金属结晶过程

2.1纯金属的结晶2.2合金的结晶2.3金属的塑性加工2.4钢的热处理2.5钢的合金化2.6表面技术第2章金属材料的组织与性能控制1.纯金属的结晶条件2.纯金属的结晶过程3.同素异构转变4.细化铸态金属晶粒的措施2.1纯金属的结晶1.纯金属的结晶条件晶体液体结晶：液体--晶体凝固：液体--固体（晶体或非晶体）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）冷却速度越大，则过冷度越大。2.纯金属的结晶过程液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程（1）形核过程两种形核方式——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。非自发形核——是依附于外来杂质上生成的晶核。（1）形核过程两种形核方式——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。非自发形核——是依附于外来杂质上生成的晶核。（2）晶核长大过程两种长大方式——平面生长与树枝状生长。平面生长树枝状生长4.细化铸态金属晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分8级（p111)。晶粒度12345678单位面积晶粒数（个/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直径（μm）2501771258862443122细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较：细晶强化--强度、硬度、塑性、韧性↑固溶强化--强度、硬度↑，塑性、韧性↓细化晶粒的措施1.提高过冷度2.变质处理3.振动结晶（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。在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，都可使晶粒细化。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3）振动结晶振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。（4）电磁搅拌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，增加结晶核心，从而可细化晶粒。3．同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C纯铁的冷却曲线Tt15381394912}-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fccCoolingcurve770铁磁性五金属铸锭的组织特点•细等轴晶区液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。(1)细等轴晶区；(2)柱状晶区；(3)粗等轴晶区铸锭结构五金属铸锭的组织特点•柱状晶区•细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，但此时长大速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。(1)细等轴晶区；(2)柱状晶区；(3)粗等轴晶区铸锭结构五金属铸锭的组织特点•粗等轴晶区•随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区。(1)细等轴晶区；(2)柱状晶区；(3)粗等轴晶区铸锭结构单晶的制取•演示2.2.1.二元合金的结晶2.2.2合金的性能与相图的关系2.2.3铁碳合金的结晶2.2合金的结晶1．匀晶相图2．共晶相图3．包晶相图4．共析相图2.2.1二元合金的结晶1．匀晶相图相图（平衡图、状态图）平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+铜-镍合金匀晶相图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。杠杆定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+12acba1b1c1T1T21.在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。2.随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即QL/Q=b1c1/a1b1杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为QL/QH=b1c1/a1c1Q/QH=a1b1/a1c1=1-QL/QH例：求30%Ni合金在1280时相的相对量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ac30a1b1c11280C解：作成分线和温度线如图。6618根据杠杆定律推论，Q/QH=a1b1/a1c1=12/48=1/4答：所求合金在1280时相的相对质量为1/4。2．共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线L固相线+L+L+固溶线固溶线共晶转变分析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。X1合金结晶过程分析cefgX1T,CtLLLL+冷却曲线+ⅡⅡ1234{PbSnT,CL+L+L+183cedX1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。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+183cedX3合金结晶过程分析（亚共晶合金）X3T,CtLL+(+)++Ⅱ12(+)+PbSnT,CL+L+L+183cedL+(+)+标注了组织组成物的相图3．包晶相图包晶转变：Ld+cePtAgAg%T,C铂-银合金包晶相图L+L+L+cedfgT,CtLL+L++Ⅱ4.共析相图共析转变：(+)共析体ABT,C+++cedL+L2.2.2相图与性能的关系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。1．铁碳相图2．结晶过程3．成分-组织-性能关系4．Fe-Fe3C相图的应用2.2.3铁碳合金的结晶1．铁碳相图(Fe-Fe3C相图)(1)Fe-Fe3C相图的组元●Fe——α–Fe、δ-Fe(bcc)和γ-Fe(fcc)强度、硬度低，韧性、塑性好。●Fe3C——熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2)Fe-Fe3C相图的相●Fe3C（Cem，Cm，渗碳体）——复杂晶体结构●液相L●δ相（高温铁素体）——δ–Fe（C）固溶体●γ相（A，奥氏体）——γ-Fe（C）固溶体●α相（F，铁素体）——α-Fe（C）固溶体一、铁素体•碳原子溶入α-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。由于体心立方格的α-Fe的晶体格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以铁素体对碳的溶解度很小。在727℃时最大固溶度为0.02%,而在室温时固溶度几乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：抗拉强度Rm250Mpa，屈服强度RE140Mpa断后延伸率A11.340%-50%冲击韧性αK200J/cm2布氏硬度HBS80•由此可见，铁素体有优良的塑性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧相。铁素体是912℃以下的平衡相，也称做常温相，在铁碳相图中用符号F表示。二、奥氏体•碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。具有面心立方格的γ-Fe的间隙半径为0.052nm，比α-Fe的间隙稍大，在1148℃时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%。随着温度的降低，碳在γ-Fe中的固溶度下降，在727℃时是0.77%。•奥氏体是727℃以上的平衡相，也称高温相。在高温下，面心立方格晶体的奥氏体具有极好是塑性，所以碳钢具有良好的轧、锻等热加工工艺性能。在铁碳相图中，奥氏体通常用符号A表示。三、渗碳体•渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物。•它的晶体结构复杂，属于复杂八面体结构，分子式为Fe3C，含碳量6.69%。•渗碳体的硬度很高，HV800，但极脆，塑性和韧性几乎是零，强度Rm=30Mpa左右。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能有很大影响。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在。•在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生下面的分解反应，析出石墨态的碳。Fe3C→3Fe+C（石墨）(3)相图中重要的点和线液相线ABCD固相线AHJECF包晶线HJB，包晶点J共晶线ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体,Le或Ld共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体,PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线2．铁碳合金的平衡结晶过程Fe-C合金分类工业纯铁——C%≤0.0218%钢——0.0218%＜C%≤2.11%亚共析钢＜0.77%共析钢＝0.77%过共析钢＞0.77%白口铸铁——2.11%＜C%＜6.69%亚共晶白口铁＜4.3%共晶白口铁＝4.3%过共晶白口铁＞4.3%类型亚共析钢共析钢过共析钢钢号204560T8T10T12碳质量分数／％0.200.450.600.801.001.20几种常见碳钢(1)工业纯铁(C%≤0.0218%)结晶过程室温组织F+Fe3CⅢ(微量)500×(2)共析钢(C%=0.77%)结晶过程室温组织:层片状P(F+共析Fe3C)500×P中各相的相对量：Fe3C%=(0.77–xF)/(6.69–xF)≈0.77/6.69=12%F%≈1–12%=88%珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间。(3)亚共析钢(C%=0.4%)结晶过程室温组织:F+P，500×各组织组成物的相对量：P%=(0.4–0.0218)/(0.77–0.0218)≈51%F%≈1–51%=49%各相的相对量：Fe3C%≈0.4/6.69=6%F%≈1–6%=94%(4)过共析钢(C%=1.2%