材料的凝固及结晶

1、第三章 材料的凝固与结晶第一节凝固的概念 第二节 金属的结晶和铸锭 第三节 合金的结晶过程 第一节 凝固的概念 目的要求：通过讲授晶体与非晶体的凝固，使学生掌握物质从液态转变为固态 所遵循的基本规律授课内容：一， 晶体的结晶二， 非晶体的结晶重点：晶体结晶时过冷现象及热力学条件 难点：晶体与非晶体凝固的不同点 教学方法：课堂讲授并结合多媒体演示 讲授重点内容提要一， 晶体的凝固 物质从液态到固态的转变过程统称为凝固，如果通过凝固能形成晶体结构， 则可称为晶体凡纯元素（金属或非金属）的结晶都具有一个严格的平 衡结晶温度（即理论结晶温度T 0）,高于此温度（即实际结晶温度T 1）才能 进行结晶；两

2、者之差= T 0 -T 1称为过冷度，处于平衡结晶温度时，液体 与晶体同时共存，达到可逆平衡为什么纯元素的结晶都具有一个严格不变的平衡结晶温度呢？这是因为它们的 液体与晶体之间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故这一能量叫做自由 能（F）.同一物质的液体与晶体，由于其结构不同，它们在不同温度下的自由 能变化是不同的 ,如图 3-1 所示由此可见，要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论温度，造成液体与晶 体间的自由能差：（AF二F液一F晶），即具有一定的结晶驱动力才行. 二：非晶体的凝固 若凝固后的物质不是晶体，而是非晶体，那就不能称之为结晶，只能称为凝固. 非晶体的凝固与晶体的晶体，都是由液体

3、转化为固体，但本质上又有区别.非 晶体的凝固实质上是靠熔体粘滞系数连续加大完成，即非晶体固态可看作粘滞 系数很大的熔体，需在一个温度范围内逐渐完成凝固.第二节金属的结晶和铸锭目的要求 :通过讲授金属的结晶过程授课内容 :一:金属的结晶过程 二:金属结晶后的晶粒大小 1:晶粒大小与性能的关系 2:晶粒大小的控制 三:金属铸锭组织 1:表面细晶粒层 2;柱状晶粒层 3:中心等轴晶 重点:凝固的概念 ,金属结晶的铸锭 . 难点 :对结晶热力学条件的理解 ,金属的铸锭组织 讲授重点内容提要 :一:金属的结晶过程 纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经历的这段时间内发生的.它是不断形成晶核和晶核不断长大

4、的过程 ,如图 3-3 所示 .（P38 页） 二:金属结晶后的晶粒大小 .1:晶粒大小与性能的关系 . 金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体 ,而晶粒的大小是金属组织的重要标 志之一 .一般情况下 ,晶粒愈细小 ,金属的强度就愈高 ,塑性和韧性也愈好 .表 3-1 （ P39 页）说明晶粒大小对纯铁机械性能的影响 .2:晶粒大小的控制金属结晶后单位体积中晶粒数目 乙取决于结晶时的形核率N（晶核形核数目/S m m2 ）与晶核生长速率G（mm/s）,它们存在着以下的关系:Z*vN/G,由上可知，当 晶粒生长速率 G 一定时,晶核形核率 N 愈大,晶粒数目就愈多 ,反之则愈细 .1）: 增大过冷度

5、 :金属结晶时的冷却速度愈大，其过冷度便愈大，不同过冷度 T对晶核形核率N 和生长速率 G 的影响,如图 3-6 所示.2）:变质处理 :在液态金属结晶前 ,加入一些细小的变质剂 ,使金属结晶时的晶核形核率 N 增加或生长速率 G 降低 ,这种细化晶粒的方法 ,称为变质处理 .:附加振动 :金属结晶时 ,如对液态金属附加机械振动 .超声波振动 .电磁振动等措施 ,由于 振动能使液态金属在铸模中运动加速 ,造成枝晶破碎 ,这就不仅可以使已长成的 晶粒因破碎而细化 ,而且破碎的枝晶可以作为晶核 ,增加形核率 N. 所以,附加振动 也能使晶粒细化 .三 :金属的铸锭组织 . 典型的金属的铸锭组织有三

6、个区域组成：表面细晶粒区；柱状晶区；中心 等轴晶区。1: 表面细晶粒层 :表面细晶粒的形成主要是因为钢液刚浇入铸模后,由于模壁温度较低 ,表面金属遭到剧烈的冷却 ,造成了较大的冷却所致 ,此外 ,模壁的人工晶核作用也是这 层晶粒细化的原因之一 .2:柱状晶粒层 : 柱状晶粒的形成主要是因为铸锭模壁散热的影响 .3:中心等轴晶粒 随着柱状晶粒成长到一定程度 ,铸锭中心部的剩余液体温度差也愈来愈小 , 趋于均匀冷却的状态 ;同时由于一些未熔杂志推移至铸锭中心 ,或将柱状晶的枝 晶分枝冲断 ,漂移到铸锭中心 ,它们都可以成为剩余液体的晶核 ,这些晶核由于在 不同方向上的成长速度相同 ,因而便形成较粗

7、大的等轴晶粒区 .第三节合金的结晶过程目的要求 :通过讲授二元相图使学生掌握二元相图的基本类型与相图的分析 . 授课内容 :一:二元合金相图的建立1:相图的意义及几个名词的解释2:二元相图的建立二:二元匀晶相图1:相图分析2:合金的结晶过程3:二元相图的杠杆定律三:二元共晶相图1:相图分析2:合金结晶过程3:比重偏析四:二元包晶相图1:相图分析2:合金的结晶过程 五:形成稳定化合物的二元合金相图 六:具有共析反应的二元合金相图 七:合金的性能与相图间的关系 重点:二元相图 ,合金性能与二元相图的关系 难点 :二元相图的识别与分析 讲授重点内容提要 : 一:二元相图的建立 1:相图的定义及几个名

8、词的解释:组元:通常把组成合金的最简单 .最基本 .能够独立存在的物质称为组元 .:合金系 :由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金 称为合金系 .:相图 :用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图,有城状态图或平衡图 ,相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的,都是接近平衡状态的组织 .2:二元相图的建立以 Pb-Sn 合金系为例 ,说明用热分析实验方法测定相图的过程 (. 图 3 9，42 页):配制一系列不同成分的 Pb-Sn 合金 .配制的合金数目愈多 ,合金成分的间隔愈小 ,测绘出来的合金相图就愈精确 .:在非常缓慢冷却条件下 ,测定这些合金从

9、液态到固态在平衡结晶过程中的冷却 曲线 ,如图 3-10 所示.:如图 3-10 所示:找出各合金冷却曲线上的临界点 ,并将它们标注在成分 - 温度 坐标系.:将各成分线上具有相同意义的点连接成线 ,并根据已知条件和实际分析结果写 上数字 .字母和各区所存在的像或组织名称 ,就得到一个完整的二元合金相图 (. 图 310 ，43 页) 二:二元匀晶相图当两组元在液态和固态均无限互溶时所构成的相图,称为二元匀晶相图 ,具有这类相图的合金系主要有 :Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Ni 及 W-Mo 等 . 1:相图分析图 3-11(a) 为 Cu-Ni 合金相图(45 页，图 311

10、).下面就此合金为例进行分析 .这类相图很简单，只有两条线，其中AB八为液相线；AB为固相线在液相线 以上 ,称为液相区 ;在固相线以下称为固相区 ;在液相线与固相线之间称为液 .固两 相并存区 .固相线的两个端点 A 和 B 是合金系统的两个组元 Cu 和 Ni 的熔点 . 2:合金的结晶过程如图3-11(a)所示，设有合金K,其成分垂线ok与相图上的相区分界线交于 1,4 两点,分析合金在冷却曲线上的各段所发生的结晶或相变过程,如图 3-11(b)所示.通过分析可知 ,液(固)相线也表示在无限缓慢的冷却条件下,液.固两相平衡存在时,液(固)相化学成分随温度的变化情况 .理论和实践都已证明了

11、这一结论的 正确性.必须着重指出 :除了液 .固两相并存时的情况以外 ,在其他性质相同的两相 区中也是这样 ,即相互处于平衡状态的两个相的成分,分别沿着两相区的两个边界线改变 .3:二元相图的杠杆定律在两相区结晶过程中 ,两相的成分和相对量都在不断变化 .杠杆定律就是确 定状态图中两相区内两平衡相的成分和相对重量的重要工具 .如图3-12所示假设:合金的总重量为 Wo，液相的重量为 Wl,，固相的重量为 Ws. 若已知液相中的含Ni量为Xi,合金的含Ni量为X,则可写出WL+W S=W O WlXXi+WsXX2=Wo XX(3 1)解方程式(3 1)得Wl/W s=(X 2-X)/(X-X

12、i)=bo/oa(32)式(3 2 )好象力学中的杠杆定律，故称之为杠杆定律.式(3 2)可写 成Wl/Wo二bo/ba X100%Ws/Wo=oa/ba X100%（3-4 ）必须指出，杠杆定律只适用于二元私合金相图中两相区，对其他区域就不适 应，自然就不能在用杠杆定律4：固溶体合金中的偏析在平衡条件下结晶，由于冷速极为缓慢，原子可充分进行扩散，最后仍能得 到成分均匀的固溶体但在实际生产条件下，由于冷速较快，最后将得到晶体 内部化学成分不均匀的树枝壮晶体，这种现象，称为枝晶偏析或晶内偏析枝晶偏析的存在，会严重降低合金的机械性能和加工工艺性能因此在生产 上常把有枝晶偏析的合金加热到高温，并经长

13、时间保温，使原子进行充分扩散， 以达到成分均匀的目的，这种热处理方法称为扩散退火或均匀化退火，用以消 除枝晶偏析三：二元共晶相图当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发生共晶反应时，所 构成的相图称为二元相图具有这类相图的合金系主要有： Pb-sn,Pb-sb）.1:相图分析：图3 14（ 48页）表示Pb-Sb合金相图及成分线.下面就以此合金相图 为例进行分析图中A.B分别表示组元Pb.Sn的熔点，ACB线为液相线，AECDB为固相线.L.a.B是该合金系的三个基本相，a为Sb溶于Pb中的固溶体，EF为溶解度 曲线，B为Pb溶于Sb中的固溶体，DG为溶解度曲线.相图中三个单相区为

14、L. a. B三个双相区为L+ a丄+ 3. a+ 3.ECD为三相平衡线.在该恒定温度下，c点成分的液相Lc同时结晶出两种 成分和结构不同的固相a e和3d.其反应式为Lc =（共晶温度）aE+旳.此反应称为 共晶转变.2:合金的结晶过程: 共晶合金的结晶过程合金在共晶温度以上 L在此共晶温度时发生共晶反应：Lc =（恒温）aE+旳其 转变产物称为共晶体。： 亚共晶合金和过共晶合金的结晶过程 .成分在共晶线上的E点和C点之间的合金称为亚共晶合金；在C点和D点之 间的合金称为过共晶合金 .如图3-17 （49页）所示，合金H为亚共晶合金当液相的温度降低至1点时 开始结晶出a固溶体当温度降低至3

15、点时剩余的液相恰好只有共晶成分，因此发 生共晶转变，得到共晶体在3点以下由于a和B溶解度曲线的变化分别从a . B析出 an旳,由于共晶体中的次生相可以不予考虑，因而只需考虑先从先共晶a固溶体 中析出的Bu的数量.合金H的最终组织应为a+ （ a+ B）c+旳,如图3-18 （50页） 所示.过共晶合金的冷却曲线及结晶过程 ,其分析方法和步骤与上述亚共晶合金基 本相同，只是先共晶为B固溶体，所以合金W的最终组织应为B+ （ a+ B）c+an . : 含 Sb 量小于 E 点的合金结晶过程 .以合金I为例，其冷却曲线及结晶过程如图3-19 （ 51页）所示.含量在1点以上为液相,1至3点为匀晶

16、转变得到a固溶体.3点以下，由于a 固溶体溶解度的变化，伴随次生相B n的析出，最终组织为a + Bn.3:比重偏析 .亚共晶或过共晶合金结晶时 ,若初晶的比重与剩余液相的比重相差很大时,则比重小的初晶将上浮 ,比重大的初晶将下沉 .这种由于比重不同而引起的偏析 , 称为比重偏析或区域偏析 .比重偏析的存在 ,也会降低合金的机械性能和加工工 艺性能.四:二元包晶相图 .两组元在液态无限互溶 ,在固态有限溶解 ,并发生包晶反应时 ,所构成的相图 , 称为包晶相图 .Pt-Ag 相图如图 3-20（52 页）所示.图中 abc 为液相线 ,abcdb 为固相线 ,cf 为Ag组元在a固溶体中的溶解

17、度曲线,dg是Pt组元在B固溶体中的溶解度曲 线,cde是包晶线,d是包晶线,d是包晶点，包晶线cde代表在这个合金系统中发生 包晶反应的温度和成分范围.现已合金I为例，分析其结晶过程.从0t 1段为液相，此时结晶尚未未开始.1宀2段自液相中不断析出a固溶体， 至2点时液相成分为e, a相成分为c.此时合金在恒温条件下发生包晶反应 ,因此在合金的冷却曲线上出现代表包 晶反应的水平台阶 .五:形成稳定化合物二元合金相图所谓稳定化合物是指 :在熔化前，即不分解也不产生任何化学反应的化合物.如 Mg 和 Si 即可形成分子式为 Mg 2Si 的稳定化合物 ,Mg-Si 相图就是形成稳定 化合物的二元

18、合金相图 （图 3-23 ，53 页 ）.这类相图的主要特点是在相图中有一个代表稳定化合物的垂直线,以垂直线的垂足代表稳定化合物的成分 ,垂直线的顶点代表它的熔点 .十分明显 ,若把稳定 化合物 Mg 2Si 视为一个组元 ,即可认为这个相图是由左 .右两个简单共晶相图所 组成（Mg-Mg 2Si和Mg 2Si-Si）,因此可以分别对它们进行研究，使问题大大简化. 六 :具有共析反应的二元合金相图 .自某种均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和晶格完全不同的新固相 的转变过程称为共析反应 .同共晶反应相似 ,共析反应也是一个恒温转变过程 ,有 是与共晶线及共晶点相似的共析线和共析点 .共析反应

19、的产物称为共析体 .最常 见的共析反应是铁碳合金中的珠光体转变.最简单的具有共析反应的二元合金相图如图 3-24 所示（ 54 页）.图中A和B代表两组元,c点为共析点，dce为共析线,（3i +炉）是共析体.共析 反应为a= （ Bld + p2e）.七:二元相图的识别方法由上述可知 :二元合金相图的类型很多 ,但基本类型还是匀晶 ,共晶和包晶三 大类.在分析二元合金相图时 ,应掌握以下要点 : 相图中每一点都代表某一成分的合金在某一温度下所处的状态,此点称为合金的表象点 .: 在单相区中合金由单相组成 ,相的成分即等于合金的成分 ,它由合金的表象 点来决定 .: 在两个单相区之间必存在一个两相区 ,在此两相区合金处于两相平衡状态 , 两相的相对量运用杠杆定律可以计算 .: 在二元合金相图中三相平衡共存表现为一条水平线 - 三相平衡线 .三相平 衡