结晶和相图.ppt

1、工程材料与成形工艺,教 师：王振玲,材料科学与工程学院,2,2-3 纯金属的结晶,凝固,结晶,非晶体,液体,物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。,物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变，因而结晶过程是相变过程。,晶体,二.结晶的过冷现象,1.纯金属结晶时的冷却曲线,4,2、过冷与过冷度,金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷。 理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度 T= T0 T1,过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。,5,三.纯金属结晶的条件,1、能量条件 体系自由能差G0，既 G=Gs-GL。,自由能： G = U S T G

2、 物体的自由能 U 物体的内能 S 熵 T 温度 K,过冷度越大，G越大，说明相变的驱动力越大,6,2、结构条件,近程有序结构,结构起伏,结晶,远程有序结构,7,三、纯金属的结晶过程,1、基本过程 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。,能够继续长大的晶胚称为晶核，晶核长大后成为一个晶粒。,8,结晶的形核、长大过程,9,2、晶核的形成方式,（1）自发形核 从液体内部自发形成的结晶核心。 （2）非自发形核 液体金属中依附在一些未熔颗粒表面所形成的晶核。,自发形核：近程有序原子团， T = 200 非自发形核：固体杂质微粒 T = 20,10,3、晶核的长大方式,晶核的长大方式有两种：平面

3、长大和树枝状长大。,实际金属结晶主要以树枝状长大。是因晶核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一次轴产生二次轴，树枝间最后被填充。,11,树枝状长大,Al-Si,Al-Mg,13,四、晶粒大小及控制,1、晶粒度 表示晶粒大小的一种尺度，可用晶粒的平均面积或平均直径来表示。,工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。 标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。,通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。,14,2、晶粒大小对金属性能的影响,常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好,即细晶强化。 高温下，晶界在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太

4、粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。 有些情况下晶粒越大越好。如硅钢片。,15,气轮机转子的宏观组织(纵截面),16,3、决定晶粒度的因素,晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。,单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。 单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。,N/G比值越大，晶粒越细小。,过冷度对N、G的影响,Al-Si合金组织,铸铁变质处理前后的组织,变质处理使铸铁中石墨细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。,19,（3）振动、搅拌,包括机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。,电磁搅拌细化晶粒示意图,对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核。,

5、另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。,20,2-4 合金的结晶,主要内容： 相图知识 合金的结晶过程,21,一、基础知识,1、合金系 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。,2、相图 相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。又称状态图或平衡图。,22,提示2 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。,三元相图,Pb-Sn二元相图,23,相图的建立,24,热分析法,1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。,热 分 析 法

6、,相图的建立过程,温度,A,B,杠杆定理,QS=(cede) 100%,QL=(dcde) 100%,QS + QL = 1 dQS + eQL = c,杠杆定律,TS,27,三、二元相图的基本类型,1、二元匀晶相图 两组元在液态和固态下均无限互溶,并能结晶出单相固溶体的相图，称二元匀晶相图， 如Cu-Ni、Cu-Au合金。,28,（1）相图分析,“两条线，三个相区” 两条线： 固相线 液相线 液相区 三相区 固相区 两相区,（2）合金的结晶过程,液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。,液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。,30

7、,随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。,当合金冷却到t3时，液体全部转变为固溶体，此时固溶体成分为合金成分3。,31,例题,计算液相和固相的数量？,32,（4） 枝晶偏析,合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，难得到均匀固溶体。 由于冷却速度快，造成在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。,33,先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。 枝晶偏析不仅与冷速有关，而

8、且与液固相线的间距有关：冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。,枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。,34,生产上常将铸件加热到固相线以下 100-200 长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。,35,2、二元共晶相图,当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。,36,共晶线水平线CED,在共晶线对应的温度下 (183 ) ，E点成分的合金同时结晶出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体，形成这两个相的机械混合物： LE ( C + D ),在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结

9、构都不相同的新固相的转变称作共晶转变。,37,共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。,1,.2,LE (C+D),39,析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。,Pb-Sn共晶组织,层片状(Al-CuAl2定向凝固),条棒状(Sb-MnSb横截面),螺旋状（Zn-Mg）,40,3、二元包晶相图,单相区：L、 二相区：L+、 L+、+ 三相区：L+ （水平线PDC）, 相图分析,41,水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+P D 。 该反

10、应是液相L包着固相, 新相 在 L 与 的界面上形核，并向 L 和 两个方向长大。,在一定温度下，由一个液 相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。,42,5、具有共析反应二元相图,（1）共析反应(转变) 是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同新固相的过程。,43,共析反应的产物是共析体 ，也是两相的机械混合物。 与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。,珠光体,由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。,44,常见三相等温水平线上的反应,45,五、相图与合金性能之间的关系,1、相图与力学性能的关系,温度,强度、硬度,导电率,温度,

11、强度、硬度,导电率,46,2、相图与铸造性能的关系,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。,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。,47,第三章 第3次作业,1、名词解释 (1)凝固 (2)过冷度 (3) 相图 (4) 组元 (5) 合金系 2、阐述纯金属凝固时的形核长大的过程。 3、晶粒细化对材料的力学性能有何影响？细化晶粒的方法有哪些？ 4、结合Pb-Sn合金相图，画出含Sn量为35%的Pb-Sn合金的冷却曲线及组织转变示意图，说明室温组织，并计算其中共晶组织的相对含量。,48,2-5 铁碳合金相图,铁碳合金

12、碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量0.0218%C)称为工业纯铁 含碳量为0.0218% 2.11%的称钢 含碳量为 2.11% 6.69%的称铸铁,50,一、铁碳合金中的相,1、铁素体( Ferrite ) 碳溶于Fe中形成的间隙固溶体，用F 或 表示。 在727时， 中含碳量最大，为0.0218%,铁素体,51,2、奥氏体(Austenite),碳溶于 -Fe中形成的间隙固溶体，用 A 或 表示。 1148时， 中含碳量最大，为2.11%。,奥氏体,FCC的八面体间隙,52,3、渗碳体( Fe3C ),铁与碳形成的间隙化合物，含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。,Fe3C硬度高

13、、强度低，脆性大，塑性几乎为零。 奥氏体强度低、塑性好，钢材热加工都在 区进行。 铁素体性能与纯铁相似。,53,提 示,因碳在-Fe中的溶解度很小，常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。 Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨), 该反应对铸铁有重要意义。,铸铁中的石墨,钢中的渗碳体,54,二、铁碳合金相图的分析, 特征点,55,“四个重要的成份点”,P碳在中量最大溶解度（0.0218%） S共析点（0.77%C）， SP+Fe3C E碳在中量最大溶解度（2.11%C） C 共晶点（4.3%C）， LC E+Fe3C,56,2、特征线,（1）液相线

14、ABCD， 固相线AHJECFD （2）“两条重要水平线” ECF （727 ）：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。蜂窝状，性能硬而脆。,莱氏体,57,PSK（727 ）：共析线 S FP+ Fe3C,共析转变的产物是与Fe3C的片层状机械混合物, 称作珠光体，用P表示。,珠光体(光镜),PSK线又称A1线 。,58,（3）“两条重要溶解度曲线”,ES碳在 -Fe中的固溶线。又称Ac m线。 PQ碳在-Fe中的固溶线。,59,3、 相区, 五个单相区 七个两相区 三个三相区,60,三、典型合金的平衡结晶过程,工业纯铁,亚共析钢,共析钢,过共

15、析钢,共晶白口铁,过共晶白口铁,亚共晶白口铁,61,工业纯铁：0.0218%C 亚共析钢：0.02180.77%C 共 析 钢 ： 0.77%C 过共析钢 ： 0.772.11%C 亚共晶白口铁 ： 2.114.3%C 共 晶 白 口 铁： 4.3%C 过共晶白口铁 ： 4.36.69%C,62,1、工业纯铁的结晶过程,合金液体在1-2点间转变为，3-4点间，5-6点间。到7点，从中析出Fe3C。,从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3C表示。,63,2、共析钢的结晶过程,合金液体在1-2点间转变为,到S点发生共析转变： SP+Fe3C, 全部转变为珠光体P。,珠光体,64,思考1：,共

16、析转变结束时，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？,珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。,65,S点以下，共析 中析出Fe3C，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P。,思考2：,室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？,66,3、亚共析钢的结晶过程,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 。,67,到5点， 成分沿GS线变到S点， 发生共析反应转变为珠光体。 温度继续下降， 中析出Fe3C，由于与共析Fe3C结合, 且量少, 忽略不计。,68,室温下相的相对重量为：,室温下组织组成物的相对重量为：,69,亚共析钢室温下的组织为F+P。 在0.02180.77%C 范

17、围内珠光体的量随含碳量增加而增加。,70,4、过共析钢的结晶过程,合金在12点转变为 , 到 3 点, 开始析出Fe3C。 温度下降, Fe3C量增加。到4点， 成分沿ES线变化到S点，余下的 转变为P。,71,提 示,从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3C表示,其沿晶界呈网状分布.,含1.4%C钢的组织,72,室温下两相的相对重量百分比：,室温下两组织组成物相对重量百分比:,73,5、共晶白口铁（4.3%C）的结晶过程,液相冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体Le。 C点以下, 成分沿ES线变化，共晶 将析出Fe3C。,74,温度降到2点， 成分达到0.77%。 发生共析反应，

18、转变为珠光体。 这种由 P与 Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体，用Le表示。,75,共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:,76,共晶白口铁室温组织为Le (P+ Fe3C), 它保留了共晶转变产物的形态特征。共晶白口铁室温下相的相对重量百分比为:,77,6、亚共晶白口铁的结晶过程,合金在 12 点间析出 。 到 2 点，液相成分变到C 点，并转变为 Le。 23 点间从 中析出 Fe3C, 到3点， 转变为P。,78,亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3C+Le。 室温下组织的相对重量为 ：,室温下相的相对重量百分比?,79,7、过共晶白口铁的结晶过程,12点间从液相中析出Fe3C, 这种渗碳

19、体称一次渗碳体，用 Fe3C表示，呈粗条片状。 到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Le。,80,2点以下, Fe3C成分重量不再变化, Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3C+Le,81,室温下过共晶百口铁组织（Fe3C+Le）的相对重量为 ：,82,四、 组织组成物在铁碳合金相图上的标注,83,84,五、 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响, 含碳量对室温平衡组织的影响,85, 含碳量对力学性能的影响,亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高, 塑性、韧性下降. 0.77%C时, 组织为100% P, 钢的性能即P的性能。 0.9%C，Fe3C为晶界连续网状，强度下降, 但硬

20、度仍上升。 2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Le,合金太脆。,86, 含碳量对工艺性能的影响 切削性能: 中碳钢合适 可锻性能: 低碳钢好 焊接性能: 低碳钢好 铸造性能: 共晶铸铁好 热处理性能: 第五章介绍,铸造,焊缝组织,模锻,87,3-4铸锭(件)组织与缺陷,一、铸锭(件)的组织 1、表层细晶区：过冷度大及非均匀形核。 2、柱状晶区：过冷度小，模壁的定向散热。 3、中心粗等轴晶区：散热速度慢，非均匀形核，晶粒粗大。,铸锭纵剖面宏观组织,88,二、铸造缺陷,1、缩孔 缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。 可通过改变结晶的冷却条件和加冒口等控制。 钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。,89,2、偏析 合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。 宏观偏析 微观偏析,硫在钢锭中偏析的模拟结果,90,3、气孔 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡。 铸件