金属结晶过程PPT

1、关于金属结晶过程第一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1.纯金属的结晶条件2.纯金属的结晶过程3.同素异构转变4.细化铸态金属晶粒的措施2.1 纯金属的结晶第二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1.纯金属的结晶条件晶体液体结晶结晶： 液体 - 晶体凝固： 液体 - 固体（晶体 或 非晶体）第三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度T过冷度T= T0 - Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）第四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月冷却速度越大，则过冷度越大。第五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2.

2、纯金属的结晶过程液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程第六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（1）形核过程两种形核方式 自发形核 与 非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核。第七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（1）形核过程两种形核方式 自发形核 与 非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核。第八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（2）晶核长大过程两种长大方式 平面生长 与 树枝状生长。平面生长第九张，

3、PPT共七十二页，创作于2022年6月树枝状生长第十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月4.细化铸态金属晶粒的措施晶粒度 表示晶粒大小，分8级（p111)。晶粒度12345678单位面积晶粒数（个/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直径（m）2501771258862443122细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较： 细晶强化-强度、硬度、塑性、韧性 固溶强化-强度、硬度，塑性、韧性第十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月细化晶粒的措施1.提高过冷度2.变质处理3.振动结晶第十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（1）提高过冷度形核率

4、N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系TG，NGN第十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，都可使晶粒细化。 变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3）振动结晶振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。（4）电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶，增加结晶核心，从而可细化晶粒。第十四张，PPT共七十

5、二页，创作于2022年6月3同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912 C-Fe，fcc-Fe，bcc912 C第十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月纯铁的冷却曲线TFe，bcc-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770铁磁性第十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月五金属铸锭的组织特点细等轴晶区 液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用。结果，在金属的表

6、层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。(1)细等轴晶区； (2)柱状晶区； (3)粗等轴晶区铸锭结构第十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月五金属铸锭的组织特点柱状晶区 细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小， 生核速率降低，但此时长大速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。(1)细等轴晶区； (2)柱状晶区； (3)粗等轴晶区铸锭结构第十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月五金属铸锭的组织特点粗等轴晶区 随着柱状晶区的发展，液体金属的

7、冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区。(1)细等轴晶区； (2)柱状晶区； (3)粗等轴晶区铸锭结构第十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月单晶的制取 演示第二十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月第二十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月第二十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月第二十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月第二十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月

8、2.2.1.二元合金的结晶2.2.2合金的性能与相图的关系2.2.3铁碳合金的结晶2.2 合金的结晶第二十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1匀晶相图2共晶相图3包晶相图4共析相图2.2.1二元合金的结晶第二十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1匀晶相图相图（平衡图、状态图）平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。 CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ 第二十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013

9、001400150010831455LL+ 纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区第二十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月匀晶合金的结晶过程abcdT,CtLLL匀晶转变 L 冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ 匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。第二十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月杠杆定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ 12acba1b1c1T1

10、T21. 在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。2. 随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即QL/Q=b1c1/a1b1杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为QL/QH=b1c1/a1c1Q/QH=a1b1/a1c1=1- QL/QH第三十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月例：求30%Ni合金在1280 时相的相对量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ ac30a1b1c11280

11、C解：作成分线和温度线如图。6618根据杠杆定律推论， Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4答：所求合金在1280 时相的相对质量为1/4。第三十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线L固相线 + L + L + 固溶线固溶线第三十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月共晶转变分析PbSnT,CL + L + L + 共晶反应线表示从c点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。ce共晶点表示d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。dLd c + e第三十三张，PPT共七十二页，创

12、作于2022年6月共晶反应要点PbSnT,CL + L + L + 183ced共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。第三十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月X1合金结晶过程分析cefgX1T,CtLLLL+ 冷却曲线 + 1234PbSnT,CL + L + L + 183ced第三十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月X1合金结晶特点T,CtLLLL+ 冷却曲线 + 1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。2.要经过脱溶反应，室温 组织组成物为 + 组

13、织组成物组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。第三十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月X2合金结晶过程分析（共晶合金）X2T,CtL(+ )L(+ )LL(+ ) 共晶体冷却曲线(+ )PbSnT,CL + L + L + 183ced第三十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月X3合金结晶过程分析（亚共晶合金）X3T,CtLL+ (+ )+ + 12(+ )+ PbSnT,CL + L + L + 183cedL+(+ )+第三十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月标注了组织组成物的相图第三十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月3包晶相图包晶转

14、变： Ld + c ePtAgAg%T,C铂-银合金包晶相图L + L + L + cedfgT,CtLL + L + + 第四十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月4. 共析相图共析转变： ( + ) 共析体ABT,C + + + cedL + L第四十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2.2.2 相图与性能的关系合金的使用性能与相图的关系 固溶体中溶质浓度 强度、硬度 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。第四十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2. 合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则

15、流动性好，不易形成分散缩孔。 锻造、轧制性能单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。第四十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1铁碳相图2结晶过程3成分-组织-性能关系 4Fe-Fe3 C相图的应用2.2.3铁碳合金的结晶第四十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1铁碳相图 (Fe-Fe3 C相图)(1) Fe-Fe3 C相图的组元 Fe Fe、-Fe (bcc) 和-Fe (fcc)强度、硬度低，韧性、塑性好。 Fe3 C 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2) Fe-Fe3 C相图的相 Fe3 C （ Cem， Cm，渗碳体） 复杂晶体结构 液相 L 相 （高温

16、铁素体 ） Fe（C）固溶体 相（A ，奥氏体） -Fe（C）固溶体 相 （F，铁素体） -Fe（C）固溶体第四十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月一、铁素体碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。由于体心立方格的-Fe的晶体格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以铁素体对碳的溶解度很小。在727时最大固溶度为0.02%,而在室温时固溶度几乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下： 抗拉强度Rm 250Mpa，屈服强度RE 140Mpa断后延伸率A11.3 40%-50%冲击韧性K 200 J/cm2布氏硬度HBS 80由此可见，铁素体有优良的

17、塑性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧相。铁素体是912以下的平衡相，也称做常温相，在铁碳相图中用符号F表示。第四十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月二、奥氏体碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。具有面心立方格的-Fe的间隙半径为0.052nm，比-Fe的间隙稍大，在1148时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%。随着温度的降低，碳在-Fe中的固溶度下降，在727时是0.77%。奥氏体是727以上的平衡相，也称高温相。在高温下，面心立方格晶体的奥氏体具有极好是塑性，所以碳钢具有良好的轧、锻等热加工工艺性能。在铁碳相图中，奥氏体通常用符号A表示。第四十七张，PPT

18、共七十二页，创作于2022年6月三、渗碳体渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物。它的晶体结构复杂，属于复杂八面体结构，分子式为Fe3C，含碳量6.69%。渗碳体的硬度很高，HV800，但极脆，塑性和韧性几乎是零，强度Rm=30Mpa左右。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能有很大影响。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在。在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生下面的分解反应，析出石墨态的碳。Fe3C 3Fe+C（石墨）第四十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月(3) 相图中重要的点和线液相线ABCD固

19、相线AHJECF包晶线 HJB，包晶点 J 共晶线 ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体,Le或Ld共析线 PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体, PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线第四十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2铁碳合金的平衡结晶过程Fe-C 合金分类工业纯铁 C % 0.0218 %钢 0.0218 % C % 2.11 %亚共析钢 0.77 %共析钢 0.77 % 过共析钢 0.77 %白口铸铁 2.11 % C % 6.69 %亚共晶白口铁 4.3 % 共晶白口铁 4.3 % 过共晶白口铁 4.3 %类型亚共

20、析钢共析钢过共析钢钢号204560T8T10T12碳质量分数0.200.450.600.801.001.20几种常见碳钢第五十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月(1)工业纯铁 ( C % 0.0218 % )结晶过程室温组织F + Fe3C (微量)500第五十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程室温组织: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C )500 P中各相的相对量：Fe3C % = ( 0.77 xF ) / ( 6.69 xF ) 0.77 / 6.69 = 12 %F % 1 12 % = 88 %珠光体强度较

21、高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C 和 F 之间。第五十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程室温组织: F + P，500各组织组成物的相对量：P % = ( 0.4 0.0218 ) / ( 0.77 0.0218 ) 51 %F % 1 51 % = 49 %各相的相对量：Fe3C % 0.4 / 6.69 = 6 %F % 1 6 % = 94 %第五十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月(4)过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程室温组织:P + Fe3CII 400各组织组成物的相对量：Fe3CII % =

22、 ( 1.2 0.77 ) / ( 6.69 0.77 ) 7 %P % 1 7 % = 93 %各相的相对量：Fe3CII % 1.2 / 6.69 = 18 %F % 1 18 % = 82 %第五十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程室温组织: （低温）莱氏体 Le （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C ）, 500莱氏体 Le的性能：硬而脆第五十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月()亚共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程室温组织:Le+ P + Fe3CII 200第五十六张，PPT共七十二页，创

23、作于2022年6月()过共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程室温组织:Le+ Fe3CI 500第五十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月标注了组织组成物的相图第五十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月3铁碳合金的成分-组织-性能关系含碳量与相的相对量关系：C %F %，Fe3C %含碳量与组织关系：图（a）和（b）含碳量与性能关系HB：取决于相及相对量强度：C%=0.9% 时最大塑性、韧性：随C%而第五十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月4铁碳相图的应用钢铁选材：相图性能用途局限性 相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。铸件选材和确定浇注温度确定锻造

24、温度( 在 A 区）制定热处理工艺第六十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月复习 相与组织相：有一定的化学成分和晶体结构的均匀组成部分。合金中有两类基本相 固溶体 和 化合物组织：材料内部的微观形貌，体现相的形态、数量、大小和分布。金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。过共析钢 x400第六十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月小结重点要求 一般要求 2. 匀晶相图的分析方法。2. 杠杆定律及其应用。3. 合金相图与性能的关系。1. 过冷度的概念，晶粒度的影响因素。1. 同素异构转变。3. F、A、Cm、P、 Le的组织和性能特点。4. Fe-Fe3C相图中共晶

25、、共析区域分析。5. 铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系。第六十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月思考题1. 为什么要生产合金？与纯金属相比，合金有哪些优越性？2. 固溶体中，溶质元素含量增加时，其晶体结构和性能会发生什么变化？3. 试比较共晶反应和共析反应的异同点。4. 为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金? 第六十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月作 业 2P 9 13week4, Sep 212. 1),2),4),11)3. 1),2),5)4. 1),2),6),7)5. 3),4)第六十四张，PPT共七十二页，创作

26、于2022年6月作 业 2aP 9 13week5, Sep 282. 13)3. 12),13)4. 8),9) 5. 6)作 业 2bP 9 13week7, Oct 122. 14) 17)3. 14) 17)4. 10) 13) 第六十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月作业1 参考答案 P 32. 1) 同非金属相比，金属的主要特性是2) 晶体与非晶体结构上的最根本的区别是4) -Fe的一个晶胞原子数为3. 1)晶体中的位错属于：a. 体缺陷 b. 面缺陷c. 线缺陷d. 点缺陷( P7 ) 热和电的良导体 正的电阻温度系数 不透明、有金属光泽 塑性高、强韧性好晶体内原子排列

27、是有规则、周期性的。4第六十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月作业1 参考答案 P 44. 2)-Fe、Al、Cu、Ni、V、Mg、Zn的晶体结构 体心立方： -Fe、V 面心立方： Al、Cu、Ni 密排六方： Mg、Zn6) 实际金属晶体中存在：a. 点缺陷：点、线、面缺陷，引起晶格畸变。b. 面缺陷：c. 线缺陷（位错）：7) 固溶强化：固溶强化原因：8) 间隙固溶体：形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象溶质原子引起晶格畸变，使变形抗力增加。间隙相：晶格类型与溶剂相同晶格类型与任一组元都不相同使电阻率和强度增加。使塑性、强度增加。在冷变形时，使强度增加、塑性降低。第六十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月作业2 参考答案 P 9-102. 1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，它们是：2) 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是形核和晶核长大4) 过冷度是指为：增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。理论结晶温度 - 开始结晶温度其表示符号为：T11) 固溶体的强度和硬度比溶剂：高3. 1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（ ）No2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ ）No5) 晶粒度级数数值越大，晶粒越细。（ ）Yes第六十