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 T T0 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 T T0 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 T 200 非自发形核 异质形核 T 20 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 L S S L 液相区 S 固相区 L S 液固共存区 匀晶相图 L S 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 QS bc ab 100 QL ac ab 100 QS QL 1aQS bQL c 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 QH b1c1 a1c1Q QH a1b1 a1c1 1 QL QH 例 求30 Ni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 QH a1b1 a1c1 12 48 1 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 1 2 3 4 X1合金结晶特点 T C t L L L L 冷却曲线 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 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 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 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 刚结束时 其组成相为 a 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20 Ni的Cu Ni合金比质量分数为40 Ni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 它由三相组