金属凝固、结晶与相图介绍

1、第二章第二章 材料的制备与相图材料的制备与相图Chapter2 Materials Preparation and Phase Diagram 2.1 材料的制备过程材料的制备过程 2.2 二元相图的基本类型二元相图的基本类型 2.3 典型二元相图的应用典型二元相图的应用Fe-C相图分析相图分析 2.4 凝固与结晶理论的应用凝固与结晶理论的应用 2.5 材料的非晶态材料的非晶态本章学习要求1. 明确金属结晶的充分、必要条件，结晶的一般规律以及影响金属结晶后晶粒大小的途径与方法；2. 熟悉匀晶、共晶（包括共析）这两类基本形式的二元合金相图（其中包括相图分析，典型合金的平衡结晶过程分析，杠杆定律的

2、应用，以及利用与区分相组分和组织组分这两种填写相图的方法等）；3. 熟练地掌握铁碳合金相图( 包括默画铁碳合金相图、掌握、3、等基本相，熟知相图中重要点、线的含义, 能以冷却曲线及语言文字分析典型合金尤其是钢的平衡结晶过程，正确利用杠杆定律计算室温下钢的相组分、组织组分的相对百分含量以及掌握铁碳合金的成分一组织一性能之间关系)。本章学习重点物质由液态转变为固态过程称为凝固，物质由液态转变为固态晶体的过程称作结晶，而相图则是研究材料的成分、组织结构与性能之间相互关系和变化规律的有力工具。本章在确定工程材料结晶的一般规律，剖析金属结晶的充分、必要条件、结晶规律及控制结晶后晶粒大小的途径、方法，介绍

3、匀晶、共晶型两类基本形式相图分析方法的基础上，重点讨论了铁碳合金相图。铁碳合金相图是本课程的第一个重点章节，因为铁碳合金相图铁碳合金相图是本课程的第一个重点章节，因为铁碳合金相图是研究钢铁材料的成分、相和组织的变化规律以及与性能之间是研究钢铁材料的成分、相和组织的变化规律以及与性能之间关系的重要理论基础与有力工具。关系的重要理论基础与有力工具。 此外，金属结晶的条件、结晶的一般规律及控制结晶后晶粒大小的途径与方法等亦应十分明确。 2.1 材料的制备过程材料的制备过程 2.1.1凝固与结晶的条件凝固与结晶的条件 2.1.2 金属材料的制备金属材料的制备 1. 金属的冶炼金属的冶炼 2. 纯金属的

4、结晶规律纯金属的结晶规律2.1.1 凝固与结晶的条件凝固与结晶的条件1. 凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念2. 凝固与结晶的条件凝固与结晶的条件主要取决于主要取决于熔融液体的粘度和冷却速度熔融液体的粘度和冷却速度。（1）内因粘度是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征，其大小表示了液体中发生相对运动的难易程度。（2）外部因素冷却速度。冷速越大，则在单位时间内逸散的热量越多，熔体温度降得越低，这直接关系其中原子或分子的扩散能力。冷速107oC/s ，可抑制金属熔体重原子扩散，制得非晶合金。2.1 材料的制备过程材料的制备过程2.1.2 金属材料的制备金属材料的制备1. 金属的冶炼金属的冶炼金属材

5、料制备过程： 热轧 型材 加工 零件 铸锭 热锻机加工零件冶炼 铸造 铸件 机加工 零件2.1 材料的制备过程材料的制备过程1. 金属的冶炼金属的冶炼(1) 金属冶炼方法：火法冶炼、湿法冶炼、电冶炼。火法冶炼：高温下进行，钢铁、有色金属。 分：熔炼、吹炼、精炼。湿法冶炼：接近于常温进行，在溶液中进行。电冶炼：电热熔炼、电解。2.1 材料的制备过程材料的制备过程(2) 炼钢方法炼钢方法：转炉炼钢法：钢水吹氧，周期3040min，成本低电弧炉炼钢法：废钢，合金钢和高质量钢种。平炉炼钢法：以煤气为燃料 (3) 钢液浇注方法：钢液浇注方法：模铸法、连续铸钢法。（4）钢的炉外精炼方法：）钢的炉外精炼方法

6、： 真空精炼法、惰性气体稀释法、喷粉精炼法2 纯金属的结晶规律纯金属的结晶规律 （1）. 充分条件：充分条件：液态物质结构特点（结构起伏）液态物质结构特点（结构起伏）2 纯金属的结晶规律纯金属的结晶规律(2). 必要条件必要条件： 过冷与过冷度（过冷与过冷度（T）不同冷速下的冷却曲线示意图不同冷速下的冷却曲线示意图（图（图2-3）自由能与温度的关系曲线自由能与温度的关系曲线（图（图2-4）2 纯金属的结晶规律纯金属的结晶规律(3). 结晶的普遍规律结晶的普遍规律形成晶核与晶形成晶核与晶核不断长大的连续过程核不断长大的连续过程单晶体与多晶体示意图单晶体与多晶体示意图（图（图2-6）3. 纯质材料

7、结晶的普遍规律纯质材料结晶的普遍规律（1）形核的方式 自发形核 非自发形核（2）晶核长大的方式 平面方式长大 树枝晶方式长大 3. 纯质材料结晶的普遍规律纯质材料结晶的普遍规律（1）形核规律（以自发形核为主）形核规律（以自发形核为主）非自发形核示意图非自发形核示意图（2）晶核长大规律）晶核长大规律 平面方式长大平面方式长大（2）晶核长大规律）晶核长大规律 以树枝晶方式长大为主以树枝晶方式长大为主 金属锑锭的组织示意图金属锑锭的组织示意图预习预习准备准备 “2.3 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析” 内容的课堂讨论内容的课堂讨论 参见参见“学习指导学习指导”P1617中的中的 课堂讨论（铁碳合金

8、相图）提纲课堂讨论（铁碳合金相图）提纲 进行充分准备。进行充分准备。2.2 2.2 二元相图的基本类型二元相图的基本类型2.2.1 相图的建立相图的建立相图的定义：相图的定义：相图相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。衡图或状态图。 平衡平衡 是指在一定条件下合金系中参与相变过程是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和相对重量不再变化所达到一的各相的成分和相对重量不再变化所达到一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改

9、变。合金在极其缓慢冷却的条件下的结而改变。合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。 2.2 2.2 二元相图的基本类型二元相图的基本类型2.2.1 相图的建立相图的建立1. 相图的表示方法相图的表示方法 纯质材料纯质材料 二元合金二元合金2. 相图的建立相图的建立 原理原理 步骤步骤TP273.16 K气相气相液相液相固相固相临界点临界点609Pa水的相图水的相图水的三相点：水的三相点：K.T162733 2.2.1 2.2.1 相图的建立相图的建立 几种不同配比的铜镍合金用热分析法建立用热分析法建立Cu-NiCu-Ni相图相图

10、（a）冷却曲线 （b）测定的相图2.2.2 匀晶相图（学习的基础）1. 相图分析相图分析 特性点特性点 特性线特性线 基本相基本相 相区相区2. 典型合金的平衡结晶过程分析典型合金的平衡结晶过程分析 1).文字说明文字说明 2).冷却曲线描述冷却曲线描述 3. 固溶体合金结晶规律固溶体合金结晶规律 4. 杠杆定律及其应用杠杆定律及其应用 1)推导推导 2)主要内容主要内容 3)适用条件适用条件 5. 不平衡结晶不平衡结晶枝晶偏析枝晶偏析 1)含义含义 2)产生原因产生原因 3)消除办法消除办法 2. 匀晶相图分析匀晶相图分析Cu-NiCu-Ni合金的显微组织示意图合金的显微组织示意图3. 固溶

11、体合金的平衡结晶规律固溶体合金的平衡结晶规律（1）变温结晶（2）在结晶过程中，两平衡相的成分和相对百分含量是不断变化的。液相的成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化；此间的任一温度瞬时，都可应用杠杆定律计算液固两相的相对百分含量。4. 杠杆定律杠杆定律 及应用及应用仅适用于两相区，用来求两个平衡相的化学成分和相对百分含量。注意支点的位置，一般是合金的成分点；两个端点一定处在两相区和单相交界处。5.不平衡结晶不平衡结晶枝晶偏析枝晶偏析（a）不平衡结晶； （b）不平衡结晶的组织5.不平衡结晶不平衡结晶枝晶偏析枝晶偏析5.不平衡结晶不平衡结晶枝晶偏析枝晶偏析Cu-Ni合金枝晶偏析示意图 2.2

12、.3 共晶相图（学习的重点）共晶相图（学习的重点）1. 相图分析相图分析（1）共晶相图的形成）共晶相图的形成（2）相图分析）相图分析 .特性点、线 .基本相 .相区1.1.相图分析相图分析（1 1）共晶相图的形成）共晶相图的形成1.1.相图分析相图分析（2）相图分析）相图分析2.2.典型合金的平衡结晶过程典型合金的平衡结晶过程分析分析（1 1）有限固溶体合金）有限固溶体合金（2 2）共晶成分的合金）共晶成分的合金（3 3）亚共晶成分合金）亚共晶成分合金（4 4）过共晶成分合金）过共晶成分合金（1）有限固溶体合金有限固溶体合金 图2*-1 10%Sn有限固溶体合金的冷却曲线及组织（1）有限固溶体

13、合金有限固溶体合金杠杆定律的应用杠杆定律的应用在室温下，计算相百分在室温下，计算相百分含量含量.（1）有限固溶体合金有限固溶体合金平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析 文字说明文字说明 冷却曲线描绘冷却曲线描绘反应性质反应性质 匀晶反应匀晶反应 + + 二次析出反应二次析出反应组织特征组织特征 + 或（或（+）杠杆定律的应用杠杆定律的应用 计算相组分的相对百分含量计算相组分的相对百分含量 计算组织组分的相对百分含量计算组织组分的相对百分含量（2 2）共晶成分的合金）共晶成分的合金共晶合金的冷却曲线及室温下的组织（2 2）共晶成分的合金）共晶成分的合金（2 2）共晶成分的合金）共晶成分的合金平衡结晶

14、过程分析平衡结晶过程分析 文字说明文字说明 冷却曲线描绘冷却曲线描绘反应性质反应性质 共晶反应共晶反应 + 二次析出反应二次析出反应组织特征组织特征 （+），共晶体，共晶组织），共晶体，共晶组织杠杆定律的应用杠杆定律的应用（3）亚共晶成分合金）亚共晶成分合金 图图4* 亚共晶合金的冷却曲线及组织亚共晶合金的冷却曲线及组织（3）亚共晶成分合金）亚共晶成分合金初晶的截取位置及相应的组织形貌初晶的截取位置及相应的组织形貌（3）亚共晶成分合金）亚共晶成分合金平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析 文字说明文字说明 冷却曲线描绘冷却曲线描绘反应性质反应性质 匀晶反应匀晶反应 + 共晶反应共晶反应 + 二次析二

15、次析出反应出反应组织特征组织特征 +（+）+ 杠杆定律的应用杠杆定律的应用（4 4）过共晶成分的合金）过共晶成分的合金平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析 文字说明文字说明 冷却曲线描绘冷却曲线描绘反应性质反应性质 匀晶反应 + 共晶反应 + 二次析出反应组织特征组织特征 +（+）+杠杆定律的应用杠杆定律的应用（4 4）过共晶成分的合金）过共晶成分的合金 过共晶合金的冷却曲线及组织过共晶合金的冷却曲线及组织3. 3. 两种填写相图的方法两种填写相图的方法图图2-12 标明组织组分的铅标明组织组分的铅-锡合金相图锡合金相图3. 3. 两种填写相图的方法两种填写相图的方法图图2-11 以相组分形式填写

16、相图的方法以相组分形式填写相图的方法4. 4. 包晶相图的特征包晶相图的特征4. 4. 包晶相图的特征包晶相图的特征5. 5. 具有稳定化合物的相图具有稳定化合物的相图6. 6. 具有共析反应的相图具有共析反应的相图7. 7. 二元合金相图与性能二元合金相图与性能之间的关系之间的关系合金的性能取决于它的成分和组织合金的性能取决于它的成分和组织, , 相图则可相图则可反映不同成分的合金在室温时的平衡组织。因反映不同成分的合金在室温时的平衡组织。因此此, , 具有平衡组织的合金的性能与相图之间存具有平衡组织的合金的性能与相图之间存在着一定的对应关系。在着一定的对应关系。 7. 7. 二元合金相图与

17、性能二元合金相图与性能之间的关系之间的关系图图2-16 合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系（2）合金的工艺性能与相图）合金的工艺性能与相图 的关系的关系2.3 2.3 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析2.3 2.3 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析抗拉强度极限 b 延伸率 断面收缩率 冲击韧性 ak J/m2硬度 Fe180230MPa30%50% 70%80%1.61062106 5080HBFe3C30MPa 0 0 0 800 HB 2.3 2.3 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析铁碳合金中的相：液相L、相、相、相、Fe3C相 相图中重要的点：J为包晶点、 C点为共晶点、S点为

18、共析点 相图中重要的线相图中重要的线: : 水平线HJB为包晶反应线。碳含量0.09%0.53% 水平线ECF为共晶反应线。碳含量在2.11%6.69% 水平线PSK为共析反应线。碳含量0.0218%6.69% GS线自A中开始析出F的临界温度线, 通常称A3线。 ES线是碳在A中的固溶线, 通常称Acm线 PQ线是碳在F中固溶线。 Fe3CIII 2.3 2.3 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析根据Fe-Fe3C相图, 铁碳合金可分为三类：工业纯铁(C)0.0218% 钢0.0218%(C)2.11% 亚共析钢 0.0218%(C)0.77% 共析钢 (C) = 0.77% 过共析钢 0.77%(C)2.11% 白口铸铁2.11%(C)6.69% 亚共晶白口铸铁 2.11%(C)4.3% 共晶白口铸铁 (C) = 4.3% 过共晶白口铸铁 4.3%(C)1012K/s, 合金 108K/s非晶合金组成：金属-金属 金属-类金属(B Si P Ge) 锆铝镁铜体系 2. 非晶态的结构特性结构长程无序和短程有序热力学亚稳定性2.5 2.5 材料的非晶态材料的非晶态2.4.1 2.4.1 材料的非晶态特性材料的非晶态特性 1