辽宁工业大学 工程材料 材料的凝固

1、水晶凝固凝固结晶结晶非晶体非晶体晶体晶体液体液体水水结晶结晶 = 相变相变 冰冰 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线l过冷度大小与冷却速度过冷度大小与冷却速度有关，有关，冷速越大，过冷冷速越大，过冷度越大度越大。T0T1T液体和晶体自由能随温度变化液体和晶体自由能随温度变化晶胚半径与晶胚半径与G关系关系均匀形核均匀形核非均匀形核示意图非均匀形核示意图均匀长大均匀长大树枝状长大树枝状长大正温度梯度正温度梯度负温度梯度负温度梯度晶粒的大小称为晶粒度。用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均直径表示。 控制晶粒大小的方法：1 控制过冷度：影响形核率和长大速度2 变质处理 变质

2、处理又称孕育处理，是一种有意向液态金属中 加入非自发形核物质从而细化晶粒的方法。3 振动、搅拌1394912 -Fe -Fe -Fel物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异同素异纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变l铁的同素异构转变铁的同素异构转变l铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：白锡白锡四方四方 灰锡灰锡金刚石立方金刚石立方13 -Fe -Fe -Fe -Fe912FCCBCCFe-Cr合金相图合金相图l组元组元是指组成合金的最简是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存单、最基本、能够

3、独立存在的物质。在的物质。l多数情况下多数情况下组元是指组成组元是指组成合金的元素合金的元素。但对于。但对于既不既不发生分解、又不发生任何发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组反应的化合物也可看作组元元, 如如Fe-C合金中的合金中的Fe3C.Cu-Ni合金相图合金相图L 成分（成分（wt %Ni）温度（温度（）CuNiFe-C二元相图二元相图三元相图三元相图 3 3. . 将垂线将垂线上相同意义上相同意义的点连接起的点连接起来，并标上来，并标上相应的数字相应的数字和字母。和字母。l两组元在液态和固两组元在液态和固态下均无限互溶时态下均无限互溶时所构成的相图称所构成的相图称二二元匀晶相图

4、元匀晶相图。l以以Cu-Ni合金为例合金为例进行分析。进行分析。1、匀晶相图、匀晶相图 LL+ 成分成分（wt%Ni）温度温度（）CuNi液相线液相线固相线固相线AB 相图的分析相图的分析l当液态金属自当液态金属自高温冷却到高温冷却到 t1温度时，开始温度时，开始结晶出成分为结晶出成分为 1的固溶体，的固溶体，其其Ni含量高于含量高于合金平均成分合金平均成分.L L+ l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变匀晶转变或或匀晶反应匀晶反应。L L+ 分垂线。在成分垂线相当分垂线。在成分垂线相当于温度于温度t 的的o点作水平线，点作水平线，其与液固相线交点

5、其与液固相线交点a、b所所对应的成分对应的成分x1、x2即分别即分别为液相和固相的成分。为液相和固相的成分。12 tLLObaxx1x2AB121122LxxxxQxxxxQ l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。的长度。l 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量l设合金的重量为设合金的重量为1，液相重量为液相重量为QL，固相重量为固相重量为Q abaoxxxxQabobxxxxQ211212L 21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或%5 .61%10045. 058. 045

6、. 053. 0 Q%5 .38%10045. 058. 053. 058. 0 LQ 1L245%Ni58%Ni53%Ni L121300T0100%Cu100%Nil生产上常将铸件加热到固相线生产上常将铸件加热到固相线以下以下 100-200 长时间保温，长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作艺称作扩散退火扩散退火.平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织Pb-Sn合金相图合金相图成分（成分（wt%Sn）温度（温度（）PbSnABl 相区：相区：相图中有相图中有:l三个单相区：三个单相区： L 、 、

7、；l三个两相区：三个两相区：L+ 、L+ 、 + ；l一个三相区：一个三相区：即水即水平线平线CED。l 液固相线液固相线: 液相线液相线AEB, 固相线固相线ACEDB. A、B分分别为别为Pb、Sn的熔点的熔点.ABl 和和 固溶体的溶解度随温度降低而下降。固溶体的溶解度随温度降低而下降。在一定温度下，由一定在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作同的新固相的转变称作共晶转变共晶转变或或共晶反应共晶反应. .AB183 Pb-Sn共晶组织共晶组织L+ CDAB 共晶点以右的共晶点以右的合金合金称称过共晶过共晶合

8、金合金。l凡具有共晶线凡具有共晶线成分的合金液成分的合金液体冷却到共晶体冷却到共晶温度时都将发温度时都将发生共晶反应。生共晶反应。L+ CDAB.2H%1004 FGFQ l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l随温度下降，随温度下降， 和和 相的成分分别沿相的成分分别沿CF线和线和DG线变线变化，化， 的重量增加。的重量增加。l室温下室温下 的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：Q Ql成分大于成分大于 D点合金结点合金结晶过程与晶过程与合金相似合金相似,室温组织为室温组织为 + 。ABCDEFGwt%Sn温度, 119.2 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散Pb-Sn共晶

9、体长大示意图共晶体长大示意图层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织针状共晶针状共晶树枝状共晶树枝状共晶放射状共晶放射状共晶螺旋状共晶螺旋状共晶%.Q%Q%.%.%CDEDQ654100445100219597961597100 E(61.9)D(97.5)C(19.2)室温下两相的相对重量百分比是多少？室温下两相的相对重量百分比是多少？Pb-Sn共晶合金组织共晶合金组织%1002%,1002)( CEEQCECQQEL %1002%,1002 CDCQCDDQ %CEEQ%,CEC1002

10、1002 如何求室温下三种如何求室温下三种组织组成物组织组成物的相对重量？的相对重量？ 亚共晶合金亚共晶合金的结晶过程的结晶过程l 和和 ， 和和 ，共晶体，共晶体( + ) 都是组都是组织组成物。织组成物。l相与相之间的相与相之间的差别主要在结差别主要在结构和成分上。构和成分上。Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织L+ L+ L + l 相图分析相图分析l单相区：单相区：L、 、l二相区：二相区：L+ 、 L+ 、 + l三相区：三相区：L+ + （水（水平线平线PDC）在一定温度下，由一个液在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一相包着一个固相生成另一新固相的反应称新固相的反应称包晶转变包晶

11、转变或或包晶反应包晶反应。L+ L+ L + 时间温度时间温度l4、共析相图、共析相图l共析反应共析反应(转变转变)是指在一定是指在一定温度下，由一定成分的固温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结相同时析出两个成分和结构完全不同新固相的过程构完全不同新固相的过程.共析转变也是固态相变。共析转变也是固态相变。SP铁碳合金相图铁碳合金相图 不是液相。不是液相。l另外，由于固态另外，由于固态转变过冷度大，转变过冷度大，因而共析组织比因而共析组织比共晶组织细。共晶组织细。珠光体珠光体 、 AnBmT b,HB, B% l 形成稳形成稳定化合物定化合物的合金：的合金：性能性能-成分成分曲线上出曲线

12、上出现拐点。现拐点。l共晶合金共晶合金结晶温度低结晶温度低,流动性好，缩孔集中，流动性好，缩孔集中，偏析小，偏析小，铸造性能好。铸造性能好。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) l 纯铁及铁基固溶体纯铁及铁基固溶体l 铁素体：铁素体：铁素体铁素体BCC的八面体的八面体和四面体间隙和四面体间隙l组织为不规则多面体晶组织为不规则多面体晶粒粒, 晶界较直。晶界较直。强度低、强度低、塑性好塑性好，钢材热加工都钢材热加工都在在 区进行。区进行。碳钢室温碳钢室温组织中无奥氏体。组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体FCC的八面体间隙的八面体间隙lFe3C是一个亚稳相，在一是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解

13、：定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 该反该反应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而很小，因而常温下碳在铁常温下碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石石墨墨的形式存在的形式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 莱氏体莱氏体l珠光体的组织特点是珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。性能介于两相之间。 PSK线又称线又称A1线线 。L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3C珠光体珠光体(

14、光镜光镜)扫描电镜形貌扫描电镜形貌l 相区相区l 五个单相区：五个单相区： L、 、 、 、Fe3C l 七个两相区七个两相区: L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C l铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：l 工业纯铁工业纯铁(0.0218%C) 组织为单相铁素体。组织为单相铁素体。工业纯铁工业纯铁NSJBH L+ + + %3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe Ql从铁素体中析出的渗碳体称从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，三次渗碳体，用用Fe3C表示。表示。 Fe3C以不

15、连续网状或片状分布于晶界。以不连续网状或片状分布于晶界。l合金液体在合金液体在1-2点间转变为点间转变为 ,到到S点发生共点发生共析转变：析转变： S P+Fe3C, 全部转变为全部转变为珠光体。珠光体。l珠光体中的渗碳体称珠光体中的渗碳体称共共析渗碳体析渗碳体。lS点以下，共析点以下，共析 中析出中析出Fe3C，与共析，与共析Fe3C结合结合不易分辨。不易分辨。室温组织为室温组织为P.%.%.%Q,%.PKSKQC Fe321188810088802180696770696 Q珠光体珠光体%.%.%Q%.QLLQC Fe3511588100588000806967706964 Q43219

16、中析出中析出 。到。到5点，点， 成分沿成分沿GS线变到线变到S点，点， 发生发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，共析反应转变为珠光体。温度继续下降， 中析出中析出Fe3C，由于与共析，由于与共析Fe3C结合结合, 且量少且量少, 忽略不计。忽略不计。 +Fe3CGSPABJH%1005%10053 PKKQPKPQCFe %1005%1005 PSSQPSPQP Sl组织组成物的相对重组织组成物的相对重量为：量为： l室温下组织组成物的相室温下组织组成物的相对重量为：对重量为：CFeCFeQQLLQCQLQQ33%1006%1000008. 069. 60008. 06 PPQ%QS S

17、Q%,.CQSQQ 100610000080770000806 Sl利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量：似估算亚共析钢的含碳量：C%=P面积面积%0.77% (忽略忽略 中含碳量中含碳量，P面积面积%=QP)含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织 其其沿晶界呈网状沿晶界呈网状分布分布.l温度下降温度下降, Fe3C量增加。到量增加。到4点，点， 成分沿成分沿ES线变线变化到化到S点，余下点，余下的的 转变为转变为P。在共析温度下在共析温度下FeFe3 3C C的

18、相对量？的相对量？%6 .22%10077. 069. 677. 011. 23 IICFeQ含含1.4%C钢的组织钢的组织 Q%QLQQ%.C.QLLQCFe 10051000008069669653l室温下两组织组成室温下两组织组成物相对重量百分比物相对重量百分比:12345SPCFePQLSSQCLSLQ %1005 %,10077. 069. 669. 653Fe3C %.Q%.%.QCFe847252100112696346963 ， lC点以下点以下, 成分沿成分沿ES线变化，共晶线变化，共晶 将析出将析出Fe3C。Fe3C与共晶与共晶Fe3C 结结合，不易分辨。合，不易分辨。12

19、 Fe3C2PFe3Cl在在2点，共晶点，共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种发生共析反应，转变为珠光体，这种由由 P与与 Fe3C组成的共晶体称组成的共晶体称低温莱氏体，低温莱氏体，用用Le表示表示。2 %.Q%.%.QCFe659440100770696346963 ， 点以下，共晶体中珠点以下，共晶体中珠光体的变化同共析钢光体的变化同共析钢.S%3 .64%7 .35%100%7 .35%1000008. 069. 63 . 469. 63 CFeQQ 一 次一 次 的的Fe3C被被共晶共晶 衬衬托出来。托出来。到到3点，点， 转变为转变为P.IIIICFeLeCFeLeLeQQ%Q.ECCQECEQQ3310077069677011222 ECFD1234N室温下相的相对重量百分比室温下相的相对重量百分比?DFK3Fe3C124钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体