《工程材料》第三章材料的凝固与结晶组织综述

第三章

材料的凝固与结晶

凝固：材料从液态到固态的转变过程。结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。一次结晶：液态物质转变为晶态固体的过程。

工程上一般把金属由液态转变为固态的加工过程称为铸造。

将液态金属浇铸到锭模或铸模中冷却为一定形状的块体称为铸锭。也可以直接浇注成铸件。铸铝锭浇注50t铸钢支承辊炼钢－连铸连轧生产线

钢包结晶器炼钢－连铸连轧生产线

液态金属原子的位置是不规则的密堆排列,它们在互相挤碰的热运动中，也会出现许多大小不等、规则排列、取向不定、时聚时散的原子团。这种原子团的规则排列称短程有序。液态金属结构

第二节纯金属的结晶

当温度下降至结晶温度以下时，原子团不再消失并迅速长大形成规则排列的晶胚→晶核→晶粒→固态晶体金属。规则排列的原子结构，称长程有序。。

液态金属结构

不规则排列，短程有序

固态金属结构规则排列，长程有序

一、结晶条件

过冷现象：金属在平衡结晶温度Tm时，结晶为晶体的速度与晶体熔化为液体的速度相等，不发生结晶。只有在Tn时才能结晶。实际结晶温度与理论结晶温度存在一温差ΔT，称过冷度。ΔT=Tm—Tn结晶温度金属理论结晶温度环境温度使液态金属温度降低至Tn在Tn结晶并释放潜热，使结晶温度又升高至Tm铁Fe1538℃，铜Cu1085℃，金Au1064℃，银Ag962℃铝Al660℃，锌Zn420℃，铅Pb327℃，锡Sn232℃二、结晶过程

结晶是一形核、长大的过程。试验证明，结晶是先形成一些微小的晶核，然后长大，同时在液体中不断产生新的晶核并长大，直到每个晶粒长大到相互接触、液体消失为止。

1、形核

1）均质形核：晶核是在母相（液相）中直接由那些时聚时散的原子集团形成晶胚，再长大为晶核。2)非均质形核：晶核依附于液相中的杂质或外来表面形核。实际熔液都存在杂质和外表面，凝固方式主要是非均质形核。

1、晶核形成

液态金属有许多不稳定、短程有序的原子团。当温度低于Tm时，原子团成为均质形核的晶胚。晶胚内原子规则排列，其外层原子与液体中无规则排列的原子相接触构成界面。2、结晶（晶核长大）在一定的过冷度下，晶核形成后会继续长大，形成晶体。

3、晶体长大方式－树枝状长大

结晶释放的结晶潜热，阻碍靠近晶体的液体继续结晶，而过冷作用又使液体先在晶体的棱角尖部结晶，形成一次晶枝。在一次晶轴侧面生出新的二次晶枝，而后又生成三次、四次晶枝。最后得到树枝状的晶体。

三、结晶晶粒大小及控制细化晶粒是提高金属机械性能的重要途径。这种方法称为细晶强化。

细晶强化是同时可以提高金属强度、硬度、塑性及韧性的唯一有效方法。。金属强化方向之一：晶粒细化→超细化→纳米晶→非晶态细化铸态金属晶粒措施之一：增大过冷度过冷度ΔT增大,形核速率N和长大速度G都会增大。ΔT较小时，N的增长率小于G；ΔT较大时，N的增长率大于G。增大过冷度的主要办法：1、降低浇注温度。2、提高浇注后的冷却速度（如采用金属型铸模）。高速急冷可获得超细晶或纳米晶粒。超高速急冷可使液态金属难以结晶而得到非晶态结构。非晶态金属具有很高的强度和韧性及优异的电磁性能和高的抗腐蚀性能等。细化铸态金属晶粒措施之二：变质处理

在液体金属中加入变质剂（孕育剂），增加晶核的数量，细化晶粒和净化晶界。如在铝液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝、镁、硅等，可使晶粒明显细化。耐磨材料的细化晶粒强化细化铸态金属晶粒措施之三：振动与搅拌金属在结晶过程中采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌、吹入惰性气体等方法，使正在生长的树枝状晶破碎，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。四、固态的同素异构转变有些金属固态时存在两种或两种以上的晶体结构（铁、钴、钛等）。在固态的某一温度，晶格结构会发生转变。由一种晶格结构转变为另一种晶格结构，称同素异构转变。金属在固态的晶格结构转变过程称为二次结晶（重结晶）。在1538℃液态铁

δ-Fe

（体心）在1394℃δ-Fe

γ–Fe（体心）（面心）在912℃γ–Fe

α-Fe

（面心）（体心）

纯铁的结晶过程金属在发生同素异构转变时也有过冷现象，也释放潜热，有固定的转变温度。

转变过程重新形核并长大为新的晶粒。固态转变需要较大的过冷度。

金属结晶后，形成由大量晶粒组成的多晶体。在显微镜下晶粒呈颗粒状。晶粒大小可用晶粒度来表示。第三节

合金的结晶与相图

合金：一种金属与另一种或多种金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。

碳钢是由铁与碳两个组元组成的二元合金；合金钢是由铁、碳及其它元素组成的多元合金。一、

合金相结构

相是结构相同、化学成分相同的组成部分。如液态金属为液相；α-Fe为体心立方结构的固态相；Fe3C（渗碳体）在钢中为复杂结构的间隙化合物相。

工业纯铁C%≤0.0218%

T8钢由铁素体相和

（α相或铁素体相）Fe3C相组成

组织：一种或多种相的组成体。

‘相’构成了‘组织’。相的形态、组织形态，可在光学或电子显微镜下进行观察。◆

工业纯铁T8钢珠光体组织（铁素体组织）（由铁素体相和渗碳体相组成）相组成：α-Fe相（铁素体）＋Fe3C相（渗碳体）组织组成：铁素体组织＋珠光体组织。

珠光体组织：α-Fe相＋Fe3C相。20CrMo钢金相观察两种基本相结构：

固溶体、金属间化合物。

1、固溶体二个组元通过溶解形成一种与原结构相同的固相称为固溶体A（B）。成分均匀、性能一致。

①固溶体分类

置换固溶体：

晶格相同,原子半径、化学性质相近的元素组成。如Fe与Mn、Ni、Cr、Si、Mo另Cu-Sn、Pb-Zn、Cu-Ni等。间隙固溶体：

原子半径较小的元素溶入溶剂晶格的间隙形成的固溶体。过渡金属Fe、Co、Ni与H、B、C、N形成间隙固溶体。如α-Fe（铁素体）

γ-Fe（奥氏体）溶解度:

分有限固溶体和无限固溶体。置换：Cu-Sn、Pb-Zn（有限）；Cu-Ni、Fe-Cr（无限）；间隙：α-Fe（铁素体）对碳的溶解度：727℃时为0.0218%，而常温仅0.0008%。

②固溶强化溶质原子引起溶剂晶格畸变,使材料硬度升高，塑性和韧性有所降低。机理：溶质原子溶入→晶格畸变→阻碍位错运动→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。a)b)c)2、金属间化合物（合金中第二种相结构）金属间化合物是组元元素形有金属特性的、晶格和特性完全不同于任一组元的化合物。

主要类型：1）正常价化合物

（金与非，遵守化合价规律，脆、硬度较高）；2）电子化合物

（金与金，金属键，脆，硬度较高）；3）间隙化合物（金与非，脆，硬度极高、熔点高）原子半径比＜0.59，形成简单间隙相。如VC、TiC、ZrC。原子半径比＞0.59，形成复杂结构的间隙化合物。如钢中Fe3C、Cr7C3。间隙相VC

复杂斜方晶格的间隙化合物(Fe3C)

3、机械混合物

单一固溶体：强度、硬度较低单一金属间化合物：硬而脆机械混合物：固溶体＋少量化合物。较高的强度、硬度的同时保持较高的塑性和韧性。二元合金相图

是表明两组元在不同成分、不同温度时结合状态的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。

1、建立相图最简单的基本相图—匀晶相图。建立Cu-Ni相图。先配制出5种不同成分的合金粉：Ⅰ：Cu

100％Ⅱ：Cu75％+Ni25％Ⅲ：Cu50％+Ni50％Ⅳ：Cu25％+Ni75％Ⅴ：Ni100％将它们分别加热熔化后缓慢冷却，观察冷却过程。把数据绘到温度-成分的关系图中：将点连接起来，形成Cu-Ni相图。相图中的液相线、固相线、L、α、L+α结晶转变的过程：L→L+α→α匀晶相图：两组元在液、固态无限互溶Cu-Ni，Fe-Cr，Au-Ag。匀晶转变的特点a.形核、树枝状长大。b.变温转变。c.两相区内，温度变化，液固相相对量改变。d.两相区内，温度变化，结晶成分变化。杠杆定律

ωL＝ob/ab×100%ωα＝ao/ab×100%

存在枝晶偏析：原子扩散不充分→化学成分不均。先结晶的枝干中，含Ni量高。

Ni20％

-Cu80％显微组织图

，单相α固溶体。3、共晶相图

两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶的结晶转变。共晶合金：Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu等。共晶相图分析

液相线；固相线；三个单相区：L、α、β；共晶点：d（共晶温度），结晶出α相、β相，它们的混合物为α＋β共晶体。典型(成分)合金的结晶过程合金I：L→L+α→α→α+βII

相组成物：α,β

Pb85%

-Sn15%合金显微组织图。黑色基体为

α固溶体，白色颗粒为βII固溶体合金II：（共晶反应）L→L+(α+β)→α+β相组成物：α、β

组织组成物：共晶体(α+β)

成分：共晶体=100%形态：呈交替分布的层片状混合物。

Pb-Sn共晶合金显微组织是由α固溶体（黑色），β固溶体（白色）呈交替分布的层片状混合物Pb-Sn共晶体中α和β的相对量计算（质量分数）ωα＝（97.5-61.9）／（97.5-19.2）＝0.455（45.5％）ωβ＝？合金III：（亚共晶合金）L→L+α初→α初+(α+β）→α初+α+β+βII

Pb-Sn亚共晶合金显微组织

黑色枝晶为α初固溶体，黑白相间分布的组织为（α+β）共晶体，α初内析出白色小颗粒为βII固溶体。Pb75-Sn25合金共晶温度的组织组成物：α与共晶体的质量分数

（α86％；共晶体14％）合金III（亚共晶合金）组成

计算Pb75-Sn25合金共晶温度的组成相α与β的质量分数（α93％；β7％）

4、共析相图从γ相冷却到共析温度，发生共析反应:

γ→

(α+β)共析体ⅠⅠ

共析体：一种固相转变成两种互相叠加的固相混合物（层片状机械混合物）。共析反应是在固态下进行，原子扩散困难，共析体比共晶体要细密。钢中的珠光体5.合金性能与相图的关系

固溶体和纯金属都是单相组织，但固溶体的强度要远高于纯金属的强度。

固溶强化：加入合金元素形成固溶体,使强度增加。共晶（共析）体的力学性能：合金为共晶或共析状态时，层片状组织越细密，相界面就增多，强度和硬度就会增高。细珠光体硬度（HB）

260珠光体硬度（HB）200合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系第四节铸态组织与缺陷铸态的组织和缺陷直接影响铸件的力学性能。一、铸锭（件）的宏观组织金属和合金凝固后的晶粒较为粗大，宏观可见。三个晶区：1）细晶区（激冷层）；2）柱状晶区；3）等轴晶区。

123123（一）表层细晶区液态金属注入锭模，与型壁接触产生强烈过冷，立刻以型壁为形核面，形成大量的晶核并迅速长大至互相接触，形成细小等轴晶粒。表层细晶区（二）柱状晶区：随着型壁被熔液加热升温，细晶区前沿液体的过冷度减小，形核变得困难，固、液接触面的细晶粒只能互相拥挤向内生长，形成柱状晶区。柱状晶区（三）中心等轴晶区柱状晶生长到一定程度，前沿液体