第四章 材料成形凝固与二元合金相图

1、红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料第四章材料的成形凝固与二元合金相图第四章材料的成形凝固与二元合金相图4.14.1金属的结晶金属的结晶4.24.2二元合金相图与合金的结晶二元合金相图与合金的结晶红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料 凝固：凝固：物质由液物质由液态转变为固态的态转变为固态的过程。过程。 结晶：结晶：物质由液物质由液态转变为晶态的态转变为晶态的过程。过程。 相变：相变：物质由一物质由一个相转变为另一个相转变为另一个相的过程。个相的过程。 因而结晶过程是因而结晶过程是相变过程。相变过程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料 4.14.1金属的结晶

2、金属的结晶一、金属结晶的条件一、金属结晶的条件结晶（或称一次结晶）结晶（或称一次结晶） ：金属由液态转变成固态的过程。金属由液态转变成固态的过程。二次结晶或重结晶：二次结晶或重结晶：金属从一种固体晶态转变为另一种固金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程。体晶态的过程。冷却曲线：冷却曲线：将温度随时间变化的关系绘制成的曲线。将温度随时间变化的关系绘制成的曲线。过冷：实际结晶温度比理论结晶温度略低一些的现象。过冷：实际结晶温度比理论结晶温度略低一些的现象。过冷度：理论结晶温度过冷度：理论结晶温度T T0 0与实际结晶温度与实际结晶温度T Tn n之差。用之差。用 T T 表示。表示。 即：即

3、： T= TT= T0 0TTn n冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度也就越大。冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度也就越大。 红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料曲线上水平阶曲线上水平阶段是由于结晶段是由于结晶时放出结晶潜时放出结晶潜热引起的。热引起的。金属的冷却曲线金属的冷却曲线红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料1 1、晶核的形成、晶核的形成 液态金属结晶是由液态金属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。 自发形核（均匀形核）：从液态内部由金属本身原自发形核（均匀形核）：从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程

4、。子自发长出结晶核心的过程。非自发形核（非均匀形核）：依附于杂质而生成晶非自发形核（非均匀形核）：依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核。核的过程叫做非自发形核。二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料 晶核的形成方式晶核的形成方式 形核有两种方式，即形核有两种方式，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均匀形由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。形核。非均匀形核更为普遍。均匀形核均匀形核非均匀

5、形核示意图非均匀形核示意图红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料2 2、晶核的长大、晶核的长大平面长大（均匀长大）平面长大（均匀长大）。在冷却速度较小的情况下，纯金。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。树枝状长大树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶。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，形成负温度梯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大。度，这时金属晶体往往以树枝状的形状长大。 图图4-1 4-1 金属结晶示意图

6、金属结晶示意图红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料均匀长大均匀长大树枝状长大树枝状长大红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料 在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。推进。正温度梯度正温度梯度红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料树枝状结晶树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料三、晶粒大小控制三、晶粒大小控制 1 1、晶粒度、晶粒度2 2、晶粒大小对金属性能的影响晶粒大小对金属性能的影响 晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的指标，可用是表示晶粒大小的

7、指标，可用晶粒的平均面积或平晶粒的平均面积或平均直径来表示均直径来表示。工业上通常采用晶粒度等级来表示晶粒大小。工业上通常采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度分为标准晶粒度分为八八级，一级最粗，八级最细。级，一级最粗，八级最细。 图图3-23-2是退火态是退火态70703030黄铜的硬黄铜的硬度与晶粒尺寸的关系。从图中可度与晶粒尺寸的关系。从图中可以看出，晶粒大小对硬度影响很以看出，晶粒大小对硬度影响很大，晶粒越细，硬度越高大，晶粒越细，硬度越高 图图3-23-2黄铜晶粒尺寸与硬度的关系黄铜晶粒尺寸与硬度的关系总之，总之，晶粒愈小晶粒愈小，其强度、塑性、其强度、塑性、韧性愈高。韧性愈高。红

8、河学院红河学院机械工程材料机械工程材料3 3、晶粒大小的控制、晶粒大小的控制 决定晶粒度的因素决定晶粒度的因素 控制晶粒大小的方法控制晶粒大小的方法 形核率（形核率（N N）：）：单位时间单位体单位时间单位体积内形成晶核的数目积内形成晶核的数目。长大速度（长大速度（G G） ：晶核在单位晶核在单位时间内生长的长度时间内生长的长度。其比值其比值N/GN/G越大，晶粒越细越大，晶粒越细小小。 1 1）控制过冷度）控制过冷度2 2）变质处理）变质处理（孕育处理）（孕育处理）3 3）振动、搅拌等方法）振动、搅拌等方法红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料四、同素异构转变四、同素异构转变 同素异构转变

9、同素异构转变：金属在固态：金属在固态下随温度的改变，由一种晶下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。格转变为另一种晶格的现象。图图4-44-4纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变 如：钛、锡、钴、锰等金如：钛、锡、钴、锰等金属也存在同素异构转变。属也存在同素异构转变。 红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料4.24.2二元合金相图与合金的结晶二元合金相图与合金的结晶1 1、二元合金相图的建立、二元合金相图的建立 相图：相图：表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为的一种简明示图，也称为平衡图平衡图或或状态

10、图。状态图。平衡平衡：指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和：指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到的一种状态。质量分数不再变化所达到的一种状态。 合金相图（合金状态图或合金平衡相图）：合金相图（合金状态图或合金平衡相图）：表示在平衡条件下，表示在平衡条件下，合金的成分、温度、合金相之间的关系图解。合金的成分、温度、合金相之间的关系图解。 二元合金相图二元合金相图：用一个以温度轴为纵坐标、合金成分为横：用一个以温度轴为纵坐标、合金成分为横坐标的平面图形。坐标的平面图形。 红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料现以现以CuCuNiNi二元合金相图为例，

11、说明用热分析实验法二元合金相图为例，说明用热分析实验法建立相图的基本过程。如图建立相图的基本过程。如图3 35 5所示。其中所示。其中b)b)图为冷图为冷却曲线。却曲线。 配制一系列不同成分的配制一系列不同成分的CuCuNiNi合金，如表合金，如表3 33 3所列所列 表表336组不同的组不同的CuNi合金合金序号123456合金成分Cu100806040200Ni020406080100红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料时间a）Cu-Ni合金冷却曲线温度b)Cu-Ni合金相图100图35测定Cu-Ni合金相图Ni/20406080NiCu0100Cu80Cu60Cu40Cu20Cu10

12、0NiAL测定它们的冷却曲线测定它们的冷却曲线（如图（如图3 36a6a），正确标明各相），正确标明各相变点。变点。将冷却曲线上各将冷却曲线上各相变点相变点投影到温度投影到温度成分坐标图中成分坐标图中相应的合金成分线上相应的合金成分线上，将意义相同的点连接起来就构，将意义相同的点连接起来就构成了成了CuCuNiNi二元合金相图，如图二元合金相图，如图3 36b6b所示。所示。 红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依

13、据。热加工及热处理工艺的重要依据。 根据组元数根据组元数, , 分为二元相图、三元相图和多分为二元相图、三元相图和多元相图。元相图。Fe-C二元相图二元相图三元相图三元相图红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料2 2、二元匀晶相图、二元匀晶相图相图分析相图分析定义：定义：凡两组元在液态、固态均能以任何比例互溶，形成无限凡两组元在液态、固态均能以任何比例互溶，形成无限固溶体的相图。固溶体的相图。 CuNiCuNi相图为典型的匀晶相相图为典型的匀晶相图。图。A A点点：纯：纯CuCu的熔点。的熔点。B B点点：纯：纯NiNi的熔点。的熔点。AlAl1 1B B为液相线为液相线AaAa1 1B B

14、为固相线为固相线图中有图中有两个单相区两个单相区和一个和一个双双相区相区（L+L+相区）。相区）。以以点成分的点成分的CuNiCuNi合金（合金（NiNi的质量分数为的质量分数为b%b%）为例分析结晶过程。）为例分析结晶过程。红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料固溶体合金的结晶过程固溶体合金的结晶过程 以含以含NiNi为为X X的合金为例，从高温液态缓慢冷却到室温的结晶过程如图的合金为例，从高温液态缓慢冷却到室温的结晶过程如图4 46b6b、c c所示。所示。 LA0C uN i7 62 5 N i / 1 0 0时 间1 0 8 3 1 4 5 2 XX aX babCa1a1b1b2b

15、2a2aCb温度LLL mLm图 2 1 0 C u - N i 合 金 相 图 屿 冷 却 曲 线 c ) X 合 金 的 冷 却 曲 线b ) C u - N i 合 金 相 图a ) 杠 杆 定 律 的 力 学 比 喻图图4 46 6Cu-NiCu-Ni合金相图与冷却曲线合金相图与冷却曲线红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料两相区内某一温度下平衡的两个相（液相两相区内某一温度下平衡的两个相（液相L L固相固相），它们），它们的相对量可用杠杆定律求出，如图的相对量可用杠杆定律求出，如图4 47a7a所示。设合金总重为所示。设合金总重为m m、液相重为液相重为 、固相重为、固相重为 ，则

16、：，则： LmmmmmLXmXmXmbaL)()(XXmXXmbaLacXXabcXXbbcmacmLabbcmmL100abacmm100从而可得从而可得: : 它只它只适用于适用于两个平衡相的相对重量的计算。两个平衡相的相对重量的计算。 红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，在杠杆定律中，杠

17、杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。成物）的成分。 杠杆定律只适用于两相区。杠杆定律只适用于两相区。 例例（如图）（如图）%5 .61%10045. 058. 045. 053. 0Q%5 .38%10045. 058. 053. 058. 0 LQ红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料匀晶结晶特点：匀晶结晶特点： 1 1）与纯金属一样，）与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有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大。生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树

18、枝状长大。 2 2）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。 3 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NiNi含量）是确定的。含量）是确定的。 4 4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的，如在温度）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的，如在温度T T1 1时，时，两相的质量比可用下式表达：两相的质量比可用下式表达： 式中，式中，m mL L为相的质量；为相的质量；m m为为相的质量；相的质量；bcbc、acac为线段长度，可用其横坐标为线段长度，可用其横坐标

19、上的数字来度量。由杠杆定律可算出在上的数字来度量。由杠杆定律可算出在T T1 1时液相和固相在合金中的质量分数：时液相和固相在合金中的质量分数： acbcmmLabacmmabbcLmmL%，5)5)产生枝晶偏析产生枝晶偏析 定义：定义：结晶后的成分不均匀保留在枝晶中。结晶后的成分不均匀保留在枝晶中。红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料枝晶偏析枝晶偏析 合金的结晶只有在缓慢冷却合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴扩散，使先结晶出的枝晶轴

20、含有较多的高熔点元素（如含有较多的高熔点元素（如Cu-NiCu-Ni合金中的合金中的NiNi）, , 后结晶后结晶的枝晶间含有较多的低熔点的枝晶间含有较多的低熔点元素元素( (如如Cu-NiCu-Ni合金中的合金中的Cu)Cu)。红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料 在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。象称作枝晶偏析。 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 枝晶偏析会影响合金的力学、

21、耐蚀、加工等性能。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。l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100-200100-200长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退扩散退火火。红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料Cu-NiCu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏合金的平衡组织与枝晶偏析组织析组织平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料3 3、二元共晶相图、二元共晶相图 定义：定义：两组元在液态下互溶，但在固态下这两种组元可

22、互不溶两组元在液态下互溶，但在固态下这两种组元可互不溶解或能部分溶解，形成两种不同固相并发生共晶转变的相图。解或能部分溶解，形成两种不同固相并发生共晶转变的相图。共晶转变：共晶转变：具有一定成分的液态合金，在一定温度下，同时结具有一定成分的液态合金，在一定温度下，同时结晶出两种不同成分、结构固相的转变。其转变产物为共晶组织晶出两种不同成分、结构固相的转变。其转变产物为共晶组织称共晶体。称共晶体。固相1固相2一定成分液相一定的加热温度一定的冷却温度红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料相图分析相图分析图图3-73-7为为PbSnPbSn合金相图合金相图。AEBAEB：液相线：液相线ACENBA

23、CENB：固相线固相线MFMF线：线：SnSn在在PbPb中溶解度线中溶解度线NCNC线：线：PbPb在在SnSn中溶解度线中溶解度线 三个单相区：三个单相区：（L L、）NCEL恒温图图3-7 PbSn3-7 PbSn合金相图合金相图三个两相区：三个两相区：（L+L+、L+L+、+）水平线：水平线：三相三相L+L+共存线，共晶反应线共存线，共晶反应线E E点：点：共晶点，发生共晶反应温度称为共晶共晶点，发生共晶反应温度称为共晶温度即温度即183183。 红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料 共晶反应的产物，即两共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生

24、共体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。晶成分的点称共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料 具有共晶成分的合金称具有共晶成分的合金称共晶合金共晶合金。在共晶线上，凡。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金亚共晶合金，位于共，位于共 晶点以右的合晶点以右的合金称金称过共晶合过共晶合金。金。l凡具有共晶线凡具有共晶线成分的合金液成分的合金液体冷却到共晶体冷却到共晶温度时都

25、将发温度时都将发生共晶反应。生共晶反应。L+L+ C CD DA AB B红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料典型合金结晶过程典型合金结晶过程 1 1）合金）合金I I的平衡结晶过程分析的平衡结晶过程分析共晶合金：共晶合金：对应于共晶点成分的合金（如图对应于共晶点成分的合金（如图3 38 8中合金中合金IIII）。）。亚共晶合金：亚共晶合金：成分位于共晶点以左，成分位于共晶点以左，M M点以右的合金（如图点以右的合金（如图3 38 8中合金中合金IIIIII）。）。过共晶合金：过共晶合金：成分位于共晶点以右，成分位于共晶点以右，N N点以左的合金（如图点以左的合金（如图3 38 8中合金中

26、合金IVIV）。）。端部固溶体合金：成分位于端部固溶体合金：成分位于M M点以左或点以左或N N点以右的合金（如图点以右的合金（如图3 38 8中合金中合金I I）。）。 结晶转变过程：结晶转变过程： IILL433221结晶示意图如图结晶示意图如图3 38 8所示：所示： 图图3 38 8合金合金I I结晶过程示意图结晶过程示意图运用杠杆定律，两相的质运用杠杆定律，两相的质量分数为：量分数为： %1001FGGb%1001FGFbII合金合金I I室温组织由室温组织由和和组成。组成。红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料2 2）合金）合金IIII（共晶体）结晶过程分析（共晶体）结晶过程分析

27、 结晶转变过程：结晶转变过程： NMtEL)2( 点结晶示意图如图结晶示意图如图3 39 9所示：所示： 图图3 39 9合金合金IIII结晶过程示意图结晶过程示意图合金合金IIII的室温组织为的室温组织为（）。 图图3 31010共晶合金组织的形态共晶合金组织的形态红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料3 3）合金）合金IIIIII（亚共晶合金）结晶过程分析（亚共晶合金）结晶过程分析 结晶转变过程：结晶转变过程： IILL)(3221结晶示意图如图结晶示意图如图310所示：所示： 图图311合金合金III结晶过程示意图结晶过程示意图匀晶转变是液相和固相匀晶转变是液相和固相的质量分数，可的质

28、量分数，可用杠杆定律用杠杆定律计算，即：计算，即： %1002MEMbL100%2MEEb合金的室温组织为初生合金的室温组织为初生+(+) +(+) ，合金的组成相为合金的组成相为和和。红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料4 4）合金）合金IVIV（过共晶合金）结晶过程分析（过共晶合金）结晶过程分析 结晶转变过程：结晶转变过程： IILL)(3221结晶示意图如图结晶示意图如图3 31111所示：所示： 图图3 31212过共结晶合金过程示意图过共结晶合金过程示意图最终室温组织为最终室温组织为（）。）。 II红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图

29、上的标注 组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。l 和和 , , 和和 , ,共晶体共晶体( ( + + ) )都是组都是组织组成物。织组成物。l相与相之间相与相之间的差别主要的差别主要在结构和成在结构和成分上。分上。红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料 组织组成物之间的差别主要在形态上。如组织组成物之间的差别主要在形态上。如 、 和共晶和共晶 的结构成分相同，属同一个相，的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。 将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。织与显微镜下观察到的组织一致。Pb-SnPb-Sn亚共晶组织亚共晶组织红河学院红河学院机械工程材料机械工程材料4 4、共析相图、共析相图 共析相图与共晶相图很相似，但有所共析相图与共晶相图很相似，但有所差异。差异。共析转变：共析转变：恒温下，一种固相同时析恒温下，一种固相同时析出两种不同成分的固相的反应。如图出两种不同成