2.1材料的制备过程

第2章材料的制备与相图主要问题提示Mainquestions•1.何谓“凝固”、“结晶”？纯质材料结晶的充分、必要条件及一般规律是什么？控制纯金属结晶后晶粒度的途径与具体措施又是什么呢？•2.二元合金相图的基本类型有哪几种？固溶体合金结晶（平衡结晶、不平衡结晶）的主要特点是什么？•3.杠杆定律的适用条件与主要内容是什么？•4.何谓共晶相图？试分别分析共晶、亚（或过）共晶成分合金的平衡结晶过程？•5.您是否能熟练地默画经简化的铁碳相图？对于铁碳相图中基本相的特点是否掌握了，能否会以相或组织组分的形式正确填写铁碳相图呢？•6.您是否能熟练地分析共析、亚共析、过共析钢的平衡结晶过程（语言文字和冷却曲线两种方式）并能利用杠杆定律分别计算其室温下相或组织组分的质量分数呢？•7.平衡条件下，各平衡相和组织组分（如A、F、Fe3C、P、Ld等）的本质、形貌特征和性能特点是什么？您能利用其正确分析铁碳合金在平衡状态下各种力学性能的变化吗？教学内容与方法提示Keypointsandlearningmethods•本章教学重点:•对2.3铁碳合金相图，要求熟练地掌握，包括理解、消化、熟记与应用。该节是本课程的第一个重点章节，被称为“重中之重”。•本章的教学与学习方法：•通过较详细地介绍纯质材料结晶（2.1节）、二元相图的基本类型（2.2节），目的是更好地引导学生自学第2.3节二元相图的典型应用——铁碳合金相图；同时也为学习其他章节奠定坚实的材料科学基础。因此本节的教学建议以课堂讨论提纲为引子、2.3节教材内容为主要依据，采用课堂讨论方式积极展开双向交流，从而达到熟练掌握铁碳合金相图之目的。•学习方法，要求学生在熟悉1、2节教学内容的前提下，延伸思维、深入自学第3节内容。自学的效果如何，通过“课堂讨论”检验。课堂讨论前应写好发言提纲，积极参与课堂讨论。通过讨论，搞清学习中的认识模糊或错误之处，更好地、更加深入地掌握铁碳合金相图的有关知识，展开双向交流，从而达到熟练掌握铁碳相图、培养学生学习能力之目的。第2章材料的制备与相图Material’sManufactureandPhaseDiagram•2.1材料的制备过程Material’sManufactureProcess•2.2二元相图的基本类型Basictypesoftwo-componentphasediagram•2.3二元相图的典型应用——铁碳合金相图Typicalapplicationsoftwo-componentphasediagram——Theiron-carbonequilibriumdiagram•2.4凝固与结晶理论的应用Theapplicationsofsolidificationandcrystallizationtheory2.1材料的制备过程Material’sManufactureProcess•2.1.1材料凝固与结晶的条件(Conditionsforsolidificationandcrystallizationofmaterials)•2.1.2金属材料的制备(Preparationofthemetalmaterials)•2.1.3聚合物材料的合成(Synthesisofpolymers)•2.1.4无机非金属材料（简称无机材料）的制备(Preparationofinorganicnonmetallicmaterials)2.1.1材料凝固与结晶的条件(Conditionsforsolidificationandcrystallizationofmaterials)•凝固时形成晶体还是非晶体，主要取决于熔融液体的粘度和凝固时的冷却速度。•1.熔融液体的粘度•粘度，是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征。•粘度的大小表示了液体中发生相对运动的难易程度。粘度大，表示液体粘稠，相对运动困难。例如，大分子链结构的聚合物熔体的粘度很高，凝固时形成晶体是很困难的。而小分子材料、特别是金属，由于其熔体粘度极小，熔点附近原子的扩散能力极强，绝大多数都凝固成晶体。•2.凝固时的冷却速度•冷却速度是影响凝固过程的最主要外部因素。冷却速度越大，则在单位时间内逸散的热量越多，熔体温度降得越低。熔体的温度直接关系着其中原子或分子的扩散能力。研究表明，当冷速大于107℃/s时，可有效地抑制粘度很小的金属合金熔体中原子的扩散，从而获得一些通常条件下无法得到的产物，如非晶合金、特殊结构的中间相、过饱和固溶体等。2.1.2金属材料的制备(Preparationofthemetalmaterials)•1.金属的冶炼•金属材料的一般制备过程大致如下：•可以看出，金属的冶炼是第一道工序，但冶炼的质量将在很大程度上直接影响到最终加工成品零件的使用寿命。冶炼铸造铸锭铸件铸件铸件铸锭铸件热轧热锻板、型、管、线材机加工零件（机加工）零件焊接机加工冷轧、拔、冲零件（1）金属冶炼的方法•①火法冶炼指在高温下进行的冶金过程，例如钢铁和大多数有色金属冶炼时采用的熔炼、吹炼和精炼等。熔炼（将经预处理的精矿与熔剂一起高温熔化，通过高温化学反应使矿石中金属得以还原，同时产生一定熔渣，使金属或金属化合物与脉石分离，达到提炼金属目的），吹炼（实质是一氧化熔炼过程。如在钢的冶炼中，向高碳铁水中吹入氧气，使碳氧化并去除而得到钢），精炼（熔炼得到的金属往往含一定杂质，需进一步处理以去除杂质，这种对金属进行去除杂质提高纯度的过程称为精炼。常用的精练法有加剂法、真空处理法等。加剂法就是向熔融的粗金属中加入某种熔剂，使杂质与熔剂发生作用，生成不溶于金属的稳定化合物，并上浮成渣。真空处理法是在真空条件下使金属液中的气体和杂质上浮与金属分离从而达到净化和提纯的目的）。•②湿法冶炼它是在接近于常温条件下进行的，利用各种溶剂处理矿石及一些中间产物，通过在溶液中进行的氧化、还原、中和、水解和络合等反应使金属得到分离和提取。•③电冶炼指利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精炼金属的冶金过程。主要有电热熔炼（指用各种电加热方法进行金属熔炼的方法，如电弧熔炼法、等离子冶金法和电磁冶金法等），电解法（对电解质水溶液或熔盐等通电，使其发生化学变化，以便进行金属与杂质的分离或提取金属的过程）等。（2）常用的炼钢方法及其特点•①氧气顶吹转炉炼钢法由高炉或化铁炉直接供应高温铁水作为原料，熔炼时利用从炉口顶部吹入的高压纯氧来氧化铁水，同时产生热量维持熔炼所需的高温。其最大特点是吹炼速度快、生产率特别高。氧化过程大约只需15～25min，加上放渣、脱氧、出钢水等操作，每炉的生产周期约30～40min。另外，此法炼钢品种多、质量好，可冶炼全部平炉冶炼和部分电炉的钢种，而且冶炼中原料消耗少、热效率高、成本低。•②电弧炉炼钢法依靠石墨制成的电极与炉料之间产生的高温电弧来进行加热熔炼的。电弧炉炉顶可开启，以便迅速装入原料，整个炉体可前后倾斜，以便出钢、出渣。其原料主要是废钢，氧化介质采用纯氧和铁矿石。其主要特点是冶炼温度高，炉内气氛可控制，钢水成分容易调节，能有效清除硫、磷等有害杂质，加入的贵重金属元素损失少，但生产率较低，电能成本高，此法主要用于生产合金钢和高质量钢种。（3）钢液浇注方法•①模铸法虽古老、但现仍占有重要地位，它主要用于浇注供锻造用的大型钢锭。•②连续铸钢法是使钢水在连铸机的结晶器里不断地形成一定断面形状和尺寸的钢坯，浇注和出坯是连续不断进行的。此法具有金属收得率高，成本低，生产率高及劳动条件好等优点，并为炼钢生产的连续化、自动化创造了条件。目前连铸技术还在不断地进步和发展，例如，近终形连铸技术的研究开发，以及连铸-连轧的结合，都已取得成效。（4）钢的炉外精炼方法及其发展•钢水的炉外精炼即把转炉及电炉初炼过的钢液转移到钢包或其它专用容器中进一步精炼的炼钢过程，也称“二次精炼”。实施炉外精炼可提高钢的冶金质量，缩短冶炼时间，降低成本，优化工艺过程。炉外精炼可完成脱碳、脱硫、脱氧、去气、去除夹杂物及成分微调等任务。炉外精炼的方法主要有：•①真空精炼法它主要是通过降低外界N2、H2等有害气体的分压，达到去除钢中有害气体的目的。在真空条件下，不仅能降低钢中有害气体的浓度，而且可发生脱氧反应，使熔池产生搅拌，有利于有害气体的排出。•②惰性气体稀释法此法是向钢液中吹入惰性气体，这种气体本身不参与冶金反应，每个气泡中的N2、H2等有害气体分压为零。当其从钢液中上升时，钢液中的有害气体就会向气泡内扩散，并随之带出钢液，就相当于“气洗”作用。若此法与其它方法配合时，精炼效果更好。例如，带钢包盖加合成渣吹炼法（CAB法），其优点是吹氩时钢液不与空气接触，避免二次氧化；杂质浮出后即被合成渣吸附和溶解，不会返回钢中。•③喷粉精炼法它是一种快速精炼手段，一般是用氩气作载体，向高温钢水内部喷吹特定的合金粉末或精炼粉剂。此法可较充分地进一步脱硫和去除夹杂物，并且可改变夹杂物的形态，在精炼的同时还可对钢的化学成分进行调整。2.纯金属的结晶规律•（1）液态金属的结构特点(即金属结晶的充分条件)：液态物质结构特点（结构起伏）•实验研究表明，液态金属内部的原子并非是完全无规则的混乱排列，而是在短距离的微小范围内原子呈现出短程有序排列，如图2.1所示。由于液态金属内部原子热运动较为强烈，在某平衡位置呈短程有序排列的时间甚短，故这种局部的短程有序排列也是在不断地变动着，它们只能维持短暂的时间就会很快消失，同时新的短程有许序排列又不断地形成，出现了“时起时伏、此起彼伏”的局面，人们将这种结构不稳定的现象称为“结构起伏”(或称“相起伏”)，但在大的范围内原子仍是无序分布的。不同的结构对应一定的能量状态，加上原子之间能量的不断传递，结构起伏伴随着局部能量也在不断变化，这种能量的变化即称为“能量起伏”。图2.1液态金属结构示意图气态（a）、液态（b）和固态（c）结构示意图2.纯金属的结晶规律•（2）金属结晶的必要条件：过冷与过冷度（ΔT）•结晶温度一般是用热分析法测定，测定步骤如下:先将待测的金属熔化，然后使其缓慢冷却，记录下液态金属温度随时间变化的冷却曲线(如图2.2所示)。从图中可看出，当冷至Tm温度时，液态金属并不能进行结晶，而必须在＜Tm以下的某一温度Tn时才开始结晶，Tn称为实际结晶温度。在实际结晶过程中，Tn总是＜Tm，这一现象即称为过冷现象。因此过冷是纯金属结晶的必要条件。而平衡结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度(ΔT)，即ΔT=Tm-Tn。但由于结晶过程中放出结晶潜热，补偿了向外界散失的热量，所以在冷却曲线上表现为一段低于Tm的恒温的水平线段。当结晶过程完成后，金属继续向周围散失热量，温度才复下降。图2.22.纯金属的结晶规律•实验进一步表明，过冷度（ΔT）不是一个恒定值，它随纯金属的性质、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，冷却速度愈大，Tn愈低，则ΔT愈大，冷却曲线上水平台阶温度与Tm间的温度差愈大，如图2.3所示。在非常缓慢的冷却条件下，过冷度极小，可以把平台温度近似看作是平衡结晶温度（Tm）。•图2-4为同一物质液态与固态材料的自由能与温度的关系曲线，由于固、液态材料的自由能曲线的斜率不同，故两条曲线相交于一点，如图中Tm。在此温度下，固态与液态的自由能相等，这相当于平衡结晶温度，所以纯金属不会结晶。当温度低于Tm某一温度时，固态自由能低于液态自由能，就可自发地进行结晶。温度愈低，自由能差愈大，结晶愈易进行。相反，当温度高于Tm时，即有一定的过热度，液态的自由能低于固态的自由能，金属会由固态变为液态(即熔化)。这就解释了为什么纯金属结晶必须过冷。图2.3不同冷却速度下的冷却曲线图2-4自由能与温度的关系曲线2.纯金属的结晶规律（3）纯金属结晶的普遍规律:不断形成晶核与晶核不断长大的连续过程•液态金属当冷却至Tm温度以下时，经过一段时间(称为孕育期)，出现一些尺寸极小、原子规则排列的小晶体，称为晶核。接着晶核向各个方向生长。同时，又有一些新的晶核出现。就这样不断形核、形成的晶核又不断长大，直到液体消失为止。每一个晶核成长为一个小晶粒，最后