第三章金属与合金的结晶

1、 第三章第三章 金属与合金的结晶金属与合金的结晶教教 学学 要要 求求主主 要要 内内 容容本本 章章 重重 点点本本 章章 小小 结结习习 题题 机械制造基础 第三章 教 学 要 求 通过学习，学生应熟悉纯金属和合金的结晶过程及其组织特点。 机械制造基础 第三章 主 要 内 容 第一节 纯金属的结晶 第二节 合金的结晶 机械制造基础 第三章 本 章 重 点 二元合金相图的基本知识; 二元合金的结晶过程。 机械制造基础 第三章 第三章 金属与合金的结晶 金属与合金从液态到固态的转变过程，是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程，这一过程称为结晶。 金属材料结晶后形成

2、的组织 (铸态组织) 对金属材料的铸态性能及经过各种加工后的性能都有影响。 研究金属和合金的结晶过程及规律，对探索改善金属材料的组织和性能具有重要的意义。 机械制造基础 第三章 第一节 纯金属的结晶 一、一、纯金属的冷却曲线和过冷现象纯金属的冷却曲线和过冷现象 将纯金属加热熔化成液体，然后让液态金属缓慢冷却下来，并在冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，然后将记录下来的数据绘制在温度时间坐标中，这样便获得如图3-1所示的冷却曲线。 机械制造基础 第三章 冷却曲线分析：冷却曲线分析： 1、冷却曲线出现平台的原因，是由于金属 结晶过程中会释放出结晶潜热，补偿了向外界散失的热量，使温度不随冷却时间的

3、增长而下降，直到金属结晶终了后，温度又重新下降。 2、在实际生产中，金属的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度的差值，称为过冷度，用T表示，即T = T0 - T1。 实践证明，金属总是在一定的过冷度下结晶的，所以过冷是金属结晶的必要条件。 机械制造基础 第三章 二、纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程 1 1、形核形核 当液态金属冷却到接近理论结晶温度时，形成一批类似于晶体中原子有规则排列的小集团。这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当温度下降到低于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就稳定下来，成为结晶核心。这种最先形成的、作为结晶核

4、心的微小晶体称为晶核。晶核的形成过程称为形核。晶核的形成有两种方式：自发形核和非自发形核。 机械制造基础 第三章 2、长大 随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，同时液态金属中又会不断地形成新的晶核并不断长大，直到液态金属全部消失，晶体彼此产接触为止，如图3-2所示。 结晶时每一个晶核长成的晶体就是一个晶粒。固态金属是由许多晶核长大并形成晶粒后嵌镶为一体而组成的多晶体。 晶粒是构成金属晶体晶粒是构成金属晶体的最小单位，的最小单位，晶粒与晶粒晶粒与晶粒之间的接触面叫晶界。之间的接触面叫晶界。 晶界处比晶粒内部凝固的晚，故金属中的低熔点杂质往往聚集在晶界上，从而使晶界处的性能不同于晶粒内部。 机械

5、制造基础 第三章 三、金属结晶后的晶粒大小金属结晶后的晶粒大小晶粒大小是金属组织的重要标志之一。金属晶粒大小的表示方法： 1、用单位体积内的晶粒数目来表示，数目越多，晶粒越细小。 2、以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。工业生产中细化晶粒的方法：工业生产中细化晶粒的方法： 1、增加过冷度 液态金属结晶时的形核率 N、长大速率 G与过冷度T 之间的关系如教材中图3-3所示。 机械制造基础 第三章 增加过冷度，就是要提高金属凝固时的冷却速度。但在实际生产中，对于大铸锭、大铸件，过高的冷却速度往往导致铸件产生裂纹而报废。因此，对于大型铸

6、件则需要用其它方法来细化晶粒。 2、变质处理 在液态金属结晶前加入一些细小的难熔质点（变质剂），以增加形核率或降低长大速率，从而细化晶粒的方法，称为变质处理。 例如，往铝液中加钛、硼；往钢水中加入钛、锆、铝等；往铸铁水中加入硅铁、硅钙合金，都能使晶粒细化，从而提高金属的力学性能。 3、附加振动 金属结晶时，对金属液附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎，而破碎的枝晶尖端又可起晶核作用，增加了形核率N，达到细化晶粒的目的。 机械制造基础 第三章 四、金属的同素异构转变金属的同素异构转变 金属在固态下随温度的改变，金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶由一种晶

7、格类型转变为另一种晶格类型的变化，称为金属的同素格类型的变化，称为金属的同素异构转变。异构转变。图3-4为纯铁的冷却曲线，它表示了纯铁的结晶和同素异构转变的过程。 由于纯铁能够发生同素异构转变，生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织和性能。 机械制造基础 第三章 金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程相似，实质上是一个重结晶过程。它遵循液态金属结晶的一般规律。金属的同素异构转变的特点： 1、由于同素异构转变是在固态下发生的，原子扩散比在液态中困难得多，这使同素异构转变具有较大的过冷度； 2、由于转变时晶体结构的致密度改变引起晶体体积的变化,从而产生较大的内应力。 金属的同素异

8、构转变是钢在淬火时引起应力、导致工件变形和开裂的重要因素。 机械制造基础 第三章 第二节 合金的结晶 合金与纯金属结晶时的不同点：1、合金的结晶不一定在恒温下进行；2、合金在不同的温度范围内会存有不同数量的相，且各相的 成分有时也会变化；3、同一合金系，因成分不同，其组织也不同，即便是同一成 分的合金，其组织也会随温度的不同而发生变化。一、二元合金相图的基本知识一、二元合金相图的基本知识合金相图在平衡条件下，合金的成分、温度与组织之间关系的简明图表，又称为合金平衡图或合金状态图。 合金相图的用途：a、研究合金的组织形成和变化规律的有效工具；b、作为制定冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依

9、据。 机械制造基础 第三章 用热分析法建立Cu-Ni二元合金相图的方法和步骤：(1) 配制一系列成分不同的Cu-Ni合金。配制的合金越多，测得的相图越准确，我们选定六种不同成分的Cu-Ni合金，见表3-1。表3-1 Cu-Ni 合金的成分和临界点 合金编号 合 金 化 学 成 分 合 金 的 临 界 点 Cu 100Ni 100开始结晶温度 / C结晶终了温度 / C100010831083802011751130604012601195406013401270208014101360010014551455 机械制造基础 第三章 (2)用热分析法测出所配合金的冷却曲线，如图3 - 5a所示。

10、(3) 由冷却曲线上的折点与水平线段找出各合金的临界点(合金的结晶开始及终了温度) ，见表3-1所列。(4)将以上找出的临界点画到以温度为纵坐标、合金成分为横坐标的坐标图中相应合金的成分线上，然后连接各相同意义的临界点，所得的线称为相界线。这样就获得了Cu-Ni合金相图，如图3-5b所示。图3-5 用热分析法测定Cu-Ni合金相图a)冷却曲线 b)相图 机械制造基础 第三章 二、二元合金的结晶过程(一) 二元匀晶相图凡是两组元在液态和固态下均能无限互溶，即在固态下能形成无限固溶体时，此二元合金相图属于匀晶相图。具有这类相图的合金系有Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr、W-Mo等。1

11、、相图分析图3-6a所示为Cu-Ni合金相图。 机械制造基础 第三章 2、合金的结晶过程分析 铜和镍二组元在固态下能完全互相溶解，并能以任何比例形成单相固溶体。 现以wNi= 40的Cu-Ni合金为例，分析其平衡结晶过程及其组织，如图3-6b所示。 机械制造基础 第三章 3枝晶偏析 在实际生产中，冷却速度比较快，而且固态下原子扩散又很困难，致使固溶体内部的原子扩散来不及充分进行，结果在每个晶粒内，先结晶的固溶体含高熔点组元 (如Cu-Ni合金中的Ni) 较多，后结晶的固溶体内含低熔点组元 (如Cu-Ni合金中的Cu) 较多。这种在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，叫枝晶偏析。枝晶偏析会严重影响

12、合金的力学性能和耐蚀性，故应设法消除消除枝晶偏析的方法： 将铸件加热到固相线以下100200的温度，保温较长时间，然后缓慢冷却，使原子充分扩散，从而达到成分均匀的目的。这种处理方法称为均匀化退火。 机械制造基础 第三章 (二) 二元共晶相图 共晶转变指一定成分的液相在一定的温度下，同时结晶出两种不同固相的转变。 由共晶转变获得的两相混合物称为共晶组织或共晶体。 二元共晶相图凡是二元合金中两组元在液态无限互溶，在固态下有限溶解，并发生共晶转变的相图属于共晶相图。 具有这类相图的合金系有Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Zn-Sn、Cu-Ag等。 下面以Pb-Sn合金相图为例进行分析。 机械制造

13、基础 第三章 1相图分析 A点Pb的熔点 ( 327.5 ) ； B点Sn的熔点 ( 231.9 ) ； AEB线液相线； AMENB线固相线； 相是Sn溶于Pb中形成的有限固溶体，MF线为Sn在Pb中的溶解度曲线； 相是Pb溶于Sn中形成的有限固溶体，NG线是Pb在Sn中的溶解度曲线。MEN线为三相平衡线，又称共晶线。共晶温度为183，在该温度下，E点成分的液相同时结晶出两种不同的固相M和N 。 机械制造基础 第三章 E 点称为共晶点，温度为183，Sn 的含量为61. .9，成分在E 点的合金称为共晶合金，E 点对应的温度称为共晶温度。成分在 ME 之间的合金称为亚共晶合金，成分在 EN

14、之间的合金称为过共晶合金。 2典型合金的结晶过程分析 (1)sn 19的合金( 如图3-7a中的合金I)。合金I冷却到1点时结晶出固溶体，直到温度降低到2点时，全部转变为单相固溶体。温度在2点至3点之间，固溶体不发生任何变化。 机械制造基础 第三章 当温度冷却到3点以下时,多余的Sn就以固溶体的形式从固溶体中析出，这种由固溶体中析出的固溶体，称为次生固溶体，用表示。该合金的最后平衡组织为+ 。 (2) 共晶合金 (sn = 61. .9，图3-7a中的合金) 。该合金冷却到183时，同时结晶出和两种固溶体，即发生共晶转变，直到液相完全消失。继续冷却时，从和中将分别析出和 。由于数量较少，不改变

15、共晶组织的基本形貌，室温织织仍可视为 + 。该合金的结晶过程如图3-9所示。 机械制造基础 第三章 (3) 亚共晶合金 (19Sn61. .9) 。如图3-7a中的合金。当合金冷却到1点温度时，开始从液相中结晶出固溶体。温度在12点之间，温度的降低，固溶体的量不断增多，其成分不断沿AM 线变化；剩余液相的量不断减少，其成分不断沿AE线变化。温度降到2点时，剩余液相的成分达到共晶点成分，在共晶温度 (183) 下发生共晶转变，同时结晶出+共晶体，直到液相全部消失为止。 所有Pb-Sn亚共晶合金的结晶过程与合金相似，其显微组织均由初晶、次生和共晶体 + 组成。所不同的是，合金成分越接近共晶成分，组

16、织中共晶体 + 的量越多，而初晶的量越少。 (4) 过共晶合金(61. .9Sn 97. .5)。过共晶合金的平衡结晶过程及组织与亚共晶成分的合金相类似，所不同的是先结晶出来的固相是固溶体，结晶后的显微组织为初晶、次生 和共晶体 + 组成。 机械制造基础 第三章 小小 结结 过冷是金属结晶的必要条件，金属的结晶过程包括形核和长大两个阶段。冷却速度越快，过冷度越大，晶核的数量越多，晶粒越细小，金属的力学性能越高。 同素异晶转变是金属的一个重要性能。凡是具有同素异晶转变的金属及其合金，都可以用热处理的方法改变其性能。 枝晶偏析严重影响了合金的力学性能和耐蚀性，可采用加热并保温的方法予以消除。 合金相图又称为合金平衡图或合金状态图。利用合金相图, 可以了解不同成分的合金在不同温度时的组织状态，以及当温度改变时可能发生的转变，是制订金属冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的理论基础。 机械制造基础 第三章 机械制造基础 第三章习 题3-1 解释下列名词 结晶 过冷现象 过冷度 变质处理 晶核 同素异晶转变 枝晶偏析 共晶转变