03-金属的结晶.ppt

工程材料与热加工基础第三章金属的结晶,机电系贾伟建,纯金属的结晶,凝固与结晶的概念结晶的现象与规律同素异晶构转变,狭义上注意区分一次结晶与二次结晶,1）、纯金属的结晶,液体,结晶液体--晶体,凝固液体--固体（晶体或非晶体）,*原子由近程有序排列向远程有序排列的过程。,热分析法获得的平衡冷却曲线,,,,,T0,,Tn,理论结晶温度,开始结晶温度,,,}T,过冷度,,TT0-Tn,纯金属结晶的充分条件就是一定要有过冷度（克服界面能）,2）、结晶过程的宏观现象、微观条件1、纯金属结晶时的冷却曲线,,,,,冷却速度越大，则过冷度越大。,过冷现象过冷是结晶的必要条件。过冷度ΔTT0–T1结晶热力学条件固-液体积自由能之差。,金属结晶的结构条件,近程有序结构,结构起伏,1.晶胚2.晶核3.长大,远程有序结构,,,,二.结晶过程的一般规律,形核长大,,形核、长大,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,液态金属,形核,长大,完全结晶,,形核和（晶核）长大的过程动态演示,,,,,,,,（结构条件晶胚临界形核半径晶核）稳定存在的晶核自发形核、非自发形核,1、晶核的形成,在一定的过冷度下,当F体≥F表时,晶核就形成。临界形核半径（假设球形）随过冷度增大而减小。当过冷液体中出现晶坯时，一方面由于原子由液态的聚集状态转变为固态的排列状态，使体系的自由能降低）；另一方面，由于晶坯构成新的表面，又会引起表面自由能的增加。rr*时，随晶胚长大，系统自由能降低，凝固过程自动进行。晶核形成的形式*自发形核（均质形核）△T200℃*非自发形核（异质形核）△T20℃,2、晶核两种长大方式,平面生长,树枝状生长,晶核的树枝状长大方式,,金属的树枝晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,三）、影响晶核的形核率和晶体长大率的因素,过冷度的影响,未熔杂质的影响,过冷度的影响,形核率难熔杂质孕育处理异质形核,,,,晶粒度表示晶粒大小，分8级。,细晶强化晶粒细化使金属机械性能提高的现象,比较细晶强化--强度、硬度、塑性、韧性↑固溶强化--强度、硬度↑，塑性、韧性↓,晶粒度与细晶强化,纯铁晶粒度与力学性能的关系,四）、细化晶粒的途径,1）提高冷却速度,,,,晶粒细小,3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。,,,,,,形核率N、长大速度R与过冷度T的关系,T,G，N,R,N,,,,,,,,,,,1）提高冷却速度,四）、细化晶粒的途径,,,,晶粒细小,在液体金属中加入变质剂孕育剂，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。,变质剂的作用作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大,振动的作用使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。,机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。,2）变质处理,3）振动结晶,二元合金相图,合金alloy合金系alloyseries相phase相平衡组元元element相图phasediagram平衡相图平衡组织statenchyma显微组织microscopicstructure,基础知识,热分析法,相图的建立,相图的建立,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,a,b,ab液相线,ab固相线,L,LS,S,L液相区,S固相区,LS液固共存区,,匀晶相图,LS,同类Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr等,匀晶相图,铜-镍合金匀晶相图,,,1083,1455,L,,L,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,固液两相区,匀晶相图转变,,,a,b,,c,,d,,,T,C,t,,,,,,L,,,,,,,,,L,,,,L,匀晶转变L,,冷却曲线,,,匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。,枝晶偏析一个晶粒内化学成分不均匀的现象,Cu-Ni合金的铸态显微组织示意图,树干镍多枝叶铜多腐蚀分析,杠杆定律组成相相对量的计算方法,假设合金的总量为1,,杠杆定理,QSbc／ab100,QLac／ab100,QSQL1aQSbQLc,,,,杠杆定律,,,1083,1455,L,,,,,,1,2,,a,c,b,a1,b1,c1,,,,,,T1,T2,1.在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。,2.随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。,杠杆定律在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即QL/Qb1c1/a1b1,,,杠杆定律推论在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为QL/QHb1c1/a1c1Q/QHa1b1/a1c11-QL/QH,,例求30Ni合金在1280时相的相对量,,,1083,1455,,,,,,a,c,30,a1,b1,c1,,,1280C,,,解作成分线和温度线如图。,66,18,根据杠杆定律推论，Q/QHa1b1/a1c112/481/4,答所求合金在1280时相的相对质量为1/4。,2．共晶相图,,,,Pb,Sn,,Sn,TC,,,,,,,,,铅-锡合金共晶相图,,,液相线,,,,L,固相线,,,,,,L,L,固溶线,固溶线,共晶转变分析,,,,Pb,Sn,T,C,,,,,,,,,,L,,,,L,L,,,共晶反应线表示从c点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。,c,e,共晶点表示d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。,d,Ldce,共晶反应要点,共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。,X1合金结晶过程分析,,,,,c,e,,f,,,g,,X1,,,T,C,t,,,L,,,,,,,,L,,,L,L,,冷却曲线,,,,,,,,,,,,,Ⅱ,Ⅱ,,,,,,,,,,,1,2,3,4,{,,X1合金结晶特点,,,T,C,t,,,L,,,,,,,,L,,,L,L,,冷却曲线,,,,,,,,,,Ⅱ,Ⅱ,,,,,,,,,,,1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。,2.要经过脱溶反应，室温组织组成物为Ⅱ,组织组成物组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。,X2合金结晶过程分析（共晶合金）,,X2,,,T,C,t,,,L,,,,,,,,L,L,L共晶体,冷却曲线,,,,,,,,,,,,,,,,,,,X3合金结晶过程分析（亚共晶合金）,,X3,,,T,C,t,L,L,,,,,,Ⅱ,1,2,,,标注了组织组成物的相图,,共晶相图的建立,,,,3.共析相图,共析转变共析体,,,,A,B,T,C,,,,,,,,,,,,,,c,e,d,,,L,L,共析相图,,4．包晶相图,包晶转变Ldce,,,,Pt,Ag,,Ag,T,C,,,铂-银合金包晶相图,,,L,,,,,L,L,,,,,,,,,c,e,d,f,g,,,,,,T,C,t,,,,L,,L,,L,,Ⅱ,比重偏析,比重偏析因比重不同而造成的化学成分不均匀的现象-----铸件上下部分的化学成分不一样,防止措施在浇注时进行搅拌,相图与性能的关系,合金的使用性能与相图的关系●固溶体中溶质浓度↑→强度、硬度↑,●组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。,相图与合金物理、力学性能之间的关系,,合金的工艺性能与相图的关系,●铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。,●锻造、轧制性能单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。,复习相与组织,相有一定的化学成分和晶体结构的均匀组成部分。,合金中有两类基本相固溶体和化合物,组织材料内部的微观形貌，体现相的形态、数量、大小和分布。,金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。,过共析钢x400,小结,重点要求,一般要求,3.匀晶相图的分析方法。,2.杠杆定律及其应用。,2.合金相图与性能的关系。,1.过冷度的概念，晶粒度的影响因素。,1.同素异构转变。,思考题,1.试比较共晶反应和共析反应的异同点。2.为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金,作业,1结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，它们是,2当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是,形核和晶核长大,3过冷度是指为,增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。,理论结晶温度-开始结晶温度,其表示符号为,T,4凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（）,No,7固溶体的晶体结构a.与溶剂相同b.与溶质相同c.为其它晶格类型,8间隙相的性能特点是a.熔点高、硬度低b.硬度高、熔点低c.硬度高、熔点高,6为细化晶粒，可采用a.快速浇注b.加变质剂c.以砂型代金属型,5金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将a.越高b.越低c.越接近理论结晶温度,作业,√,√,√,√,a.提高过冷度b.变质处理c.振动结晶,11如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小1金属型与砂型浇注2变质处理与不变质处理3铸成薄件与厚件4浇注时振动与不振动,10在实际应用中，细晶粒金属材料往往具有较好的常温力学性能，细化晶粒提高金属材料使用性能的措施有哪些,,,,,15在发生L共晶反应时，三相的成分a.相同b.确定c.不定,16共析成分的合金在共析反应γ刚结束时，其组成相为a.γb.c.,作业,12共晶反应式为,共晶反应的特点是,L,在恒温下进行,13平衡结晶获得的质量分数为20Ni的Cu-Ni合金比质量分数为40Ni的Cu-Ni合金的硬度和强度要高。（）,No,14一个合金的室温组织为Ⅱ，它由三相组成。（）,No,√,√,作业,1两相的化学成分,17将20kg纯铜和30kg纯镍熔化后慢冷至T1温度，此时,wLNi50wαNi80,2两相的质量比,QL/Qα80-60/60-502,3各相的质量分数,wL2/212/3wα1/3,4各相的质量,QL502/333.3（kgQα50-33.316.7（kg,wNi30/203060,TheEnd,