第三章 金属的相变和相图

1机械制造基础（上）MechanicalEngineeringMaterials2第3章金属的相变和相图本章目录第一节纯金属的相变一、液态金属的结构及结晶二、纯金属的相变三、晶体的同素异构第二节二元合金相图一、概述二、合金相图的建立三、匀晶相图四、共晶相图五、共析相图六、其他类型的二元系合金相图七、二元合金相图的规律及合金性能第三节铁碳合金相图一、铁碳合金的组元及基本相二、Fe-Fe3C相图三、典型合金的结晶过程及组织四、含碳量与铁碳合金组织及性能的关系五、铁碳合金相图的应用第四节金属的凝固组织第一节、金属铸锭宏观组织第二节、铸锭中的缺陷3一、液态金属的结构及结晶1、液态金属结构固态金属内部原子在很长的行程内呈规则排列。且以一定的平衡间距为中心长时间地作热震动。固态金属的这种结构称作长程有序。在非晶态结构中，原子排列没有规律周期性，原子排列从总体上是无规则的，但是，近邻的原子排列是有一定的规律的这就是短程有序。短程有序结构总是处于“时聚时散，此起彼伏”的变化中，这种结构不稳定的现象称为结构起伏，他是产生晶核的基础。其中尺寸较大的短程有序排列的原子集团（称为晶胚）可能称为晶核，因此金属结晶的实质就是短程有序的液态结构到长程有序排列的固态结构的过程。第一节纯金属的相变42、冷却曲线的测定纯金属的结晶是在一个恒定的温度下进行，这个温度就是纯金属的熔点，又称作是结晶温度。采用热分析实验方法，测定金属结晶过程中的温度变化，绘制成如右图所示的纯金属冷却曲线。该曲线分为三个明显的阶段。其中平台对应的温度就是纯金属的结晶温度。第一节纯金属的相变53、结晶的条件纯金属液体在无限缓慢冷却条件（平衡条件）下结晶时，所得到的结晶温度称为理论结晶温度（Tm）。实际生产中，冷却速度较大，液态金属将在低于Tm的某一温度（Tn）下开始结晶。金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差(ΔT=Tm—Tn)叫做过冷度。金属始终在过冷情况下结晶，但是同一种金属结晶时的过冷度不是恒定值，他与冷却速度有关。结晶时的冷却速度越大，过冷度越大，则金属的实际结晶温度越低。物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。通常而言，若凝固后的物质为晶体，则这种凝固成为结晶。结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要驱动力。自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高的能量状态趋向较低的能量状态。第一节纯金属的相变6结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要驱动力。理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差称为过冷度，即ΔT=T0—Tn。只有当驱动力达到一定程度时，液态金属才能开始结晶。可见结晶的必要充分条件是液态金属具有一定的过冷度。第一节纯金属的相变7第一节纯金属的相变4、纯铁的结晶热分析法测出的纯铁结晶时的冷却曲线如右图所示。实验表明，过冷度不是一个恒定值，他随物质的性质、纯度以及结晶前液体的冷却速度等因素而改变。对于同一种物质，冷却速度越快，实际结晶温度Tn越低，则过冷度越大，冷却曲线上平台温度与平衡结晶温度Tm之间的温度差越大。8二、纯金属的相变1、纯金属的结晶研究表明，液体金属的结晶由两个基本过程组成：生出细微的晶体核心（形核）和晶体长大（长大）。（1）形核：在过冷液体中形成固态晶核，有两种形核方式：一种是均匀形核，又称为均质形核；另一种称为非均匀形核，又称为非自发形核（也称杂质形核）。第一节纯金属的相变9均匀形核是纯净的过冷液态金属依靠自身原子的规则排列形成晶核的过程。它形成的具体过程是液态金属过冷到某一温度时，其内部尺寸较大的近程有序原子集团达到某一临界尺寸后成为晶核。事实上，对于原子数目较少、尺寸较小的原子集团，在周围液体原子碰撞下，时聚时散，处于不稳定状态，难以形成起到晶核作用。唯有原子数目较多、尺寸较大的原子集团，不仅不易被冲散，还能吸收周围液体中的原子兵长大，起到景和作用。能起景和作用而尺寸最小的原子集团称为临界晶核。临界晶核溶化后的液态结构从长程来说是无序的，而在短程范围内却存在不稳定的但接近于有序的原子集团。由于液体中原子热运动较为强烈，在平衡位置停留较短，股这种有序排列的原子集团此消彼长，即结构起伏或称相起伏。第一节纯金属的相变10（2）晶核的长大：一旦晶核形成，晶核就继续长大而形成晶粒。晶体的长大过程可以看作是液相中的原子向晶核表面迁移、液—固相界面向液相不断推进的过程。界面的推进速度与界面处液相的过冷程度有关。长大的方式有两种：一种是平面状态生长；另一种是树枝状态生长（最常见的方式）。第一节纯金属的相变112、结晶晶粒大小及控制结晶后的晶粒大小及其控制金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。晶粒的大小是形核率N和长大速度的函数，影响形核率和长大速度的重要因素是冷却速度和难熔杂质。第一节纯金属的相变12结晶后的晶粒大小及其控制金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。晶粒的大小可用晶粒度来表示，晶粒的大小是形核率N和长大速度的函数，影响形核率和长大速度的重要因素是冷却速度和难熔杂质。第一节纯金属的相变13晶粒大小对金属的机械性能有很大的影响，在常温下，金属的晶粒度越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好.工程上通过使金属材料的晶粒细化而提高金属的力学性能。通常把通过细化晶粒来提高材料性能的方法称为细晶强化。细化晶粒的方法主要有如下几种：（1）控制过冷度形核率N与长大速度G一般都随过冷度ΔT的增大而增大，但是形核率N增长率高于长大速度G的增长率。所以增加过冷度可以提高N/G值,有利于细晶强化。第一节纯金属的相变14（2）变质处理变质处理就是在浇注之前向液态金属中加入某种被称作是变质剂的元素或化合物，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。（3）振动和搅拌对结晶过程中的液态金属输入一定频率的振动波，形成的对流会使成长中的树枝晶臂折断，增大了晶核数目，从而显著提高形核率，细化晶粒。常见的震动方法有：机械振动、超声波震动、电磁搅拌。第一节纯金属的相变15金属铸锭的组织特点：（1）表层细晶区；（2）柱状晶区；（3）中心等轴晶区。第一节纯金属的相变16三、晶体的同素异构金属的晶格在不同温度和压力下呈现不同类型的现象称为同素异构转变。金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。第一节纯金属的相变17第二节二元合金相图纯金属结晶后只能得到单相晶体，合金在结晶之后其组织可以由单独的一个固溶体或一个中间相组成，也可以是两个固溶体、两个中间相组成。由于各种组成相又因为相对数量、形状、尺寸和分布不同，形成各种不同的组织，具有不同组织的合金，其性能是不同的。即使组元确定后，结晶后所获得的相的性质、数目及其相对含量也会随温度和成分改变而改变，即以不同状态存在。合金相图正是用来压就存在状态与合金成分及温度之间的变化规律。一、概述1.组元：构成材料的最简单最基本、可以独立存在的物质。在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种化学元素或者化合物。合金系是由给定的两个或者两个以上的组元按照不同比例配置成一系列的不同成分的合金，这些合金称为一个合金系。两元素组成的称为二元合金，三元素组成为三元合金，三元以上称为多元合金。182、相相—合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态、性能一致的组成部分。不同相之间以明显的界面互相分开的、相界面处物质的性能发生突变。这两个相的界面称为相界面。在显微镜下所能观察到的金属材料各个晶粒的显微形态，即晶粒的形状、大小、数量和分布情况，称为显微组织或者金相组织，简称为组织。相图—表示合金系中合金的状态与温度、成分间的关系的图解。利用合金相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及在温度变化时可能发生的变化。第二节二元合金相图193、相平衡和相律（1）相平衡是指各相的化学热力学平衡。包括有：A机械平衡：合力为0B热平衡：温差消失C化学平衡：各相的化学势相等，各组元浓度不再变化当同时达到三种平衡称作是化学热力学平衡。按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：式中，f为体系的自由度数．它是指不影响体系平衡状态的独立可变参数（如温度、压力、浓度等）的数目；C为体系的组元数；P为相数。对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，一般可认为是常量。因此相律可写成下列形式：1PCf1PCf2PCf2PCf第二节二元合金相图20（2）相率自由度是指在平衡系统中独立可变的因素，如温度、压力、相的成分、电场、磁场、重力场等，自由度数是指在平衡系统中那些独立可变参数的数目。按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：式中，f——体系的自由度数．它是指不影响体系平衡状态的独立可变参数（如温度、压力、浓度等）的数目；C——体系的组元数；P为相数。对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，一般可认为是常量。因此相律可写成下列形式：1PCf1PCf2PCf2PCf第二节二元合金相图21相率给出了平衡状态下体系中存在的相数、组元数、温度及压力间的关系，对分析和研究相图有重要作用。1）利用相率可以确定系统中可能存在的最多平衡相数。2）利用相率可以解释纯金属和二元合金结晶时候的一些差别。相率也有如下局限性：1）只适用于热力学平衡状态2）只能表示体系中组元和相的数目，不能指明组元和相的类型和含量。相率不能预告反映动力学（速度）4）自由度的数值不得小于0。1PCf2PCf第二节二元合金相图22二、合金相图的建立二元相图的建立方法，最常用的是热分析法。以Cu-Ni二元合金系为例，说明应用热分析法测定其临界点及绘制相图的过程。1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金：①100%Cu；②75%Cu+25%Ni；③50%Cu+50%Ni；④25%Cu+75%Ni；⑤100%Ni。配制的合金数目越多，合金成分的间隔越小，得到的相图就更加准确。2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如图3-14a所示。3）画出温度-成分坐标系，标出各冷却曲线上的临界点，如图3-14a所示。4）将物理意义相同的点（如转变开始点、转变结束点）连成曲线，标明各区域内所存在的相，即得到Cu-Ni相图。第二节二元合金相图23图3-1纯铜的冷却曲线及相图图3-2Cu-Ni合金相图第二节二元合金相图图中各开始结晶温度连成的相界线称为液相线，各终了结晶温度连成的相界线称为固相线。相图的区别纯金属相图—用一条表示温度的纵坐标把其在不同温度下的组织状态表示出来，如图3-14a纯铜的冷却曲线及相图。二元合金相图—以温度为纵坐标、以合金成分为横坐标的平面图。24用热分析法测定Cu-Ni合金相图第二节二元合金相图25建立和利用合金相图，可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。不同合金系的合金，在固态下具有不同的显微组织，对于同一合金系的合金，由于合金的成分不同，以及所处的温度不同，在固态下也会形成不同的显微组织。相图是研究合金中各种组织形成和变化规律的有效工具，也是生产实践中正确制订冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。掌握相图的分析和使用方法，对于了解合金的化学成分、组织与性能之间的关系，以提高和改善合金的性能、研究和开发新的合金材料，具有重要的指导意义。3.2.2二元合金相图的意义第二节二元合金相图26基本的二元合金相图有匀晶相图、共晶相图和共析相图等，其中两组元在液态和固态都能够无限互溶时构成的相图称为均晶相图。Cu-Au、Au-Ag、Cu-Ni等合金都形成这类相图。在匀晶相图中，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。下面就以Cu-Ni合金相图为例，对匀晶相图进行分析。•1、相图分析•点——图中tA=1083℃为纯铜的熔点；tB=1455℃为纯镍的熔点。•线——tAL3L2L1tB为液相线，代表各