第三章 金属的结晶与二元合金相图

第三章金属的结晶与二元合金相图§3-1.金属结晶的基本知识一、金属结晶温度与过冷现象（图3-1）图3-1金属的冷却曲线示意图a）纯金属冷却曲线b）合金冷却曲线1、纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程保持恒温。即纯金属结晶温度为某一温度值。2、合金的结晶过程多数合金的结晶开始温度与结束温度是两个温度温度值。即结晶温度是一个温度区间。3、过冷度—理论结晶温度与实际结晶温度之差。△T=Tm-T1金属的结晶都是达到一定过冷度后才进行的，这种现象称为过冷现象。二、金属的结晶。1、金属结晶的一般过程.过冷后，液态金属中出现极细小的固相小晶体，即晶核。晶核再逐渐长大.2、晶核的形成.分均匀成核和非均匀成核.均匀成核—在均匀母相中自发形成新相晶核的过程。非均匀成核—依附于母相中某种现成界面而成核的过程。3、晶核的长大.实质：晶核的固体界面向母相内不断地推进，所需原子由母相不断地提供，通过原子本身的迁移和扩散来完成。晶核长大方式：一类是非金属晶体，少量纯金属和金属化合物是以“生长台阶”形成长大。另一类是绝大多数的纯金属及合金都是以树枝状的枝晶形成长大。4、金属结晶后的晶粒大小.晶粒大小通常以晶粒度来表示。晶粒大小对金属材料的性能有很大影响。通常晶粒愈小，力学性能愈好。细晶强化—通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法。影响晶粒度的因素：单位面积内晶粒数Zs与成核率N和长大率G之间有如下关系：Zs=1.1从图3-4可以看出随△T增大,N和G均增大.但N增加速度快而由公式Zs=1.1则Zs增大,所以△T增大，会使晶粒变小。细化晶粒的其它方式：变质处理，振动GNGN图3-4成核率和长大率与力学性能关系三、金属铸锭的铸造态组织及缺陷.从图3-5（C）可以看出：表层是薄薄一层细小等轴晶粒.中间一层是柱状晶.中间为较粗大的等轴晶。（中心等轴晶区）图3-5铸锭的三种典型晶粒形态示意图工业应用上减少柱状晶区的方法：①振动②变质处理③避免金属液过热。工业应用上有利于柱状晶区形成和扩展方法①提高浇注温度②加快冷却速度③采用定向冷却散热方法。§3-2合金结晶与二元合金相图相图—是表示在平衡状态下合金的化学成分，相组织与温度的关系图（只能测画二元合金和三元合金）一、二元合金相图的测画由Ni-Cu二元合金相图来说明测画过程（图3-6）图3-6Ni-Cu二元合金相图的测画示意图2.共晶相图.一二元合金系中液相时无限互溶，固相时有限互溶。并且在结晶过程中以共晶转变为主的相图。相图分析.（图3-10Pb-Sn合金为例）Le(αF+βG)称为共晶体图3-10Pb-Sn合金系相图（共晶型）Co183Pb-Sn相图中.三个单相区L、α、β三个两相区L+α、α+β、α+β一个三相区：即共晶线L、α、β(2)结晶过程.A．共晶合金的结晶过程分析B．亚共晶合金成过共晶合金的结晶过程分析C．没有共晶转变而只有匀晶转变的合金结晶过程分析。相组成物—合金显微组织中。基本相被称为相组成物组织组成物—组成的单相组织和共晶体等基本组织被称为合金的组织组成物(3)体积质量偏析—由于体积质量的原因而引起铸件成分偏析。危害：化学成分，显微组织不同。减少方法：①尽量选用靠近共晶点成分合金以减少结晶温度区间②结晶冷却速度尽量快些。③浇注时注意搅拌3．包晶相图.一见有液固两相共同转变成分另一固相的相图包晶转变—一定成分的固相和一定成分液相相互作用产生一种新固相的结晶转变。（1）相图分析（以Pt-Ag图3-12）包晶转变Lc+αPβD相变线：液相线、固相线、PDC包晶转变线相变点：A、B、C、D、P相区：单相区L、α、β图3-12Pt-Ag合金相图两相区L+α、α+β、α+β三相区存区PDC.Co1186(2)结晶过程.A．合金Ⅰ包晶转变成分合金B．合金Ⅱ.C．合金Ⅲ.（3）包晶偏析.—由于包晶转变不能充分完成而产生化学成分不均匀现象§3-3合金的性能与相图关系合金的性能取决于合金成分和它的显微现象，而相图就是合金系中各个合金的显微组织随温度变化的规律图。一、匀晶转变成单相固溶体的合金系固溶体合性能主要取决于组元的性质及溶质元素浓度。浓度愈高引起晶格畸变愈大，则合金强度、硬度、电阻率愈高、电阻温度系数愈小。塑性好，所以具有良好的压力加工性能，但切削加工性能差。固溶体随着溶质浓度增加，结晶温度区间也增加，枝晶偏析倾向增加，合金熔液流动性下降，集中缩孔减少而分散缩孔增加。所以铸造性能不好。（如图3-14，图3-15）图3-14固溶体合金系使用性能与成分关系3-15固溶体合金系铸造性能与成分关系二、包晶和共晶转变合金系对于共晶系在共晶区附近的性能除与共晶体中相的种类性质有关外还与相的形态有关。共晶合金系的压力加工工艺性较差，但切削加工性能好，其铸造性能与具体合金组织中共晶体所占比例有关。共晶体成分合金铸造工艺性能好。（如图3-16，3-17）图3-16包晶、共晶合金系使用性能与成分关系图3-17共晶合金系铸造工艺性与成分关系三、能形成金属化合物的合金系组元之间相互作用形成一些稳定化合物的合金，会有较高的强度和硬度及某些特殊物理化学性能。但塑性，韧性会下降，加工工艺性能差。纯合合物材料及化合物含量太多的合金不能直接作为结构材料来使用但可以制成粉末，再通过烧结方法制成具有特殊性能的零件。当选用的合金成分含量适量，并细化它，使它弥散分布在固溶体相的基体上，会起到第二相弥散强化作用。如图3-18图3-18有金属化合物的合金系性能与成分关系第三章小结一、概念：过冷度平衡状态合金相图相组成物组织组成物匀晶转变共晶转变包晶转变细晶强化第二相弥散强化枝晶偏析体积质量偏析包晶偏析变质处理二、相图测定、共晶相图、匀晶相图中不同化学成分的结晶过程分析三、相图与合金性能的关系作业: