3第三章-金属的结晶与二元合金相图课件

第三章金属的结晶与二元合金相图第一节金属结晶的基础知识结晶过程：金属从液态转变为固态（晶态）的过程广义上讲，金属从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列状态（晶态）的过程均属于结晶过程。金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶

1纯金属结晶的条件纯金属的结晶：液态固态（原子无规则排列）（原子有规则排列）

T0平衡结晶温度=熔点热分析法放出的结晶潜热=散失的热量过冷现象过冷现象：实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0

的现象过冷度∆T=

T0-T1冷速↑→∆T↑自由能差（ΔF）—金属结晶的动力学条件；足够的温度 —完成结晶过程的热力学条件。（迁移、扩散）1.2金属的结晶1.2.1金属结晶的一般过程结晶过程是晶核不断形成和长大的过程液体中瞬时有许多规则排列的原子团，时聚时散形核晶核长大不断生成新晶核长大相碰晶粒多晶体1.2.2晶核的形成1）自发成核2）非自发成核1.2.3晶体的长大1）平面长大2）树枝状长大金属结晶后，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。晶粒大小可用晶粒度来表示，晶粒度号越大晶粒越细。1.2.4金属结晶后的晶粒大小晶粒数多变形可以分散在更多的晶粒内，降低应力集中塑性好韧性好晶界面积大裂纹难扩展变形抗力高强度高晶粒细断裂前的变形量最大细晶强化5细化晶粒的主要方式（1）提高冷速（提高过冷度）

对大铸件或厚薄差别大的铸件冷速过快→变形、开裂只适用于小铸件，简单件（2）变质处理

常用于大铸件，实际效果较好（3）振动（4）电磁搅拌铸造是指熔炼金属，制造铸型，并将熔融的金属浇入与零件的形状形状、尺寸相适应的铸型中，待其凝固后获得毛坯或零件的方法。3金属铸锭的铸态组织把金属熔化注入铸型中成型得到铸件把金属熔化注入铸锭模中成型得到铸锭

铸态组织对性能的影响铸件：力学性能、使用寿命铸锭：影响压力加工性能以及压力加工后的金属制品的组织和性能1）铸锭组织

表层细晶区柱状晶区中心等轴晶区表层细晶区中心等轴晶区柱状晶区⑴柱状晶:

金属加热温度高、冷却速度大、铸造温度高和浇注速度大等，有利于在铸锭或铸件的截面上保持较大的温度梯度，获得较发达的柱状晶。⑵等轴晶:

铸造温度低，冷却速度小等，有利于截面温度的均匀化，促进等轴晶的形成。2)铸锭组织的控制3)铸锭组织的缺陷（1）缩孔（2）气孔（3）偏析

相图：表明合金系中各种合金相的平衡条件下，合金系的相与温度、成分之间关系的图解，也称为平衡图或状态图。第二节合金的结晶与二元合金相图

平衡：指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。一、基本概念1）合金相图的用途匀晶相图共晶相图包晶相图了解不同成分在温度变化时的相变及组织形成的规律2）合金相图的分类二、合金相图的用途与分类三、二元合金相图的建立四、二元合金的结晶1）匀晶相图：两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图液相线固相线单相区α单相区L两相区L+α匀晶结晶特点

(1)生核与长大

包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋于呈树枝状长大。

(2)变温结晶

固溶体结晶在一个温度区间内进行,即为一个变温结晶过程。

(3)两相的成分确定

在两相区内,温度一定时,两相的成分(即Ni含量)是确定的。(4)两相的质量比一定

在两相区内,温度一定时,两相的质量比是一定的,如在T1温度时,两相的质量比可用下式表达：(5)容易产生枝晶偏析

冷却较快,不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多,后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多。结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均—枝晶偏析。对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。生产上为了消除其影响。把合金加热到高温(低于固相线100℃左右),并进行长时间保温,使原子充分扩散,获得成分均匀的固溶体,这种处理—扩散退火。2）共晶相图：两个组元在液态无限互溶、在固态下有限溶解并发生共晶反应的相图恒温下，液相中同时结晶出二个成分、结构不同的固相的反应成为共晶反应：L→α+β转变产物：共晶体（共晶组织）——两固相的机械混合物溶解度曲线最大溶解度点共晶线共晶点共晶合金亚共晶合金过共晶合金（1）合金Ⅰ的平衡结晶过程——固溶体合金（2）合金Ⅱ的结晶过程—共晶合金合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为α和β相。共晶合金组织的形态（3）合金Ⅲ的结晶过程—亚共晶合金

合金的室温组织为初生α+βⅡ+(α+β)，合金的组成相为α和β。

体积质量偏析在共晶合金系中，亚、过共晶合金结晶时，先结晶出来的先共晶相，其体积质量与液相不同。如果冷却速度缓慢，就可能出现先共晶相的上浮或下沉，整个铸件的上下部化学成分不同的现象。由于体积质量的不同而引起的化学成分偏析称为体积质量偏析。使零件呈现各向异性，降低零件的使用寿命。提高冷却速度；搅拌；选用靠近共晶点的合金3）包晶相图：两个组元在液态无限互溶、在固态下有限溶解并发生包晶转变的相图包晶转变：恒温下，一个固相与液相作用生成另一个固相L+α→β合金Ⅰ的结晶过程—包晶合金的结晶4）共析相图共析转变：恒温下，一个固相中同时析出两种成分、结构不同的固相。γ→α+β转变产物：共析组织（共析体）—机械混合物与共晶转变比较：同：恒温转变，同时生成两个成分、结构不同的固相异：共析——母相是固相，在固态转变共晶——母相是液相，在液态转变α5）相图分析掌握原则相图中每一个点都代表某一成分的合金在某一温度下所处的状态，此点称为表象点；在单相区，相成分等于合金成分，它由合金的表象点来决定；在两相区，不同温度下两相成分样其相界线而变化，两相的相对量用杠杠定律计算；三相平衡共存表现为一条水平线。αβabeLαβcdeγαβmnepL恒温α+βγ恒温α+βL＋β恒温β五、合金的性能与相图的关系（1）合金的使用性能与相图的关系匀晶转变共晶转变形成金属化合物提问与解答环节QuestionsAndAnswers谢谢聆