种短程有序、长程无序的混合构造。非晶态硒构成结晶前凝固硒鼓静电成像、非晶态硒构成结晶前凝固硒鼓静电成像、图书馆、图书馆、 超市物品中用了非晶态软磁资

3、料条带传感器标签。超市物品中用了非晶态软磁资料条带传感器标签。3.1 概述概述二、晶态二、晶态2. 物理性能物理性能1 有各向异性；有各向异性；2 有固定的熔点；有固定的熔点；3 在一定条件下有规那么的几何外形。在一定条件下有规那么的几何外形。3.1 概述概述晶体有确定的熔点晶体有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线3.1 概述概述3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶一、结晶条件一、结晶条件二、结晶过程二、结晶过程三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制四、晶体的同素异构四、晶体的同素异构温度TTmTnT纯金属结晶时的冷却曲线一、结晶条件一、结晶条件时间 T = Tm - T

4、n Tm - 实际结晶温度实际结晶温度 Tn - 实践结晶温度实践结晶温度过冷度过冷度3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶一、结晶条件一、结晶条件自在能自在能GTTmTnGLGGS温度T纯金属在液态和固态的自在能纯金属在液态和固态的自在能-温度曲线温度曲线:3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶G 即结晶驱动力即结晶驱动力二、结晶过程二、结晶过程液态金属结晶是由形核和长大两个亲密联络的根本过程实现的。液态金属结晶是由形核和长大两个亲密联络的根本过程实现的。 3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶结晶过程视频结晶过程视频二、结晶过程二、结晶过程 1. 晶核的构成晶核的构成 1自发形核自发形核 2非自发形核非自发

5、形核3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶二、结晶过程二、结晶过程 2 . 晶体的长大晶体的长大1平面长大平面长大 2树枝状长大树枝状长大3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶结晶过程结晶过程flash演示演示 三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制晶粒的大小用晶粒度表示，晶粒度等级数值越大晶粒越细。晶粒的大小用晶粒度表示，晶粒度等级数值越大晶粒越细。 晶粒度等级晶粒度等级12345678单位面积晶粒数单位面积晶粒数/个个mm-2)16326412825651210242048晶粒平均直径晶粒平均直径/mm0.2500.1770.1250.0880.0620.0440.0310.0221. 晶粒度晶

6、粒度3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制晶粒的大小对金属性能的影响：晶粒的大小对金属性能的影响： 1常温下，晶粒越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。常温下，晶粒越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。2高温下任务的金属晶粒过于细小反而不好，晶粒大小适中即可。高温下任务的金属晶粒过于细小反而不好，晶粒大小适中即可。3对于用来制造电机和变压器的硅钢片来说，晶粒粗大反而好。对于用来制造电机和变压器的硅钢片来说，晶粒粗大反而好。 是由于晶粒越粗大，磁滞损耗小，效能就高。是由于晶粒越粗大，磁滞损耗小，效能就高。3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶细晶强化：

7、晶粒细化使金属力学性能提高的景象细晶强化：晶粒细化使金属力学性能提高的景象晶粒尺寸越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。1 1细晶强化：强、硬度细晶强化：强、硬度 塑、韧性塑、韧性2 2固溶强化：强、硬度固溶强化：强、硬度 塑、韧性塑、韧性3 3形变强化：强、硬度形变强化：强、硬度 塑、韧性塑、韧性4弥散强化：强、硬度 塑、韧性几种强化方式的比较：三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶GN过冷度过冷度T2. 晶粒大小的控制晶粒大小的控制 晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于形核率形核率 N、长大速度、长大速度G的的相对大小，即相对大小，即 的大小。的大小

8、。形核率形核率N长大速度长大速度G3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制控制晶粒大小的方法：控制晶粒大小的方法：1控制过冷度控制过冷度2蜕变处置蜕变处置3振动处置振动处置3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制四、晶体的同素异构四、晶体的同素异构 固态金属在不同温度和压力下呈不同类型的晶体构造的景象，称固态金属在不同温度和压力下呈不同类型的晶体构造的景象，称为同素异构转变。为同素异构转变。3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构性等元素都具有同素异构性3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与

9、相图一、合金相构造一、合金相构造二、二元合金相图二、二元合金相图一匀晶相图一匀晶相图二共晶相图二共晶相图三共析相图三共析相图合金：由金属元素与其他元素这些元素可以是合金：由金属元素与其他元素这些元素可以是金属元金属元素，也可以是非金属元素组成的有金属特征的素，也可以是非金属元素组成的有金属特征的金属材金属材料。料。金属与非金属组成的是不是一定就是合金？金属与非金属组成的是不是一定就是合金？Fe + CFe-C合金钢Fe3C (化合物3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相构造一、合金相构造3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图1. 合金合金 两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属

10、元两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成的具有金属特性的物质。素所组成的具有金属特性的物质。一、合金相构造一、合金相构造3. 相相 合金中具有同一化学成分、同一聚集形状、同一构造合金中具有同一化学成分、同一聚集形状、同一构造且以界面且以界面相互分开的各个均匀的组成部分。相互分开的各个均匀的组成部分。2. 组元组元 组成合金的最根本独立物质。组成合金的最根本独立物质。 4. 组织组织 用肉眼或显微镜所察看到的资料的内部微观形貌。用肉眼或显微镜所察看到的资料的内部微观形貌。合金中的根本相构造：固溶体和金属间化合物合金中的根本相构造：固溶体和金属间化合物A(B) AxBy组元：组成合金独

11、立的最根本单元。组元可以是组元：组成合金独立的最根本单元。组元可以是元元素或是稳定化合物。素或是稳定化合物。Fe-C合金Fe、C组元Fe、Fe3C组元鸡蛋鸡蛋水，蛋白质，脂肪，胆固醇水，蛋白质，脂肪，胆固醇3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相构造一、合金相构造相：具有一样构造，一样成分和性能也可以是相：具有一样构造，一样成分和性能也可以是延续变化的并以界面相互分开的均匀组成部分，延续变化的并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。如液相、固相是两个不同的相。 鸡蛋鸡蛋蛋白、蛋黄工业纯铁单相铁素体共析碳钢铁素体相、渗碳体相普通陶瓷晶相、玻璃相、气相3.3 合金的结

12、晶与相图合金的结晶与相图一、合金相构造一、合金相构造一固溶体一固溶体 溶质原子溶入金属溶剂中所组成的固态合金溶质原子溶入金属溶剂中所组成的固态合金1. 固溶体类型固溶体类型1按溶质在金属溶剂晶格中的位置按溶质在金属溶剂晶格中的位置2按溶质原子在金属溶剂中的溶解度按溶质原子在金属溶剂中的溶解度 有限固溶体、无限固溶体有限固溶体、无限固溶体置换固溶体置换固溶体 1Cr18Ni9Ti间隙固溶体间隙固溶体 铁素体、奥氏体铁素体、奥氏体3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相构造一、合金相构造2. 固溶体的性能固溶体的性能固溶强化固溶强化 由于外来原子溶质原子溶入溶剂基体中构成固由于外来原子溶

13、质原子溶入溶剂基体中构成固溶体溶体而其强度、硬度升高的景象。而其强度、硬度升高的景象。 溶质原子溶入溶质原子溶入 晶格畸变晶格畸变 位错运动阻力上升位错运动阻力上升 金属塑性变形困难金属塑性变形困难 强度、硬度升高。强度、硬度升高。 3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相构造一、合金相构造二金属间化合物二金属间化合物 合金的组元相互作用而构成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完合金的组元相互作用而构成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物，称为中间相。其熔点高、硬度高、脆性大。全不同于任一组元的化合物，称为中间相。其熔点高、硬度高、脆性大。1. 正常价化合物正

14、常价化合物2. 电子化合物电子化合物3. 间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相构造一、合金相构造 间隙相间隙相 VC 间隙化合物间隙化合物 Fe3C3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相构造一、合金相构造3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相构造一、合金相构造一匀晶相图一匀晶相图Cu-Ni、Cu-Ag、Au-Ag3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相图3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相图一匀晶相图一匀晶相图匀晶结晶有以下特点：匀晶结晶有以下特点： 1与纯

15、金属一样，与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树枝状长也包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树枝状长大。大。 2固溶体结晶是在一个温度区间内进展，即为一个变温结固溶体结晶是在一个温度区间内进展，即为一个变温结晶过程。晶过程。 3在两相区内，温度一定时，两相的成分即在两相区内，温度一定时，两相的成分即Ni含量是含量是确定的。确定的。 4在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。 5固溶体结晶时成分是变化的固溶体结晶时成分是变化的 成分偏析成分偏析,均匀化退

16、火。均匀化退火。 3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相图3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相图二共晶相图二共晶相图 E - 共晶点共晶点 AEB - 液相线液相线 ACENB - 固相线固相线 三个单相区三个单相区L、 三个两相区三个两相区L+、L+、+ 一条三相共存线一条三相共存线 L+, 程度线程度线CEN3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相图Pb - Sn共晶合金显微组织共晶合金显微组织问：焊锡的成份？问：焊锡的成份？3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相

17、图三共析相图三共析相图 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。共析产物比共晶产物细密得多。如珠光体为共析体。共析产物比共晶产物细密得多。如珠光体P。 3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相图 1+2 凝固后在铸造形状(或还要经过热处置)下运用的金属件称为铸件，凝固后还要阅历塑性变形的金属件称为铸锭。 3.4 铸态组织与冶金缺陷铸态组织与冶金缺陷一、典型三晶区组织一、典型三晶区组织 1 - 表层细晶区表层细晶区2 - 柱状晶区柱状晶区 3 - 中心等轴晶区中心等轴晶区铸锭组

18、织表示图铸锭组织表示图3.4 铸态组织与冶金缺陷铸态组织与冶金缺陷柱状晶粒区柱状晶粒区1分枝少，晶质细密；分枝少，晶质细密；2晶粒粗大，各向异性，横向性能差；晶粒粗大，各向异性，横向性能差；3柱状晶交界处有夹杂和气体，热加工时易开柱状晶交界处有夹杂和气体，热加工时易开裂。裂。获得：大的温度梯度，单向散热，定向凝固。获得：大的温度梯度，单向散热，定向凝固。3.4 铸态组织与冶金缺陷铸态组织与冶金缺陷一、典型三晶区组织一、典型三晶区组织 等轴晶粒区等轴晶粒区1晶界面积大，杂质分布分散；晶界面积大，杂质分布分散；2各晶粒位向不同，性能均匀，没有方向性；各晶粒位向不同，性能均匀，没有方向性；3枝晶彼此嵌人，没有脆弱面。枝晶彼此嵌人，没有脆弱面。4缺陷是枝晶兴隆，树枝晶间液相凝固收缩留缺陷是枝晶兴隆，树枝晶间液相凝固收缩留下