第三章纯金属结晶与合金的结晶

第三章纯金属结晶与合金的结晶第一节纯金属的结晶第二节合金的结晶第一节纯金属的结晶一、纯金属的冷却曲线和过冷现象1、通过热分析法测定冷却曲线2、冷却曲线分析纯金属结晶时，在冷却曲线上出现平台的原因，是由于金属在结晶过程中，释放的结晶潜热补偿了外界散失的热量，使温度并不随冷却时间的增加而下降，直到金属结晶终了后，已没有结晶潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）3、过冷现象金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象。过冷度△T=T0－Tn，过冷是结晶的必要条件。同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。二、纯金属的结晶过程结晶的过程是不断形核和长大的过程。液态金属形核晶核长大完全结晶1、形核液体中存在着许多类似于晶体的小集团，当低于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。两种形核方式——自发形核与非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。2、长大晶体的长大过程是液体中原子迁移到固体表面，使液—固界面向液体中推移的过程。两种长大方式——平面生长与树枝状生长。平面长大树枝状长大三、晶粒大小对金属力学性能的影响1、概念1）晶粒度——衡量晶粒大小的尺度，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。2）形核率——指单位时间、单位体积中所形成的晶核数目。3）长大速度——指单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。2、金属晶粒的细化方法在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、塑性和韧性。这是因为：晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；晶粒越细，晶界就越曲折，晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。晶粒度(晶粒数/mm2)b(N/mm2)s(N/mm2)(％)6.32374635.3512747044.819429410847.5表3-1纯铁的晶粒度与力学性能的关系（1）提高过冷度形核率N、长大速度G与过冷度T的关系TG，NGN（2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3）振动结晶——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。四、同素异构转变1、概念：金属在固体下由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化称为同素异构转变。由同素异构转变所得的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。2、纯铁的同素异构转变铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。纯铁的结晶和同素异构转变的过程：-Fe-Fe-Fe1394℃912℃纯铁的同素异构转变-Fe，fcc-Fe，bcc912C一．二元合金相图的建立1、二元合金相图的表示方法纯铁的结晶过程，可以利用冷却曲线来研究。如果把冷却曲线上的转变点投影到温度坐标轴上，利用一个纵坐标就可以表示出纯铁在加热和冷却时的组织转变过程。对于二元合金系，除温度变化外，还有合金成分的变化，因而需要采用两个坐标轴来表示二元合金相图。在二元合金相图中，以纵坐标表示温度，以横坐标表示成分。第二节合金的结晶2．二元合金相图的测定方法最基本、最常用的方法是热分析法1）首先配制一系列不同成分的Cu—Ni合金；2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线；3）找出各冷却曲线上的相变点；4）将各个合金的相变点分别标注在温度——成分坐标图中相应的合金垂线上。5）连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线，这样就得到Cu—Ni合金相图Cu-Ni合金相图的测定二、匀晶相图两组元在液态与固态均可彼此无限溶解的合金相图，称为匀晶相图。这类相图有：Cu-Ni、Fe-Ni、Au-Ag系。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区匀晶合金的结晶过程abcdT,CtLLL匀晶转变L冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。三、共晶相图两组元在液态互溶，在固态相互有限溶解，并发生共晶反应的合金相图，称为共晶相图。具有这类相图的合金有Pb-Sn、Sb-Sb、Cu-Ag、Al-Si等。PbSnSn%T,C液相线L固相线+L+L+固溶线固溶线相界线把共晶相图分成六个相区：三个单相区L、α、β相区；三个两相区为L+a、L+β、α+β相区。共晶线DCE是L、α、β三相平衡的共存线。1、相图分析--铅-锡合金相图PbSnT,CL+L+L+共晶反应线表示从c点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。ce共晶点表示d点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。dLdc+e共晶反应要点PbSnT,CL+L+L+183ced•共晶转变在恒温下进行。•转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。•存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。•成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。2.典型的合金结晶过程分析cefgX1T,CtLLLL+冷却曲线+ⅡⅡ1234{PbSnT,CL+L+L+183ced（1）X1合金结晶过程分析X1合金结晶特点T,CtLLLL+冷却曲线+ⅡⅡ1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。2.要经过脱溶反应，室温组织组成物为+Ⅱ组织组成物组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。（2）X2合金结晶过程分析（共晶合金）X2T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶体冷却曲线(+)PbSnT,CL+L+L+183ced（3）X3合金结晶过程分析（亚共晶合金）X3T,CtLL+(+)++Ⅱ12(+)+PbSnT,CL+L+L+183cedL+(+)+（4）X4合金结晶过程分析（过共晶合金）X4T,CtLL+(+)++Ⅱ12(+)+PbSnT,CL+L+L+183cedL+(+)+3、合金的相组分与组织组分标注了组织组分的Pb-Sn相图在高温通过匀晶转变所形成的固溶体，在冷却到某一温度时，又发生分解而形成两个新的固相，这种相图称为共析相图。从一个固相中同时析出两个不同成分的固相转变称为共析转变。与共晶转变对比有以下几个特点：1）共析转变是固态转变，转变过程中需要原子作大量的扩散，但在固态中的扩散比在液态中困难得多，所以共析转变需要较大的过冷度。2）由于共析转变过冷度大，因而形核率高，得到的共晶体更细密。3）共析转变前后晶体结构不同，转变会引起容积变化，从而产生较大的内应力。这一现象在钢的热处理时表现较为明显。四、共析相图共析转变：(+)共析体ABT,C+++cedL+L五、合金性能与相图间关系1、合金的使用性能与相图的关系●固溶体中溶质浓度↑→强度、硬度↑●组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。2.合金的工艺性能与相图的关系●铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。●锻造、轧制性能单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。