工程材料-金属的结晶与二元合金相图

1、机械工程系工程材料与热处理主讲：许密第三章金属的结晶与二元合金相图3.1 金属的结晶及其控制3.1.1 结晶概述凝固液态转变成固态结晶液态转变成晶体结晶的能量观点机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图冷却曲线：金属结晶过程中温度随时间变化的规律曲线。将纯金属加热熔化成液体，然后使其 缓慢 冷却， 在冷却过程中，每隔一段时间测量液体的温度，可得到纯金属的冷却曲线 。温度时间机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图理论结晶温度(T0) ：纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下结晶的温度。实际结晶时，冷却速度较快，

2、 使液态金属在低于T0的某一温度Tn开始结晶；过冷现象：实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。实际生产中结晶总是在过冷的条件下进行的(必要条件)冷却速度越快，过冷度越大， 实际结晶温度越低。过冷度T = T0Tn温度理论冷却曲线T0Tn实际冷却曲线时间机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图3.1.2 金属的结晶过程液态金属的结晶过程：形核、核长大。首先在液体中形成一些极微小的晶体(晶核)，然后再以它们为核心不断长大。在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液态金属全部消失。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图1）晶核的

3、生成(1) 自发形核:从液体内部自发形成结晶核心的过程。当温度降到结晶温度以下时，液态金属中形成一些比较稳定的原子集团，成为结晶的核心。(2) 非自发形核:液态金属依附在一些不溶微粒表面形成晶核的过程。不溶微粒可以是液态金属存在的杂质，也可是人为加入的物质。结晶过程中，非自发形核比自发形核更容易、更重要，往往起优先和主导的作用。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图2）晶核的长大晶核长大的实质：是原子由液体向固体表面的转移，金属晶体往往以树枝状的形式长大。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图一次晶轴伸长和变粗，棱边又生成二次晶轴

4、，形成三次晶轴、四次晶轴，从而形成一个树枝状晶体，称为树枝状晶，简称枝晶。当液体全部消失时，结晶停止,此时枝晶间隙往往被填满。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图3. 晶粒的大小及控制1.晶粒度晶粒越细，金属的强度、硬度、塑性和韧性越好。细化晶粒是提高材料性能的重要措施。形核率N：单位时间单位体积液态金属中生成的晶核数目；长大率G：单位时间内晶核长大的线速度。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图2.晶粒度的控制1)提高金属在结晶时的冷却速度，增加过冷度晶核数目增加，使晶粒细化。缺点：过冷度过大或温度过低时，容易造成零件开裂。增

5、大过冷度的主要办法：提高液体金属的冷却速度。如：在铸造生产中，金属型比砂型有更大的冷却速度，可以获得更细的晶粒。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图2) 变质处理（孕育剂）金属的体积比较大时，获得较大的过冷度比较困难， 形状复杂的铸件，冷却速度也不能过快。生产中为了得到细晶粒的铸件，常采用变质处理。变质处理：在液体金属中加入能非自发形核的物质， 这种物质称为变质剂（孕育剂，如：钛、硼、铝）。变质剂作用：增加晶核的数量或者阻碍晶核长大。3) 振动或搅拌结晶时对液态金属进行机械振动、超声波振动、电磁振动或机械搅拌，使枝晶破碎细化，破碎的枝晶可产生新的晶核，增加了晶

6、核数量，使晶粒得到了细化。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图3.1.4铸锭的凝固组织1. 表层细晶粒区2. 柱状晶区3. 中心粗等轴晶区机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图3.2 二元合金相图的建立及其意义1.二元合金相图的建立合金相图：用图解的方法表示合金系中合金的组织、温度和成分间的关系，又称平衡相图或状态图。建立合金相图的最常用方法是热分析法。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图(1)合金的结 晶过程：形核与核长大(2)变温结晶。(a) Cu-Ni合金冷却曲线；(b) Cu-Ni合金相

7、图机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图2. 相图的物理意义二元匀晶相图：二元合金系中两组元在液态(L)和固态下()均能无限互溶的相图。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图3.3 二元合金相图的基本类型及杠杆定律3.3.1匀晶相图Ni质量分数为60%的Cu- Ni合金分析在t1温度以上，合金为液相L，缓慢冷却至t1t3温度之间时，合金发生匀晶反应，从液相中逐渐结晶出 固溶体，t3点温度以下合金全部结晶为固溶体。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图(1) 在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的

8、。（水平线法）随温度下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。(2) 在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。(3) 匀晶相图是在很缓慢的冷却时测得的。（枝晶）偏析：实际冷却时，冷却速度不可能无限缓慢，先结晶的和后结晶的部分成分不同，来不及扩散时就在金属内部出现成分不均的现象。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图3.3.2 共晶相图共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程。二元共晶相图：合金的两组元在液态时无限互溶(L相)， 在固态下有限互溶（相、相），并在冷却过程中发生共晶转变的相图。图3-16，Pb-Sn二元

9、合金共晶相图（Pb-铅。Sn-锡）。L、相是该合金系的三个基本相：相：Pb为溶剂、Sn为溶质（锡溶解在铅中）形成的有限固溶体，相：Sn为溶剂、Pb为溶质（铅溶解在锡中）形成的有限固溶体。三个单相区：L、，三个两相区：L+、L+、+， 一个三相共存区(即共晶线MEN)：机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图铅AE、EB线为液相线，AMENB线为固相线。MEN共晶线。FM线，固溶体 （锡溶解在铅中）的溶解度曲线；NG线，固溶体 （铅溶解在锡中）的溶解度曲线。锡机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图机械工程

10、系第三章金属的结晶与二元合金相图3.3.4 其他相图1.共析相图在恒定的温度下，由一个特定成分的固相同时分解成另外两个成分和结构均不同的新固相的转变，称为共析转变。共析转变发生在C点，表示为共析转变产物为共析体或共析组织，C点也称共析点。 共析转变对热处理强化意义很大。钢的热处理是以共析转变为基础的。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图1）与共晶反应相比，母相是固相而不是液相。2) 由于在固态中的原子扩散比液态困难得多，共析反应比共晶反应需要更大的过冷度，因而使得成核率较高，得到的两相机械混合物(共析体)也比父晶体更为弥散和细小。3) 共析反应常出现母相与子相的比容不同而产生容积的变化，从而引起大的内应力。机械工程系第三章金属的结晶与二元合金相图2.