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1、工程材料学工程材料学第三章第三章 材料的凝固与相图材料的凝固与相图 纯金属的结晶 合金的相结构 合金的结晶与相图 第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶 (Crystal of Simple Metal)凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念结晶的现象与规律结晶的现象与规律同素异晶同素异晶(构构)转变转变 一、一、凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念1.凝固凝固 (coagulation)物质由液态转变成固态的过程。物质由液态转变成固态的过程。凝结蒸发 凝固熔化 凝华升华2.结晶结晶 (crystal)*晶体物质由液态转变成固态的过程。晶体物质由液态转变成固态的过程。*物质中的原子由物质中的原子由近程有
2、序排列近程有序排列向向远远 程有序排列程有序排列的过程。的过程。意义意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷数用冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为却后才得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过程有关，从而也影响材料的性能。固态的过程有关，从而也影响材料的性能。3 3 凝固状态的影响因素凝固状态的影响因素1.1.物质的本质物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。温度高时原
3、子活动能力强排列紊乱能量由能更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低，而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总低，而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则。能量。这是热力学的基本原则。2.2.熔融液体的粘度熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的：粘度表征流体中发生相对运动的阻力，随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转阻力，随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温度前，粘度增加到能阻止在重力作用物质发生变温度前，粘度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能发生结晶。例如玻璃、
4、高分子材料。固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。3.3.熔融液体的冷却速度熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度冷却速度快，到达结晶温度原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到金属材料需要达到10106 6/s s才能获得非晶态。才能获得非晶态。在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。这时的凝固过程也是结晶过程。二、二、结晶的现象与规律结晶的现象与
5、规律(一）一）.结晶的一般过程结晶的一般过程微小微小晶核晶核长大长大晶体晶体液态结构液态结构由X射线衍射对金属的径向分布密度函数的测定表明.液体中原子间的平均距离比固体中略大；液体中原子的配位数比密排结构晶体的配位数减小，通常在811的范围内。上述两点均导致熔化时体积略为增加，但对非密排结构的晶体如 Sb，Bi，Ga，Ge等，则液态时配全数反而增大，故熔化时体积略为收缩。除此以外，液态结构的最重要特征是原子排列为长程无序，短程有序并且短程有序原子集团不是固定不变的，它是一种此消彼长，瞬息万变，尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏结构起伏结构起伏结构起伏，这有别于晶体的长程有序的稳定结构。固态
6、结构态结构原子间的平均距离比液体中略小；密排六方晶体的原子配位数比液体大原子排列为长程有序，短程有序并且长程有序原子集团基本固定不变结晶的过程液体中形成核心核心长大To(二）二）.结晶的过冷现象结晶的过冷现象1.纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线时间温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)2.过冷现象与过冷度过冷现象与过冷度过冷现象过冷现象(supercooling)过冷度过冷度(degree of supercooling)T=T0 Tn过冷是结晶的必要条件过冷是结晶的必要条件。(三）三）.结晶的能量条件及结构条件
7、结晶的能量条件及结构条件1.金属结晶的能量条件金属结晶的能量条件:G=U S T G 物体的自由能物体的自由能 U 物体的内能物体的内能 S 熵熵 T 温度温度 K G/T=See-FTTGTnToTL液相液相固相固相2.金属结晶的结构条件金属结晶的结构条件近程有序结构近程有序结构结构起伏结构起伏结晶结晶远程有序结构远程有序结构(四）四）.结晶的一般规律结晶的一般规律形形核核长大长大(四）四）.结晶的一般规律结晶的一般规律:形形核、长大。核、长大。1.晶核的形成晶核的形成在在一定的过冷度下一定的过冷度下,当当G G体体G G表表时时,晶核就晶核就形成。形成。晶核形成的形式晶核形成的形式:*自发
8、形核自发形核 T=200(纯净液体、均匀形核纯净液体、均匀形核)*非自发形核非自发形核 T=20（依附未熔质点形核）依附未熔质点形核）液态金属中总是存在不稳定的规则排列的微小原子液态金属中总是存在不稳定的规则排列的微小原子集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核，不再融过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核，不再融化，结晶开始。化，结晶开始。过冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。过冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。2.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状2.晶核的长大方式晶核的长大方
9、式树枝状树枝状金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶冰冰的的树树枝枝晶晶3.影响晶核的形核率和影响晶核的形核率和 晶体长大率的因素晶体长大率的因素v过冷度过冷度的影响的影响v未熔杂质未熔杂质的影响的影响4 4、晶粒大小的概念、晶粒大小的概念 晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大小和形状并不全相同，这就是统计的含义，有多种来小和形状并不全相同，这就是统计的含义，有多种来计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生产中用晶粒计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生产中用晶粒度，测定方法是在放大度，测定方法是在放大100100倍下
10、观察和标准的进行对比倍下观察和标准的进行对比评级，评级，1818级级(有更高的有更高的)，级别高的晶粒细。级别的，级别高的晶粒细。级别的定义为在放大定义为在放大100100下，每平方英寸内下，每平方英寸内1 1个晶粒时为一级，个晶粒时为一级，数量增加数量增加 倍提高一级。用于计算的定量描述还用平倍提高一级。用于计算的定量描述还用平均截线长来表示。均截线长来表示。1)过冷度的影响过冷度的影响在一般工业条件下，急冷，T增大，N、G值增大，晶粒(crystal grain)越细，性能越好；缓冷，N、G值 减小，晶粒越粗，性能越差。1)过冷度的影响过冷度的影响2)未熔杂质的影响未熔杂质的影响*自发形核
11、自发形核 T=200*非自发形核非自发形核 T=20 20(五）五）.细化晶粒的途径细化晶粒的途径v提高冷却速度提高冷却速度V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小v变质处理变质处理v机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。晶粒度即晶粒大小，一般情况下，晶粒愈小，则金属的强度、塑性、韧性愈好，因此工程上细化晶粒是提高金属机械性能的最重要的途径之一凝固体的结构凝固体的结构表层等轴细晶区表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，尺晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大的形核冷度加上模壁和涂料帮
12、助形核，大的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。柱状晶区柱状晶区 随模具温度的升高，只能随锭随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温度，形核困难，只有表模的散热而降低温度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。且方向基本相同的长形晶粒区。中心等轴晶区中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周散凝固的进行后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达
13、到均匀，热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固店以下后，表层晶粒的沉降、生降到凝固店以下后，表层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大有限，该区间的晶粒通常较粗大纯铁的纯铁的同素异晶同素异晶(allomorph)转变转变反应式反应式:三三 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变1394 C912 Cbccfccbcc -Fe -Fe -Fe 纯纯铁的铁的冷却曲线冷却曲线1394153410006008001200温度时间160015005007
14、00900110013001400912-Fe -Fe-Fe第二节第二节 合金的相结构合金的相结构(Phase Structure of Alloy)v基本概念基本概念v合金在固态下的相结构及性能合金在固态下的相结构及性能一一 基本概念基本概念合金合金(alloy)一种金属元素与若干种其它种一种金属元素与若干种其它种元素结合成的具有金属特元素结合成的具有金属特 性的物质。性的物质。组元组元(元元)(element)组成合金的基本物组成合金的基本物质，可以是元素，也可以是化合物。质，可以是元素，也可以是化合物。相相(phase)合金中化学成分、晶体结构相同，合金中化学成分、晶体结构相同，且以界面
15、相互分开的组且以界面相互分开的组 成部分。成部分。显微组织显微组织(microscopic structure)二二 合金在固态下的相结构及性能合金在固态下的相结构及性能固溶体固溶体(solid solution)合金中各组元在固态合金中各组元在固态互相溶解形成的晶格与某组元相同的新相。该组元称互相溶解形成的晶格与某组元相同的新相。该组元称溶剂，其它称溶质。溶剂，其它称溶质。金属化合物金属化合物(metallic compound)机械混合物机械混合物(mechanical impurity)(一）一）.固溶体固溶体 (solid solution)溶剂溶剂A+溶质溶质B =C bcc fcc
16、 bcc例如例如:Fe +C =F(铁铁素体素体)体心体心 六方六方 体心体心 浓度：浓度：溶质原子溶入固溶体溶质原子溶入固溶体 中的量。中的量。溶解度：一定温度下的最大浓度，也称固溶度。溶解度：一定温度下的最大浓度，也称固溶度。v固溶体的结构特点固溶体的结构特点 铁铁素体的素体的晶体结构晶体结构一一)固溶体的主要类型及形成条件固溶体的主要类型及形成条件1.置换固溶体置换固溶体 (substitution solid solution)*形成特征形成特征:R溶剂溶剂 R溶质溶质 例如例如:Au-Cu 置换固溶体结构示意图置换固溶体结构示意图置换固溶体的分类置换固溶体的分类v无限固溶体无限固溶体
17、v有限固溶体有限固溶体v无序无序固溶体固溶体v有有序固溶体序固溶体 有序固溶体结构示意图有序固溶体结构示意图Cu3AuCuAu2.间隙固溶体间隙固溶体 (interstitial solid solution)*形成的特征形成的特征:R溶质溶质 /R溶剂溶剂 0.59 例如例如:Fe-C 间隙固溶体结构示意图间隙固溶体结构示意图二二)固溶体的性能固溶体的性能 v固溶固溶强化强化(solution strength)v晶格畸变晶格畸变(distortion of lattice)溶质原子对晶格畸变影响示意图溶质原子对晶格畸变影响示意图(二）二）.金属化合物金属化合物 (intermetallic
18、 compound)溶剂溶剂A +溶质溶质B =C bcc fcc cph 例如例如:3Fe +C =Fe3C 体心体心 六方六方 复杂结构复杂结构v金属化合物的结构特点金属化合物的结构特点具有原子整数倍关系具有原子整数倍关系 渗碳体渗碳体(Fe3C)晶格结构示意图晶格结构示意图一一)金属化合物的主要类型金属化合物的主要类型1.正常价化合物正常价化合物(normal compounds)正常价化合物：正常价化合物：由元素周期表中相距较远的元素组成，符合由元素周期表中相距较远的元素组成，符合化合价规律，如：化合价规律，如：Mg2Si,ZnS,2.电子价化合物电子价化合物 (electron co
19、mpounds)：一般不符合化合价规律，一般不符合化合价规律，其晶体结构由电子浓其晶体结构由电子浓度（价电子总数与原子总数之比）决定，如下表度（价电子总数与原子总数之比）决定，如下表所例：所例：3.间隙化合物间隙化合物 (interstitial compounds)3.间隙化合物间隙化合物 (interstitial compounds)由过渡族金属元素（原子半径较大）与非金属元素（原由过渡族金属元素（原子半径较大）与非金属元素（原子半径较小）组成，非金属原子（子半径较小）组成，非金属原子（C、N、B等）处于等）处于晶格间隙中。晶格间隙中。间隙化合物的晶体结构不同于任一组间隙化合物的晶体结构
20、不同于任一组元，如：元，如：VC(fcc 结构结构)Fe 3C(复杂晶格复杂晶格)二二)金属化合物的主要性能金属化合物的主要性能具有一定程度的金属性质。具有一定程度的金属性质。具有较高的熔点。具有较高的熔点。硬度较高。硬度较高。脆性高。脆性高。(三）三）.机械混合物机械混合物 (mechanical impurity)v机械混合物的结构特点机械混合物的结构特点 具有重量百分比的关系具有重量百分比的关系 溶剂溶剂A +溶质溶质B =C bcc fcc bcc+fcc例如例如 88.5F+11.5Fe3C =100P 体心体心 复杂结构复杂结构 体心体心+复杂复杂 v机械混合物的性能特点机械混合物
21、的性能特点取决于组元的相对数量。取决于组元的相对数量。取决于组成相的大小和形状。取决于组成相的大小和形状。具体数值介于组元性能之间。具体数值介于组元性能之间。第三节第三节 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 与结晶过程分析与结晶过程分析一一.基础知识基础知识 1.合金系合金系(alloy series)2.平衡组织平衡组织(statenchyma)3.相图相图(phase diagram)二二.相图的建立相图的建立名称名称A金属金属B金属金属晶格类型晶格类型bccbcc熔点熔点高高低低合金合金1100%0%合金合金290%10%合金合金380%20%.合金合金920%80%合金合金1010%
22、90%合金合金110%100%热热 分分 析析 法法 二二.相图的建立相图的建立时间时间温度90 705030AB温度A温度B温度abab:液相线液相线ab:固相线固相线LL +SSL:液相区液相区S:固相区固相区L+S:液固共存区液固共存区AB温度TLTSTnbac杠杆定理杠杆定理QS=(bcab)100%QL=(acab)100%QS+QL=1aQS+bQL=cABabLS温度QLQs100C时时,糖在水中的糖在水中的饱饱和度和度为为80%。90C时时,糖在水中的糖在水中的饱饱和度和度为为70%。过饱过饱和体的和体的浓浓度度为为含糖量含糖量90%。1.匀晶相图匀晶相图 2.共晶相图共晶相图
23、温度成分成分100%A100%BLSAL +SASB L +SB2.共晶相图共晶相图SA+(SA+SB)SB+(SA+SB)LL +SA温度成分成分100%A100%B L +SBX%YSA+SBLX SA+SB YSALSALSAL 共晶相图的建立共晶相图的建立 共晶相图共晶相图SA+(SA+SB)SB+(SA+SB)LL +SA温度成分成分100%A100%B L +SBYSA+SBX%3.共析相图共析相图SA+(SA+SB)SB+(SA+SB)SS +SA温度成分成分100%A100%B S +SBYSA+SBSX SA+SB YX%共析相图共析相图4.包晶相图包晶相图 相相图与图与合金物理、力学性能之间的关系合金物理、力学性能之间的关系 合金的流动性、缩孔性质合金的流动性、缩孔性质 与相图之间的关系与相图之间的关系本章的作业本章的作业 P 65 3.4.6.9.10，11欢迎进入第四章学习内容欢迎进入第四章学习内容