章-金属与合金的结晶

第三章金属与合金的结晶液态金属原子没有明显的排列规律。金属从液态到固态的转变为结晶。实际也是原子从无规则排列到有规则排列的过程。§3—1纯金属的结晶一、纯金属的冷却曲线和过冷现象纯金属的结晶是在一定温度下进行的。原因在于结晶时的潜热与散发的热量基本相等，结晶温度保持不变。

纯金属在无限缓慢的条件下结晶的温度称为“理论结晶温度”，实际结晶温度是比较快的，液态金属在理论结晶温度下某一温度才开始结晶。这种现象称为过冷现象，温度差值称为“过冷度”。二、纯金属的结晶过程结晶过程是“晶核不断形成和长大”的过程，即为结晶的基本规律。图中可知，固态金属通常由多晶体构成，每个晶核长成晶体为晶粒，晶粒之间的接触面称为晶界。三、金属结晶后的晶粒大小金属晶粒的大小通常用单位截面积上的晶粒数或晶粒的平均直径表示金属晶粒的粗细对力学性能影响很大。晶粒余细，强度、硬度余高，且塑性、韧性余好。结晶后晶粒的大小与形核率N和晶核长大速率G有关。形核率是指单位时间内，单位体积中所产生的晶核数目。长大速率是指单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。凡是促进形核率N、抑制长大速率G的因素，都能细化晶粒。工业中常用细化晶粒的方法有：1、增加过冷度液态金属在过冷状态下的结晶，随着过冷度的增加形核率与长大速率都增加。且形核率与比长大速率要快的多。冷却速度快可以获得细化组织。2、变质处理加入细小的变质剂，是形核率增加或使长大率减缓，细化组织。3、附加振动振动使晶枝破碎，形成新的晶核同时晶粒也得到细化。四、金属的同素异构转变大多数金属在结晶以后，晶格类型保持不变。但纯铁及部分金属，会随温度变化，固态金属晶格也随之改变，称为同素异晶转变。1538以上液体；1394—1538δ–Fe；体心912-1394γ–Fe；面心912以下α-Fe。体心同素异晶转变又称为二次结晶、重结晶。§2—2合金的结晶合金结晶规律与纯金属基本相同，在过冷的情况下形成晶核及晶核长大。其不同在于合金的结晶不一定是在恒温下进行；其次合金在不同的温度下存在不同数目的相。一、二元合金相图的基本知识相图表示合金在平衡状态下，组成相与温度、成分的关系。通过它了解合金系中不同成分合金在不同温度时的组织状态，相得成分和相对量，并且可以了解合金在缓慢冷却中过程中的相变规律。1、二元合金相图的表示方法二元合金相图用纵坐标表示温度，横坐标表示成分。例如：C点、D点。横坐标上的任一点表示一种成分合金。通过横坐标上的任一点的垂线称合金线。合金线上不同的点表示该合金在不同温度下的相组成。例如：M点。2、二元合金相图的测定方法1)配制一系列成分不同的合金2)测出各种合金的冷却曲线3)找出和冷却曲线上的相变点。4)将相变点分别标在温度-成分坐标图上。5)将意义相同的临界点连接起来，构成合金状态图。二、二元匀晶相图匀晶是指在液态下两组元可以相互溶解，在固态下能形成无限固溶体。1、匀晶相图分析图3-122、杠杆定律在结晶区域，合金中各相的成分和相的相对量在不断地变化。1)两平衡相及其成分的确定2)两平衡相相对量的确定3、合金的结晶过程分析按图3-12说明。液相线t1结晶出固体α，t1-t3之间为液固共融，t3以下全部为固体α，结晶结束。4、枝晶偏析理想的合金是在及其缓慢的条件下才可以得到。实际生产中由于冷却速度比较快，原子扩散受到限制，产生先结晶的固溶体含高熔点组元较多，后结晶的固溶体含低熔点组元较多。晶粒内部化学成分不均匀的现象称为晶内偏析。金属固溶体的结晶是按树状方式长大的，枝干先结晶成分与后结晶的成分不同产生偏析称为枝晶偏析。枝晶偏析会降低合金的力学性能和加工工艺性能。实际生产中用加热、保温、缓冷等方式使成分扩散，达到成分均匀的目的。称为均匀化退火。三、二元共晶相图二元合金系中两组元在液态完全溶解，在固态有限溶解，并发生共晶转变的相图称为共晶相图。1、相图分析图3-16Pb

、

Sn结晶温度tA、tB

液相线tAC、CtBPb

、

Sn固相线tAD、EtB

固溶线DF、EGC点共晶转变点共晶线DCE六个相区：L、α、β、L+α、L+β、

α+β2、合金的结晶过程分析图3-16(1)合金Ⅰ图3-17(2)合金Ⅱ图3-19(3)合金Ⅲ图2-21(4)合金Ⅳ图2-233、合金的相组分与组织组分前述中的Pb-Sn合金结晶所得到的组织中有α、β两相，称为该合金的相组分。结晶过程中，由于结晶条件不同，各相以不同的数目、形状、大小相组合，在显微镜下可观察到不同的组织。在相关的相图中的表示称为组织组分。同一种相组分得表现不同，用α、αⅡ、β、βⅡ

、α+β表示。合金的相组分与组织组分的相对量，可利用杠杆定律来计算。4、密度偏析由于不同金属的结晶点不同，合金在开始结晶时的组织密度与剩余液体密度不同，造成前后结晶密度的不同，称为密度偏析。它将减低合金的使用和加工性能。四、合金性能与相图间的关系1、单项固溶体合金溶质溶入溶剂后，将产生晶