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材料的凝固第三章金属材料及热处理第三章材料的凝固3.4凝固组织与其控制3.1纯金属的结晶3.2合金的结晶3.3铁碳合金相图基本概念凝固与结晶凝固：指物质从液态经冷却转变为固态的过程；凝固后的固态物质可以是晶体，也可以是非晶体结晶：通过凝固形成晶体物质的过程金属的凝固过程玻璃的凝固过程结晶过程非晶体凝固过程金属从液态过渡为固体晶态的转变一次结晶金属从一种固态过渡到另一种固体晶态的过程二次结晶性能发生突变逐渐变化影响凝固状态的因素1.熔融液体的粘度粘度表征液体中发生相对运动的阻力粘度越大，表示液体越粘稠液体层间的内摩擦力越大，相对运动也越困难原子无法迁移排成晶体形成无规则的原子排列金属材料熔体的粘度值极小，熔点附近原子的迁移能力极强，绝大多数能凝固为晶体。2.熔融液体的冷却速度冷却速度越大阻止金属材料中原子的迁移非晶态的金属材料第一节纯金属的结晶三、同素异构转变二、纯金属的结晶过程一、结晶的热力学条件一、结晶的热力学条件热力学定律：在等压条件下，一切自发过程都是朝着系统自由能降低的方向进行液态固态T0温度升高自由能下降同一物质的液体和晶体在不同温度下自由能的变化T0理论结晶温度低于T0高于T0物质处于晶体状态稳定物质处于液体稳定液态固态T0液体与晶体的自由能-温度曲线纯金属的冷却曲线T0冷却曲线：测定液体金属冷却时温度和时间的变化关系作出的曲线纯金属的冷却曲线T0理论结晶温度（熔点）结晶时的过冷现象金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象实际结晶温度TTT0过冷度△TT0－T注：对于某种金属来说，过冷度不是恒定值，它的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度也越大，则金属的实际结晶温度越低。由于在结晶时释放出结晶潜热过冷是结晶的必要条件结晶的结构条件形成晶核固态金属原子作长程有序规则排列金属结晶的实质:由短程有序的排列的液态金属转变成具有长程有序排列的固态金属在一定条件下短程有序排列的原子团有可能成为结晶的核心液态金属冷却到T0以下经过一段时间晶核固态金属原子排列液态金属原子排列孕育期液态金属原子作短程有序规则排列二、纯金属的结晶过程结晶过程晶核不断形成晶核不断长大液体冷却到T0温度以下出现新的晶核液体经过一段时间(称为孕育期)晶核各个方向生长不断生核不断长大液体完全消失一些尺寸极小、原子规则排列的小晶体1.结晶的基本过程晶体每一个晶核一个小晶粒多晶体结构1）晶核的形成方式晶核的形成方式自发成核非自发成核2.结晶后晶粒的大小晶核可以由近程有序结构液体中规则排列的原子团形成由液体中的固态杂质微粒作晶核注：在实际结晶过程中，自发形核和非自发形核同时存在，但以非自发形核方式发生结晶更为普遍2)晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状长大均匀长大主要方式过冷度很小时实际金属结晶时冷却速度较大晶核树枝状长大示意图3）晶粒大小表示晶粒大小的一种尺寸晶粒度晶粒就是由一个晶核长大的晶体晶粒大小一般以单位面积的晶粒数目或以晶粒的平均直径来表示标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。钢的晶粒度示意图（100X）2级1级8级7级6级5级4级3级3.晶粒大小对材料性能的影响晶粒越细，常温下的力学性能越好晶粒直径抗拉强度屈服强度伸长率7.0mm180MPa38MPa30.6%0.1mm278MPa116MPa50%对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。因为在高温下原子沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的阻力大为减弱而致多晶体纯铁的晶粒大小与力学性能决定晶粒度的因素晶粒的大小长大的速度形核率单位时间单位体积内形成晶核的数目形核率（N）晶核的长大速度（G）单位时间晶体生长的线长度形核率与长大速度的比值N/G越大晶粒越细晶粒度-N,G-过冷度关系曲线控制晶粒尺寸的方法1.控制过冷度过冷度增大N／G值增加晶粒细小降低浇铸温度因此小型和薄壁铸件比大型铸件组织细增大冷却速度增加过冷度2.变质处理（孕育处理）在液态金属中加入能成为外生核的物质促进形核细化晶粒变质剂（孕育剂)注：不是加入任何物质都能起变质作用的，不同的金属液体要加入不同的物质铸造工业中利用此法，可生产出高强度的孕育铸铁提高形核率3.振动、搅拌等方法在结晶时，采用机械振动、超声波处理等方法能促进形核打碎正在生长的树状晶新的晶核晶粒细化碎晶块由于外部输入了能量三、同素异构转变同素异构转变:物质在固态下其晶格类型随温度的变化而发生转变的现象同素异晶体:同素异构转变所得到的不同晶格的晶体同素异构转变同样也要遵循形核、长大的规律，但它是一个固态下的相变过程，即为固态相变在金属中，锡、铁、锰、钴、钛等都存在着同素异构转变1.基本概念温度℃时间1538℃1394℃912℃-Feγ-Feα-Fe纯铁的同素异构转变2.铁的同素异构转变液态铁结晶后是体心立方晶格-Fe在1394℃以下转变成面心立方晶格γ-Fe冷却至912℃时又转变成体心立方晶格α-Fe-Feγ-Feα-Fe1394℃912℃正是纯铁具有这种同素异晶转变，因而才能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织和性能3.固态转变的特点固态转变又称为二次结晶或重结晶，它有与结晶不同的特点：1、发生固态转变时，形核一般在某些特定部位发生，如晶界、晶内缺陷等2、由于固态下扩散困难，因而固态转变的过冷倾向大固态相变组织通常要比结晶组织细3、固态转变往往伴随着体积变化，因而易产生很大的内应力，使材料发生变形或开裂第二节合金的结晶2.二元相图的基本类型与分析1.二元相图的建立基本知识合金的结晶特点：1.合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个温度范围内完成，而纯金属在恒温下完成；2.合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化，还会伴有化学成分的变化，而纯金属仅发生晶体结构的变化。合金系：两个或两个以上的组元按不同比例下配制成的一系列不同成分的合金的总称合金：是两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质组元：组成合金的最简单、最基本且能独立存在的物质；在大多数的情况下就是组成元素。按所含组元的数目，合金分为二元合金、三元合金及多元合金相：是指合金中化学成分、晶体结构和原子聚集状态皆相同，并以界面互相分开的各均匀组成部分组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金中不同形状、大小、数量和分布的相，又称显微组织。相图：反映在平衡条件下各成分合金的结晶过程以及相和组织存在范围与变化规律的简明示意图状态图：相图可以反映材料在不同条件下的状态平衡图：相图是通过材料在极其缓冷的条件下所测得的试验数据建立的，反映各相平衡状态的关系相图状态图平衡图缓慢冷却条件下1.二元相图的建立Cu—Ni二元合金系为例，说明二元相图的建立过程1）配制出不同成分的合金测出它们的冷却曲线找出各曲线上的临界点温度℃时间100%Cu20%Ni80%Ni60%Ni40%Ni100%NiCu-Ni合金的冷却曲线结晶的开始温度和终了温度2）在温度-成分坐标系中过合金成分点作成分垂线将临界点标在成分线上将成分垂线上相同意义的点连接起来，标上相应的数字和字母Cu-Ni合金的二元相图温度时间LαCuNi20%80%60%40%Ni%100%Cu20%Ni80%Ni60%Ni40%Ni100%NiCu-Ni合金的冷却曲线Cu-Ni合金相图液相线：结晶开始点的连线固相线：结晶终了点的连线在温度-成分坐标系中过合金成分点作成分垂线将临界点标在成分线上将成分垂线上相同意义的点连接起来，标上相应的数字和字母L+α温度2.二元相图的基本类型与分析相图与合金性能之间的关系二元匀晶相图二元共晶相图二元包晶相图形成稳定化合物的二元合晶相图具有共析反应的二元合晶相图二元相图的分析步骤二元相图的基本类型二元匀晶相图定义：两组元在液态和固态下均无限互溶，且只发生匀晶反应的相图匀晶反应：从液相中直接结晶出固溶体的反应二元匀晶相图是最简单的二元相图，Cu-Ni;Cu-Au;Au-Ag;W-Mo等合金都具有这类相图LαABCuNiNi%Cu-Ni合金相图液相线固相线液相区固相区L+α两相区铜的熔点镍的熔点1）相图分析LαABCuNiNi%Cu-Ni合金相图合金平衡结晶过程ααLLLLαα时间L+αⅠt1t2t3t4温度l1l2l3α1α4α3α2l42）合金的结晶过程温度分析1.液、固相线不仅是相区分线，也是结晶时两相的成分变化线2.匀晶转变是变温转变，在结晶过程中，液、固两相的成分随温度而变化3）杠杆定律确定两平衡相的成分LαABCuNiNi%L+αt1x1xx2abo确定两平衡相的相对重量LαABCuNiNi%L+αx1xx2t1abo确定两平衡相的成分设合金成分为x过x作成分垂线在垂线上相当于t1的点做水平线其与液、固相线的交点a，b所对应的成分x1、x2分别为液相、固相的成分LαABCuNiNi%L+αx1xx2t1abo确定两平衡相的相对重量设成分为x的合金的重量为1固相相对重量为Qα，其成分为x2，则：液相的相对重量为QL，其成分为x1QL+Qα=1QL*x1+Qα*x2=x确定两平衡相的相对重量QL+Qα=1QL*x1+Qα*x2=xQL=Qα=x2-xx2-x1x-x1x2-x1LαABCuNiNi%L+αx1xx2t1aboQL=Qα=%100212xxxx%100211xxxxxxxxQQL1221xxQxxQLQLQα2xxx11xx2xx注：杠杆定律只适用于两相区支点是合金的成分端点是所求两平衡相的成分4）枝晶偏析也称晶内偏析在一个晶粒中，造成先结晶晶轴(枝干)的成分和后结晶晶轴(分枝)成分的差异定义：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象成因：实际冷却速度较快致使扩散过程落后于结晶过程影响因素冷却速度给定成分合金的液相线与固相线的垂直距离距离越大偏析相对越严重速度越大偏析相对越严重对合金性能的影响加工性能力学性能耐腐蚀性能解决方法将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温来消除枝晶偏析，称为扩散退火可使原子充分扩散，使成分均匀二元共晶相图定义：组成二元合金的两组元，在液态能无限互溶，但在固态只能有限互溶且发生共晶反应时，其所构成的相图Pb-Sb，A1-Si，Pb-Sn，Ag-Cu等二元合金均为这类的相图1）相图分析AEB液相线固相线ACEDBA点Pb的熔点Sn的熔点B点相图中的点和线PbSn109080706050403020AGBCDEFLL+ααα+βL+β327℃温度℃19.261.997.5Sn%βCF线Sn在Pb中的溶解度曲线DG线Pb在Sn中的溶解度曲线E点共晶点CED线共晶线PbSn109080706050403020AGBCDEFLL+ααα+βL+β327℃温度℃19.261.997.5Sn%β1）相图分析相图中的相区液相区液相线以上合金全部处于液相L相区相是Sn溶于Pb中的固溶体相是Pb溶于Sn中的固溶体两相共存区单相区相区固相区L+L++位于每两个单相区之间1）相图分析共晶反应水平线CED共晶反应线浓度为E的L相同时结晶出浓度为C的α相和浓度为D的β相共晶体在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变过程共晶反应共晶反应的产物，即两相的机械混合物共晶温度发生共晶反应的温度共晶合金LEαcβD+183℃(183℃)具有共晶成分的合金共晶反应是在恒温下进行的共晶体共晶反应共晶温度共晶合金液体冷却注:发生共晶反应时，L、α、β三个相平衡共存，它们的成分固定，但各自的重量在不断变化水平线CED是一个三相区2）典型合金的结晶过程含Sn量小于C点成分合金的结晶过程（以合金Ⅰ为例）LLααLβⅡβⅡαααα1234温度时间合金Ⅰ冷却1点开始结晶出α相1点到2点匀晶反应单相α固溶体2点到3点固溶体冷却组织无变化3点以下α固溶体被Sn过饱和出现βⅡα+βⅡ二次相从已有固相中析出的新固相，记作βⅡ冷却过程中两固相的重量变化α相β相沿CF线变化沿DG线变化室温下的βⅡ相对重量QβⅡ=F4FG×100%α+βⅡ合金Ⅰ室温下的组织成分大于D点合金的结晶过程与合金相似，其室温组织为β+αⅡ二次析出形成二