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目的：掌握有关结晶的基本概念。通过相图分析，熟悉相图与合金性能之间的对应关系，建立成分—组织—性能的思维概念，为后续学习打下理论基础。要求：1、对结晶过程建立初步概念。2、弄清组元、相、组织、相组成物、组织组成物等基本概念；3、掌握匀晶和共晶相图，并会分析典型合金的结晶过程；会用杠杆定律；建立起偏析的概念；了解其它类型的相图。4、掌握相图与性能的关系，重点是工艺性能、曲线和示意图中极值点和特殊点的意义。重点：结晶条件、结晶过程及细化晶粒的基本方法。匀晶和共晶相图；相图与性能的关系。难点：组织和相的关系与区别；初生相和次生相的异同。§3-1金属的结晶一、纯金属的冷却曲线和过冷现象纯金属的结晶具有“平衡结晶温度”，高于该温度发生熔化，低于该温度发生结晶。在平衡结晶温度时，液体、晶体并存，处于可逆平衡。从热力学（自由能）角度加以解释：过程自发进行方向是自由能降低的方向，结晶时，必须使自由能降低，即△G=GS-GL＜0。低于Tm时，GS＜GL，L→S，能量降低，可能发生结晶。要使L→S，必须使温度＜Tm，使△G＜0，具有一定的结晶驱动力。1．过冷：金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度的现象。2．过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之间的温度差。过冷度（热力学条件）是结晶的必要条件。结晶还需要动力学条件：原子扩散，成分起伏，结构起伏。二、金属的结晶过程1、晶核的形成1）自发形核：液态金属中，在许多微小区域内存在与固态金属中的原子排列近似的原子集团——晶胚。但热运动激烈，不稳定，时聚时散。当T＜Tm，具有较大尺寸的晶胚进一步长大，形成晶核——晶核的形成过程。2）非自发形核：2、晶核的长大1）平面生长方式：2）树枝状生长方式：晶核长大初期，由于其内部原子排列规则，其外形较规则。随着晶核长大，晶体棱角形成，棱角处的散热条件优于其它部位，优先长大，如树枝先长出树干（晶轴），再长出分枝，最终填满晶间，形成枝状晶——晶核的长大过程。由于液态金属的流动，晶轴本身的重力作用和彼此碰撞，杂质元素的影响，使晶轴发生转动、偏斜、折断，造成晶粒中的亚晶界和位错等各种缺陷。三、金属晶粒的大小与控制晶粒度：单位体积内晶粒数目。常用单位截面积上晶粒数目或晶粒平均直径表示。形核率（N）：单位金属熔液体积中，在单位时间内形成晶核的数目。长大速度（G）：单位时间内晶粒长大的线速度。N、G∝△T单位面积上的晶粒数目（晶粒度）：TGNKZ2/1)(其中：K为常数，Z越大，晶粒越细。1、晶粒大小对金属材料机械性能的影响细晶金属，强度、硬度高，塑性、韧性好，细化晶粒是提高金属材料的性能。改善金属材料压力加工性能的重要手段。2、细化晶粒的方法1）增大过冷度：降低浇注温度、提高冷却速度（金属模铸造、局部加冷铁、水冷铸模铸造等）。适用范围：小型或薄壁铸件，对大型或厚壁铸件效果不佳，另外冷却速度过大易引起变形、开裂。2）变质处理：在金属结晶时，人为向液态金属中加入某些难熔杂质有效地细化金属晶粒，达到改善其机械性能的目的，这种细化晶粒的方法称为变质处理。变质处理对细化晶粒的效果比增大过冷度和冷却速度效果好，在生产中广泛应用。如向铸铁熔液中加入硅-钙合金。3）物理方法：如机械振动、超声波振动、电磁波振动，使枝晶受到外力的作用而折断、分裂，从而使晶粒数目增多；晶芽脱落，形核率提高。四、金属铸锭的铸态组织及缺陷1、细等轴晶区2、柱状晶区3、粗等轴晶区§3-2合金的结晶与二元合金相图一、二元合金相图的基础知识1、相图的概念相图：在平衡状态下，合金的组织与其成分、温度的关系的图形。根据相图可判断不同成分的合金在不同温度下所含组织的种类和相对量，预测合金的性能。2、二元合金相图的建立二元相图通过实验方法——热分析法建立。二、匀晶相图匀晶相图：二元合金系中两组元在液态和固态下均能无限互溶，并由液相结晶出单相固溶体的相图。Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag、Cu-Au。以Cu-Ni合金相图为例。（一）结晶过程aaLL21（二）杠杆定理1、确定合金成分、两共存相及其成分L——x1，a——x2，合金成分——x2、确定两共存相的相对量设QL为L的相对量，Qa为a的相对量。则有：xxxxQQxxQxQQQLaLaLa21121%100122%100121xxxxQxxxxQLa（三）晶内偏析分析结晶过程：无限缓慢冷却，才沿固相线、液相线发生成分变化。而实际不然，晶粒内外成分不均匀。晶内偏析（枝晶偏析）：晶体内化学成分不均匀的现象。消除方法：扩散退火，将铸件加热到低于固相线100~200℃，长时间保温，偏析元素充分扩散，达到成分均匀化。（四）匀晶系合金的性能1、力学性能2、工艺性能1）塑性好：压力加工、焊接性能好，切削加工性能不好，不易断屑，不能高速切削，表面粗糙度差；2）结晶温度范围大：铸造性能差，流动性差，偏析严重，易形成分散缩孔。3）无同素异构转变：不能进行相变热处理。三、共晶相图共晶转变：某成分固定的合金液相冷却到某一温度，在恒温下同时结晶出两个成分和结构均不相同的固相的转变。共晶体：共晶转变所得的两相机械混合物。共晶相图：具有共晶转变的相图。Pb-Sb、Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu、Mg-Si（一）相图分析1、组元：Pb、Sn2、点：A——组元Pb的熔点B——组元Sn的熔点C——Sn在Pb中的最大溶解度D——Pb在Sn中的最大溶解度E——共晶点F——0℃时Sn在Pb中的溶解度G——0℃时Pb在Sn中的溶解度3、线：AEB——液相线ACEDB——固相线CF——固态下Sn在Pb中的溶解度曲线（简称固溶线）DG——固态下Pb在Sn中的溶解度曲线（简称固溶线）CED——共晶线4、共晶转变：成分在C~D之间的合金结晶温度达到CED时，发生恒温反应：DCEL，生成共晶体（a+β）——机械混合物。成分在C~D之间的合金按成分不同分为：E点成分合金——共晶合金；C~E之间成分合金——亚共晶合金；E~D之间成分合金——过共晶合金（二）典型合金的结晶过程1、固溶体合金（Ⅰ）IILL3212、共晶合金（Ⅲ）)()(11LL3、亚共晶合金（Ⅱ）21LL)()(2II4、过共晶合金（Ⅳ）LL1)()(22II组织：在显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的组成部分。组织由一个或多个相组成。亚共晶合金、过共晶合金易造成比重偏析，先共晶相或与液相比重相差较大时，先共晶相上浮或下沉，造成合金上、下部分组织不均匀的现象称为比重偏析。比重偏析预防措施：1.加快结晶速度；2.搅拌。弥散强化：次生相以细小粒子均匀分布于固溶体的晶粒中时，使合金的强度、硬度有所增加，而塑性、韧性稍有下降的现象。（三）共晶系合金的性能1、机械性能2、工艺性能1）单相合金与匀晶系合金相同2）两相合金：压力加工性能不好，因为两相变形能力不同；焊接性能不如单相合金；切削加工性能好，易断屑，便于高速切削，表面质量好；共晶合金铸造性能好，因为流动性好，熔点低、恒温结晶、不易产生分散缩孔。四、共析相图共析转变：一定成分的固相在恒温下生成另外两个一定成分的固相的转变。21五、相图与合金性能的关系具有共析反应的二元合金相图