工程材料及成形工艺 第3版 课件 4章 纯金属与合金的结晶

第4章金属与合金的结晶《工程材料及成形工艺》机械工业出版社4.1纯金属的结晶4.2合金的结晶4.3合金性能与相图的关系2.4铁碳合金相图

金刚石石墨石墨烯金刚石很硬，可切割玻璃石墨很软，铅笔内芯金刚石、石墨、石墨烯均由碳原子组成，它们性能为什么差异很大？材料性能与结构有关吗？引例4.1纯金属的结晶1凝固与结晶的概念凝固：物质由液态转变成固态的过程。结晶：原子从无规则的液态转变成有序排列的固态(晶态）的过程叫结晶。凝固后是晶体，这种凝固过程叫结晶，例如水。凝固后是非晶体就不是结晶，例如玻璃。金属当冷却速度极大时(纯金属达108K/s，合金达106K/s），可获得非晶态组织。4.1.1结晶的基本条件结晶示意图2结晶的基本条件过冷度：实际结晶温度与平衡结晶温度的差值。∆T=T0-T1。冷却速度越快，过冷度越大。纯金属的结晶温度为什么是恒定值？外界散失的热量由释放的结晶潜热补偿。散热快时结晶速度较快，散热慢时结晶速度放慢，使结晶温度保持在固定数值。结晶完毕后没有了结晶潜热，温度才下降。纯金属的冷却曲线由液态转变成晶体的温度称为结晶温度。理论结晶温度T0：纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下的平衡结晶温度。实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度。这种现象叫过冷。在纯金属冷却和结晶过程中，不断测量温度，将温度随时间变化的过程绘制在温度-时间坐标系内，从而得到冷却曲线。4.1.2纯金属的结晶过程1晶核形成结晶过程自发形核：只依靠液体本身，在一定过冷度条件下形成晶核的过程。在成分起伏和能量起伏作用下，液态金属内部存在尺寸较小、不稳定、短程有序的原子集团。它们在一定的过冷度下变得稳定，生长成为结晶的晶核。非自发形核：依附液态金属内部杂质表面或容器壁而形成的晶核，称非自发形核。起优先和主导的作用。晶核形成：晶体从无到有晶体长大：晶体从小到大液体中短程有序的原子集团示意图结晶过程结晶过程晶核形成后，周围的原子不断在晶核上沉积，使晶核不断长大。晶核长大的同时，液体中又有许多新的晶核产生。这样，晶核的形成和长大两个过程不断进行，直到它们与相邻的晶体相互接触为止，全部液体金属转变为固体，结晶完毕。晶体内形成了原子排列方向各不相同，外形不规则，大小不相等的晶粒。2晶体长大过程枝晶长大3影响晶粒大小的因素Z=K（N/G）3/4Z—单位体积内晶粒数目K—系数，球状晶粒取0.9N—形核率G—长大线速度随着过冷度的增加，形核率和长大率都将增加，但两者增大的程度不同，形核率增大得快些。因此过冷度越大，晶粒越细小。结论：过冷度越大，晶粒越小；生核速度越快，晶粒越小；长大速度越慢，晶粒越小；外来晶核越多，晶粒越小。过冷度对晶粒大小的影响结论：晶粒越细小，强度和硬度越高；塑性和韧性也越好。另外，细晶粒金属在热处理时变形、开裂倾向也比较小。因此，细化晶粒是改善金属材料性能的重要措施。晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒平均直径μmRmMPaRelMPaA%701843430.6252164539.52.02685848.81.62706650.7结晶后金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小，对金属的机械性能影响很大。获得细晶粒的主要措施

机械振动；超声波振动；电磁振动。用金属型代替砂型；降低铸型温度；降低浇注温度。加入变质剂钢的晶粒度级别及单位面积上的晶粒个数此处，单位面积＝10-4平方英寸晶粒大小用单位截面积上的晶粒数目表示，也用单位体积内的晶粒数目表示。1级，1个2级，2个3级，4个4级，8个5级，16个6级，32个7级，64个8级，128个液体金属浇入铸模时，铸模温度不高，液体冷却快，外层金属受到激冷，生成大量晶核，同时模壁起非自发形核作用，结果在表层形成一层晶粒很细的细晶区。在细晶区形成时，铸模温度升高，过冷度减小，N降低，G受到的影响较小。结晶时，优先长大的方向与散热最快方向相同，晶粒向液体内部平行长大，形成柱状晶区。随着柱状晶区的发展，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，晶粒向各个方向均匀长大，形成粗大的等轴晶区。1-细等轴晶区2-柱状晶区3-粗等轴晶区合金是由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）组成的具有金属特征的材料。例如：纯铜（紫铜）只由一种元素组成，为纯金属；黄铜（H62）：是铜（Cu）与锌（Zn）组成的合金；铁碳合金：Fe和C组成的合金；铝合金、镁合金、钛合金。①合金4.2合金的结晶

组元就是组成合金最基本的、能够独立存在的物质。例如：铜、锌是黄铜的组元；铁与碳是铁碳合金的组元。组元可以是化学元素，也可以是稳定的化合物（Fe3C）。根据组元数的多少，可分为二元合金、三元合金等。②组元

金属或合金中具有相同化学成分、相同结构并以界面相互分开的各个均匀的组成部分。单相合金：由一个相组成的合金。多相合金：由两个以上相组成的合金。③相

铁素体珠光体两相之间的分界面，称为相界。一种相在一定条件下转变为另一种相的过程。⑤相界

④相变

1固溶体固溶体是指合金的组元在固态下相互溶解,形成一种组元的晶格中含有其它组元原子的新晶体。合金中晶格形式被保留的组元称为溶剂，溶入固溶体中失去其原有晶格类型的组元是溶质。固溶体保持溶剂的晶格类型。举例：糖水、盐水4.2.1合金的相结构

合金的相结构分为：固溶体、金属化合物、机械混合物固溶体中溶质元素数量占固溶体的百分比，称为固溶体的浓度。在一定条件下平衡时，固溶体的最大浓度，称为固溶度。

置换固溶体：溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子。根据溶质原子在晶格中所占位置不同分为：间隙固溶体：溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶格的间隙位置中。（有限）例：碳在α-Fe中形成的间隙固溶体叫铁素体F；碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体叫奥氏体A。

有限固溶体：溶解度有一定限度；无限固溶体：溶解度无一定限度；间隙固溶体置换固溶体固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变使位错运动阻力增大，滑移难以进行，使固溶体的强度与硬度增加。这种通过溶入合金元素形成固溶体来使合金强化的现象，称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，固溶强化可提高材料的强度和硬度。固溶体晶格畸变固溶体的晶胞示意图管材奥氏体不锈钢金相组织固溶体的晶胞示意图H90线材H90铜合金金相组织2金属化合物金属化合物具有高熔点，高硬度，而塑性及韧性极差，可利用它来提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属化合物硬而脆，不作为金属材料的基体，而是以硬质点的形式分布于合金中起强化作用。它们的数量、形状、尺寸和分布对合金性能有明显影响。Ni3Al金属化合物粉末一次渗碳体和共晶渗碳体金属化合物是由不同原子形成的具有金属性质的一种新相，其晶格类型不同于任一组元，其原子间按一定整数比组成，可用分子式来表示。例如：Fe与C形成的金属化合物叫渗碳体Fe3C。3机械混合物纯金属、固溶体、金属化合物都是组成合金的基本相。由两种或两种以上不同晶格的相均匀地混合在一起形成的多相组织称为机械混合物。它可以由两种不同晶格的固溶体组成，也可以由固溶体和金属化合物组成。机械混合物的性能介于两组成相之间，决定于组成相的数量。珠光体莱氏体合金相图是表示平衡条件下合金的成分、温度与合金相（或组织）之间关系的图形。具体地说，合金相图表示合金在极其缓慢的冷却或加热条件下，合金相（或组织）随温度和成分的变化规律，合金相图又称为平衡状态图。横坐标--成分纵坐标--温度图上区域--合金相4.2.2合金相图的建立Al-Si二元合金相图①配制一系列成分不同的Cu-Ni合金；②用热分析法测定出所配制合金的冷却曲线；③找出各冷却曲线上开始结晶和完成结晶的临界点。④画出温度-成份坐标系，在相应成分垂直线上标出临界点温度。⑤将物理意义相同的临界点连接成线，即得到Cu-Ni二元合金相图。相图是通过试验方法得到的，有热分析法、磁性分析法及显微分析法等，其中最常用的试验方法是热分析法。以Cu-Ni二元合金相图为例，采用热分析法，讲解相图的建立过程。

热分析法建立相图在二元合金系中，两组元在液态下能相互溶解，在固态下能形成无限固溶体的合金状态图，称为匀晶相图。匀晶相图特点：液态无限互溶，固态无限互溶。1匀晶相图及杠杆定律Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Ni,W-Mo4.2.3二元合金相图当液态合金缓慢冷却到t1温度时，开始从成分为L1的液相中析出成分为α1的固溶体。α1的含镍量要比液相L1的多，余下的液相中含镍量变少。在温度不断下降过程中，α固溶体的数量不断增加，析出的α固溶体成分沿着固相线变化，与之平衡共存的剩余液相成分相应沿液相线变化。Cu-Ni相图当冷却到t3温度时，结晶终止，得到含镍量为40%的单相固溶体α。匀晶转变反应式为：L→α枝晶偏析若结晶时冷却速度较快，扩散过程远远跟不上结晶过程。如图所示，开始结晶出成分为α1的固溶体，随着温度下降，在它的外面又形成成分为α2的固溶体和α3的固溶体。因此先结晶出的树枝晶晶轴含有较多的高熔点组元，后结晶的树枝晶分枝及其枝晶间空隙则含有较多的低熔点组元。这种成分不均匀现象，称为枝晶偏析。右图中，先结晶的枝干中含Ni高，不易被浸蚀，呈白色；而后结晶部分含Cu高，易被浸蚀，呈黑色。Cu-Ni合金的枝晶偏析杠杆定律在温度为T1时，发生L→α匀晶转变，液相L与α相共存。那么，此时液相和固相的相对数量各是多少呢？设合金总质量为M＝M液+M固，T1时液相质量分数为Q液＝M液/M，α固溶体的质量分数为Qα＝M

α

/M，则有：另外，合金中镍的总质量，等于液相中镍的质量与固溶体中镍的质量和。即

杠杆定律的证明为了便于理解

杠杆定律的证明及力学比喻如果用r作支点，把固相（或液相）的质量分数当成当成作用于杠杆右端（或左端）的力，把相应成分差当成力臂；那么固液相的数量与成分差的关系如同力学中的杠杆定理。因此把平衡结晶时，计算合金相质量分数的公式，称为杠杆定律。有了杠杆定律，我们就可以计算任一温度下合金相的数量。杠杆定律是研究合金相的重要工具。共晶反应线：CED；液相线：AEB；固相线:ACEDB三个单相区：L，α，β；三个两相区：L+α，L+β；α+β2共晶相图Pb-Sn相图在二元合金系中，两组元在液态下完全互溶，在固态下只能形成有限固溶体或化合物，并且具有共晶转变的相图，称为共晶相图。Pb面心立方晶格，熔点327.5℃Sn简单正方晶格，熔点231.9℃α是以Pb为溶剂、Sn为溶质β是以Sn为溶剂、Pb为溶质Pb-Sn相图共晶反应合金分类：共晶合金亚共晶合金过共晶合金共晶组织中各合金相的含量：各成分合金的结晶过程各成分合金室温组织

各种各样的共晶组织层片状（Al-CuAl2）棒状或条状（Sb-MnSb）螺旋状（Zn-Mg）球状或短棒状（Cu-CuO）针状(Al-Si）Fe-C(石墨)答：由相图可知，当低于0℃时，在冰雪中加入一定量的盐，会使部分冰雪转变为盐水，整个组织变为“冰雪+盐水”。“冰雪+盐水”这种混合物具有一定的流动性，清除成本低。因此下雪天可采取在道路上加盐的措施来尽快化掉积雪。当温度低于-21℃时，无论在雪中加入多少盐，“冰雪+盐”均是固体的混合物，即使在-21℃之上存在盐水，在-21℃之下时也会凝固成“冰雪+盐”。在雪中加入5%的盐，可使-2.5℃的雪化为盐水，因此冬天在道路上加盐，只在天气温度稍低于0℃的时候才有效。提问：下雪天，为尽快化掉道路上的积雪，采取什么措施？H2O-NaCl相图3包晶相图右图为Pt-Ag相图，合金成分在含Ag10.4%－42.4%的合金要发生包晶反应。新生成的β相包在先析出的α相的外表面上。因此将这种在一定温度下、一定成分的液相和固相形成另一成分固相的结晶过程称为包晶转变。L66.3

+α10.5β42.41186℃LC

+αP

βD1186℃Pt-Ag相图4具有共析转变的二元相图恒温下，一个固相中同时析出两种成分不同、结构不同的固相的转变叫共析转变。具有共析转变的相图称为共析相图。共析转变反应式：γ

α+β共析转变特点：固态下进行，原子扩散较困难，需较大过冷度；即转变温度低，需过冷度大，形核率高，组织比共晶组织细密；转变前后晶体结构的不同，引起体积变化，产生较大内应力。具有共析转变的二元合金相图常见三相等温水平线上的反应名称图形特征反应式说明共晶反应L⇄

+

恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的新固相。包晶反应L+

⇄

恒温下由液相与固相结合，生成另一种新固相的组织转变过程。共析反应

⇄

+

恒温下由一个固相同时结晶出两个成分结构不同的新固相。1合金力学性能与相图的关系相图应用于：材料设计及研究材料热处理制定材料加工工艺4.3合金性能与相图的关系合金力学性能与相图的关系2合金工艺性能与相图的关系铸造性能：共晶合金熔点低，又在同一温度下结晶，熔体流动性好，分散的缩孔和缩松小，热裂和偏析倾向小。锻造性能：单相合金的锻造性能好，变形抗力小，变形均匀，不容易开裂，因而变形能力大。具有双相组织的合金变形能力差，特别是组织中有较多的化合物时。合金铸造性能与相图的关系4.4.1铁碳合金的组元与基本相1纯铁的同素异构转变4.4铁碳合金相图

相图铁为元素周期表上第26号元素，原子量55.85，属于过渡族元素。熔点为1538℃，沸点为2862℃，室温密度7.87g/cm3。1）含义固态下，同一种元素的晶体由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。

晶格由面心立方转变为体心立方，体积膨胀8%。晶粒细化热膨胀晶格由体心立方转变为面心立方，体积收缩8%

。(a)纯铁的同素异构转变(b)对晶粒的影响(c)纯铁的线膨胀率纯铁的同素异构转变及其作用

2）特点固态下的同素异构转变与液态结晶过程类似，遵循结晶的一般规律：①有一定的平衡转变温度；②需要一定的过冷度；③经历形核、长大的过程。但这种转变在固态下进行，原子扩散比在液态下困难，使同素异构转变还具有如下特点：①需要较大的过冷度；②纯铁同素异构转变引起晶体体积变化，并产生内应力。③在降温时，同素异构转变使晶粒细化。3）应用使钢铁材料可以通过热处理来改变组织，从而提高性能；利用它将常温下塑性较差的体心立方晶格转变为高温时塑性较好的面心立方晶格，从而进行钢材的热轧和锻造；使钢铁材料组织多样，性能多样，适应多种应用要求。铁素体(F)碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。体心立方晶格。727℃时固溶度为0.0218%；室温时，固溶度为0.0008%。碳在铁素体中最大固溶度时：即在1000个铁原子中只有一个碳原子，500个晶胞中最多有1个碳原子。铁素体性能：Rm=230MPa,A=50%,50～80HBS。2铁碳合金的基本相及其性能碳存在于八面体间隙中奥氏体(A)碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。面心立方晶格。1148℃时固溶度最大，2.11%，727℃时固溶度为0.77%。固溶度最大时：10个铁原子约能固溶1个碳原子，即奥氏体中每2.5个晶胞中最多可容纳1个碳原子。奥氏体硬度不高，易于塑性变形。

Rm=400～800MPaA=40～50%,（170～220）HBS碳存在于八面体间隙中渗碳体(Fe3C)铁与碳形成的金属化合物。渗碳体一般作为碳钢中的主要强化相。它的数量、形态及分布，对铁碳合金的机械性能有很大影响。渗碳体形状有片状、网状、球状和板状等形态。含碳量6.69%，熔点1227℃。硬度达800HBW，脆性大，韧性和塑性几乎为0。Fe3C中Fe原子可以被其它金属原子所置换，形成合金渗碳体，如（Fe、Mn)3C;(Fe、Cr)3C；部分C原子可被N、B所置换，形成Fe3（C、N);Fe3(C、B)渗碳体晶胞珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体交替排列的片层状组织，属于机械混合物。Wc=0.77%。珠光体的强度和硬度高，具有一定的塑性，其力学性能大致为：抗拉强度Rm＝750～900MPa，延伸率A=20～25%，冲击韧度αk=24～32J/cm2，硬度为180～280HBS。奥氏体和渗碳体的机械混合物，呈蜂窝状Wc=4.3%。莱氏体是渗碳体基体上分布着奥氏体组织，其硬度很高，脆性大，耐磨性能好，常用来制造犁铧、冷轧辊等耐磨性要求高并且工作时不受冲击的工件。1148℃下，随着温度降低，莱氏体中的奥氏体会发生转变，这样的莱氏体称为低温莱氏体，用符号“Ld′”表示。莱氏体（Ld）相图1铁碳合金相图4.4.2铁碳合金相图分析铁碳合金相图的横坐标代表铁碳合金的成分，常用含碳量（Wc％）表示；纵坐标代表温度（℃）。横坐标左端原点代表纯铁（Wc％＝0），右端末点代表含碳量为（Wc％＝6.69％）的Fe3C。奥氏体液相渗碳体铁素体珠光体莱氏体

共晶转变共析转变LC

(AE

+Fe3C)，Ld

1148℃AS

(FP

+Fe3C)，P

727℃两相区：

L+γ；L+Fe3C；γ+Fe3C；α+Fe3C。单相区：液相，L；奥氏体区，γ（或A）；铁素体区，α（或F）；渗碳体区，Fe3C。相图中的相区两个重要转变奥氏体液相渗碳体铁素体珠光体相图中的特征线液相线ＡＣＤ；固相线ＡＥＣＦ；共晶转变ECF；共析转变PSK。

碳在铁中最大溶解度点P（0.0218，727）：α-Fe中E（2.11，1148）：γ-Fe中Q（0.0008，RT）：室温下S（0.77，727）：共析（A＋F＋Fe3C）C（4.3，1148）：共晶（A＋L＋Fe3C）F（6.69,1148)渗碳体K

(6.69,727)渗碳体ES线：碳在奥氏体A中的溶解度曲线。最小S：0.77%，最大E：2.11%。随温度↓，最大溶解度↓，多余C以Fe3CⅡ形式析出。Fe3CⅡ多以网状析出，损害材料强度、塑性。PQ线：碳在铁素体F中的溶解度曲线，随温度降低，多余C以Fe3CⅢ形式析出，Fe3CⅢ数量很少，忽略。GS：A®F开始线;F®A结束线GP：A®F结束线;F®A开始线奥氏体液相渗碳体铁素体珠光体莱氏体固溶度线工业纯铁：<0.0218%C

亚共析钢：0.0218-0.77%C碳钢共析钢：0.77%C0.0218-2.11%C

过共析钢：0.77-2.11%C

亚共晶白口铸铁：2.11-4.3%C白口铸铁共晶白口铸铁：4.3%C

2.11-6.69%C

过共晶白口铸铁：4.3-6.69%C1铁碳合金的分类及组织

铁碳合金按含碳量和室温组织不同，分为：4.4.3典型铁碳合金结晶过程及其组织2碳钢的平衡结晶过程3铸铁的平衡结晶过程4铁碳合金组织60钢的室温组织QP=77.3%,

QF=22.7%σs=325MPa,δ=9%,HB200-24120钢的室温组织QP=23.8%,

QF=76.2%σs=205MPa,

δ=24%,HB105-15645钢的室温组织QP=58.4%,

QF=41.6%

σs=295MPa,

δ=14%,HB170-207

共析钢的室温组织：100%的珠光体相组成：F+Fe3C

Q