工程材料6

时间：3月23日（星期三上午1、2节）地点：教学B楼东地下室（靠近操场）实验一金相试样的制备及其显微组织观察基本概念结晶，一次结晶，重结晶（二次结晶，同素异构转变）理论结晶温度，实际结晶温度过冷、过冷度–影响过冷度的因素：冷却速度、金属本性改变熔体的过冷度即可改变相变驱动力，控制结晶过程的进行。结晶过程：形核、长大金属材料组织和性能的控制纯金属的结晶同素异构转变（重结晶）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；如：铁、钴、钛同素异构晶体同属于一种金属，但具有不同晶体结构的晶体；如δ－Fe、γ－Fe、α－Fe纯金属的结晶－同素异构转变金属的同素异构转变-Fe-Fe-Fe1394℃912℃纯金属的结晶－同素异构转变纯金属的结晶－同素异构转变固态相变的晶界形核同素异构转变的特点•有过冷现象，有固定的转变温度•新晶体的形成也包括形核和长大两个过程；•要较大的过冷度；•转变时引起体积发生变化，产生较大的内应力纯金属的结晶－同素异构转变铸锭结构铸锭结构不均匀;主要分三个典型晶区：细等轴晶区在金属的表层形成的一层厚度不大、晶粒很细、三维方向尺寸相近的区域；原因：由于外层金属的过冷度大，模壁具有自发形核的作用，因而导致生成的晶核多；纯金属的结晶－铸锭的结构柱状晶区表层细晶粒层形成后，铸锭的冷却速度下降，晶核的形成速率不如成长率大，各晶粒成长较快。由于沿垂直于模壁方向散热较快，故晶粒编沿这一方向长大，形成柱状晶粒层。纯金属的结晶－铸锭的结构柱状晶区•尽管柱状晶晶质致密，但在柱状晶的接触面由于杂质的存在而成为弱面，在热轧、锻造时容易开裂。对高熔点和杂质多的金属（如铁、镍及其合金），应控制柱状晶的生成；•柱状晶的性能具有方向性，沿其长轴方向强度较高。对于承受单向载荷的构件，可采用柱状晶结构；纯金属的结晶－铸锭的结构粗等轴晶区随着柱状晶区的发展，过冷度大大减小，温度趋于均匀化，同时散热的方向性已不明显，内部液体处于均匀冷却状态，晶核在不同方向的成长速度相同，因此在铸锭的中心便形成粗大的等轴晶粒区。注意：等轴晶没有弱面，性能均匀，无方向性.纯金属的结晶－铸锭的结构金属铸锭的组织1－细晶区2－柱状晶区3－中心等轴晶区表面细晶粒层：综合性能好柱状晶粒层：各向异性中心粗大等轴晶粒层：–高温性能好影响铸锭晶粒形状的因素在铸锭上保持较大的温度梯度（如加热温度高，冷却速度大，铸造温度高，浇注速度大），可获得较发达的柱状晶；结晶时单向散热，也有利于柱状晶的形成；保证铸件截面温度的均匀性（如铸造温度低，冷却速度小等）能够促进等轴晶的形成；此外，通过机械振动、电磁搅拌等方法可破坏柱状晶，有利于等轴晶的形成；纯金属的结晶－铸锭的结构铸造缺陷主要有：缩孔、疏松、气孔缩孔由液体凝固时体积收缩造成的。如果最后凝固的地方液体得不到补充，即可形成缩孔；疏松（分散缩孔）结晶时不能保证液体的补给，在枝晶间和枝晶内形成的细小分散的缩孔。•在热轧过程中疏松可以闭合纯金属的结晶－铸锭的缺陷气孔气体来不及逸出，留在金属内部，形成气孔；轧制中气孔可引起裂纹等缺陷，故应严格控制。纯金属的结晶－铸锭的缺陷工程应用：细化铸铁金属晶粒定向结晶制取单晶纯金属的结晶－结晶理论的工程应用细化晶粒•基本定义晶粒度:用于描述晶粒大小的参数;常用的表示方法：单位体积的晶粒数目（ZV）；或单位面积内的晶粒数目（ZS）或晶粒的平均线长度（或直径）表示;纯金属的结晶－结晶理论的工程应用工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分8级，1-4级为粗晶粒，5-8级为细晶粒。一般晶粒度越大，也就是越细越好，其原因主要为以下两条：纯金属的结晶－结晶理论的工程应用晶粒粗细决定了晶界面积的大小。晶粒细小，金属材料总晶界面积增加。晶粒愈细，晶界愈多，位错运动困难，则金属材料的强度和硬度显著提高。纯金属的结晶－结晶理论的工程应用当晶粒细小时，同一位向的晶粒数目增加，在外力作用下，变形的晶粒也多，可使应力分散，变形均匀，并使得金属具有较好的塑性和韧性，所以晶粒细化不仅是提高金属强度、硬度，而又是提高塑性和韧性的重要途径。纯金属的结晶－结晶理论的工程应用纯铁晶粒度与力学性能的关系晶粒度(晶粒数/mm2)b(N/mm2)s(N/mm2)(％)6.32374635.3512747044.819429410847.5§4金属的结晶细晶强化：通过细化晶粒的方法，提高材料的强度、塑性和韧性等机械性能，这是一种重要的材料强化途径。措施：增大金属的过冷度主要取决于液态金属的冷却速度。通过采用冷却能力强的模子，提高液体金属冷却速度：①采用金属型铸造，增大铸件的冷却速度。②铸件壁厚设计适当，薄壁铸件可提高冷却速度，细化晶粒。纯金属的结晶－结晶理论的工程应用过冷度的影响过冷度增大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细。金属在结晶后的晶粒粗细与（N/G）有关–（N/G）越大晶粒越细–（N/G）越小晶粒越粗纯金属的结晶－结晶理论的工程应用但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。不仅如此，过冷度过大导致冷却速度过大，会使金属中内应力增大，造成铸件的变形和裂纹等缺陷，生产中常采用其他细化晶粒的方法。纯金属的结晶－结晶理论的工程应用措施：变质处理（工程上常用）在液体金属中加入孕育剂或变质剂，增加非自发形核的数量或者阻碍晶核长大，以细化晶粒和改善组织。如在钢水中加入钛、钒、铝等可增加形核数量，细化晶粒。纯金属的结晶－结晶理论的工程应用纯金属的结晶－结晶理论的工程应用此外还可加入某些合金元素或盐类，可以降低固相界面的表面能或附着在晶体的结晶前缘，阻碍晶粒长大，也可获得细晶组织；在铝合金液体中加入钛、锆；在铝硅合金中加入钠盐等，都可达到细化晶粒的目的。措施：振动在金属结晶过程中采用机械振动、超声振动等，以破碎晶体，获得更多的晶核，细化晶粒。电磁搅拌将正在结晶的金属放入交变电磁场中，由于电磁感应，液态金属会翻滚，从而破坏正在结晶的树枝状晶体的枝晶，增加形核数目，细化晶粒。纯金属的结晶－结晶理论的工程应用第四讲金属的结晶重点–结晶的必要充分条件——过冷度•过冷度与冷却速度有关–结晶的过程•形核、核长大–晶粒的控制•方法•作用二元合金的结晶基本定义合金系由给定的两个或两个以上的组元按不同的比例配制一系列不同成分的合金，这些合金称为一个合金系。由两个组元形成的合金系称为二元合金系，由三个组元形成的合金系称为三元合金系，如此类推。二元合金的结晶合金的结晶过程采用合金相图进行分析相图：表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，又称平衡图或状态图；相图表示合金在缓慢冷却条件下平衡相与成分、温度之间关系的图形，它是研制新材料，制定合金的熔炼、铸造、压力加工和热处理工艺以及进行金相分析的重要依据。二元合金的结晶平衡相、平衡组织如果合金在某一温度停留任意长的时间，合金中各相的成分是均匀的和不变的，各相的相对质量也不变，该合金处于相平衡状态，此时合金中的各相称为平衡相，由这些平衡相所构成的组织称为平衡组织。相平衡是合金的自由能处于最低的状态，也就是合金最稳定的状态。合金总是力图通过原子扩散趋于稳定状态。二元合金的结晶平衡结晶如果合金在其结晶过程中或相变过程中的冷却速度非常缓慢，由于其原子有充分的时间进行扩散，所以合金中的各相将近似处于平衡状态，这种冷却方式称为平衡冷却，这种处于相平衡状态的结晶或相变方式称为平衡结晶。相变材料中相与相之间的转变。相变常赋予材料以技术上有用的形态、微观结构和性能，常用工程材料中金属与合金的高强度正是依赖于其通过一次或多次相变形成的多相结构。常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分，故二元合金相图可用温度－成分坐标系的平面图表示。相图是通过实验，采用热分析方法建立的。二元合金的结晶以Cu－Ni合金为例，说明采用热分析法建立相图的具体步骤：二元合金的结晶建立相图的具体步骤:二元合金的结晶建立相图的具体步骤:二元合金的结晶建立相图的具体步骤:二元合金的结晶图2-21用热分析法建立合金相图返回根据结晶过程中出现的不同类型的结晶反应，二元合金相图可分为以下类型：匀晶相图共晶相图包晶相图共析相图含有稳定化合物相图二元合金的结晶匀晶相图两组元在液态和固态均能无限互溶时构成的相图称为匀晶相图。Cu－Au、Au－Ag、Cu－Ni等合金都是形成这类相图。在这类合金中，结晶时都是由液相结晶出单相固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。二元合金的结晶－匀晶相图以Cu－Ni合金相图为例的匀晶相图分析两线三相区(两个单相区，一个双相区)二元合金结晶－匀晶相图以Cu－Ni合金相图为例的匀晶相图分析两线三相区(两个单相区，一个双相区)二元合金结晶－匀晶相图以Cu－Ni合金相图为例的匀晶相图分析两线三相区二元合金结晶－匀晶相图合金平衡结晶过程分析缓慢冷却至１-２之间时，发生匀晶反应：二元合金的结晶－匀晶相图L匀晶结晶的特点•固溶体结晶包括形核、长大两个过程，且呈树枝状长大；•固溶体结晶在一个温度区间进行，是变温结晶过程；•两相区内，温度一定时，液固两相的成分是确定的；液、固线还表示合金在缓慢冷却条件下，当液、固两相平衡共存时，液、固相的化学成分随温度变化的规律。•两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。二元合金的结晶－匀晶相图杠杆定律•杠杆定律表明：合金两平衡相的质量分数比等于该两相成分点到合金成分点距离的反比。•杠杆定律只适用于相图中的两相区，且只能在平衡状态下使用。缓慢冷却至１-２之间时，发生匀晶反应：二元合金的结晶－匀晶相图枝晶偏析二元合金（固溶体）结晶时成分是变化的，缓慢冷却得到的是成分均匀的固溶体；•在实际生产条件下，由于合金在结晶过程中冷却速度一般较快，且在固态下原子扩散又很困难，致使固溶体内部的原子扩散来不及充分进行，由于固溶体结晶按树枝状方式长大，因此先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（如Ni成分）较多，后结晶的树枝晶枝干含高熔点组元较少。结果造成固溶体一个晶粒内的化学成分分布也不均匀，呈树枝状分布，这种现象称为“枝晶偏析”或“成分偏析”。二元合金的结晶－匀晶相图枝晶偏析下图为耐热合金的枝晶偏析，采用电子探针进行成分分析，更是一目了然；二元合金的结晶－匀晶相图枝晶偏析枝晶偏析对合金的性能有很大影响，严重的成分偏析会使金属的力学性能下降，特别是使塑性和韧性显著降低，甚至不宜进行压力加工，耐蚀性也降低；为消除或减轻枝晶偏析，工程上广泛采用均匀化退火的热处理方法：把合金加热到低于固相线100-200℃的高温，进行长时间保温，使偏析的原子充分扩散，达到成分均匀化的目的。二元合金的结晶－匀晶相图共晶相图两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶并发生形成共晶组织的二元系相图；具有这类相图的合金系有Pb－Sn、Pb－Sb、Al－Si、Ag－Cu等，在Fe－C、Al－Mg、Mg－Si等相图中也包含共晶部分。二元合金的结晶－共晶相图共晶相图共晶相图有５条线，３种相，３个单相区，３个双相区二元合金的结晶－共晶相图共晶相图共晶相图有５条线，３种相，３个单相区，３个双相区二元合金的结晶－共晶相图共晶相图共晶相图有５条线，３种相，３个单相区，３个双相区二元合金的结晶－共晶相图共晶相图共晶相图有５条线，３种相，３个单相区，３个双相区二元合金的结晶－共晶相图57作业习题集P9•2.1-2.5，2.11，2.15•3.1-3.5•4.1，4.2，4.7，4.8•5.1-5.6