工程材料及热加工金属及合金的结晶

工程材料及热加工金属及合金的结晶第一页，共三十五页，编辑于2023年，星期日一、金属的结晶与同素异构转变结晶：金属由液体转变为晶体的现象是指从原子不规则排列转变为规则排列的过程。1、金属结晶的基本规律1.1冷却曲线：液态金属在冷却时的温度和时间的关系曲线。通过实验得到。第二页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第三页，共三十五页，编辑于2023年，星期日1.2结晶潜热为什么冷却曲线上出现了平台？液态金属结晶时释放出热量，称此热量为结晶潜热。导致冷却曲线上出现了平台。（平衡）1.3结晶的温度条件过冷现象：纯金属的实际结晶温度总是低于其熔点。过冷度：实际结晶温度与熔点之间的差值。过冷是金属结晶的必要条件。影响过冷度大小的因素：金属的种类、冷却速度第四页，共三十五页，编辑于2023年，星期日2、金属的结晶过程金属的结晶过程由晶核形成和长大两个基本过程组成。2.1形核液态金属中原子团尺寸各异，时聚时散，称为晶胚。当晶胚的尺寸大于某一临界值时，晶胚就能自发地长大而成为晶核。2.1.1形核方式①均匀形核:是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程。②非均匀形核:是指晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程。在实际的液态金属中，总是或多或少地含有某些杂质。所以实际金属的结晶主要以非均匀形核方式进行。2.1.2形核率指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。用N表示。第五页，共三十五页，编辑于2023年，星期日2.2长大结晶过程的进行一方面要依靠新晶核连续不断地产生，另一方面还要依靠巳有晶核的不断长大。2.2.1长大方式树枝状长大：如树枝一样先形成枝干，称一次晶轴，然后再形成分枝，称为二次晶轴，依此类推。2.2.2长大速率指单位时间内晶核生长的线长度。用G表示。第六页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第七页，共三十五页，编辑于2023年，星期日3、晶粒大小及控制3.1晶粒度定义：晶粒的大小称为晶粒度。测定：通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。生产中常用比较法来评定。（1～8级）意义：总希望越细越好。晶粒越细，材料的强度越高，塑性及韧性越好。第八页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第九页，共三十五页，编辑于2023年，星期日3.2晶粒大小的控制晶粒的大小取决于形核率和长大速率的相对大小，即N/G比值越大，晶粒越细小。可见，凡是能促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。在工业生产中通常采用如下几种方法：3.2.1控制过冷度⑴在通常金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，则N/G比值越大，因而晶粒越细小。⑵增加过冷度的方法是提高液态金属的冷却速度。例如：选用吸热和导热性较强的铸型材料（用金属型代替砂型）；采用水冷铸型；降低浇注温度等⑶只对小型或薄壁的铸件有效。第十页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期日3.2.2变质处理在浇注前往液态金属中加入某些难熔的固态粉末（变质剂），促进非均匀形核来细化晶粒。例如在铝和铝合金以及钢中加入钛、锆等。3.2.3振动、搅拌对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可依靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。第十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期日4、同素异构转变有些金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型性。当外部的温度和压强改变时，这些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变。例如：α-Fe--γ-Fe--δ-Fe912℃1394℃bcc fccbcc当发生多晶型转变时，材料的许多性能如密度、塑性、强度、磁性、导电性等将发生突变。多晶型转变对于材料能否通过热处理来改变其性能具有重要的意义。第十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第十四页，共三十五页，编辑于2023年，星期日二、合金的结晶—二元合金相图1、相图的意义及几个名词的涵义意义：合金结晶后的组织极为复杂，相图可以准确回答。组元：组成合金最基本的独立的物质称为组元。合金系：相同的组元所组成的一系列合金。相图（平衡图、状态图）：

以温度为纵坐标，以成分为横坐标，表明合金系中的各个合金在不同的温度下相组成和相平衡关系。根据相图可以了解不同成分合金在温度变化时的相变及组织形成规律。基本类型的二元相图有：匀晶、共晶和包晶相图。第十五页，共三十五页，编辑于2023年，星期日2、二元合金相图的建立建立相图的方法有实验测定和理论计算两种。但目前使用的相图绝大部分都是通过实验测定方法获得的。例如热分析法。以Cu-Ni合金为例来说明相图的建立方法及主要步骤：1.配制一系列成分的合金(例如，①30%Ni+70%Cu;②50%Ni+50%Cu;③70%Ni+30%Cu)；2.测出上述合金的冷却曲线；3.根据各冷却曲线上的转折点确定合金的临界点；4.将这些临界点标在相图坐标系中的相应位置上，最后把各意义相同的临界点联起来。第十六页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第十七页，共三十五页，编辑于2023年，星期日3、匀晶相图与合金组织匀晶相图是指两组元在液态和固态均能无限互溶时形成的相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr、Ag-Au。3.1.相图分析匀晶相图中，Cu、Ni代表二个组元。tA——纯组元Cu的熔点；tB——纯组元Ni的熔点；tAmtB线——液相线，在液相线以上为液相区，为均匀液体，用L表示；tAntB线——固相线，在固相线以下为固相区，为均匀固溶体，用α表示。在液相线与固相线之间为L+α两相区。第十八页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第十九页，共三十五页，编辑于2023年，星期日3.2.合金平衡结晶过程I合金结晶过程冷却曲线如图所示。当合金从高温缓慢冷却至与液相线相交的t1温度时，开始从液相L1中结晶出成分为α1的固溶体。随着温度的下降，固溶体相不断增多，液相不断减少，并且固溶体相的成分沿着固相线变化，液相的成分沿着液相线变化。当冷却至t2温度时，固溶体α2和液相L2达到平衡。当合金由t2冷至t3时，液相消失，结晶完毕，得到成分为α3的单相固溶体。当合金继续冷至室温过程中，不再发生相和成分的变化。所以合金在室温下的组织为单相α固溶体。第二十页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第二十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期日3.3合金非平衡结晶过程枝晶偏析：在实际生产条件下，一般冷却速度都较快，固溶体中原子扩散过程不能充分进行。因此先结晶的枝晶主轴含高熔点组元较多，后结晶的分枝含低熔点组元较多。这种在一个枝晶范围内成分不均匀的现象叫枝晶偏析，或晶内偏析(图2-11)。危害：晶内偏析的存在将使合金的塑性、韧性显著下降。对策：因此通常把具有晶内偏析的合金加热到高温进行长时间的保温，使合金元素进行充分的扩散来消除枝晶偏析，称这种处理为扩散退火。第二十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第二十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期日4、共晶相图与合金组织二个组元在液态下无限互溶，而在固态时有限互溶，并有共晶反应发生时形成的相图。例如Pb-Sn。4.1相图分析α是Sn溶于Pb中的置换式固溶体。β是Pb溶于Sn中的置换式固溶体。A及B分别为组元Pb和Sn的熔点。M、N点分别是固溶体α、β的最大溶解度点。F、G点分别是固溶体α、β在室温下的溶解度点。

而MF和NG则代表两固溶体α和β的溶解度曲线。AEB为液相线，AMNB为固相线。第二十四页，共三十五页，编辑于2023年，星期日MEN一段水平线又称共晶反应线，E点为共晶点，E点对应的温度称为共晶温度，成分对应于共晶点的合金称为共晶合金，成分位于E以左，M点以右的合金称为亚共晶合金，成分位于E点以右、N点以左的合金称为过共晶合金。具有一定成分的液体（LE）在一定温度（共晶温度）下同时析出两种成分的固溶体（αM+βN）称为共晶反应，即：LE→αM+βN

结晶产物为共晶体。共晶体的显微组织特征是两相交替分布，其形态与合金的特性及冷却速度有关，通常呈片层状。第二十五页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第二十六页，共三十五页，编辑于2023年，星期日4.2典型合金平衡结晶过程及组织4.2.1共晶合金当合金缓慢冷却到tE时，发生共晶转变，LE→αM+βN转变产物为两相机械混合物。这一转变在恒温下完成。室温组织为100%的共晶体（混合物）。组织形貌呈片层状。当合金冷到E点温度以下，由于固溶体的溶度超过了它的溶解度限度，将从α、β固溶体中开始析出第二相β、α固溶体，随着温度继续降低β、α的析出量逐渐增多。这种从固溶体中析出的相，称二次固溶体（以区分从液相中析出的固溶体），记为βII、αII。最终组织是（α+β）+（βII+αII）第二十七页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第二十八页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第二十九页，共三十五页，编辑于2023年，星期日4.2.2亚共晶合金以合金III为例。合金自1点开始结晶出α固溶体（先共晶体、初晶）。随着温度继续降低，α相的浓度沿固相线变化，L相浓度沿液相线变化。当合金冷却到2点时，剩余液相的浓度已达到E点的成分，在恒温下按共晶反应形成共晶体。LE→αM+βN合金自2点温度冷至室温过程中自α固溶体中也会析出βII，故合金的室温显微组织为α+(α+β)+βII。其中，α、(α+β)、βII均称为合金的组织组成物，是合金显微组织的独立部分。这种标注方法阐明了合金的具体结晶过程，反映了相的析出顺序。第三十页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第三十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第三十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期日4.2.3过共晶合金4.2.4含Sn量小于M点的合金以合金I为例。合金在1～2点间的结晶过程与匀晶相图上的固溶体