工程材料第3章.

工程材料第三章金属的结晶与二元相图敦德励学知行相长3–材料的凝固液态金属结晶的动力——过冷度：⊿T＝Tm－Tn纯铜的冷却曲线理论结晶温度液态和固态金属的自由能－温度关系曲线敦德励学知行相长3–材料的凝固气体液体固体敦德励学知行相长3–材料的凝固温度升高温度降低不同温度梯度下液－固界面形状晶体平面长大示意图密排面非密排面敦德励学知行相长3–材料的凝固电镜下观察到的树枝晶负温度梯度敦德励学知行相长3–材料的凝固铸锭组织敦德励学知行相长3–材料的凝固冒口疏松气孔中心偏析敦德励学知行相长3–材料的凝固二元合金相图的表示方法合金结晶后，既可以获得单相固溶体，也可以获得单相金属化合物，但更常见的是获得既有固溶体又有金属化合物的多相组织。同种组元，结晶后所获得的相的性质、数目及其相对含量会随着合金成分和温度的变化而变化。相图就是用来表示平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解。它是研究金属材料的一个重要工具。500600700800900100011001020304050607080901084℃962℃℃CuAgAg%wtα+βL+αL+ββαL敦德励学知行相长3–材料的凝固记录仪时间温度开始凝固凝固终了热电偶电炉加热元件Cu－Ni合金冷却曲线测定敦德励学知行相长3–材料的凝固敦德励学知行相长3–材料的凝固900100011001200130014001500020406080100温度/℃αw(Ni)/%NiCu1083B两组元不但在液态无线互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所组成的相图称为匀晶相图。结晶时，从液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。如：Cu－Ni、Au－Ag、Au－Pt（铂）、Fe－Ni合金系。匀晶转变L1455L+αA敦德励学知行相长3–材料的凝固Cu30－Ni70合金的平衡结晶过程900100011001200130014001500L2L020406080100α1L+α1455温度/℃αbw(Ni)/%NiCuca10830123L3L4α2α3α4αLα1023时间O敦德励学知行相长3–材料的凝固杠杆定律杠杆定理是分析相图时的重要工具，可用来确定两相平衡时的两相成分和相对量。%100mnmrW%100mnnrWLnrmrmnnrmnmrWWL杠杆定律只适用于双相区900100011001200130014001500LL020406080100αL+α1455温度/℃αmnrw(Ni)/%NiCu1083敦德励学知行相长3–材料的凝固Cu－Ni合金枝晶偏析示意图Cu-30%Ni合金的非平衡结晶组织富Ni富Cu敦德励学知行相长3–材料的凝固液相线102030405060708090PbSn0100200300400327.5℃231.9℃LCEDGF1961.997.5αL+αL+ββα+βBA183℃w（Sn）％温度，℃固相线共晶线固溶线L)(183NMCEoLL单相区：L、α相、β相；两相区：L＋α、L＋β、α＋β；三相区：MEN线上L＋α＋β共晶相图敦德励学知行相长3–材料的凝固MEN61.9L+βBA183℃LL+αα+βαβPbSn123含Sn19％合金的平衡结晶敦德励学知行相长3–材料的凝固Pb－Sn共晶合金的平衡结晶过程（61.9％Sn）)(183DCELLL(α+β)L(α+β))(L温度时间O(α+β)βCED61.9L+βBA183℃LL+αα+βαPbSn敦德励学知行相长3–材料的凝固%45.45%100195.979.615.97%100%CDEC　　%6.54%100195.97199.61%100%CDDECED61.9L+βBA183℃LL+αα+βαβPbSn敦德励学知行相长3–材料的凝固层片状（Al-CuAl2，定向凝固）棒状或条状（Sb-MnSb，横截面）螺旋状（Zn-Mg）Fe-C(石墨)的共晶组织针状（Al-Si）球状或短棒状（Cu-CuO）常见合金的共晶组织敦德励学知行相长3–材料的凝固Pb－Sn亚共晶合金的平衡结晶过程（50％Sn）CED61.9L+βBA183℃LL+αα+βαβPbSn123温度时间0122′3LLααα＋βαα＋ββⅡ敦德励学知行相长3–材料的凝固CEDBALL+αα+βPbSn123%7.27%100199.61509.61%1002%CEE　　%3.72%1002%1%CEC亚共晶合金组织α+（α+β）共过共晶合金组织β+（α+β）共组织组成物在相图上的标注敦德励学知行相长3–材料的凝固包晶反应──个液相和一个固相反应，生成一个固相的过程。恒温L203040506070809010AgPtBCPFDALβα96266.3123442.412ⅡΙⅢ121186℃10.5EAg，％温度，℃400600800100012001400160018001772L+αL+βα+β敦德励学知行相长3–材料的凝固203040506070809010AgPtBCPFDALβα961.9366.3123442.412ⅡΙⅢ121186℃10.5EAg，％温度，℃400600800100012001400160018001772L+αL+βα+β203040506070809010AgPtBCPFDALβα961.9366.3123442.412ⅡΙⅢ121186℃10.5EAg，％温度，℃400600800100012001400160018001772L+αL+βα+β只有P点成分的合金才能在包晶反应后得到100％的β相，P点左侧会有α相剩余，P点右侧会有L相剩余。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变，金属的异构转变也称为二次结晶或重结晶。以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体称为该金属的同素异晶体。纯铁的冷却曲线敦德励学知行相长3–材料的凝固铁碳合金中的碳有三种存在形式敦德励学知行相长3–材料的凝固铁素体奥氏体不同形貌的渗碳体1500140013001200110010009008007006001234561538℃1227℃AH0.09JBNECFDKSP0.0218LL+γL+Fe3Cγ+Fe3Cγαα+Fe3C0.532.114.31148℃727℃0.77FeFe3Cw（C）%γ+δα+γG912℃Q敦德励学知行相长3–材料的凝固1－2点：L→δ3－4点：δ→γ4－5点：γ单相固溶体5－6点：γ→α7点：α→Fe3CⅢ室温组织：α＋Fe3CⅢ敦德励学知行相长3–材料的凝固1－2点：L─→γ2－3点：γ单相3点：共析反应)(30218.072777.0CFe室温组织：P%8.88%1000218.069.677.069.6%PKSK敦德励学知行相长3–材料的凝固17.0149509.053.0L)(30218.072777.0CFe1－2点：L─→δ2点：发生包晶反应且液相有剩余。2－3点：L─→γ单相3－4点：γ单相4－5点：异晶转变γ─→α5点：共析转变室温组织：α＋P，随C％增加，P含量增加。敦德励学知行相长3–材料的凝固室温时α、Fe3C两相平衡：%945%PKK%65%3PKPCFe室温时，先共析α、P的组织相对量：%8.42%1000218.077.045.077.05%PKK%2.57%1000218.077.00218.045.05%%PSPP敦德励学知行相长3–材料的凝固1－3点同共析钢。3－4点：γ脱溶，析出二次渗碳体，γ成分沿ES线变化直到S点。4点：共析转变室温组织：P＋Fe3CⅡ，二次渗碳体呈网状分布在原奥氏体晶界上。敦德励学知行相长3–材料的凝固%52%EFCF%48%3EFECCFe敦德励学知行相长3–材料的凝固P＋Fe3CⅡ＋Ld′敦德励学知行相长3–材料的凝固敦德励学知行相长3–材料的凝固C含量的变化对铁碳合金组织相对量的影响C含量的变化对铁碳合金两相的相对量的影响C含量的变化对铁碳合金性能的影响敦德励学知行相长3–材料的凝固敦德励学知行相长3–材料的凝固敦德励学知行相长3–材料的凝固成核速率N越大,则结晶后的晶粒越多,晶粒就越细小;晶体长大速度G越快,则晶粒越粗。随着过冷度的增大，成核速率和长大速度都增大，前者的增大更快，比值N/G也增大,使晶粒细化。增加过冷度增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度,如用金属型代替砂型。过冷度对形核率和长大速率的影响敦德励学知行相长3–材料的凝固变质处理ZL102经（2/3NaF+1/3NaCl）变质处理共晶体α＋共晶体ZL102未经变质处理敦德励学知行相长3–材料的凝固振动、搅拌等在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长的树枝晶，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。超声波震动对Al－36％Si组织的影响机械震动对铸锭组织的影响敦德励学知行相长3–材料的凝固Al-50%Si中间合金经综合细化处理后的微观组织敦德励学知行相长3–材料的凝固铸锭组织示意图铅锭宏观组织敦德励学知行相长3–材料的凝固不纯的砒霜颜色为红色，称为红信石，是鹤顶红的原型。砒霜（三氧化二砷）的毒性，明代《本草纲目·卷十》云：“人服一钱（约3克）即死”，今人一般认为成人的中毒量为0.01克，致死量为0.1-0.2克。另外，在世界卫生组织确证的19种致癌物质中，砷居首位。相传在法国，人们把砒霜称作“继承粉末”，因为有很多人用砒霜毒害有权势，有金钱的亲人，以便获得继承家族地位和遗产的权利。而前不久看了10台的一个访谈节目，里面提到当前中国使用砒霜的谋杀案大部分为情杀，其中下手的又主要为女性。少量的砒霜可用于美容，我国唐朝的宫女也经常服用少量的砒霜以保持青春。据１９８３年《环境》杂志报道，湖南省桃园县出产砷矿石，当地人面色红润，老人看上去似青年。其实这是由于少量的砷化合物会使面部毛细血管破裂，导致少量血液弥漫，同时撑紧皮肤，从而面色红润、无皱纹。等轴晶敦德励学知行相长3–材料的凝固柱状晶敦德励学知行相长3–材料的凝固Lexus是日本丰田汽车公司旗下的豪华车品牌，仅用十几年的时间，自1999年起，在美国的销量超过奔驰、宝马，成为全美豪华车销量最大的品牌。右图为最畅销豪华进口轿车ES350，售价57万人民币。敦德励学知行相长3–材料的凝固以补缩为主的冒口缩孔可以通过合理设计浇注工艺，预留出补缩的液体等方法控制。敦德励学知行相长3–材料的凝固紫铜锭中的气孔