金属与合金的结晶

工程材料1第3章金属与合金的结晶第三章金属与合金的结晶§1纯金属的结晶§2合金的结晶工程材料2第3章金属与合金的结晶§1纯金属的结晶一、结晶的基本概念一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，如凝固后形成晶体结构，则称为结晶。金属在固态下通常都是晶体，所以金属自液态冷却转变为固态的过程，称为金属的结晶。工程材料3第3章金属与合金的结晶液态金属与固态金属的主要差别在于：液态金属无一定形状，易流动，原子间的距离大，但在一定温度条件下，在液态金属中存在与固态金属的“远程排列”不同的“近程排列”。工程材料4第3章金属与合金的结晶一、纯金属结晶的基本条件1.结晶时的过冷现象各种纯金属如Fe、Cu等都有一定的结晶温度。Fe：1539℃，Cu：1083℃等等，这是指理论结晶温度，也叫平衡结晶温度，是指液体的结晶速度与晶体的熔化速度相等时的温度。工程材料5第3章金属与合金的结晶实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度，原因在结晶的能量条件上。在自然界中，任何物质都具有一定的能量，而且一切物质都是自发地由能量高的状态向能量低的状态转变，结晶过程也同样遵循这一规律。工程材料6第3章金属与合金的结晶晶体液体结晶：液体--晶体凝固：液体--固体（晶体或非晶体）工程材料7第3章金属与合金的结晶1.结晶时的过冷现象图3－1中以自由能F代表体系的能量，只有当固态金属的自由能低于液态金属的自由能，即:体系自由能变化ΔF=F固－F液＜0时,结晶过程才能自发进行。图3－1液体和固体的自由能随温度的变化工程材料8第3章金属与合金的结晶从温度坐标上看，只有实际结晶温度T1低于平衡结晶温度T0，结晶过程才能自发进行。这种实际结晶温度低于平衡结晶温度的现象称为过冷现象。两者之间的温度差ΔT称为过冷度。即:ΔT=T0－Tn。过冷度的大小与金属的本性以及冷却速度有关，冷却速度愈大，过冷度ΔT愈大。工程材料9第3章金属与合金的结晶冷却曲线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）工程材料10第3章金属与合金的结晶冷却速度越大，则过冷度越大。工程材料11第3章金属与合金的结晶可见，随时间的增长，温度逐渐降低，当到T0温度时出现一个平台，说明这时虽然液体金属向外散热，但其温度并没下降，这是由于在这一温度液体开始结晶向外散热，补偿了液体对外的热量散失，说明这一水平台阶对应的温度正是实际结晶温度。这一平台的开始时间即结晶的开始，终了时间即结晶的终了，结晶终了后就没有结晶潜热来补偿热量的散失，所以温度又开始下降。工程材料12第3章金属与合金的结晶一、纯金属结晶的基本条件图3－3冷却曲线的测定工程材料13第3章金属与合金的结晶一、纯金属结晶的基本条件图3－4冷却曲线工程材料14第3章金属与合金的结晶一、纯金属结晶的基本条件图3－5结晶过程工程材料15第3章金属与合金的结晶一、纯金属结晶的基本条件图3－6铅锡铋合金的结晶组织金相像片工程材料16第3章金属与合金的结晶二、纯金属结晶的基本过程1.形核和核长大金属的结晶过程从微观的角度看，当液体金属冷到实际结晶温度后，开始从液体中形成一些尺寸极小的、原子呈规则排列的晶体－晶核，这种已形成的晶核不断长大，同时液态金属的其它部位也产生新的晶核，新晶核又不断长大，直到液态金属全部消失，结晶结束。液态金属的结晶包括形核和晶核长大的两个基本环节。工程材料17第3章金属与合金的结晶形核有自发形核和非自发形核两种方式，自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心；非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得多，一般条件下，液态金属结晶主要靠非自发形核。晶体的长大以枝晶状形式进行的，并不断地分枝发展。工程材料18第3章金属与合金的结晶结晶工程材料19第3章金属与合金的结晶液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程工程材料20第3章金属与合金的结晶纯金属结晶过程工程材料21第3章金属与合金的结晶二、纯金属结晶的基本过程1.形核和核长大图3－7形核和核长大方式工程材料22第3章金属与合金的结晶晶粒缩小和长大工程材料23第3章金属与合金的结晶工程材料24第3章金属与合金的结晶§4金属的结晶工程材料25第3章金属与合金的结晶工程材料26第3章金属与合金的结晶二、纯金属结晶的基本过程图3－8铸锭结晶组织工程材料27第3章金属与合金的结晶工程材料28第3章金属与合金的结晶2.影响晶核形成和长大的因素晶粒大小对金属机械性能影响较大，在常温下工作的金属其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。影响晶粒大小的因素有：形核率N，长大速度G，形核率N大，而长大速度G相对小，则晶粒愈细，即N与G的比值大则晶粒细。图3－9影响晶粒形核率和长大速度的因素工程材料29第3章金属与合金的结晶1）过冷度：ΔT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，但过冷度过大，对晶粒细化不利，结晶发生困难。见图3－92）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法。工程材料30第3章金属与合金的结晶纯铁的冷却曲线Tt15381394912}-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fccCoolingcurve770铁磁性工程材料31第3章金属与合金的结晶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工程材料32第3章金属与合金的结晶比较：细晶强化--强度、硬度、塑性、韧性↑固溶强化--强度、硬度↑，塑性、韧性↓工程材料33第3章金属与合金的结晶细化晶粒的措施1.提高过冷度2.变质处理3.振动结晶工程材料34第3章金属与合金的结晶（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工程材料35第3章金属与合金的结晶（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。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。工程材料36第3章金属与合金的结晶§2合金的结晶一、相图的意义及相关概念相图的意义相关概念组元合金系相图工程材料37第3章金属与合金的结晶相图的相关概念1．组元：通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质称为组元。但在所研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C看作一组元。2．合金系由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。工程材料38第3章金属与合金的结晶3．相图用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图。相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。工程材料39第3章金属与合金的结晶二、二元合金状态图的建立目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：（1）配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜；Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ25%Cu+75%Ni；Ⅴ：纯Ni。（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；（3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上；（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。工程材料40第3章金属与合金的结晶工程材料41第3章金属与合金的结晶四、二元状态图的基本类型分析1.二元匀晶相图2.二元共晶相图3.二元包晶相图4.形成稳定化合物的相图5.具有共析转变的相图6.合金的性能与相图的关系工程材料42第3章金属与合金的结晶1.二元匀晶相图1．相图的组成及特征2．合金平衡结晶过程及组织3．枝晶偏析及其消除工程材料43第3章金属与合金的结晶匀晶相图相图（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+工程材料44第3章金属与合金的结晶铜-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工程材料45第3章金属与合金的结晶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。工程材料46第3章金属与合金的结晶杠杆定律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工程材料47第3章金属与合金的结晶Cu-Ni二元均晶相图工程材料48第3章金属与合金的结晶Cu-Ni合金枝晶偏析示意图工程材料49第3章金属与合金的结晶枝晶偏析及其消除由于实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件下进行的。这使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，合金的熔点较高，构成晶体的树枝状骨架，后结晶出的部分含高熔点组元较少，熔点较低，填充于枝间。这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析或称晶内偏析。工程材料50第3章金属与合金的结晶出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加工工艺性能变坏。出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采用将铸件加热到低于固相线100～200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。工程材料51第3章金属与合金的结晶2.二元共晶相图1．相图的组成分析2．典型合金平衡结晶过程分析工程材料52第3章金属与合金的结晶Pb-Sn共晶相图工程材料53第3章金属与合金的结晶共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线L固相线+L+L+固溶线固溶线工程材料54第3章金属与合金的结晶共晶转变分析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工程材料55第3章金属与合金的结晶共晶反应要点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。工程材料56第3章金属与合金的结晶X1合金结晶过程分析cefgX1T,CtLLLL+冷却曲线+ⅡⅡ1234{PbSnT,CL+L+L+183ced工程材料57第3章金属与合金的结晶X1合金结晶特点T