第三章材料的凝固与相图

17第三章材料的凝固与相图讲授重点：固溶体、化合物的晶体结构及性能特点；固溶强化及其实际应用；二元合金相图的基本概念。本章难点：过冷度的概念；相、相图。§3-1金属的结晶一、结晶的概念物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。1．结晶与凝固的区别——前者的产物是晶体，后者可以是非晶体。2．结晶条件——结晶温度T＜理论结晶温度To（克服界面能）。过冷度：ΔT=To–Tn（Tn：实际结晶温度）金属在无限缓慢冷却条件下(即平衡条件下)所测得的结晶温度Ｔ0称为理论结晶温度。但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时冷却速度都是相当快的，金属总是要在理论结晶温度Ｔ0以下的某一温度Ｔn才开始进行结晶，温度Ｔn称为实际结晶温度。实际结晶Ｔn温度低于理论结晶温度Ｔ0的现象称为过冷现象。而Ｔ0与Ｔn之差ΔＴ称为过冷度，即ΔＴ＝Ｔ0－Ｔn。过冷度并不是一个恒定值，液体金属的冷却速度越大，实际结晶的温度Ｔ1就越低，即过冷度ΔＴ就越大。实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。3、过冷度与冷却曲线——冷速越快，过冷度越大。4.过冷度对形核、长大的影响（见下图）18二、金属结晶的过程纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的。实验证明，金属结晶时，首先从液体金属中自发地形成一批结晶核心，形成自发晶核，与此同时，某些外来的难熔质点了可充当晶核，形成非自发晶核；随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，并继续产生新的晶核，直到液体金属全部消失，晶体彼此接触为止。所以结晶过程，就是不断地形核和晶核不断长大的过程（如下图所示）。结晶时由每一晶核长成的晶体就是一个晶粒。晶核在长大过程中，起初是不受约束的，能够自由生长，当互相接触后，便不能再自由生长，最后即形成由许多向位不同的晶粒组成的多晶体。1.形核——自发形核、非自发形核。2．长大——树枝状长大。三、影响形核与长大的因素1．晶粒度的概念——单位截面积上的晶粒数目或晶粒的平均直径。形核速度大，长大速率慢，则晶粒总数目多，晶粒细小。2．晶粒尺寸对机械性能的影响——晶粒越细，则强度、硬度、塑性和韧性等越高。1.2.3456形成晶核晶核长大全部结晶19晶粒大小对金属力学性能的影响：金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。为了测量方便，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、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；而且晶粒越细，晶界面越多，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。晶粒度级别越高，晶粒越细。工业中常用的细晶粒是7-8级，晶粒尺寸为0.022mm3．晶粒尺寸的控制⑴提高冷却速度——则：过冷度↑→N/G增大，晶粒细化。⑵变质处理——变质处理是在浇注前向液态金属中加入被称为变质剂的某种物质，发增加形核率Ｎ或降低长大线速度Ｇ，从而细化晶粒的方法。和改善组织。⑶附加振动——金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，发既可使正在生长的晶体破碎而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率Ｎ，从而细化晶粒。四、金属的同素异构转变纯铁的同素异构转变：20§3-2合金的相结构一、合金的基本概念一般来说，纯金属大都具有优良的塑性、导电、导热等性能，但它们取制困难，价格较贵，种类有限，特别是力学性能（强度、硬度较低，耐磨性都比较低），难以满足多种高性能的要求，因此，工程上大量使用的金属材料都是根据性能需要而配制的各种不同成分的合金，如碳钢、合金钢、铸铁、铝合金及铜合金等。1、合金——合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。如黄铜是铜和锌的组成合金；碳钢是铁和碳组成的合金；硬铝是铝、铜是镁组成的合金等。合金不仅具有纯金属的基本特性，同时还具备了比纯金属更好的力学性能和特殊的物理、化学性能。另外，由于组成合金的各元素比例可以在很大范围内调节，从而使合金的性能随之发生一系列变化，满足了工业生产中各类机械零件的不同性能要求。2、组元——组成合金的基本的物质称为组元。组元大多数是元素，如铁碳合金中的铁元素和碳元素是组元；铜锌合金中的铜元素和锌元素也是组元。有时稳定的化合物也可作为组元，如Fe3C等。3.相——相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的、与其它部分有明显分界的均匀组成部分。其中包括固溶体、金属化合物及纯物质（如石墨）。4.合金中有两类基本的相结构——固溶体和金属间化合物。二、固溶体固溶体A（B）——组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一（溶剂A）相同的固相。（B：溶质）1．置换固溶体——置换固溶体就是溶质原子替换了溶剂晶格某结点上的原子而形成的（如下图）。A和B晶格类型相同，原子半径相近。如：Cu-Zn、Cu-Su、Cu-Ni、Fe-Cr合金212．间隙固溶体——间隙固溶体就是溶质原子溶入溶剂晶格的间隙之中而形成的（如下图）。因晶格中的空隙位置是有限的，所以间隙固溶体是有限固溶体。溶质B的原子半径较小。（溶质原子的半径/溶剂原子的半径小于0.59）形成间隙固溶体的溶质原子大多为H、C、O、等非金属元素。如：Fe–C合金的中的C原子可溶入a–Fe（铁素体）、γ–Fe（奥氏体）中形成间隙固溶体。3.固溶强化——由于溶质原子的溶入，会引起固溶体晶格发生畸变，如下图，晶格畸变使合金变形阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。它是提高材料力学性能的重要途径之一。例如，我国的低合金强度结构钢，就是利用锰、硅等元素来强化铁素体，从而使材料的力学性能大为提高。如：Cu中加入19%的Ni，则合金的σb由220→380、HBS由44→70机理：溶质原子溶入→溶剂晶格畸变→位错运动使阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。22三、化合物1.化合物——金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相，其晶格类型和性能完全不同于合金中的任一组元，一般可用分子式来表示。2.化合物的性能——弥散强化：熔点、硬度高，脆性大。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬度高，脆性大。当合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韧性降低。金属化合物是许多高合金的重要组成相，与固溶体适当配合可以提高合金的综合力学性能。3.化合物分类——正常价、电子、间隙化合物。(Fe3C是钢中最重要的一种具有复杂结构的间隙化合物).间隙固溶体和间隙化合物的区别：间隙固溶体间隙化合物保持溶剂的晶格晶格形式不同于任一组元溶质的溶入无规律直径较小的非金属元素有规律的嵌入固溶强化：强度硬度逐渐升高，塑性韧性有所下降弥散强化：强化相.自身的塑性接近于零四、机械混合物单一固溶体——强度、硬度较低单一化合物——硬而脆机械混合物——机械混合物是合金中的一类复相混合物组织，不同的相均可互相组合形成机械混合物。各相在机械混合物中仍保持原有的晶格和性能，机械混合物的性能介于组成的相性能之间，固溶体、化合物的混合物，强度较高。韧性、强度配合较好。强度高于单一固溶体，韧性远远优于单一化合物。工业上大多数合金均由混合物组成，如钢、铸铁、铝合金等。23§3-2二元合金相图相图（平衡图、状态图）(如下图)——平衡条件下，相和相变与温度、成份之间的关系的图形。一、二元相图的建立Ⅰ：纯铜Ⅱ：75%Cu+25%NiⅢ：50%Cu+50%NiⅣ：25%Cu+75%NiⅤ：纯Ni24二、匀晶相图1.匀晶相图——两组元在液态及固态均无限互溶，冷却时发生匀晶转变（L→α）。如Cu-Ni，Fe-Cr,Au-Ag的合金系。2.相图分析——液相线、固相线、L、α、L+α3.匀晶转变的结晶过程——L→L+α→α4.匀晶转变的特点⑴形核、长大——树枝状长大、变温过程。⑵两相区内，温度一定，则成分确定，且两相相对量一定。5.杠杆定律——QL·ab=Qα·bc（见下图）256.枝晶偏析——冷速快→原子扩散不充分→成分不均。扩散退火消除。（见下图）三、共晶相图共晶相图——两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶。如Pb-Sn（见下图），Al-Si，Ag-Cu合金系。相图分析1.液相线adb、固相线acdeb。2.三个单相区——L、α、β（α、β是有限固溶体）3.共晶点、共晶温度、共晶反应线（L→αc+βe）4.溶解度线cf和eg——T↓→过饱和固溶体析出另一相→脱溶转变共晶反应——具有共晶成分的液态合金中同时结晶出两种成分与结构完全不同的新固相的转变过程。共析反应——恒温下由一个固相同时析出两个成分不同的固相一种反应。包晶反应——恒温下由一个液相和一个固相相互作用生成一种新的固相的一种反应。26四、典型合金的结晶过程1.合金I——L→L+α→α→α+βII相α和β的相对量：α%=x1g/fg·100%β%=fx1/fg·100%组织组成物α和β的相对量：α%=x1g/fg·100%β%=fx1/fg·100%2.合金II(共晶合金)——L→L+(αc+βe)→(αc+βe)相组成物：α%=x2g/fg·100%β%=fx2/fg·100%组织组成物：共晶体（α+β）3.合金III（亚共晶合金）——L→L+αⅠ→L+αⅠ+（αc+βe）→αⅠ+（αc+βe）→αⅠ+βII+（α+β）相组成物：α%=x3g/fg·100%β%=fx3/fg·100%组织组成物：共晶温度时：（α+β）%=cx3/cd·100%αⅠ%=x3d/cd·100%室温下：βII%=(fc'/fg)·(x3d/cd·100%)αⅠ%=(c'g/fg)·(x3d/cd·100%)27组织标注相图§3-3相图与性能的关系一、合金的使用性能与相图的关系溶质元素→晶格畸变→强度、硬度↑（浓度50%时最大）硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。HB=HBα*α%+HBβ*β%强度与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织细小、均匀细密，强度达最高值。）28二、合金的工艺性能1.铸造性能（见下页图）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，有利于浇注。枝晶偏析及形成分散缩孔的倾向小。2.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，塑性好。