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1、第二章结晶与显微组织本讲稿第一页，共三十五页2.1纯金属的结晶与组织纯金属的结晶与组织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。纯金属都有一定的熔点，在熔点温度时液体和固体共存。因此，金属熔点又称平衡结晶温度或理论结晶温度。本讲稿第二页，共三十五页2.1.1金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律1.冷却曲线冷却曲线 将待测的纯金属在坩埚内加热熔化，用热电偶测温，然后停止加热缓慢冷却。每隔一段时间记录一次温度。用所得数据绘制液态金属在冷却时的温度和时间的关系曲线，称此曲线为冷却曲线。本讲稿第三页，共三十五页2.1.1金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律2.结晶潜热结晶潜热通
2、过冷却曲线可以看出，当液态金属下降到一定温度时，在冷却曲线上出现了平台。产生这种现象的原因是液态金属结晶时释放出了热量，称此热量为结晶潜热。冷却曲线上往往会出现一个平台，这是由于液态金属结晶时放出的潜热与散失的热量相等，使得坩埚内的温度保持不变。本讲稿第四页，共三十五页2.1.1金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律3.结晶的温度条件结晶的温度条件冷却曲线上出现平台时，液态金属正在结晶，这时对应的温度就是纯金属的实际结晶温度。实验表明，纯金属的实际结晶温度总是低于其熔点，这种现象称为过冷。两者之间的差值叫过冷度(图2-2)。过冷是金属结晶的必要条件。本讲稿第五页，共三十五页2.1.2金属的结晶过
3、程金属的结晶过程液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体，然后再以它们为核心不断地向液体中长大。这些作为结晶核心的小晶体称为晶核。结晶就是不断地形成晶核和晶核不断长大的过程。本讲稿第六页，共三十五页2.1.2金属的结晶过程金属的结晶过程1.形核形核液态金属中原子排列呈现短程有序，这些短程有序的原子团尺寸各异，时聚时散，称为晶胚。当晶胚的尺寸大于某一临界值时，晶胚就能自发地长大而成为晶核。本讲稿第七页，共三十五页2.1.2金属的结晶过程金属的结晶过程1.形核形核 形核方式形核方式液态金属结晶时，有两种形核方式：一种是均匀形核，另一种是非均匀形核。均匀形核:是指完全依靠液态金属中的晶胚形核
4、的过程。非均匀形核:是指晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程。在实际的液态金属中，总是或多或少地含有某些杂质。所以实际金属的结晶主要以非均匀形核方式进行。本讲稿第八页，共三十五页2.1.2金属的结晶过程金属的结晶过程1.形核形核 形核率形核率指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。用N表示。本讲稿第九页，共三十五页2.1.2金属的结晶过程金属的结晶过程2.长大长大结晶过程的进行一方面要依靠新晶核连续不断地产生，另一方面还要依靠巳有晶核的不断长大。本讲稿第十页，共三十五页2.1.2金属的结晶过程金属的结晶过程2.长大长大 长大方式长大方式晶核长大初期外形比较规则，但随着晶核的长大，晶体
5、形成棱角。由于棱角处散热速度快，因而优先长大，如树枝一样先形成枝干，称一次晶轴。然后再形成分枝，称为二次晶轴，依此类推。晶核的这种成长方式称为树枝状长大。本讲稿第十一页，共三十五页2.1.2金属的结晶过程金属的结晶过程2.长大长大 长大速率指单位时间内晶核生长的线长度。用G表示。本讲稿第十二页，共三十五页2.1.3晶粒大小的控制晶粒大小的控制晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。晶粒的大小取决于形核率和长大速率的相对大小，即N/G比值越大，晶粒越细小。可见，凡是能促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。本讲稿第十三页，共三十五页在工业生产中通常采用如下几种方法在工业生产中
6、通常采用如下几种方法：1.控制过冷度2.变质处理3.振动、搅拌本讲稿第十四页，共三十五页1.控制过冷度形核率和长大速率都随过冷度的增大而增大。但两者的增加速率不同，形核率的增长率大于长大速率的增长率。本讲稿第十五页，共三十五页在通常金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，则N/G比值越大，因而晶粒越细小。增加过冷度的方法是提高液态金属的冷却速度。例如，选用吸热和导热性较强的铸型材料（用金属型代替砂型）；采用水冷铸型；降低浇注温度等。但这些措施只对小型或薄壁的铸件有效。本讲稿第十六页，共三十五页2.变质处理变质处理在浇注前往液态金属中加入某些难熔的固态粉末（变质剂），促进非均匀形核来细化晶粒。例如
7、在铝和铝合金以及钢中加入钛、锆等。但是铝硅合金中加入钠盐不光是起形核作用，主要作用是阻止硅的长大来细化合金晶粒。本讲稿第十七页，共三十五页3.振动、搅拌振动、搅拌对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可依靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。本讲稿第十八页，共三十五页2.2二元合金相图与合金组织二元合金相图与合金组织合金在成分、温度变化时，其状态可能发生变化。合金相图就是用图解的方法表示不同成分、温度下合金中相的平衡关系。由于相图是在极其缓慢的冷却条件下测定的,又称为平衡相图。根据相图可以了解不同成分合金在温度变化时的相变及组织形成规律。二元相图都是由
8、一种或几种基本类型的相图组成的。基本类型的二元相图有：匀晶、共晶和包晶相图。本讲稿第十九页，共三十五页本讲稿第二十页，共三十五页2.2.1二元合金相图的建立二元合金相图的建立建立相图的方法有实验测定和理论计算两种。但目前使用的相图绝大部分都是通过实验测定方法获得的。如热分析法。以Cu-Ni合金为例来说明相图的建立方法及主要步骤：本讲稿第二十一页，共三十五页2.2.1二元合金相图的建立二元合金相图的建立l1.配制一系列成分的合金l例如，30%Ni+70%Cu;50%Ni+50%Cu;70%Ni+30%Cu)；l2.测出上述合金的冷却曲线；l3.根据各冷却曲线上的转折点确定合金的临界点。l4.将这
9、些临界点标在相图坐标系中的相应位置上，最后把各意义相同的临界点联起来。本讲稿第二十二页，共三十五页2.2.2匀晶相图与合金组织匀晶相图与合金组织匀晶相图是指两组元在液态和固态均能无限互溶时形成的相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr、Ag-Au、W-Mo以及陶瓷材料中的Al2O3-Cr2O3相图。下面以Cu-Ni合金相图为例进行分析。本讲稿第二十三页，共三十五页1.相图分析晶相图中(图2-8)，Cu、Ni代表二个组元。tA纯组元Cu的熔点；tB纯组元Ni的熔点；tAmtB线液相线，在液相线以上为液相区，为均匀液体，用L表示；tAntB线固相线，在固相线以下为固相区，为均匀固溶体，用表示。在液相线与固
10、相线之间为L+两相区。本讲稿第二十四页，共三十五页2.合金平衡结晶过程合金平衡结晶过程 当合金从高温缓慢冷却至与液相线相交的t1温度时，开始从液相L1中结晶出成分为1的固溶体。随着温度的下降，固溶体相不断增多，液相不断减少，并且固溶体相的成分沿着固相线变化，液相的成分沿着液相线变化。当冷却至t2温度时，固溶体2和液相L2达到平衡。当合金由t2冷至t3时，液相消失，结晶完毕，得到成分为3的单相固溶体。当合金继续冷至室温过程中，不再发生相和成分的变化。所以合金在室温下的组织为单相固溶体。合金结晶过程冷却曲线如图所示。本讲稿第二十五页，共三十五页3.杠杆定律在二元相图中，当两相处于平衡共存的两相区时
11、，两相的质量比可以用杠杆定律求得。例如在T温度时，液相L和固溶体达到平衡，液、固两相质量百分数分别为：WL、W,则有：WL/W=bc/ab本讲稿第二十六页，共三十五页3.杠杆定律如果把abc看作一根杠杆，上式中的WL/W恰好与它们的杠杆臂成反比关系。杠杆定律只适用于两相平衡区。本讲稿第二十七页，共三十五页4.合金非平衡结晶过程合金非平衡结晶过程在实际生产条件下，一般冷却速度都较快，固溶体中原子扩散过程不能充分进行。因此先结晶的枝晶主轴含高熔点组元较多，后结晶的分枝含低熔点组元较多。这种在一个枝晶范围内成分不均匀的现象叫枝枝晶偏析晶偏析，或晶内偏析晶内偏析。晶内偏析的存在将使合金的塑性、韧性显著
12、下降。因此通常把具有晶内偏析的合金加热到高温进行长时间的保温，使合金元素进行充分的扩散来消除枝晶偏析，称这种处理为扩扩散退火散退火。本讲稿第二十八页，共三十五页偏析组织示意图本讲稿第二十九页，共三十五页2.2.3共晶相图与合金组织共晶相图与合金组织二个组元在液态下无限互溶，而在固态时有限互溶，并有共晶反应发生时形成的相图。例如Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag、Al-Si、Al-Sn、Al-Cu等合金系以及陶瓷材料中的MgO-Al2O3系都是共晶相图。以Pb-Sn相图为例进行分析(图2-12)。本讲稿第三十页，共三十五页1.相图分析是Sn溶于Pb中的置换式固溶体，是Pb溶于Sn中的置换式固溶体
13、。A及B分别为组元Pb和Sn的熔点，M、N点分别是固溶体、的最大溶解度点，F、G点分别是固溶体、在室温下的溶解度点，而MF和NG则代表两固溶体和的溶解度曲线。AEB为液相线，AMNB为固相线,其中MEN一段水平线又称共晶反应线，E点为共晶点，E点对应的温度称为共晶温度，成分对应于共晶点的合金称为共晶合金，成分位于E以左，M点以右的合金称为亚共晶合金，成分位于E点以右、N点以左的合金称为过共晶合金。本讲稿第三十一页，共三十五页具有一定成分的液体（LE）在一定温度（共晶温度）下同时析出两种成分的固溶体（M+N）称为共晶反应。结晶产物为共晶体。共晶体的显微组织特征是两相交替分布，其形态与合金的特性及
14、冷却速度有关，通常呈片层状。本讲稿第三十二页，共三十五页2.典型合金平衡结晶过程及组织 含Sn量小于M点的合金(图2-13)本讲稿第三十三页，共三十五页2.典型合金平衡结晶过程及组织 含Sn量小于M点的合金(图2-13)以合金I为例。合金在12点间的结晶过程与匀晶相图上的固溶体结晶完全相同。在23点之间得到均匀固溶体。当合金冷到3点温度以下，由于固溶体的溶度超过了它的溶解度限度，将从固溶体中开始析出第二相-固溶体，优先沿晶界或晶内呈点状分布。随着温度继续降低的析出量逐渐增多。这种从固溶体中析出的相，称二次固溶体（以区分从液相中析出的固溶体），记为II。最终的室温显微组织为+II本讲稿第三十四页，共三十五页本讲稿第三十五页，共三十五页