第三章 金属的结晶与显微组织

第三章金属结晶与显微组织《金属材料及热处理》主讲人刘海哈尔滨工业大学空间材料与环境工程实验室86412462，86418720第三章金属结晶与显微组织凝固结晶平衡结晶温度或理论结晶温度金属由液态转变为固态的过程。结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。凝固结晶平衡结晶温度或理论结晶温度金属熔点第三章金属结晶与显微组织3.1纯金属的结晶与组织3.2二元合金相图与合金组织3.3铁碳相图3.4铸锭（件）的组织与缺陷第三章金属结晶与显微组织3.1纯金属的结晶与组织结晶试验装置一、结晶过程的宏观现象1.冷却曲线（热分析曲线）金属由高温向低温冷却过程中所得到的温度和时间关系曲线叫冷却曲线。TTmTn温度时间一、结晶过程的宏观现象2.结晶过程的宏观特征1）过冷现象实际结晶是在低于理论结晶温度时开始的，这种现象称为过冷。实际结晶温度与理论结晶温度之差称谓过冷度，表示为。2）结晶潜热一摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随放出或吸收的热量称为相变潜热。结晶时所放出的热量称为结晶潜热。nmTTT过冷结晶潜热结晶是形核和晶核长大的过程。金属在冷却过程中首先经过一段“孕育期”，然后出现第一批晶核。随着时间的推移，晶核不断长大，同时有新的核不断产生。在这一过程中，液态金属愈来愈少，直到各个晶体相互接触，液态耗尽，结晶过程结束。二、金属结晶微观过程形核长大形成多晶体两个过程重叠交织mmVTTLG两相自由能差潜热结晶温度过冷度能量起伏相起伏晶胚晶核1.晶核的形成液态金属依靠结构起伏和能量起伏形成时聚时散的呈短程有序排列的原子团（称为“晶胚”）。当晶胚尺寸大于某一临界值时，就能自发长大为晶核。均匀形核非均匀形核是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程，液相中各区域出现新相晶核的几率都是相同的。1）晶核的形成方式晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程。实际金属的结晶主要以非均匀形核的方式进行。均匀形核SGVGV23434rGrGV0drGdmmVTTLGTLTGrmmVk22kkkSrG31431222231316TLTGmmk形核率是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。用N＝N1*N2表示。形核功影响原子扩散能力急冷非晶态材料非均匀形核cosLL)cos1(221rS222sinrS)coscos32(3133rV非均匀形核率所需过冷度较小点阵匹配原理固相表面原子排列与新相点阵结构相似时，既能有效促进新相的非均匀形核。振动、搅拌、超声波2.晶核长大机制1）二维晶核长大机制当固液界面为光滑界面时，晶体长大只能依靠液相中的结构起伏和能量起伏，使一定大小的原子集团几乎同时落到光滑界面上，形成具有一定原子厚度并具有一定宽度的平面原子集团。2）螺型位错长大机制界面依靠露头的螺型位错呈螺旋状生长。3）垂直长大机制在粗糙界面上，几乎有一半应按晶体规律排列的原子位置上并无原子从液相中扩散过来的原子很容易填入这些位置，所以液相原子可以连续地、垂直地向界面增加，从而使界面迅速向液相推移。大部分金属是以这种方式长大的。2.晶核长大机制3.晶体生长的界面形状——晶体形态粗糙界面树枝状晶体的形态不仅与其生长机制有关，而且还与界面的微观结构、界面前沿的温度分布和生长动力学很多因素有关。3.晶体生长的界面形状——晶体形态负温度梯度3.晶体生长的界面形状——晶体形态在负温度梯度下生长的界面形态具有粗糙界面的晶体在负的温度梯度下生长时，由于界面前沿的液体中过冷度较大，如果某一局部发展较快，它将伸入到过冷度更大的液体中，从而更有利于突出尖端，向液体中生长。尽管突出尖端也可以横向生长，但由于结晶潜热的放出提高了尖端周围的液体温度，固横向生长速度远比朝前方的生长速度小。因此，在这种情况下，生长前方很快形成细长的主干。如果初生晶核为多面体，在负的温度梯度下多面体尖端或棱角处很快生长出细长的主干，即所谓的一次晶轴。在一次晶轴上又会生出二次晶轴，形成树枝状结构。对于立方晶系，一次晶轴和二次晶轴都沿100方向，并相互垂直在结晶过程中，树枝状骨架逐渐发展，直到与相邻骨架相碰为止。骨架内不断生出更高次晶轴，同时已经生出的晶轴逐渐加粗，直到晶轴间的熔液消耗完毕。3.晶体生长的界面形状——晶体形态粗糙界面树枝状晶体的形态不仅与其生长机制有关，而且还与界面的微观结构、界面前沿的温度分布和生长动力学很多因素有关。4.晶粒大小的控制1)控制过冷度GNT增加过冷度的方法是增加冷却速度。对于小薄件，可采用如下方法：选用吸热、导热性强的铸型材料；采用水冷铸造；降低浇注温度。2)变质处理GNT3)振动、搅拌、超声波在浇注前向液态金属中加入某些难熔的固态粉末（变质剂），促进非均匀形核来细化晶粒。例：在铝、铝合金、钢中加入钛、锆等。4.晶粒大小的控制1)控制过冷度3.1纯金属的结晶与组织3.2二元合金相图与合金组织3.3铁碳相图3.4铸锭（件）的组织与缺陷第三章金属结晶与显微组织2.2二元合金相图与合金组织合金相图——用图解的方法表示不同成分、温度下合金中相的平衡关系。相图是在及其缓慢的冷却条件下测定的，又称“平衡相图”。一、二元合金相图的建立（以Cu-Ni合金为例）1）配制一系列成分的合金；100%Cu，30%Ni+70%Cu，50%Ni+50%Cu，70%Ni+30%Cu，100%Ni2）测出上述合金的冷却曲线；3）根据各冷却曲线上的转折点确定合金临界点；4）将这些临界点标在相图坐标系中相应位置上，最后把意义相同的各点联结起来。2.2二元合金相图与合金组织二、匀晶相图与合金组织匀晶相图是指两组元在液态和固态下均能无限互熔的相图。具有这种相图的合金有：Cu-Ni，Fe-Cr，Ag-Au，W-Mo1.相图分析组元：Cu，Ni点：tA——Cu的熔点；tB——Ni的熔点；线：液相线L——tAmtB固相线——tAntB；区：两个单相区——L，一个两相区——L+2.2二元合金相图与合金组织2.杠杠定律%100%100abarabrbL2.2二元合金相图与合金组织3．合金的平衡结晶过程及组织2.2二元合金相图与合金组织3．合金的平衡结晶过程及组织2.2二元合金相图与合金组织影响因素：原子扩散；冷却速度4．合金的非平衡结晶过程及组织在实际生产条件下，一般冷却速度都较快，固熔体中原子扩散过程不能充分进行。因此，先结晶的枝晶主轴含高熔点组元多，后结晶的分枝含底熔点组元多。这种在一个枝晶内成分不均匀的现象叫“枝晶偏析”或“晶内偏析”。2.2二元合金相图与合金组织Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织枝晶偏析组织2.2二元合金相图与合金组织三、共晶相图与合金组织CL183共晶相图——两个组元在液态时无限互溶，而在固态时有限互溶，并有共晶反应的相图。如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si，Al-Sn等。共晶相图——两个组元在液态时无限互溶，而在固态时有限互溶，并有共晶反应的相图。如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si，Al-Sn等。2.2二元合金相图与合金组织三、共晶相图与合金组织1．相图分析点分析：A、B分别为Pb和Sn的熔点;M、N为和固熔体最大溶解度点;F、G为和固熔体在室温下的溶解度点;E为共晶点线分析：AFB为液相线；AMNB为固相线；MEN为三相共存水平线,在MEN线上发生共晶反应：区分析：三个单相区L、、;三个两相区L+、L+、+CL1831）共晶合金（E点）2.典型合金平衡结晶过程及组织三、共晶相图与合金组织2）含锡小于19%的合金2.典型合金平衡结晶过程及组织三、共晶相图与合金组织2.典型合金平衡结晶过程及组织3）亚共晶合金三、共晶相图与合金组织3.不平衡结晶及组织1）伪共晶——在不平衡结晶过程中，在共晶成分附近的亚共晶或过共晶合金形成的共晶组织。2）离异共晶——在先共晶数量较多时，共晶组织中与先共晶相同的那相会依附于先共晶生长，剩下的另一相则单独存在于晶界处，从而使共晶组织特征消失。这种两相分离的共晶称为伪共晶。三、共晶相图与合金组织2.2二元合金相图与合金组织包晶相图——两组元在液态无限互溶，在固态下有限互溶，并有包晶反应。例如：Pt-Ag，Sn-Sb，Cu-Sn，Cu-Zn等。四、包晶相图与合金组织1.相图分析点分析：A、B分别为Pt和Ag的熔点；D为包晶点；P为相最大溶解度点；C为发生包晶反应时的液相成分点；E、F分别为和室温下的溶解度。线分析：ACB为液相线；APDB为固相线；PE、DF是和的溶解度曲线；PDC为三相共存水平线区分析：三个单相区L、和；三个两相区L+、L+、+在水平线上发生包晶反应：四、包晶相图与合金组织LC+αP→βD四、包晶相图与合金组织复杂二元相图可看作三类基本相图的组合。合金性能固溶体合金共晶合金锻造铸造包晶合金3.1纯金属的结晶与组织3.2二元合金相图与合金组织3.3铁碳相图3.4铸锭（件）的组织与缺陷第三章金属结晶与显微组织2.3铁碳相图纯铁渗碳体2.3铁碳相图一、铁碳合金的组元和基本相1.纯铁铁是元素周期表上的第26个元素，属于过渡族金属元素。在一个大气压下，Fe的熔点为1538C，20C时的密度为7.87g/cm3。1）铁的多晶型转变bccCfccCbccFeFeFe91213942.3铁碳相图一、铁碳合金的组元和基本相1.纯铁铁是元素周期表上的第26个元素，属于过渡族金属元素。在一个大气压下，Fe的熔点为1538C，20C时的密度为7.87g/cm3。1）铁的多晶型转变2）铁素体（以F或表示）铁素体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为体心立方晶格结构，铁素体的最大溶碳量，室温下则小于。3）奥氏体（以A或表示）奥氏体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为面心立方晶格结构，奥氏体最大溶碳量为。bccCfccCbccFeFeFe9121394%0218.0CW%001.0%11.2CW2.3铁碳相图一、铁碳合金的组元和基本相2.渗碳体渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的间隙化合物，其含碳量为6.69%，Fe3C的晶体结构复杂，具有很高的硬度，但塑性很差（延伸率接近于零）。Fe3C的熔点为1227C，在230C以下具有铁磁性。2.3铁碳相图一、铁碳合金的组元和基本相3.钢铁材料按含碳量分类2）亚共析钢0.0218~0.77%C3）共析钢0.77%C4）过共析钢0.77~2.11%C5）亚共晶白口铁2.11~4.3%C6）共晶白口铁4.3%C7）过共晶白口铁4.3~6.69%C1）工业纯铁＜0.0218%C纯铁钢铸铁2.3铁碳相图钢铸铁纯铁1.相图中的点二、Fe-Fe3相图分析二、Fe-Fe3相图分析符号温度(℃)WC（%）含义符号温度(℃)WC（%）含义A15380纯铁熔点K7276.69渗碳体成分B14950.53包晶转变时液态金属成分J14950.17包晶点C11484.3共晶点M7700纯铁磁性转变点D12276.69渗碳体熔点N13940转变温度E11482.11碳在-Fe中最大溶解度P7270.0218碳在-Fe中最大溶解度G9120转变温度S7270.77共析点H14950.09碳在-Fe中Q6000.006该温度下碳在FeFeFeFe1.相图中的点五个单相区：ABCD以上——液相区LAHNA——固溶体区（）NJESGN——奥氏体区（或A）GPQG——铁素体区（或F）DFKL——渗碳体区（Fe3C）七个两相区：L+，L+，L+Fe3C，+，+，+Fe3C，+Fe3C2.相图中的区二、Fe-Fe3相图分析1）HJB包晶线2）EFC共晶线转变产物为A与Fe3C的机械混合无，称为莱氏体（Ld）。3）PSK共析线转变产物为F与Fe3C的机械混合无，称为珠光体（P）3.三条水