工程材料 第三章 材料的凝固与结晶组织

第三章材料的凝固与结晶组织§3.1概述§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思考1.纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，如何改善？2.合金的结晶过程是否与纯金属的结晶过程相同？3.相同成分不同含量的合金的结晶过程是否相同？怎样表示？§3.1概述一、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那么排列状态〔晶态〕的转变过程。〔1〕一次结晶

〔2〕二次结晶二、晶态1.结构〔1〕晶态是原子在三维空间中有规那么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〔形成结晶前凝固〕硒鼓静电成像、图书馆、超市物品中用了非晶态软磁材料条带〔传感器标签〕。§3.1概述二、晶态2.物理性能〔1〕有各向异性；〔2〕有固定的熔点；〔3〕在一定条件下有规那么的几何外形。§3.1概述晶体有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线§3.1概述§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、晶体的同素异构温度TTmTn∆T纯金属结晶时的冷却曲线一、结晶条件时间τ

ΔT

=Tm-TnTm---理论结晶温度Tn---实际结晶温度过冷度§3.2纯金属的结晶一、结晶条件自由能G∆TTmTnGL∆GGS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ΔG即结晶驱动力二、结晶过程液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的根本过程实现的。§3.2纯金属的结晶结晶过程视频二、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纯金属的结晶结晶过程flash演示三、结晶晶粒大小及控制晶粒的大小用晶粒度表示，晶粒度等级数值越大晶粒越细。晶粒度等级12345678单位面积晶粒数/（个·mm-2)16326412825651210242048晶粒平均直径/mm0.2500.1770.1250.0880.0620.0440.0310.0221.晶粒度§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↓几种强化方式的比较：三、结晶晶粒大小及控制§3.2纯金属的结晶GN过冷度ΔT2.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。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控制晶粒大小的方法：〔1〕控制过冷度〔2〕变质处理〔3〕振动处理§3.2纯金属的结晶三、结晶晶粒大小及控制四、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。§3.2纯金属的结晶Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构性§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〕共析相图合金：由金属元素与其他元素〔这些元素可以是金属元素，也可以是非金属元素〕组成的有金属特征的金属材料。思考金属与非金属组成的是不是一定就是合金？Fe+CFe-C合金〔钢〕Fe3C(化合物〕§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局部。2.组元组成合金的最根本独立物质。

4.组织

用肉眼或显微镜所观察到的材料的内部微观形貌。合金中的根本相结构：固溶体和金属间化合物A(B)AxBy组元：组成合金独立的最根本单元。组元可以是元素或是稳定化合物。Fe-C合金Fe、C组元Fe、Fe3C组元鸡蛋水，蛋白质，脂肪，胆固醇§3.3合金的结晶与相图一、合金相结构相：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局部，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1Cr18Ni9Ti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§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〔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§3.3合金的结晶与相图二、二元合金相图〔一〕匀晶相图匀晶结晶有以下特点：〔1〕与纯金属一样，α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§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、α、β〕三个两相区〔L+α、L+β、α+β〕

一条三相共存线〔L+α+β,水平线CEN〕§3.3合金的结晶与相图二、二元合金相图Pb-Sn共晶合金显微组织问：焊锡的成份？§3.3合金的结晶与相图二、二元合金相图〔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αβ1+β2

凝固后在铸造状态(或还要经过热处理)下使用的金属件称为铸件，凝固后还要经历塑性变形的金属件称为铸锭。§3.4铸态组织与冶金缺陷一、典型三晶区组织

1--表层细晶区2--柱状晶区

3--中心等轴晶区铸锭组织示意图§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〕枝晶彼此嵌人，没有脆弱面。〔4〕缺点是枝晶兴旺，树枝晶间液相凝固收缩留下很多