金属工艺学 第3版 课件 4金属材料基础知识

金属工艺学单元一金属材料基础知识金属由液态转变为固态的过程称为凝固。通过凝固形成晶体的过程称为结晶。一、冷却曲线与过冷度

纯金属的结晶是在一定温度下进行的，通常采用热分析法测量其结晶温度。液态金属冷却到某一温度时，在冷却曲线上出现一水平线段，这个水平线段所对应的温度就是金属的理论结晶温度(T0)。在实际结晶过程中，液态金属冷却到理论结晶温度(T0)以下的某一温度时，才开始结晶，这种现象称为过冷。理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差△T，称为过冷度。实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，同一金属结晶时的过冷度不是一个恒定值，过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度也就越低。过冷是金属结晶的必要条件，但不是充分条件。金属要进行结晶，还要满足动力学条件，如必须有原子的移动和扩散等。模块六

纯金属的结晶过程二、金属的结晶过程晶核的形成和晶核的长大就是金属结晶的基本过程。晶核的长大方式主要是平面生长方式和树枝状生长方式。纯金属晶核的长大主要以结晶表面向前平移的方式进行，即采取平面生长方式。当过冷度较大，液态金属中存在未熔化的微粒时，金属晶核的长大主要以树枝状生长方式长大。当液态金属采用树枝状生长方式长大时，最后凝固的树枝之间不能及时填满，晶体的树枝状就很容易显漏出来，如在很多金属铸锭表面可以看到树枝状的浮雕。

三、金属结晶后的晶粒大小1．晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒越细小，金属的强度、硬度愈高，塑性、韧性愈好。2．晶粒大小的控制在生产中为了获得细小的晶粒组织，常采用以下一些方法：(1)加快液态金属的冷却速度，增大过冷度。(2)采用变质处理。(3)采用机械搅拌、机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，使生长中的树枝晶破碎和细化，而且破碎的树枝晶又可起到新晶核作用，使晶核数量增多，从而可细化晶粒。模块七

金属材料的同素异构转变在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程，称为同素异构转变或称同素异晶转变。纯铁的同素异晶转变转变是：同素异构转变是钢铁材料的一个重要特性，也是钢铁材料能够进行热处理的理论依据。同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的，这一过程类似于队列变换，具有如下特点：（1）同素异构转变是由晶核形成和晶核长大两个基本过程完成的，新晶核优先在原晶界处生成。（2）同素异构转变也有过冷(或过热)现象，而且转变时具有较大的过冷度；（3）同素异构转变过程中，有相变潜热产生，在冷却曲线上也出现水平线段，但这种转变是在固态下进行的；（4）同素异构转变时常伴有金属的体积变化等。模块八

合金的晶体结构与结晶过程

一、基本概念

组成合金最基本的、独立的物质称为组元。

由两种或两种以上的组元按不同比例配制而成的一系列不同化学成分的所有合金，称为合金系。

相是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的部分。

组织是指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。二、合金的晶体结构根据合金中各组元之间的相互作用，合金中的晶体结构可分为固溶体、金属化合物及机械混合物三种类型。（一）固溶体

合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。1．置换固溶体溶质原子代替一部分溶剂原子，占据溶剂晶格的部分结点位置时，所形成的晶体相，称为置换固溶体。按溶质溶解度的不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。2．间隙固溶体溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂晶格的结点位置，而是嵌入溶剂晶格的各结点之间的间隙内时，所形成的晶体相，称为间隙固溶体。二、合金的晶体结构无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，异类原子的插入都将使固溶体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，使固溶体的强度、硬度提高。这种通过溶入溶质原子形成固溶体，使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。二、合金的晶体结构（二）金属化合物金属化合物是指合金中各组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。金属化合物具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格，熔点高，硬而脆。（三）机械混合物由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。在机械混合物中各组成相仍保持着它原有晶格的类型和性能，而整个机械混合物的性能则介于各组成相的性能之间，并与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。三、合金结晶过程合金的结晶过程与纯金属一样，也是晶核形成和晶核长大两个过程。同时结晶时也需要一定的过冷度，结晶后形成由多晶体。合金的结晶过程中具有如下特点：（1）纯金属的结晶是在恒温下进行，只有一个结晶温度。而绝大多数合金是在一个温度范围内进行结晶的，一般结晶的开始温度与终止温度是不相同，一般有两个结晶温度。（2）合金在结晶过程中，在局部范围内相的化学成分（即浓度）有差异，当结晶终止后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。（3）合金结晶后一般有三种情况：第一种情况是形成单相固溶体；第二种情况是形成单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)；第三种情况是结晶开始时形成单相固溶体，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)。四、合金结晶冷却曲线合金结晶过程比纯金属复杂得多，但其结晶过程仍可用结晶冷却曲线来描述。一般合金的结晶冷却曲线有以下三种形式：从一定化学成分的液体合金中同时结晶出两种固相物质，则该转变过程称为共晶转变(或称共晶反应)，其结晶产物称为共晶体。共晶转变是在恒温下进行的。在固态下由一种单相固溶体同时析出两相固体物质，称为共析转变(或称共析反应)。共析转变与共晶转变一样，也是在恒温条件下进行的。

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金属材料的铸锭组织特征一、金属材料的铸锭组织结构金属铸锭呈现三个不同的结晶区：表面细晶粒区、柱状晶粒区和等轴晶粒区。表面细晶粒区的组织特点是：晶粒细长，区域厚度较小，组织致密，成分均匀，力学性能较好。在柱状晶粒区，两排柱状晶粒相遇的接合面上存在着脆弱区，此区域常有低熔点杂质及非金属夹杂物积聚，使金属材料的强度和塑性降低。这种组织在锻造和轧制时，容易使金属材料沿接合面开裂。等轴晶粒区的组织特点是：晶粒粗大，组织疏松，力学性能较差。在金属铸锭中，除存在组织不均匀外，还常有缩孔、气泡、偏析、夹杂等缺陷。根据浇注方法的不同，金属铸锭分为钢锭模铸锭（简称铸锭）和连续铸锭。二、定向结晶和单晶定向结晶是通过控制冷却方式，使铸件沿轴向形成一定的温度梯度，从而使铸件从一端开始凝固，并