金属材料与热处理 第2版 课件 第三单元 金属的结晶

第三单元金属的结晶凝固结晶金属由液态转变为固态的过程。结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。5

金属的结晶物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。平衡结晶温度或理论结晶温度金属熔点通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶格转变为另一种固体晶格的过程称为二次结晶或重结晶。

同素异晶转变模块一纯金属的结晶一、热分析试验方法热分析试验方法过冷结晶潜热1.冷却曲线信息量很大呦2过冷现象（1）过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。（2）过冷度：金属材料的理论结晶温度(Tm)与其实际结晶温度T0之差△T=Tm-T0(3)过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。二、结晶过程1.结晶的基本过程形核－长大晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。形核长大形成多晶体两个过程重叠交织2.晶核的形成均匀形核12

非均匀形核自发形核(均匀形核)：在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。均匀形核非自发形核（非均匀形核）：实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。非均匀形核实际金属结晶主要以树枝状长大。这是由于存在负温度梯度，冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。3.树枝状长大合金的结晶理论与纯金属相同。合金的结晶不是在恒温下进行的，有一定的结晶温度范围。在结晶过程中不只有一个固相和液相，而是在不同范围内有不同的相，各相成分也发生变化。模块二晶粒大小及控制

一、细晶强化金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。在一般情况下,晶粒越小,则金属的强度,塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化,是提高金属力学性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。1.增加过冷度

一定体积的液态金属中，若形核率N(单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3·s)越大，则结晶后的晶粒越多，晶粒就越细小；晶体长大速度G(单位时间晶体长大的长度,m/s)越快，则晶粒越粗。

二、细化晶粒的措施随着过冷度的增加,形核速率和长大速度均会增大。但前者的增大更快，因而比值N/G也增大,结果使晶粒细化。增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度，采用冷却能力较强的模子。实际生产中，通常采用降低铸型温度、采用蓄热大和散热快的金属铸型、局部加冷铁以及采用水冷铸型等。这种方法只适合于小件或薄件，对于大型工件，如冷却速度过大，会使结晶时的内应力加大，导致工件的变形甚至开裂。2.变质处理变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善组织。例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝等。

气轮机转子的宏观组织(纵截面)细晶的熔模铸件(上)普通铸件(下)铸铁变质处理前后的组织变质处理前变质处理后变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。3.振动

在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。

4.电磁搅拌将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。铸锭三晶区12

铸锭缺陷模块三金属铸锭的组织工业上应用的金属零部件一般由两种途径获得：一种是将液态金属浇注到一定形状与尺寸的铸型中直接凝固而成，称为铸件（Casting）。另一种是通过液态金属浇注成方或圆的铸锭（Ingotcasting），然后再通过热轧或锻压，最终可能通过切削加工和热处理，甚至焊接来获得零部件的几何尺寸和性能。金属结晶后的组织统称为铸态组织。对于铸件来说，铸态组织和缺陷直接影响它的力学性能。对于铸锭来说，铸态组织和缺陷直接影响它的加工性能，也有可能影响到最终零部件的力学性能。金属铸锭的组织和质量，不仅在铸造生产中，而且对几乎所有的金属零部件都是重要的。一、铸锭三晶区2006200720082009中间柱状晶粒层表面细晶粒层中心等轴晶粒层40⑴表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。⑵柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。⑶中心粗等轴晶区:由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。金属铸锭的三个晶区的形成44表层细晶粒层

柱状晶粒层中心等轴晶粒区液体金属浇入铸模后，由于模壁温度较低，表层

金属剧烈冷却，过冷度大，且模壁的异质形核作用，故铸锭表层形成细晶粒层。柱状晶粒区成长到一定厚度时，散热的方向性已不明显，内部液体处于均匀冷却状态，晶核在不同方向的成长速度相同，因此在铸锭的中心便形成粗大的等轴晶粒区。表层细晶粒层形成后，铸锭的冷却速度下降，晶核的形成速率不如成长率大，各晶粒成长较快。由于沿垂直于模壁方向散热较快，故晶粒编沿这一方向长大，形成柱状晶粒层。铸锭表层细晶区的组织致密，力学性能好，但该区很薄，对铸锭性能影响不大。柱状晶区的组织比中心粗大等轴晶区致密，其塑性较差，呈现各向异性，在锻造和轧制时容易开裂。因此，对塑性较差、熔点高的金属不希望产生柱状晶区。中心粗大等轴晶区组织疏松，杂质较多，力学性能较低。定向凝固（Directionalsolidification）是指在熔模铸造型腔中建立特定的温度梯度，使金属熔液散热方向单一并垂直于生长中的固-液界面，从而使金属沿与散热相反的方向结晶，获得单向生长的柱状晶体。定向凝固技术最突出的成就是在涡轮风扇发动机叶片中的应用，定向凝固高温合金涡轮叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能。提高发了发动机的推力和可靠性，并延长了使用寿命。定向凝固方法有下降功率法和快速逐步凝固法。定向凝固技术图定向结晶装置原理图二、铸造缺陷铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的。1.缩孔缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。集中缩孔形成过程示意图502.偏析合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。硫在钢锭中偏析的模拟结果3．气孔金属在熔融状态时能溶解大量的气体，如氮气、氧气、氢气等，在冷却过程中，由于溶解度随温度的降低而下降，特别是在金属结晶时，由于气体溶解度的剧烈下降而析出大量的气体。当金属完全凝固，而气体不能逸出时，在铸锭或件内部形成了气孔（Castingporosity）。气孔一般是圆形的，表面较光滑。气孔对铸件的危害很大，它不仅减少铸件有效截面积，而且造成局部应力集中，成为材料断裂的裂纹源，可以使金属力学性能降低，甚至造成铸件报废。对要求承受液压和气压的铸件，若含有气孔，能明显降低其致密性。铸锭内部的气孔在压力加工时一般可以焊合，但靠近铸锭表层的皮下气孔，则可能由于表皮破裂而氧化，在压力加工时不能焊合，应在压力加工前车去，否则易在表面形成裂纹。模块四合金的结晶合金的结晶不是在恒温下进行的，有一定的结晶温度范围。在结晶过程中不只有一个固相和液相，而是在不同范围内有不同的相，各相成分也发生变化。用单一的冷却曲线难以说明合金的结晶过程，就必须借助于合金相图这一重要工具。由地图引出相图我家在哪里？合金的成分？合金的状态？合金的组成相？合金相图又称合金状态图或平衡图，是表示在平衡（极其缓慢加热或冷却）条件下，合金系中各种合金状态与温度、成分之间关系的图形。合金的相变？相图是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。2.二元合金相图的建立目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：（1）配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜；Ⅱ80%Cu+20%Ni;Ⅲ60%Cu+40%Ni；合金Ⅳ40%Cu+60%Ni；合金Ⅴ：20%Cu+80%Ni;合金Ⅵ纯Ni。（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；（3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上；（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。LL+αα

用热分析法测定Cu－Ni相图相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。

LL+

成分（wt%Ni）温度（℃）CuNi液相线固相线二、二元匀晶相图合金的两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称为二元匀晶相图。二元匀晶相图是最简单二元相图，Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、W-Mo及Fe-Ni等合金都具有这类相图。现以Cu-Ni合金为例分析相图简单二元相图。

Cu-Ni合金相图1.相图构成相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。

2.合金的结晶过程合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。由于实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件下进行的。使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。3.枝晶偏析在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象,

称作枝晶偏析。枝晶偏析的消除不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作均匀化或扩散退火。三、二元共晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以Pb-Sn相图为例进行分析。1．相图分析共晶相图中有三个单相区：液相区L，固相α和β相区；三个两相区：L+α区，L+β区，α+β区；一个三相共存点：C点。AB在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。。

在共晶线对应的温度下（183℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的

固溶体和D点成分的

固溶体，形成这两个相的机械混合物：LE⇄(

C+D)共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称过共晶合金。Pb-Sn共晶组织2.Pb-Sn合金的结晶过程共晶合金结晶过程亚共晶合金结晶过程过共晶合金的结晶过程3.相组分和组织组分不同成分的Pb-Sn合金具有不同的显微组织，其中α、αⅡ、β、βⅡ及共晶组织（α＋β）各具有一定的组织特征，是组成显微组织的独立部分，并在显微镜下可以明显区分，称之为组织组分。成分位于F点至G点之间的Pb-S