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1、第二章金属的结晶第1页，共50页，编辑于2022年，星期三本章主要内容本章主要内容n n纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭n n合金的结晶合金的结晶n n结晶理论的应用实例结晶理论的应用实例n n二元相图的应用二元相图的应用第2页，共50页，编辑于2022年，星期三纯金属的结晶与铸锭纯金属的结晶与铸锭n n金属的结晶金属的结晶 ：n n控制金属的结晶可以提高材料性能控制金属的结晶可以提高材料性能n n研究金属材料的目的：掌握金属结晶的规律，指导生产，研究金属材料的目的：掌握金属结晶的规律，指导生产，提高产品质量。提高产品质量。n n纯金属的结晶：金属从液态变为固态的过程。纯金属的结晶：金属从
2、液态变为固态的过程。n n熔点：液熔点：液+固固 （理论（理论/平衡结晶温度）平衡结晶温度）在这个温度下在这个温度下动态平衡：液体中的原子结晶到固动态平衡：液体中的原子结晶到固体上的速度体上的速度=固体上的原子溶入液体中的速度。固体上的原子溶入液体中的速度。第3页，共50页，编辑于2022年，星期三液态金属的结构：液态金属的结构：液态金属的结构更接近固态金属第4页，共50页，编辑于2022年，星期三纯金属结晶的条件n n实际结晶温度：在实际中，液体金属必须在低于金属的理论结晶温度才发生结晶。n n过冷：液态纯金属能顺利结晶的条件n n过冷度（T）：理论结晶温度（T0）与实际结晶温度（T1）的差
3、值T=T0T1 第5页，共50页，编辑于2022年，星期三第6页，共50页，编辑于2022年，星期三过冷度的影响因素n n金属的本性：纯度过冷度n n液态金属的冷却速度：冷却速度过冷度第7页，共50页，编辑于2022年，星期三金属的结晶为什么要在过冷条件下进行呢？D DTDGvTmTGGLGs第8页，共50页，编辑于2022年，星期三D DGv=(D DHm/Tm).D DT自由能之差就是再结自由能之差就是再结晶的推动力！晶的推动力！第9页，共50页，编辑于2022年，星期三纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程n n形核和长大 第10页，共50页，编辑于2022年，星期三n n晶坯：晶坯：液态金属
4、中存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团，这些原子集团称为晶坯 自发形核n n晶核的形成 非自发形核 第11页，共50页，编辑于2022年，星期三自发形核n n温度降低到T0以下并且过冷度达到一定程度后，液体具备了结晶条件，液体中那些超过一定尺寸(大于临界尺寸)的短程有序的原子集团成为结晶的核心。这种液体内部形成结晶核心的方式叫自发形核。第12页，共50页，编辑于2022年，星期三非自发形核n n靠外来质点作为结晶核心的方式n n1、实际液体中的杂质n n2、依附锭模内壁n n基底与晶体结构以及点阵常数越相近或相当时，有利于形成非自发形核。第13页，共50页，编辑于2022年，星期三晶核的长大
5、连续生长 平面长大 台阶生长 枝晶长大第14页，共50页，编辑于2022年，星期三第15页，共50页，编辑于2022年，星期三第16页，共50页，编辑于2022年，星期三Fe-20vol%Cu合金中合金中Fe树枝晶树枝晶SEM照片照片第17页，共50页，编辑于2022年，星期三晶粒大小及控制n n金属结晶由晶粒组成的多晶体。晶粒金属的强度，塑性和韧性也越好控制金属结晶的过程可细化晶粒。n n晶粒的大小称为晶粒度。n n晶粒度与形核速率晶粒度与形核速率N和长大速度和长大速度G有关。有关。第18页，共50页，编辑于2022年，星期三细化晶粒的方法n n(1)增加过冷度。增加过冷度。n n(2)变质
6、处理。变质处理。n n(3)振动、搅拌等振动、搅拌等 第19页，共50页，编辑于2022年，星期三铸锭组织n n铸锭组织的形成铸锭组织的形成 n n铸锭凝固过程中，由于表面和中心冷却条件不同：由外向内分为三个晶区：表层细晶区，柱状晶区，中心等轴晶区。第20页，共50页，编辑于2022年，星期三第21页，共50页，编辑于2022年，星期三铸锭的缺陷1.缩孔缩孔液体金属在凝固过程中发生体积收缩，最后液体金属在凝固过程中发生体积收缩，最后部分没有剩余的液体金属补充就成为空洞部分没有剩余的液体金属补充就成为空洞 2.疏松疏松疏松即分散缩孔，枝晶间分隔的液体金属在疏松即分散缩孔，枝晶间分隔的液体金属在凝
7、固收缩时得不到液体补充而可能留下的凝固收缩时得不到液体补充而可能留下的一些小孔隙以及金属液中的气体夹杂造成一些小孔隙以及金属液中的气体夹杂造成的。的。3.气孔气孔铸锭铸锭(件件)中因有中因有气体气体析出而形成的空洞。析出而形成的空洞。（来源？）（来源？）第22页，共50页，编辑于2022年，星期三冷却曲线冷却曲线第23页，共50页，编辑于2022年，星期三相平衡规律：相律相平衡规律：相律n n体系自由度体系自由度 fc p+2 fc p+1（常压条件）（常压条件）（常压条件）（常压条件）自由度：保持合金系中相的数目不变的条件下，合金自由度：保持合金系中相的数目不变的条件下，合金自由度：保持合金
8、系中相的数目不变的条件下，合金自由度：保持合金系中相的数目不变的条件下，合金系中可以独立改变因素的数目，系中可以独立改变因素的数目，系中可以独立改变因素的数目，系中可以独立改变因素的数目，f f0000影响合金状态的因素：成分，温度，压力影响合金状态的因素：成分，温度，压力影响合金状态的因素：成分，温度，压力影响合金状态的因素：成分，温度，压力纯金属的结晶纯金属的结晶纯金属的结晶纯金属的结晶二元合金的结晶二元合金的结晶二元合金的结晶二元合金的结晶第24页，共50页，编辑于2022年，星期三匀晶相图匀晶相图Solidus LineLiquidus LineLa(f=2-1+1=2)(f=2-1+
9、1=2)(f=2-1+1=2)(f=2-1+1=2)(f=2-2+1=1)(f=2-2+1=1)a+L第25页，共50页，编辑于2022年，星期三共晶相图：共晶相图：Eutectic Phase DiagramEutectic Phase DiagramLE E (a+ba+b)三相平衡三相平衡三相平衡三相平衡 f=2-3+1=0 f=2-3+1=0第26页，共50页，编辑于2022年，星期三包晶相图包晶相图第27页，共50页，编辑于2022年，星期三两相平衡的基本规则：杠杆规则两相平衡的基本规则：杠杆规则 平衡相之成分点：连接线平衡相之成分点：连接线 平衡相之相对重量百分数：杠杆定律平衡相之
10、相对重量百分数：杠杆定律WS (CoWS (CoCs)=WL (CLCs)=WL (CLCo)Co)B%BAT,oCLiquid:LL+aSolid:aCoCLCSWS WLCs Co CL第28页，共50页，编辑于2022年，星期三常见基本相图类型常见基本相图类型n n匀晶相图（两组元在液态无限互溶，固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应）第29页，共50页，编辑于2022年，星期三共晶相图在液态无限互溶，在固态有限溶解，冷却过程中发生共晶反应的相图LEL+a aL+b ba+ba+bb ba aBATE第30页，共50页，编辑于2022年，星期三第31页，共50页，编辑于2022年，星期三共晶
11、显微组织的形态n n层片状共晶n n杆状共晶n n点状共晶n n不规则共晶第32页，共50页，编辑于2022年，星期三层片状共晶n nLamellar Spacingn n片层间距片层间距n nl2R=kLamellar Spacing片层间距片层间距l l2R=k第33页，共50页，编辑于2022年，星期三杆状共晶Mo-g/gg/g“in-situ”Eutectic Composite第34页，共50页，编辑于2022年，星期三点状共晶第35页，共50页，编辑于2022年，星期三不规则共晶第36页，共50页，编辑于2022年，星期三典型合金的平衡结晶过程第37页，共50页，编辑于2022年，
12、星期三包晶相图第38页，共50页，编辑于2022年，星期三L66.3+a10.5 L66.3+a10.5 b42.4 b42.4 需要需要原子固态长程扩散与晶原子固态长程扩散与晶原子固态长程扩散与晶原子固态长程扩散与晶体结构转变体结构转变体结构转变体结构转变第39页，共50页，编辑于2022年，星期三KL66.3+a10.5 b42.4 需要原子固态长程扩散与晶体结构转变原子固态长程扩散与晶体结构转变胞晶转变前：胞晶转变前：LC%=PD/PCa aP%=DC/PC室温时的相及组织组成：室温时的相及组织组成：b bF%=EK/EF (a(aII II)E%=KF/EF第40页，共50页，编辑于2
13、022年，星期三b b42.442.4Ag Pta10.5第41页，共50页，编辑于2022年，星期三第42页，共50页，编辑于2022年，星期三第43页，共50页，编辑于2022年，星期三凝固偏析的分类：凝固偏析的分类：晶内偏析（枝晶偏析）晶内偏析（枝晶偏析）晶界偏析晶界偏析宏观偏析宏观偏析微观偏析微观偏析减轻或消除凝固偏析的方法：减轻或消除凝固偏析的方法：平衡凝固：无偏析平衡凝固：无偏析细化晶粒细化晶粒快速凝固快速凝固均匀化退火消除均匀化退火消除第44页，共50页，编辑于2022年，星期三凝固偏析的危害凝固偏析的危害化学成分不均匀：性能不均匀、降低性化学成分不均匀：性能不均匀、降低性能能合
14、金元素作用得不到发挥：合金元素作用得不到发挥：形成有害相、降低合金使用性能形成有害相、降低合金使用性能降低合金初熔温度和使用温度降低合金初熔温度和使用温度降低合金工艺性能或无法进行二次加工降低合金工艺性能或无法进行二次加工处理处理 第45页，共50页，编辑于2022年，星期三凝固偏析危害的应用凝固偏析危害的应用 金属的提纯：金属的提纯：区域熔炼区域熔炼低熔点液相补缩低熔点液相补缩形成晶界强化相形成晶界强化相第46页，共50页，编辑于2022年，星期三金属的区域熔化提纯：非平衡凝固偏析现象的应用金属的区域熔化提纯：非平衡凝固偏析现象的应用高熔点组元低熔点组元和杂质第47页，共50页，编辑于202
15、2年，星期三单晶制备单晶制备 设法使液体结晶时只有一个晶核形成并长大 第48页，共50页，编辑于2022年，星期三二元相图的应用n n一、根据相图判断合金的力学性能和物理一、根据相图判断合金的力学性能和物理性能性能 1.匀晶系固溶体的强度和硬度均高于纯金属匀晶系固溶体的强度和硬度均高于纯金属，且随着溶质组元含量的增加而增加。这种这种强化称为固溶强化。强化称为固溶强化。2.固溶体的塑性却随着溶质组元的增加而降固溶体的塑性却随着溶质组元的增加而降低。低。3.固溶体的电导率随溶质的增加而下降，而固溶体的电导率随溶质的增加而下降，而电阻随溶质量的增加而增加。电阻随溶质量的增加而增加。第49页，共50页，编辑于2022年，星期三 二、根据相图判断合金的铸造性能二、根据相图判断合金的铸造性能 n n1.相图上的成分间隔与温度间隔越大，合金的流动性越差，分散缩孔也多，凝固后的枝晶偏析也越严重。n n2.共晶成分合金的熔点低，且凝固在恒温下进行，流动性最好，分散缩孔少，热裂倾向也小。所以，铸造合金一般选用接近铸造合金一般选用接近共晶成分的合金。共晶成分的合金。第50页，共50页，编辑于2022年，星期三