金属与合金的结晶课件

1、第三章 金属与合金的结晶教 学 要 求:熟悉纯金属和合金的结晶过程及其组织特点。 液态物质凝固成晶体的过程第三章 金属与合金的结晶液态 固态： 晶体不规则排列的液体状态作规则排列的晶体 凝固过程：结晶金属材料浇注金属结晶结晶后的组织影响着材料性能凝固第三章 金属与合金的结晶3.1 纯金属的结晶3.2 合金的结晶本 章 小 结习题第三章 金属与合金的结晶3.1 纯金属的结晶3.2 合金的结晶本 章 小 结习题3.1 纯金属的结晶一、纯金属的冷却曲线和过冷现象1、冷却曲线：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

2、间坐标中，得到冷却曲线。 3.1 纯金属的结晶一、纯金属的冷却曲线和过冷现象1、冷却曲线冷却曲线分析：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增长而下降，直到金属结晶终了后，温度又重新下降。理论结晶温度实际结晶温度实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度的差值过冷度，用T表示 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。影响过冷度的因素：冷却速度开始结晶结晶终了记！3.1 纯金属的结晶二、纯金属的结晶过程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

3、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。形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。最先形成的、作为结晶核心的微小晶体称为晶核。3.1 纯金属的结晶二、纯金属的结晶过程随着时间的推移，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。形核长大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的最小单位，晶粒与晶粒之间的接触面叫晶界。 晶界处比晶

4、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。 纯金属的结晶过程3.1 纯金属的结晶三、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。细化晶粒是金属强韧化的有效途径3.1 纯金属的结晶三、金属结晶后的晶粒大小影响晶粒大小的因素：形核率长大速度工业生产中细化晶粒的方法： 1、增加过冷度 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，只适用于

5、中、小型铸件，对于大型铸件则需要用其它方法来细化晶粒。 在液态金属结晶前加入一些细小的难熔质点（变质剂），以增加可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。 2、变质处理如，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。 4、降低浇注速度慢速浇注时，液态金属不是静止的，结晶发生在流动液体的前沿，先形成的晶粒可能被后到达的液体冲碎在为新的晶核，从而增加

6、了形核率。3.1 纯金属的结晶四、金属的同素异构转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格类型的变化，称为金属的同素异构转变。由此得到的不同晶格的晶体称为同素异构体什么是同素异构转变？如：铁、锰、钛、钴等由低温到高温依次用希腊字母、等表示3.1 纯金属的结晶四、金属的同素异构转变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。-Fe -Fe-Fe1394C912C结晶同素异构转变同素异构转变3.1 纯金属的结晶四、金属的同素异构转变 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

7、。它遵循液态金属结晶的一般规律有固定的转变温度、转变时有过冷度、有潜热释放、通过形核、长大完成转变。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。 第三章 金属与合金的结晶3.1 纯金属的结晶3.2 合金的结晶本 章 小 结习题3.2 合金的结晶合金与纯金属结晶的异同点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，各相的成分有时也会

8、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。合金与纯金属结晶时的不同点：合金与纯金属结晶的相同点：过程：形核、成长3.2 合金的结晶一、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。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据。 什么是合金相图？合金相图的用途3.2 合金的结晶一、二元合金相图的基本知识二元合金相图的建立方法：热分析法、磁性分析法、膨胀法、显微分析法，常用热分析法配制一系列成分不同的合金用热分析

9、法测出所配合金的冷却曲线由冷却曲线上的折点与水平线段找出各合金的临界点将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3.2 合金的结晶一、二元合金相图的基本知识（1）配制六种不同成分的Cu-Ni合金（2）测出各合金的冷却曲线（3）在温度-成分坐标系中过各合金成分点做成分垂线，将临界点标在成分垂线上；（4） 将成分垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母，便得到Cu-Ni合金相图合金编号 合 金 化 学 成 分 Cu 100%Ni 100%100080206040406020800100例：用热分析法建立Cu-Ni二元合金相图的方法

10、和步骤：结晶开始结晶终了3.2 合金的结晶二、二元合金的结晶过程二元合金相图的基本类型：匀晶相图共晶相图包晶相图共析相图3.2 合金的结晶二、二元合金的结晶过程1、二元匀晶相图无限互溶的两组元，其合金相图为匀晶相图相图分析结晶过程分析枝晶偏析如，Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Cr等先结晶的固溶体高熔点组元含量高，后结晶的低熔点组元含量高-枝晶偏析枝晶偏析会严重影响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。称为均匀化退火。 3.2 合金的结晶二、二元合金的结晶过

11、程2、二元共晶相图液态下组元无限互溶，固态下有限互溶，并有共晶转变，其相图为共晶相图两种固相的混合物为共晶组织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。如，Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Zn-Sn、Cu-Ag等。3.2 合金的结晶二、二元合金的结晶过程2、二元共晶相图相图分析共晶反应结晶过程分析合金：合金：合金：合金：共晶线共晶合金亚共晶合金过共晶合金本 章 小 结金属结晶的必要条件过冷金属的结晶过程形核和长大通过控制结晶条件可改变金属性能。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。同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种

12、晶格类型转变为另一种晶格类型的变化。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：先结晶的固溶体高熔点组元含量高，后结晶的低熔点组元含量高均匀化退火：将铸件加热到固相线以下100200的温度，保温较长时间，然后缓慢冷却合金相图：表达温度、成分与相之间关系，又称为合金平衡图或合金状态图。合金相图是制订金属冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的理论基础。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 同素异构转变 枝晶偏析 共晶转变3-2 晶粒大小对金属的力学性能有何影响? 生产中有哪些细化晶粒的方法?3-3 如果其它条件相同，试比较下列铸造条件下，铸件晶粒的大小： (1