哈尔滨工业大学机械工程材料课件-第二章结晶与显微组织

1《机械工程材料》主讲教师：吴宜勇电话：864124622主要内容绪论第一章材料的内部结构第二章结晶与显微组织第三章工程材料的力学性能第四章工程材料的物理、化学性能第五章工程材料的强化理论第六章钢的热处理与马氏体相变强化第七章钢铁材料第八章有色金属及其合金3第二章结晶与显微组织凝固结晶•结晶时，有平衡结晶温度或理论结晶温度•凝固为非晶态时，没有平衡结晶温度，但比容产生变化金属由液态转变为固态的过程。凝固产物可以是晶体也可以是非晶体结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程两个概念4第二章结晶与显微组织物质凝固时体积与内能随温度变化示意图过冷液体凝固玻璃，非晶态快冷慢冷结晶，晶体abcdefhTg1Tg2TMTV、Q液体52.1纯金属的结晶与组织2.2二元合金相图与合金组织2.3铁碳相图2.4铸锭（件）的组织与缺陷第二章结晶与显微组织62.1纯金属的结晶与组织差热冷却曲线测量原理图•结晶过程的试验验证:热分析方法(差热分析、热膨胀分析)、电阻分析法、金相分析法72.1纯金属的结晶与组织•差热冷却曲线意义过冷度结晶潜热结晶是等温相变过程理想结晶温度T0、实际结晶温度T1过冷与过冷度T：实际结晶温度低于理想结晶温度的现象称为过冷；二者温度差的绝对值称为过冷度T，是发生实际结晶必要的温度条件结晶潜热的产生是结晶过程等温的根本原因8000,,T,0VmmmVmmVmmmmmmVmmVΔGΔTLTΔTLΔGΔSΔSLΔHΔH-TΔSΔGTLTΔHΔSLΔUΔHΔGTTΔH-TΔSΔG结晶为放热过程，时，实际结晶温度2.1纯金属的结晶与组织•结晶热力学：能量最小化原理液固两相H焓变，S熵变，G自由能变化，U内能变化，结晶热Lm自由能变化小于0是结晶进行的驱动力92.1纯金属的结晶与组织•结晶动力学条件：无序液体有序固体晶体。热力学自由能下降结晶的前提原子迁移结构重排：克服扩散迁移势垒结晶的结构条件，即相起伏新的表面生成：克服表面能能量起伏•相起伏导致晶胚的生成。晶胚具有与生成晶体完全相同的结构，但尺寸很小，相对表面积大，不稳定•通过能量起伏，晶胚长大克服表面能，最终生成晶核，并长大直至结晶完成10能量起伏相起伏晶胚晶核2.1纯金属的结晶与组织纯金属的结晶过程：形核和长大过冷液态金属晶体长大，多晶体形核过程11金属结晶微观过程形核长大形成多晶体两个过程重叠交织2.1纯金属的结晶与组织12金属结晶微观过程2.1纯金属的结晶与组织13均匀形核非均匀形核是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程，液相中各区域出现新相晶核的几率相同2.1纯金属的结晶与组织结晶形核长大过程的控制：形核方式14均匀形核情况2223231316220434:化过冷结晶时，自由能变TLTGTLTGrTTLGdrGdrGrGSGVGmmkmmvkmmvVV，临界晶核形成时，（表面）（体相）只有当结晶形核大小大于临界尺寸时，结晶长大过程才能继续，即临界晶核2.1纯金属的结晶与组织15均匀形核非均匀形核完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程，液相中各区域出现新相晶核的几率相同2.1纯金属的结晶与组织结晶形核长大过程的控制：形核方式晶胚依附于液态金属中的固态杂质或容器表面形核的过程。非均匀形核时新相形成表面能大大减小，临界晶核半径降低，形核率大大升高16形核率:是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量,决定于过冷度。用N＝N1*N2表示形核功影响：过冷度增加，形核功增加，形核率增加原子扩散能力：过冷度增加，原子扩散能力减弱，不利于晶核的形成急冷非晶态材料2.1纯金属的结晶与组织结晶形核长大过程的控制：形核率与生长速度17非均匀形核率决定因素：•过冷度•前驱核心与结晶物质的点阵匹配性：固相表面原子排列与新相点阵结构相似时，能有效促进新相的非均匀形核•结晶过程中的机械振动、搅拌和超声效应2.1纯金属的结晶与组织结晶形核长大过程的控制：形核率与生长速度18生长的界面形态粗糙界面树枝状2.1纯金属的结晶与组织结晶形核长大过程的控制：形核率与生长速度192.1纯金属的结晶与组织结晶形核长大过程的控制：形核率与生长速度与过冷度的关系20获得细晶粒的主要方法有增加过冷度、加入结晶变质剂以及机械振动处理等2.1纯金属的结晶与组织结晶晶粒大小的控制•过冷度：增加过冷度，细化晶粒•变质处理：向液体金属中加入与结晶体结构相匹配的形核剂，加速非均匀形核过程，大大增加形核率，并改善结晶物质的形态•结晶过程中的机械振动、搅拌和超声效应21第二章结晶与显微组织2.1纯金属的结晶与组织2.2二元合金相图与合金组织2.3铁碳相图2.4铸锭（件）的组织与缺陷222.2二元合金相图与合金组织作用：1.了解合金在不同温度不同成分下的平衡状态2.了解合金的平衡相组成及其含量3.了解合金在加热或冷却过程中结构转变规律4.制定合金热加工(铸造，锻造，热处理等)工艺相图定义：表示合金系中合金的状态与温度、成份间的关系的图解。平衡相图：表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成份下的各项关系的图解。二元相图基本类别：匀晶相图、共晶相图、包晶相图232.2二元合金相图与合金组织•相图的测绘方法：热分析方法将不同组元金属粉末按适当成分配比将配比粉末加热并熔化成为均匀液相溶液平衡冷却，记录冷却温度-时间曲线将各不同成分合金冷却曲线中对应的转变点（曲线拐点、等温转变点)连接起来，就可以将二维的相图空间分成不同的区域，这就是相图242.2二元合金相图与合金组织匀晶相图的测绘252.2二元合金相图与合金组织•匀晶合金冷却曲线的特点：匀晶合金开始结晶转变温度和最终结晶完成温度不同，结晶为变温转变过程合金结晶温度(起始温度和终了温度)随成分变化•匀晶合金相图分析：合金结晶起始转变线定义为液相线，终了转变线为固相线液相线和固相线经两个组元的熔点处封闭，将相图分为三个相区：液相线以上为单一液相区(L)；固相线以下为单一固相区()；两个单相区中间夹一个固-液双相区(L+)。二元相图中，相邻相区的相数差为1262.2二元合金相图与合金组织匀晶相图与合金组织结晶的微观过程：形核长大交替进行结晶温度区间272.2二元合金相图与合金组织•与纯金属结晶相比，二元合金平衡结晶过程的特点：结晶仍然是形核和长大交叠进行的过程合金结晶也必须满足热力学条件，即结晶完成需要过冷度。合金结晶动力学条件：相起伏、能量起伏、成份起伏成份起伏是合金结晶的重要动力学条件，以致匀晶合金结晶是在不断降温条件下完成的282.2二元合金相图与合金组织匀晶合金平衡结晶过程：异分结晶：从液相中形核的晶体的成分与母相液相的成分不一致现象。这是合金结晶的共同特点。从平衡相图可知，在结晶温度区间，平衡状态的液相和固相成分，是相应温度水平线在相图中与液相线和固相线交点的成分在平衡结晶过程中，液相和结晶相的成分不断变化。但各相成分是均匀的平衡过程中原子能充分扩散292.2二元合金相图与合金组织杠杆定律：用于确定平衡的两相相对含量%100%100%100C%100C)2()1()2(C)1(1CL,CabarabrbCCCCCCCCCLLLLLLLLLL即：可得：和由，则有：和成份分别为，和含量分别为和衡的两相对平二元合金中溶质成分为302.2二元合金相图与合金组织•杠杆定律：上述平衡两相的相对含量计算公式类似于力学杠杆原理•合金的平均成分为杠杆支点，平衡两相的相对含量为“力”，相图中相对应的成分差为“杠杆长度”312.2二元合金相图与合金组织匀晶合金非平衡结晶过程：冷却速度快，原子扩散受限,不能充分进行异分结晶的特点导致先、后结晶部分的成分不一致金属结晶的树枝状长大特点，导致枝晶不同部位的成分不同，称为枝晶偏析，也称晶内偏析枝晶偏析影响因素：原子扩散；冷却速度；合金相图的特点扩散退火（以低于固相线100~200C温度长期加热）消除成分偏析322.2二元合金相图与合金组织二元共晶相图与合金组织•共晶相图:合金组元在液态下无限互溶、但固态时有限互溶,且在结晶时有共晶反应发生的合金相图•常用共晶合金：Pb-Sn,Cu-Ag,Al-Si,Al-Cu,Al-Sn332.2二元合金相图与合金组织以Pb-Sn合金为例：•相区：单相区(液相区L,单相固溶体区,单相固溶体区);双相区(L+,L+,+)•特征点及其意义：共晶点(E);组元熔点(A,B);、固溶体最大固溶度点M、N;、固溶体室温固溶度F、G共晶反应：LEM+N(183C)•特征线及其意义：液相线(AEB)、固相线(AMENB)、共晶反应成份区间线(MEN)、固溶度变化线(MF,NG)•成份在ME间的合金称为亚共晶合金,在EN间的合金称为过共晶合金二元共晶相图分析342.2二元合金相图与合金组织二元共晶相图分析：合金I352.2二元合金相图与合金组织二元共晶相图分析：合金I•当冷却到3(MF线)以下时，合金I发生固溶度变化，固溶体固溶度不断减少，溶质以一定的形式析出，即为脱溶反应:高温低温+析出•脱溶反应的相反过程称为固溶，相应工艺为固溶处理，即析出相析出回溶成为单一相362.2二元合金相图与合金组织二元共晶相图分析：合金II372.2二元合金相图与合金组织二元共晶相图分析：合金III382.2二元合金相图与合金组织二元包晶相图•包晶相图:合金组元在液态下无限互溶、但固态时有限互溶,且在结晶时有包晶反应发生的合金相图•常用共晶合金：Pt-Ag,Cu-Zn,Cu-Sn,Sn-Sb392.2二元合金相图与合金组织以Pt-Ag合金为例：•相区：单相区(液相区L,单相固溶体区,单相固溶体区);双相区(L+,L+,+)•特征点及其意义：包晶点(D);组元熔点(A,B);、固溶体最大固溶度点P、D;、固溶体室温固溶度E、F包晶反应：LC+PD(1186C)•特征线及其意义：液相线(ACB)、固相线(APDB)、包晶反应成份区间线(PDC)、固溶度变化线(PE,DF)•包晶反应先结晶相将成为相析出的形核剂,有利于非均匀形核和细化晶粒。但由于固体中原子扩散较难,在非平衡结晶时导致成分不均匀二元包晶相图40•复杂二元相图分析：复杂二元相图可看作三类基本相图的组合(如Fe-C相图)固溶体合金共晶合金单相合金塑性好，适于锻造加工恒温结晶，流动性好，适于铸造成型包晶合金2.2二元合金相图与合金组织•二元相图与合金性能：根据相图确定加工工艺、选择材料41第二章结晶与显微组织2.1纯金属的结晶与组织2.2二元合金相图与合金组织2.3铁碳相图2.4铸锭（件）的组织与缺陷42铁碳合金的组元及基本相：•纯铁:高熔点,较高力学性能,同素异构转变及转变温度(,为bcc结构,为fcc),磁性转变；有许多工程应用铁素体组织F:碳溶于铁中形成的间隙式固溶体,碳的最大固溶度为0.0218wt%(727C)奥氏体组织A:碳溶于铁中形成的间隙式固溶体，碳的最大固溶度为2.11wt%(1148C)•渗碳体Fe3C:含碳6.69wt%,间隙化合物,正交晶系,结构复杂;硬而脆(HB800),低温有磁性;工程中不能独自应用•碳:有多种同素异构状态(石墨,金刚石,无定形碳,佛勒烯,纳米管等),性能独特多样,是重要的非金属材料2.3铁碳相图432.3铁碳相图铁碳合金的组元及基本相：•纯铁:高熔点,较高力学性能,同素异构转变及转变温度(,为bcc结构,为fcc),磁性转变；有许多工程应用•碳:有多种同素异构状态(石墨,金刚石,无定形碳,佛勒烯,纳米管等),性能独特多样,是重要的非金属材料•渗碳体Fe3C:含碳6.69wt%,间隙化合物,正交晶系,结构复杂;硬而脆(HB800),低温有磁性;工程中不能独自应用442.3铁碳相图45•相区：五个单