凝固与相变详解

凝固与相变详解演示文稿当前1页，总共78页。（优选）凝固与相变当前2页，总共78页。1.凝固物质由液态转变成固态的过程。一、凝固与结晶的概念近程有序结构结构起伏结晶远程有序结构1.1晶体的结晶当前3页，总共78页。晶体的结晶2.结晶*物质从一种原子排列状态(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。

*即物质中的原子由短程有序排列向长程有序排列的过程。当前4页，总共78页。-FTΔTΔFTnToTL液相固相

F–物体的自由能

结晶的能量条件及结构条件当前5页，总共78页。2.过冷现象与过冷度过冷现象(supercooling)：结晶时，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。过冷度(degreeofsupercooling)ΔT=T0–Tn过冷是结晶的必要条件。当前6页，总共78页。结晶的冷却曲线1.纯金属结晶时的冷却曲线To时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台(是由结晶潜热导致)当前7页，总共78页。非晶体的凝固过程非晶体的凝固虽然也是由液态转化为固态，但在本质上与晶体的结晶有区别。在非晶体的凝固中熔体实质是粘滞系数连续加大的过程，非晶固态可以看作粘滞系数很大的熔体。当前8页，总共78页。二金属的结晶当前9页，总共78页。2、结晶的一般过程—形核+核长大微小晶核长大晶体两个密切联系的过程，即生核和长大

当前10页，总共78页。（一）晶核的生成：

１、自发生核(同质形核)

两条途径2、非自发形核(异质形核)

自发生核:即晶体核心是从液体结构内部自发长出来的.其形成条件是:必须具有足够的过冷度.*非自发形核

△T=200℃非自发形核:晶核是依附外来杂质而生成的.*非自发形核△T=20℃

在实际金属和合金中,非自发形核比自发生核更重要,往往起优先和主导作用当前11页，总共78页。（二）晶体的长大方式（生长形态）平面状长大树枝状长大当前12页，总共78页。当前13页，总共78页。金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶当前14页，总共78页。2.影响形核和长大率的因素形核率:在单位时间内,单位体积中所产生的晶核数,以N表示.

晶核的长大速率：单位时间内晶核长大的平均速度以G表示。过冷度的影响未熔杂质的影响影响形核和长大率的因素当前15页，总共78页。1)过冷度的影响当前16页，总共78页。2)难熔杂质的影响—提高形核率*金属结晶过程中，非自发形核的作用往往是主要的。所以，某些高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结结构与金属的晶体结构有某些相似时，将强烈地促使非自发形核，大大提高形核率。当前17页，总共78页。三、晶粒大小及控制1、晶粒度—用于描述晶粒大小的参数常用的表示方法（1）单位体积的晶粒数目（ZV）；或单位面积内的晶粒数目（ZS）或晶粒的平均线长度（或直径）表示2、晶粒大小控制影响晶粒大小的主要因素：形核率和核长大速度形核率愈大,则结晶后的晶粒愈多,晶粒就愈小.如果形核率不变,晶核的长大速度愈小,则结晶所需的时间愈长,能生成的核心愈多,晶粒就愈细.[晶粒度]∝形核率/核长大速度当前18页，总共78页。晶粒大小的控制1.增大过冷度：由于晶粒大小取决于形核率与长大速度的比值,而形核率与长大速度以及它们的比值又决定过冷度,所以晶粒大小实际上可以通过过冷度来控制.2.变质处理:就是有意地向液态金属中加入某些变质剂,以细化晶粒和改善组织,达到提高材料性能的目的.

变质剂的作用有两种情况.变质剂加入液态金属时,能直接增加形核中心.这一类变质剂称为孕育剂,相应处理称为孕育处理.另一种情况是加入变质剂,虽然不能提供结晶核心,但能改变晶核的生长条件,强烈地阻碍晶核的长大或改善组织形态.3.其他：机械振动、超声波振动、电磁搅拌、热加工后再结晶当前19页，总共78页。纯铁的同素异晶(allomorph)转变反应式:第二节金属的同素异构转变1394°C912°Cbccfccbccδ-Fe

γ-Fe

α-Fe一、同素异构现象：晶体在外界条件变化时具有不同晶体结构的现象二、同素异构转变：同种晶体材料发生的不同晶体结构之间的变化，也称固态相变。是原子重新排列的过程，遵循形核和核长大规律。当前20页，总共78页。纯铁的冷却曲线1394℃1534℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe当前21页，总共78页。

同素异构转变的过程,也就是原子重新排列的过程,它也遵循生核与长大的基本规律.由此可见,同素异构转变实质上也是一种广义的结晶过程,与液-固结晶过程不同之处在于晶体结构的转变是在固态下进行的.

同分异构:把化学成分相同,而组成原子排列成不同的分子结构现象.它主要存在于有机物质和高分子材料中.当前22页，总共78页。第二节合金的结晶一、二元相图的建立二、二元相图的基本类型与分析1、二元匀晶相图2、二元共晶相图3、二元包晶相图4、形成稳定化合物的二元相图5、具有共析反应的二元相图6、二元相图的分析步骤7、相图与合金性能之间的关系当前23页，总共78页。1.二元合金的相图和凝固

一、相图的基本概念

合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。相图又称状态图或平衡图，是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。它是表示体系的成分、外界环境和组成相与相之间的平衡关系的几何图形。它是研究材料组织变化规律的重要参考工具。外界环境主要是温度和压力。当前24页，总共78页。二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组元的含量为独立，另一组元则为余下部分。为在二维平面上表示，通常只考虑在常压下，取两个变量温度和成分。横座标用线段表示成分，纵座标表示温度。(如图)合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金.组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元,如Fe-C合金中的Fe3C.当前25页，总共78页。相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。相图作用：由材料的成分和温度预知平衡相；材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律；估算平衡相的数量。预测材料的组织和性能当前26页，总共78页。2、相图的建立—常用热分析法当前27页，总共78页。时间温度90705030AB温度A温度B温度当前28页，总共78页。abLL+SSL:液相区S:固相区L+S:液固共存区AB温度二、二元匀晶相图与固溶体的凝固1.二元匀晶相图:两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图.当前29页，总共78页。2.固溶体材料冷却时组织转变：0点以上液体冷却1点开始凝固，固体成分在对应固相线处1－2之间，温度下降，液体数量减少，固体数量增加，成分沿液相线和固相线变化，到2点，液体数量为0，固体成分回到合金原始成分，凝固完成2点以下固体冷却，无组织变化当前30页，总共78页。2.两相平衡时的数量分配规律－－杠杆定律处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：①确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t

的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。12t当前31页，总共78页。②确定两平衡相的相对重量设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q.式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。则Ql

+Q=1

Ql

·x1+Q

·x2=x

解方程组得当前32页，总共78页。因此两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：当前33页，总共78页。上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分.杠杆定律只适用于两相区。例（如图）当前34页，总共78页。1.与纯金属凝固一样，结晶过程包括形核和长大；结晶需要一定的过冷度才能开始。2.结晶在一温度范围内进行。只有在温度不断下降时固体量才增加，温度不变，结晶数量维持平衡不变—可利用杠杆定律计算两相相对量。3.结晶过程中液体和固体的成分分别沿液、固线不断变化。合金固溶体形成的特点：

如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀，除晶粒细小外，固体中的成分会出现不均匀，树枝晶中成分也不均匀，产生晶内偏析（也称枝晶偏析）；工程中采用先快冷，再在固态较高温度下让成分均匀—高温扩散退火。当前35页，总共78页。三、二元共晶相图1.相图形式两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，一组元溶入另一组元中时都使结晶温度下降，并发生共晶转变（LE→αC+βD）。如Pb—Sn、Ag—Cu等二元共晶相图。相图的构成：tA-E-tB为液相线，与其对应的tA-C-E-D-tB为固相线；CG和DH线为固溶体α、β的溶解度随温度变化线；CED为水平共晶线。将相图分成三个单相区L、α、β；三个双相区L＋α、L＋β、α＋β和一个三相区L＋α＋β，即CED为共晶线。当前36页，总共78页。2.共晶合金的凝固1）共晶成分（E点）合金Ⅳ温度TE以上是液体的冷却到达TE温度，发生共晶转变，（LE→αC+βD），得到两固相的混合物，称为共晶体，一般呈层片分布。在TE温度以下是固溶体的冷却，共晶体体中的α相和β相成分分别沿CG线和DH线变化并析出βII和αII。这种由固相中析出的固相称为次生相，由于次生相都相应地同α相和β连在一起，且数量较少，故不改变共晶体的形貌。当前37页，总共78页。合金Ⅲ(成分在CE之间)：L→L+α→α初+(L+α+β)→(α初+βII)+(α+β)共在到达TE温度前转变同固溶体的转变,在TE温度下剩余的液体转变同共晶成分E(合金Ⅳ)的转变。当前38页，总共78页。室温下的平衡相室温下的组织组成物当前39页，总共78页。四、其它类型相图1.二元包晶相图两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，并且发生包晶转变。相图的构成：ac和bc为两液相线，与其对应的ad和bp为两固相线；df和pg固溶体α、β的溶解度随温度变化线；dpc为包晶转变线。它们分隔相图为三个单相区L、α、β；三个双相区L＋α、L＋β、α＋β；一个三相区L＋α＋β，即水平线dpc为包晶线。包晶转变LC+αd→βP

当前40页，总共78页。2.形成稳定化合物的相图以化合物的单相区为界将相图分割成若干区域，则每个区域为已经讨论过的简单(匀晶、共晶、包晶)相图，按简单相图的规律来分析。当前41页，总共78页。相图与合金物理、力学性能之间的关系当前42页，总共78页。合金的流动性、缩孔性质与相图之间的关系①固溶体合金液固相线间距大、偏析倾向大,树枝晶发达,流动性降低,补缩能力下降,分散缩孔增加②共晶合金结晶温度低,流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性能好当前43页，总共78页。铸锭（件）的凝固铸锭（件）的结晶组织实际生产中，金属或合金在定模或铸型中结晶组织都有三个晶区：1.细等轴晶区晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。当前44页，总共78页。2.柱状晶区随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。3.中心等轴晶区凝固的后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固点以下后，表层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大。4.力学性能表层硬;柱状区有方向性;中心疏松、多杂质5.铸锭缺陷：集中缩孔—最后凝固部位。要控制部位，便于切去。当前45页，总共78页。第四节铁碳合金系相图(Fe－Fe3C)当前46页，总共78页。

纯铁的冷却曲线1394℃1534℃10006008001200时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe一、铁碳合金的相(基本相：铁素体、奥氏体和Fe3C)⑴铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F或

表示。碳在δ-Fe中的固溶体称高温铁素体，用δ表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。当前47页，总共78页。⑵奥氏体:碳在

-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行.碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体当前48页，总共78页。⑶渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、强度低，脆性大，塑性几乎为零。Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。铸铁中的石墨钢中的渗碳体当前49页，总共78页。二、铁碳合金相图的分析⒈特征点⇄⇄⇄⇄⇄LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

当前50页，总共78页。2、相图中各点的参数及含义当前51页，总共78页。⒉特征线⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECFD⑵三条水平线：HJB：包晶线LB+δH⇄J

ECF：共晶线LC⇄E+Fe3C共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体,用Le表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体当前52页，总共78页。PSK：共析线

S⇄FP+Fe3C共析转变的产物是与Fe3C的机械混合物,称作珠光体，用P表示。珠光体L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。PSK线又称A1线。当前53页，总共78页。⑶其它相线GS,GP—

⇄

固溶体转变线,GS又称A3线.HN,JN—δ⇄

固溶体转变线，ES—碳在

-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ—碳在-Fe中的固溶线。当前54页，总共78页。⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线⒊相区⑴五个单相区：

L、、、、Fe3C⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

、+Fe3C当前55页，总共78页。三、典型合金的平衡结晶过程⑵钢(0.0218~2.11%C)高温组织为单相奥氏体

①亚共析钢0.0218~0.77%C②共析钢0.77%C③过共析钢0.77~2.11%C铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴工业纯铁(<0.0218%C)组织为单相铁素体。工业纯铁当前56页，总共78页。⑶白口铸铁，含碳

2.11~6.69%，铸造性能好,硬而脆①亚共晶白口铸铁

(2.11~4.3%C)②共晶白口铸铁(4.3%C)③过共晶白口铸铁

(4.3~6.69%C)当前57页，总共78页。二、典型铁碳合金结晶过程分析1．含碳0.01%的工业纯铁

2.含碳0.77%的共析钢（合金②）

3.含碳0.40%的亚共析钢（合金③）

4．含碳1.2%的过共析钢（合金④）

5．含碳4.3%的共晶白口铁：（合金⑤）

6．含碳3.0%的亚共晶白口铁：（合金⑥）7．含碳5.0%的过共晶白口铁（合金⑦）

当前58页，总共78页。二、组元的特性

1.纯铁—具有同素异晶转变铁素体的磁性转变温度为770℃(居里点)，曾经把770－912℃无磁性(顺磁性)的铁称为β－Fe。

工业纯铁的力学性能特点是强度、硬度低，塑性、韧性好。抗拉强度σb＝180－230Mpa延伸率δ＝30－50％断面收缩率ψ＝70－80％冲击韧性ak＝160－200J/cm2硬度50－60HB当前59页，总共78页。1.含碳0.01%的工业纯铁

当前60页，总共78页。2.共析钢(C%≈0.77%)

相转变过程组织转变过程L→L+A→P

合金液体在1-2点间转变为,到S点发生共析转变：

S⇄P+Fe3C,

全部转变为珠光体。当前61页，总共78页。共析转变全部生成共析组织，两相一般为层片状分布，组织为单一的珠光体。两相的重量比≈两相的厚度比≈8:1

当前62页，总共78页。室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？Qα=SK/PK=6.69-0.77/6.69-0.0218=88.7%QFe3C=1–88.7%=11.3%Q43219当前63页，总共78页。3.亚共析钢(C%=0.02~0.77%)

以0.45%C的钢为例合金在4点以前通过匀晶—包晶—匀晶反应全部转变为。到4点，由中析出。随着温度的降低,不断地变为,而剩余的成分沿GS线向低温方向变化,的成分沿GP线变化.当温度降到到5点(PSK线)时,,剩余成分沿GS线变到S点，

发生共析反应转变为珠光体。+Fe3CⅢGSPABJH温度继续下降，先共析和珠光体中铁素体析出中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.

故室温亚共析钢的组织为铁素体和珠光体当前64页，总共78页。亚共析钢(C%=0.02~0.77%)

室温组织白色为FP室温组织相对数量计算：当前65页，总共78页。对于不同成分的亚共析钢,其组织都是F+P,不同点是组织中铁素体和珠光体的相对量不同,在0.0218~0.77%C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加.ωc%=0.77×QP。含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织当前66页，总共78页。㈣过共析钢的结晶过程合金在1~2点转变为

,到3点,将在奥氏体晶界上析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体,用Fe3CⅡ表示,随着温度的降低,剩余奥氏体不断析出Fe3CⅡ.剩余奥氏体的成分沿ES线朝低方向变化二次渗碳体量逐渐增加.当温度降到2点(PSK线)时,剩余奥氏体的成分达到S点,

发生共析反应转变为珠光体.由于随后冷却过程中珠光体内铁素体析出的Fe3CⅡ可忽略不计,故室温过共析钢的组织为珠光体和Fe3CⅡ当前67页，总共78页。过共析钢(C%=0.77~2.11%)室温组织

说明：渗碳体呈网状分布,脆性的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很脆，工程中使用并不希望出现这种组织。当前68页，总共78页。铁碳合金组织特征图(a)0.01%C铁素体500×(c).0.77%C珠光体

500×(b)0.45%C铁素体+珠光体

500×d).1.2%C

珠光体+二次渗碳体

500×当前69页，总共78页。㈤共晶白口铁的结晶过程

液相冷却到C点发生共晶反应(LC⇄E+Fe3C)全部转变为莱氏体Ld,Ld是共晶与共晶Fe3C的机械混合物，呈蜂窝状。高温莱氏体冷至共析温度以下时,其中的奥氏体发生共析反应，转变为珠光体,由P