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1、工程材料金属与合金的结晶第1页，共29页，编辑于2022年，星期六金属材料的结晶金属材料的结晶 金属材料的冶炼、铸造和热处理等加工工艺都伴随有结晶过程，结晶过程会影响材料的使用性能和加工性能。研究金属材料的结晶过程可以帮助我们有效地掌握金属凝固和结晶的规律，从而获得性能优良的金属材料。结晶结晶材料内部原子从不规则排列 状态（液态）过渡到规则排列 （固态）的过程。二次二次结晶结晶材料内部原子从一种排列状 态到另一种排列状态转变过程。如工业纯铁从高温到低温冷却时，发生同素异构转变同素异构转变：L 1538 -Fe 1394 -Fe 912 -Fe 注：纯铁在770 时发生磁性转变，该温度称为居里点
2、。工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第2页，共29页，编辑于2022年，星期六第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶一、纯金属的冷却曲线和过冷度一、纯金属的冷却曲线和过冷度 1.1.纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线 纯金属的冷却曲线可使用热分析装置进行测定（教材P36）。由纯金属的冷却曲线可以看出，当液态金属冷却到某一温度时，在曲线上出现一个平台，该平台对应的温度即为纯金属的熔点（结晶温度）。此现象说明金属在结晶过程中，释放出了大量的结晶潜热结晶潜热。工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第3页，共29页，编辑于2022年，星期六2.2.过冷度过冷度 过冷度
3、过冷度T T=理论结晶温度T0 实际结晶温度Tn （过冷度T0 结晶的必要条件）（自由能F0 结晶的充分条件）实践表明，金属总是在一定的过冷条件下结晶的，过冷是结晶的必要条件。对同一金属，结晶时的过冷度越大，则冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低。工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第4页，共29页，编辑于2022年，星期六二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程 纯金属的结晶包括两个基本过程：形成晶核形成晶核 和 晶粒长大晶粒长大。（1 1）晶核的形成）晶核的形成 自发形核：过冷条件下，液态金属内自行产生晶核 非自发形核：在液态金属中，外加细小的高熔点物质 （2 2）晶核的
4、长大）晶核的长大 晶粒呈平面状长大（纯金属，且过冷度很小）晶粒呈树枝状长大（生产中常见）工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第5页，共29页，编辑于2022年，星期六三、金属结晶后的晶粒大小三、金属结晶后的晶粒大小 1.1.晶粒大小和金属性能的关系晶粒大小和金属性能的关系 晶粒的大小，习惯上使用单位截面积内晶粒的平均直径来表示，分为10级。实践表明，细化晶粒能使材料的强度、硬度，塑性、韧性等均得到提高（细晶强化），是生产中提高金属材料力学性能的有效方法。2.2.细化晶粒的常用方法细化晶粒的常用方法 P39 （1）提高过冷度，增加形核率；（2）采用变质处理；（3）结晶时附加振动
5、。工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第6页，共29页，编辑于2022年，星期六第二节第二节 合金的结晶合金的结晶 合金结晶的过程与纯金属相似，也包括形成晶核形成晶核和晶粒长大晶粒长大两个基本过程。但合金的结晶一般不是恒温过程，并伴随有相变和组织转变过程。因此，习惯采用合金相图来分析合金的结晶过程。相图相图 表示金属的相结构和状态随成分和温度（压力）的情况发生变化的示意图，由于合金相图是在平衡状态下建立的，所以也称为平衡状态图。平衡状态平衡状态 结晶时，过冷度0，即加热/冷却速度极为缓慢的过程。利用相图，可以清楚地了解不同成分的合金在不同温度下的相组成和组织组成情况，以及在温
6、度转变时可能发生的转变等，因此相图是研究合金的结晶过程的重要工具。工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第7页，共29页，编辑于2022年，星期六一、二元合金相图的建立一、二元合金相图的建立 二元合金相图的建立一般采用热分析方法，即利用合金冷却发生相变时释放出结晶潜热，使冷却曲线出现转折点的特点来建立相图。1、配制二元合金系；2、测出各种合金的冷却曲线，找出其特征点（转折点或平台）；3、画出温度-成分坐标系，标出每种合金的特征点温度；4、将相同意义的点连接成光滑曲线，得到相图。工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第8页，共29页，编辑于2022年，星期六二、二
7、元匀晶相图二、二元匀晶相图 匀晶反应匀晶反应合金组元在液相和固相下均能无限互溶，结晶时只析出单相固溶体的反应。1.1.相图分析相图分析两个单相区：L、一个两相区：L+液相线液相线：acb（液相往固相转变的开始线，在L和L+相之间）固相线固相线：adb（液相往固相转变的完成线，在L+和相之间）工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第9页，共29页，编辑于2022年，星期六 2.2.结晶过程分析结晶过程分析 温度变化 组织转变 TO T1：L T1 T2：L+T2 T3：工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第10页，共29页，编辑于2022年，星期六 注注：在结晶
8、过程中，液相L和固相的成分并不确定，将随温度发生变化，其中，液相成分随液相线变化：L1 L2 L3 固相成分随固相线变化：1 2 3 思考：结晶完成后，固相的成分是否均匀？工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶平衡状态下，两相成分将通过原子的扩散来实现成分的均匀。平衡状态下，两相成分将通过原子的扩散来实现成分的均匀。第11页，共29页，编辑于2022年，星期六 3.3.杠杆定律杠杆定律 在两相区中，合金处于结晶过程中。随着温度的变化，两相的成分和相对量都在不断发生变化，它们之间的相互关系符合杠杆定律。即：其中：x 某相的成分 Q 某相的重量相对量 注：（1）杠杆的支点为温度线与
9、合金总成分线的交点。（2）各相的重量相对量的作用点为该相的成分点。工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第12页，共29页，编辑于2022年，星期六 4.4.枝晶偏析枝晶偏析 实际生产中，由于冷速较快，结晶时合金各相成分来不及充分扩散达到均匀化，先析出晶轴部分含高熔点物质较多，后析出的晶粒外层含低熔点物质较多，这种树枝状晶粒内的成分不均匀现象称为枝晶偏析。枝晶偏析的特点特点：1、枝晶偏析是晶粒内部的成分不均匀现象（晶内偏析）。2、冷却速度越快，则原子扩散时间越少，偏析越大。危害：危害：成分偏析会导致材料的性能下降。消除：消除：采用扩散退火(均匀化退火)，将材料加热到低于固相线1
10、00-200，长时间保温，使原子扩散，达到成分均匀。工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第13页，共29页，编辑于2022年，星期六三、共晶相图三、共晶相图 共晶反应共晶反应恒温条件下，由一个液相生成两个固相的结晶转变。LE M+N (该温度下三相共存)1.1.共晶相图分析：共晶相图分析：液相线：AEB 固相线：AMENB 三个单相区：L、三个两相区：L+、L+、+一个三相共存线：MEN 二个溶解度线：沿MF线，相中溶解Sn的量降低，沿NG线，相中溶解Pb的量降低，固态下原子扩散能力有限，析出的二次相不易长大，呈细小的颗粒状弥散分布在固溶体基体上，阻碍位错运动，使材料的，HR
11、提高 析出强化/弥散强化 工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第14页，共29页，编辑于2022年，星期六2.2.结晶过程分析结晶过程分析（）CSn19%温度变化 组织转变 TO T1：L T1 T2：L+T2 T3：T3 T4：+工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第15页，共29页，编辑于2022年，星期六 （）CSn=61.9%（共晶成分共晶成分）温度变化 组织转变 TO T1：L T1 T1：L+T1 T2：（+）注：共晶反应L+的产物为相和相交错的片层状机械混合物，用(+)用表示。工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第16页，共2
12、9页，编辑于2022年，星期六 （）19%CSn 61.9%（亚共晶成分亚共晶成分）温度变化 组织转变 TO T1：L T1 T2：L+T2 T2：（+）+T2 T3：（+）+工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第17页，共29页，编辑于2022年，星期六 （）61.9%CSn 97.5%（过共晶成分过共晶成分）温度变化 组织转变 TO T1：L T1 T2：L+T2 T2：（+）+T2 T3：（+）+工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第18页，共29页，编辑于2022年，星期六 共晶相图的相组成物相组成物及组织组成物组织组成物比较：按 相组成物相组成物
13、填写的共晶相图 按 组织组成物组织组成物 填写的共晶相图 工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第19页，共29页，编辑于2022年，星期六 3 3、杠杆定律计算实例比较：、杠杆定律计算实例比较：在室温下，含Sn量为C，C19%时：相组成为：+组织组成为：+按 相组成物相组成物 填写的共晶相图 按 组织组成物组织组成物 填写的共晶相图 工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶CC第20页，共29页，编辑于2022年，星期六 在室温下，含Sn量为C，19%C 61.9%：相组成为：+组织组成为：+（+）不能计算 （注意：杠杆定律只适用于两相区或两种组织组成区！）按
14、相组成物相组成物 填写的共晶相图 按 组织组成物组织组成物 填写的共晶相图 工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶CC第21页，共29页，编辑于2022年，星期六 在略低于183时（即共晶转变刚结束），含Sn量为C，19%C 61.9%：相组成为：+组织组成为：+（+）按 相组成物相组成物 填写的共晶相图 按 组织组成物组织组成物 填写的共晶相图 工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶CC第22页，共29页，编辑于2022年，星期六四、包晶相图四、包晶相图 （介绍）包晶反应包晶反应恒温条件下，由一个液相和一个固相生成另一个固相的结晶转变。Ld+c e (该温度下
15、三相共存)工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第23页，共29页，编辑于2022年，星期六五、共析相图五、共析相图 共析反应共析反应恒温条件下，由一个固相生成两个固相的结晶转变。e c+d工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第24页，共29页，编辑于2022年，星期六分析：铁碳相图上具有哪些结晶反应？分析：铁碳相图上具有哪些结晶反应？工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第25页，共29页，编辑于2022年，星期六六、密度偏析（比重偏析）六、密度偏析（比重偏析）合金在结晶过程中，如结晶析出的固态晶体密度与剩余液相的密度相差较大，析出的晶体就会
16、在液体中上浮或下沉，从而导致凝固后合金的上、下部分成分不一致。如下图：Pb-Sb（铅-锑）合金（轴承合金）中析出富Sb的相，密度较小，在液态金属中上浮。危害危害：造成整个材料各部分成分不均匀，性能差异较大，影响使用和加工。消除消除：（不能采用热处理）1、提高冷却速度（同时考虑枝析）2、搅拌（机械、电磁）工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第26页，共29页，编辑于2022年，星期六七、合金性能与相图之间的关系七、合金性能与相图之间的关系 合金相图反映了合金的化学成分与组织之间的关系，以及合金的结晶特点，因此可以通过相图大致确定不同合金成分的使用性能和工艺性能特点。1 1、单相
17、固溶体合金、单相固溶体合金 （1）产生固溶强化 （2）合金铸造时，液相线与固相线之间的温度差越大，合金的流动性越差，集中缩孔减少，而分散缩孔增多，则合金的铸造性能下降。工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第27页，共29页，编辑于2022年，星期六 2 2、两相混合物合金、两相混合物合金 （1）产生第二相强化；（2）两相混合物的性能处于两相性能之间，并与合金成分呈直线关系；（3）合金的铸造性能与相图中液/固相线之间的温度差有关。工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第28页，共29页，编辑于2022年，星期六本本 章章 小小 结结 金属材料的性能与其结晶过程密
18、切相关，因此研究并控制金属材料的结晶过程，对改善材料的组织和性能，具有重要意义。相图是研究合金结晶过程的重要工具，学习并掌握这一工具，为后续内容的学习打下基础。1 1、过冷度、结晶的基本过程、细化晶粒的方法、同素异构转变；、过冷度、结晶的基本过程、细化晶粒的方法、同素异构转变；2 2、常见的二元合金相图（匀晶相图、共晶相图、共析相图）、结晶过程分析、常见的二元合金相图（匀晶相图、共晶相图、共析相图）、结晶过程分析、杠杆定律的应用；杠杆定律的应用；3 3、枝晶偏析、密度偏析、合金性能与相图的关系；、枝晶偏析、密度偏析、合金性能与相图的关系；思考题及练习题：思考题及练习题：教材P51工程材料及应用工程材料及应用 第三章 金属与合金的结晶第29页，共29页，编辑于2022年，星期六