160131-Ch3材料的凝固与结晶组织.ppt

第三章材料的凝固与结晶组织 3 1基本概念 3 2纯金属的结晶 3 3合金的结晶与相图 3 4铸态组织与冶金缺陷 3 1基本概念 一 凝固与结晶的概念 1 凝固 物质由液态转化为固态的过程 2 结晶 物质由一种原子排列状态 晶态或非晶态 过渡为另一种原子规则排列状态 晶态 的转变过程 1 一次结晶 2 二次结晶 二 晶态 1 晶态结构 1 晶态是原子在三维空间中有规则地周期性重复排列的物质 2 非晶态是一种短程有序 长程无序的混合结构 非晶态硒硒鼓静电成像 图书馆 超市物品中用非晶态软磁材料条带 传感器标签 3 1基本概念 2 晶态物理性能 1 有各向异性 2 有固定的熔点 3 在一定条件下有规则的几何外形 当液态金属原子来不及按它的常规结晶 在它还处于不整齐 杂乱无章的状态时就被 冻结 了 称为非晶态金属 它具有类似玻璃的某些结构特征 故称为金属玻璃 3 1基本概念 金属和玻璃的最大区别是 金属从液态冷却凝固的过程中有确定的凝固点 原子按一定的规律排列 形成晶体 而玻璃从液态到固态的转变是连续的 没有明确的分界线 即没有固定的凝固点 金属玻璃的原子排列是无序的 没有特殊的薄弱环节 其强度比一般金属材料高得多 而且塑性 韧性好 其没有金属那样的晶粒边界 腐蚀剂无空可钻 耐蚀性特别好 3 2纯金属的结晶 一 结晶条件 二 结晶过程 三 结晶晶粒大小及控制 四 晶体的同素异构 一 结晶条件 自由能G T Tm Tn GL G GS 温度T 纯金属在液态和固态的自由能 温度曲线 3 2纯金属的结晶 Tm 理论结晶温度Tn 实际结晶温度过冷度 T Tm Tn G 结晶驱动力 二 结晶过程 3 2纯金属的结晶 金属结晶过程视频 结晶过程flash 液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程实现的 二 结晶过程 1 晶核的形成 1 自发形核 2 非自发形核 3 2纯金属的结晶 二 结晶过程 2 晶体的长大 1 平面长大 2 树枝状长大 3 2纯金属的结晶 平面长大 冷速极小时产生 实际金属很少见 二 结晶过程 3 2纯金属的结晶 金属的树枝晶 冰的树枝晶 三 结晶晶粒大小及控制 1 晶粒度 表示晶粒的大小 晶粒度等级数值越大晶粒越细 3 2纯金属的结晶 三 结晶晶粒大小及控制 晶粒的大小对金属性能的影响 1 常温下 晶粒越小 金属的强度 硬度越高 塑性 韧性越好 2 高温下工作的金属晶粒过于细小反而不好 晶粒大小适中即可 3 对于用来制造电机和变压器的硅钢片来说 晶粒粗大反而好 是因为晶粒越粗大 磁滞损耗小 效能就高 3 2纯金属的结晶 细晶强化 晶粒细化使金属力学性能提高的现象 晶粒尺寸越小 金属的强度 硬度越高 塑性 韧性越好 1 细晶强化 强 硬度 塑 韧性 2 固溶强化 强 硬度 塑 韧性 3 形变强化 强 硬度 塑 韧性 4 弥散强化 强 硬度 塑 韧性 三 结晶晶粒大小及控制 3 2纯金属的结晶 G N 过冷度 T 2 晶粒大小的控制 晶粒的大小取决于形核率N 长大速度G的相对大小 即的大小 1 控制过冷度V冷 T N 晶粒细小 2 变质处理 3 振动处理 形核率N长大速度G 3 2纯金属的结晶 三 结晶晶粒大小及控制 3 2纯金属的结晶 三 结晶晶粒大小及控制 Al Si合金 3 2纯金属的结晶 三 结晶晶粒大小及控制 铸铁 变质处理使组织细化 变质剂为硅铁或硅钙合金 四 晶体的同素异构 固态金属在不同温度和压力下呈不同类型的晶体结构的现象 称为同素异构转变 Fe Co Sn Mn等元素都具有同素异构性 3 2纯金属的结晶 锡 也有同素异构性 灰锡 白锡 脆锡 怕冷 怕热 1 怕冷 13 白锡 块状 Sn 塑性好 表壳 酒壶等 100 锡箔 可以 0 04mm 13 灰锡 Sn 慢慢崩裂 33 暗灰色锡 明显碎裂成粉末 2 怕热 161 脆锡 斜方锡 马口铁 马口铁的锡镀层与低碳钢基体材料结合紧密 在经受机械变形时不会脱落或产生裂纹 因此马口铁同时具有钢的强度 可加工性 可焊性和锡的耐腐蚀性 特别是耐食品的浸蚀 无毒 可涂漆和美观装饰性 广泛用于食品和饮料的包装 四 晶体的同素异构 3 2纯金属的结晶 SiO2也有同素异构转变 因为不同结构晶体的密度不同 所以同素异构转变中总伴有体积变化 会引起很大的内应力 常常导致陶瓷产品在烧结过程中开裂 3 2纯金属的结晶 四 晶体的同素异构 3 3合金的结晶与相图 一 合金相结构 二 二元合金相图 一 匀晶相图 二 共晶相图 三 共析相图 3 3合金的结晶与相图 1 合金两种或两种以上的金属元素 或金属与非金属元素所组成的具有金属特性的物质 一 合金相结构 3 相合金中具有同一化学成分 同一聚集状态 同一结构且以界面互相分开的各个均匀的组成部分 2 组元组成合金的最基本独立物质 4 组织用肉眼或显微镜所观察到的材料的内部微观形貌 合金中的基本相结构 固溶体和金属间化合物 A B AxBy 相 具有相同结构 相同成分和性能 也可以是连续变化的 并以界面相互分开的均匀组成部分 如液相 固相是两个不同的相 鸡蛋 蛋白 蛋黄 工业纯铁 单相铁素体 共析碳钢 铁素体相 渗碳体相 普通陶瓷 晶相 玻璃相 气相 3 3合金的结晶与相图 一 合金相结构 一 固溶体溶质原子溶入金属溶剂中所组成的固态合金 1 固溶体类型 1 按溶质在金属溶剂晶格中的位置 2 按溶质原子在金属溶剂中的溶解度有限固溶体 无限固溶体 置换固溶体12Cr18Ni9 间隙固溶体铁素体 奥氏体 3 3合金的结晶与相图 一 合金相结构 糖在水中的饱和度 100 时 为80 90 时 为70 2 固溶体的性能 固溶强化由于外来原子 溶质原子 溶入溶剂基体中形成固溶体而其强度 硬度升高的现象 溶质原子溶入 晶格畸变 位错运动阻力上升 金属塑性变形困难 强度 硬度升高 3 3合金的结晶与相图 一 合金相结构 二 金属间化合物合金的组元相互作用而形成的具有金属特性 而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物 称为中间相 其熔点高 硬度高 脆性大 1 正常价化合物2 电子化合物3 间隙相和间隙化合物 1 当rc rMe0 59时 其晶体结构复杂 称为间隙化合物 如Cr23C6 Cr7C3 Fe3C等 3 3合金的结晶与相图 一 合金相结构 间隙相VC 间隙化合物Fe3C 3 3合金的结晶与相图 一 合金相结构 3 3合金的结晶与相图 一 合金相结构 穿甲弹 既坚硬 动量又大 穿透力极强 能摧毁坦克 装甲车 穿甲弹芯密度影响穿甲深度 增大弹芯材料密度就是增加弹芯动量 动能 W与钢中的C结合 生成极硬的WC 70HRC或2000HV W密度大 19 25g cm3 一 匀晶相图 Cu Ni Cu Ag Au Ag 3 3合金的结晶与相图 二 二元合金相图 匀晶结晶有下列特点 1 与纯金属一样 固溶体从液相中结晶出来的过程中 也包括有生核与长大两个过程 但固溶体更趋向于树枝状长大 2 固溶体结晶是在一个温度区间内进行 即为一个变温结晶过程 3 在两相区内 温度一定时 两相的成分 即Ni含量 是确定的 4 在两相区内 温度一定时 两相的质量比是一定的 5 固溶体结晶时成分是变化的 成分偏析 均匀化退火 3 3合金的结晶与相图 二 二元合金相图 二 共晶相图 E 共晶点AEB 液相线ACENB 固相线三个单相区 L 三个两相区 L L 一条三相共存线 L 水平线CEN 3 3合金的结晶与相图 二 二元合金相图 问 焊锡的成份 二 共晶相图 3 3合金的结晶与相图 二 二元合金相图 共晶组织 层片状 Al CuAl2定向凝固 条棒状 Sb MnSb横截面 螺旋状 Zn Mg 三 共析相图 由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相 此两相混合物称为共析体 共析产物比共晶产物细密得多 如珠光体 P 3 3合金的结晶与相图 二 二元合金相图 1 2 三 共析相图 3 3合金的结晶与相图 二 二元合金相图 珠光体 铸件凝固后在铸造状态 或还要经过热处理 下使用的金属件 铸锭凝固后还要经历塑性变形的金属件 3 4铸态组织与冶金缺陷 一 典型三晶区组织 3 4铸态组织与冶金缺陷 一 典型三晶区组织 3 4铸态组织与冶金缺陷 柱状晶粒区 1 分枝少 晶质细密 2 晶粒粗大 各向异性 横向性能差 3 柱状晶交界处有夹杂和气体 热加工时易开裂 获得 大的温度梯度 单向散热 定向凝固 3 4铸态组织与冶金缺陷 一 典型三晶区组织 等轴晶粒区 1 晶界面积大 杂质分布分散 2 各晶粒位向不同 性能均匀 没有方向性 3 枝晶彼此嵌入 没有脆弱面 4 缺点是枝晶发达 树枝晶间液相凝固收缩留下很多分散孔洞 显微缩松 因此凝固后金属组织不够致密 获得 较低的浇注温度 孕育处理 机械振动 电磁搅拌 二 冶金缺陷 1 缩孔 2 疏松 3 气泡 4 裂纹 5 偏析 3 4铸态组织与冶金缺陷 3 4铸态组织与冶金缺陷 二 冶金缺陷 裂纹 3 4铸态组织与冶金缺陷 二 冶金缺陷 第三章复习 1 结晶 一次 二次 结晶 同素异构转变 Fe Fe 2 T G 建立新表面需要的能量3 形核 长大 树枝晶 晶粒度 晶粒大小的控制方法4 固溶体 间隙 置换 化合物 碳化物 5 固溶强化 碳化物强化 P43 表3 3 6 结晶过程中的成分变化 成分偏析 与流动性的关系 与液