金属凝固结晶与相图介绍

金属凝固结晶与相图介绍★本章学习要求1.明确金属结晶的充分、必要条件，结晶的一般规律以及影响金属结晶后晶粒大小的途径与方法；2.熟悉匀晶、共晶（包括共析）这两类基本形式的二元合金相图（其中包括相图分析，典型合金的平衡结晶过程分析，杠杆定律的应用，以及利用与区分相组分和组织组分这两种填写相图的方法等）；3.熟练地掌握铁碳合金相图(包括默画铁碳合金相图、掌握α、Ｆｅ3Ｃ、γ等基本相，熟知相图中重要点、线的含义,能以冷却曲线及语言文字分析典型合金尤其是钢的平衡结晶过程，正确利用杠杆定律计算室温下钢的相组分、组织组分的相对百分含量以及掌握铁碳合金的成分一组织一性能之间关系)。第2页,共67页，2024年2月25日，星期天★本章学习重点物质由液态转变为固态过程称为凝固，物质由液态转变为固态晶体的过程称作结晶，而相图则是研究材料的成分、组织结构与性能之间相互关系和变化规律的有力工具。本章在确定工程材料结晶的一般规律，剖析金属结晶的充分、必要条件、结晶规律及控制结晶后晶粒大小的途径、方法，介绍匀晶、共晶型两类基本形式相图分析方法的基础上，重点讨论了铁碳合金相图。铁碳合金相图是本课程的第一个重点章节，因为铁碳合金相图是研究钢铁材料的成分、相和组织的变化规律以及与性能之间关系的重要理论基础与有力工具。此外，金属结晶的条件、结晶的一般规律及控制结晶后晶粒大小的途径与方法等亦应十分明确。第3页,共67页，2024年2月25日，星期天2.1材料的制备过程2.1.1凝固与结晶的条件

2.1.2

金属材料的制备

1.金属的冶炼

2.纯金属的结晶规律第4页,共67页，2024年2月25日，星期天2.1.1凝固与结晶的条件1.凝固与结晶的概念2.凝固与结晶的条件主要取决于熔融液体的粘度和冷却速度。（1）内因——粘度是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征，其大小表示了液体中发生相对运动的难易程度。（2）外部因素——冷却速度。冷速越大，则在单位时间内逸散的热量越多，熔体温度降得越低，这直接关系其中原子或分子的扩散能力。冷速〉107oC/s，可抑制金属熔体重原子扩散，制得非晶合金。第5页,共67页，2024年2月25日，星期天2.1材料的制备过程2.1.2

金属材料的制备1.金属的冶炼金属材料制备过程：热轧→型材→加工→零件铸锭→热锻→机加工→零件冶炼→铸造→铸件→机加工→零件第6页,共67页，2024年2月25日，星期天2.1材料的制备过程1.金属的冶炼(1)金属冶炼方法：火法冶炼、湿法冶炼、电冶炼。火法冶炼：高温下进行，钢铁、有色金属。分：熔炼、吹炼、精炼。湿法冶炼：接近于常温进行，在溶液中进行。电冶炼：电热熔炼、电解。第7页,共67页，2024年2月25日，星期天2.1材料的制备过程(2)炼钢方法：转炉炼钢法：钢水吹氧，周期30~40min，成本低电弧炉炼钢法：废钢，合金钢和高质量钢种。平炉炼钢法：以煤气为燃料

(3)钢液浇注方法：模铸法、连续铸钢法。（4）钢的炉外精炼方法：

真空精炼法、惰性气体稀释法、喷粉精炼法第8页,共67页，2024年2月25日，星期天2

纯金属的结晶规律

（1）.充分条件：液态物质结构特点（结构起伏）第9页,共67页，2024年2月25日，星期天2

纯金属的结晶规律(2).必要条件：过冷与过冷度（ΔT）第10页,共67页，2024年2月25日，星期天不同冷速下的冷却曲线示意图

（图2-3）第11页,共67页，2024年2月25日，星期天自由能与温度的关系曲线

（图2-4）第12页,共67页，2024年2月25日，星期天2

纯金属的结晶规律(3).结晶的普遍规律——形成晶核与晶核不断长大的连续过程第13页,共67页，2024年2月25日，星期天单晶体与多晶体示意图

（图2-6）第14页,共67页，2024年2月25日，星期天3.纯质材料结晶的普遍规律（1）形核的方式①自发形核②非自发形核（2）晶核长大的方式①平面方式长大②树枝晶方式长大第15页,共67页，2024年2月25日，星期天3.纯质材料结晶的普遍规律

（1）形核规律（以自发形核为主）非自发形核示意图第16页,共67页，2024年2月25日，星期天（2）晶核长大规律

①平面方式长大第17页,共67页，2024年2月25日，星期天（2）晶核长大规律

②以树枝晶方式长大为主第18页,共67页，2024年2月25日，星期天

金属锑锭的组织示意图第19页,共67页，2024年2月25日，星期天预习准备

“2.3铁碳合金相图分析”内容的课堂讨论

参见“学习指导”P16~17中的课堂讨论（铁碳合金相图）提纲进行充分准备。第20页,共67页，2024年2月25日，星期天2.2二元相图的基本类型

2.2.1

相图的建立相图的定义：相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。平衡

是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和相对重量不再变化所达到一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。第21页,共67页，2024年2月25日，星期天2.2二元相图的基本类型

2.2.1

相图的建立1.相图的表示方法

•纯质材料•二元合金2.相图的建立

•原理•步骤第22页,共67页，2024年2月25日，星期天TP273.16K气相液相固相临界点609Pa水的相图水的三相点：第23页,共67页，2024年2月25日，星期天2.2.1相图的建立

几种不同配比的铜镍合金第24页,共67页，2024年2月25日，星期天用热分析法建立Cu-Ni相图（a）冷却曲线（b）测定的相图第25页,共67页，2024年2月25日，星期天2.2.2匀晶相图（学习的基础）1.

相图分析

•特性点•特性线•基本相•相区2.

典型合金的平衡结晶过程分析

1).文字说明2).冷却曲线描述

3.

固溶体合金结晶规律

4.

杠杆定律及其应用

1)推导2)主要内容3)适用条件

5.

不平衡结晶—枝晶偏析

1)含义2)产生原因3)消除办法第26页,共67页，2024年2月25日，星期天2.匀晶相图分析第27页,共67页，2024年2月25日，星期天Cu-Ni合金的显微组织示意图第28页,共67页，2024年2月25日，星期天3.固溶体合金的平衡结晶规律（1）变温结晶（2）在结晶过程中，两平衡相的成分和相对百分含量是不断变化的。液相的成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化；此间的任一温度瞬时，都可应用杠杆定律计算液固两相的相对百分含量。第29页,共67页，2024年2月25日，星期天4.杠杆定律

及应用仅适用于两相区，用来求两个平衡相的化学成分和相对百分含量。注意支点的位置，一般是合金的成分点；两个端点一定处在两相区和单相交界处。第30页,共67页，2024年2月25日，星期天5.不平衡结晶——枝晶偏析（a）不平衡结晶；（b）不平衡结晶的组织第31页,共67页，2024年2月25日，星期天5.不平衡结晶——枝晶偏析第32页,共67页，2024年2月25日，星期天5.不平衡结晶——枝晶偏析Cu-Ni合金枝晶偏析示意图

第33页,共67页，2024年2月25日，星期天2.2.3共晶相图（学习的重点）1.

相图分析（1）共晶相图的形成（2）相图分析

①.特性点、线②.基本相③.相区第34页,共67页，2024年2月25日，星期天1.相图分析

（1）共晶相图的形成第35页,共67页，2024年2月25日，星期天1.相图分析

（2）相图分析第36页,共67页，2024年2月25日，星期天2.典型合金的平衡结晶过程分析（1）有限固溶体合金Ⅰ（2）共晶成分的合金Ⅱ（3）亚共晶成分合金Ⅲ（4）过共晶成分合金Ⅳ第37页,共67页，2024年2月25日，星期天（1）有限固溶体合金Ⅰ

图2*-110%Sn有限固溶体合金的冷却曲线及组织第38页,共67页，2024年2月25日，星期天（1）有限固溶体合金Ⅰ杠杆定律的应用在室温下，计算相百分含量.第39页,共67页，2024年2月25日，星期天（1）有限固溶体合金Ⅰ①平衡结晶过程分析

•文字说明•冷却曲线描绘②反应性质匀晶反应+二次析出反应③组织特征α+βⅡ或（β+αⅡ）④杠杆定律的应用

•计算相组分的相对百分含量

•计算组织组分的相对百分含量第40页,共67页，2024年2月25日，星期天（2）共晶成分的合金Ⅱ共晶合金的冷却曲线及室温下的组织第41页,共67页，2024年2月25日，星期天（2）共晶成分的合金Ⅱ第42页,共67页，2024年2月25日，星期天（2）共晶成分的合金Ⅱ①平衡结晶过程分析

•文字说明•冷却曲线描绘②反应性质共晶反应+二次析出反应③组织特征（α+β），共晶体，共晶组织④杠杆定律的应用第43页,共67页，2024年2月25日，星期天（3）亚共晶成分合金Ⅲ

图4*亚共晶合金的冷却曲线及组织第44页,共67页，2024年2月25日，星期天（3）亚共晶成分合金Ⅲ初晶的截取位置及相应的组织形貌第45页,共67页，2024年2月25日，星期天（3）亚共晶成分合金Ⅲ①平衡结晶过程分析

•文字说明•冷却曲线描绘②反应性质匀晶反应+共晶反应+二次析出反应③组织特征α+（α+β）+βⅡ④杠杆定律的应用第46页,共67页，2024年2月25日，星期天（4）过共晶成分的合金①平衡结晶过程分析

•文字说明•冷却曲线描绘②反应性质匀晶反应+共晶反应+二次析出反应③组织特征β+（α+β）+αⅡ④杠杆定律的应用

第47页,共67页，2024年2月25日，星期天（4）过共晶成分的合金

过共晶合金的冷却曲线及组织第48页,共67页，2024年2月25日，星期天3.两种填写相图的方法图2-12标明组织组分的铅-锡合金相图第49页,共67页，2024年2月25日，星期天3.两种填写相图的方法图2-11以相组分形式填写相图的方法第50页,共67页，2024年2月25日，星期天4.包晶相图的特征第51页,共67页，2024年2月25日，星期天4.包晶相图的特征第52页,共67页，2024年2月25日，星期天5.具有稳定化合物的相图第53页,共67页，2024年2月25日，星期天6.具有共析反应的相图第54页,共67页，2024年2月25日，星期天7.二元合金相图与性能之间的关系合金的性能取决于它的成分和组织,相图则可反映不同成分的合金在室温时的平衡组织。因此,具有平衡组织的合金的性能与相图之间存在着一定的对应关系。

第55页,共67页，2024年2月25日，星期天7.二元合金相图与性能之间的关系图2-16合金的性能与相图的关系第56页,共67页，2024年2月25日，星期天（2）合金的工艺性能与相图

的关系

第57页,共67页，2024年2月25日，星期天2.3铁碳合金相图分析第58页,共67页，2024年2月25日，星期天2.3铁碳合金相图分析

抗拉强度极限

σb

延伸率

δ

断面收缩率

ψ

冲击韧性

ak

J/m2硬度

Fe180～230MPa30%～50%

70%～80%

1.6×106～2×106

50～80HBFe3C30MPa

00

0800HB

第59页,共67页，2024年2月25日，星期天2.3铁碳合金相图分析铁碳合金中的相：液相L、δ相、α相、γ相、Fe3C相

相图中重要的点：J为包晶点、

C点为共晶点、S点为共析点

相图中重要的线:

水平线HJB为包晶反应线。碳含量0.09%～0.53%

水平线ECF为共晶反应线。碳含量在2.11%～6.69%

水平线PSK为共析反应线。碳含量0.0218%～6.69%GS线自A中开始析出F的临界温度线,通常称A3线。

ES线是碳在A中的固溶线,通常称Acm线

PQ线是碳在F中固溶线。Fe3CIII

第60页,共67页，2024年2月25日，星期天2.3铁碳合金相图分析根据Fe-Fe3C相图,铁碳合金可分为三类：工业纯铁[ω(C)≤0.0218%]钢[0.0218%<ω(C)≤2.11%

亚共析钢

0.0218%<ω(C)<0.77%

共析钢

ω(C)=0.77%

过共析钢

0.77%<ω(C)≤2.11%白口铸铁[2.11%<ω(C)<6.69%]

亚共晶白口铸铁

2.11%<ω(C)<4.3%

共晶白口铸铁

ω(C)=4.3%

过共晶白口铸铁

4.3%<ω(C)<6.69%第61页,共67页，2024年2月25日，星期天2.3铁碳合金相图分析第62页,共67页，2024年2月25日，星期天4.碳含量对组织和性能的影响第63页,共67页，2024年2月