第3章材料的凝固剖析

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1、第3章 材料的凝固,3.1 纯金属的结晶 3.2 合金的结晶 3.3 铁碳合金相图,物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。,3.1 纯金属的结晶,3.1.1 结晶的条件 3.1.2 纯金属结晶过程 3.1.3 晶粒大小及控制 3.1.4 同素异构转变,1. 结晶驱动力 F0 （不是过冷度T） 自然界的自发过程进行的热力学条件都是F0 体系中各种能量的总和叫做内能U，其中可以对外 做功或向外释放的能量叫自由能F，F=U-TS（熵）,（1）当温度TT0时，FsFL, 液相稳定 （2）当温度TT0

2、时，FsFL, 固相稳定 （3）当温度T=T0时，Fs=FL, 平衡状态 T0：理论结晶温度（熔点或平衡结晶温度） 在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态,3.1.1 结晶的条件,2. 冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。,曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的.,纯金属的冷却曲线,3. 结晶的过冷现象与过冷度 过冷: 液态金属在理论结晶温度以下 开始结晶的现象称过冷。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度 的差T称过冷度。T= T0 T1 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越 大， 过冷度越大。,结晶只有在T0以下的实际结晶温度下

3、才能进行,3.1.2 纯金属的结晶过程 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成. 1. 形核 晶坯：液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。 晶核：在T0以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。,晶体的结晶过程,晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。 晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶 核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。,晶核的形成方式： 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。 非均匀形核更为普遍。,非均匀形

4、核示意图,2. 晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。 实际金属的结晶主要以树枝状长大。 这是由于晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充,树枝状长大的实际观察,3.1.3 结晶晶粒大小及控制,晶粒的大小称为晶粒度。用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均直径表示。,控制晶粒大小的方法：,1. 控制过冷度：影响形核率和长大速度,2. 变质处理 变质处理: 又称孕育处理，是一种有意向液态金属中加入非自发形核物质从而细化晶粒的方法。,3. 振动、搅拌,3.1.4 晶体的同素异构转变,定义：物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转

5、变。,铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：,纯铁的冷却曲线和同素异晶转变, -Fe、 -Fe 为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体.,-Fe，fcc,-Fe，bcc,912 C,相图：是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。,3.2 合金的结晶,合金系：是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金.,组元：是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。,相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。 根据组元数

6、, 分为二元相图、三元相图和多元相图.,相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。,3.2.1 二元合金相图的建立,几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。,3.2.2 二元合金相图的基本类型与分析,两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图 称二元匀晶相图。,1. 匀晶相图,形成条件：固态下二组元性质相近无限互溶匀晶。,液相 固液两相区 固相,反应式： L L + ,（成分不断变化）,（与液相同成分）,相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。 相图被两条线分

7、为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L + ）。, 相图的分析,(2)合金的结晶过程 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。,当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分.,随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。,这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。,(3) 杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。 现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律： 确定两平衡相

8、的成分：设合金成分为x，过x做成,分垂线。在成分垂线相当于温度t 的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。,则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得,式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。, 确定两平衡相的相对重量 设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q,因此两相的相对重量百分比为：,两相的重量比为：,杠杆定律：合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求

9、的两平衡相（或两组织组成物）的成分。,杠杆定律只适用于两相区。单相区无必要使用， 三相区不能使用。,枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分 不均匀的现象称作枝晶偏析。,（4）枝晶偏析,合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素，后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素,影响因素：不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重. 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能.,消除方法：生产上常将铸件加热到固相线以下 100-200 长时间保温，以使原子充分扩

10、散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火.,2. 共晶相图,共晶相图：当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。,形成条件：固态下二组元有限 溶解，在恒定温度、恒定成分， 二固相同时结晶。, 相图分析 相：相图中有L、 三种相, 是溶质Sn 在 Pb中的固溶体， 是溶质Pb在Sn中的固溶体。, 相区：相图中有: 三个单相区： L 、 、 ； 三个两相区：L+ 、L+ 、 + ； 一个三相区：即水平线CED。, 固溶线: 溶解度点的连线称固溶线.相图中的CF、DG线分别为 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的固溶线。, 液固相线: 液相线A

11、EB, 固相线ACEDB. A、B分别为Pb、Sn的熔点., 共晶线：水平线CED叫做共晶线。 在共晶线对应的温度下 (183 ) ，E点成分的合金同时结晶出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体，形成这两个相的机械混合物： LE ( C + D ),共晶转变: 在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出 两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或 共晶反应.,共晶组织: 共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。,共晶合金: 具有共晶成分的合金称共晶合金。 亚共晶合金: 共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金。,过共晶合金: 位于共晶点以 右的合金称过共晶合金。,

12、 典型合金的结晶过程,Pb-Sn合金相图,合金I （wSn=10%）的结晶过程,含10%Sn的Pb-Sn合金显微组织,合金室温组织为 + ,Pb-Sn共晶合金的显微组织,合金II （共晶合金）的结晶过程,合金II室温组织为 + ,合金（亚共晶合金）的结晶过程,Pb-Sn亚共晶合金的显微组织,合金室温组织为 初 +（ + ）+ ,合金 （过共晶合金）的结晶过程,Pb-Sn过共晶合金的显微组织,合金室温组织为 初+ （ +） + ,3. 包晶相图,包晶相图：当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。, 相图分析 单相区：L、 二相区：L+、 L+、+ 三

13、相区：L+ （水平线PDC）,3.3 铁碳合金相图,3.3.1 铁碳合金的基本相,1.固溶体, 铁素体： 铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体，用F 或 表示。 -铁素体：碳在-Fe中的固溶体称-铁素体，用表示。 都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。强度和硬度低，塑性和韧性好, 奥氏体: 奥氏体：碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用 A 或 表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大, 为2.11%。强度低、塑性好。,2. 渗碳体： 渗碳体: 即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 F

14、e3C硬度高、强度低，脆性大，塑性几乎为零。,3.3.2 铁碳合金相图的分析, 特征点, 特征线 液相线ABCD，固相线AHJECFD 三条水平线： HJB：包晶线 LB+H J ECF：共晶线 LC E+Fe3C 莱氏体: 共晶产物，是 与Fe3C的机械混合物，用Le表示。以Fe3C为基，性能硬而脆。,PSK：共析线 S FP+ Fe3C 珠光体：共析产物，是与Fe3C的机械混合物，用P表示。,珠光体两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。, 其它相线 GS,GP 固溶体转变线, GS又称A3 线。 HN,JN 固溶体转变线， ES碳在 -Fe中的固溶线。又称Ac m线。 PQ碳在-Fe中的固

15、溶线。, 相区 五个单相区： L、Fe3C 七个两相区: L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、 + 、+Fe3C, 三个三相区：即HJB (L+)、ECF(L+ Fe3C)、PSK(+ Fe3C)三条水平线,3.3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织,钢 (0.02182.11%C) 亚共析钢 (0.02180.77%C) 共析钢 (0.77%C) 过共析钢 (0.772.11%C),工业纯铁(0.0218%C) 组织为单相铁素体。,白口铸铁 (2.116.69%C) 铸造性能好, 硬而脆 亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C) 共晶白口铸铁 (4.3%C) 过共晶白口铸铁 (4.36.69%C),1工业纯铁（C%0.0218%）,相组成物：F+Fe3C C%0.0008% F C%0.0008%,相相对量：,F%=,Fe C%=,组织组成物：F和Fe3CIII,L-L+A-A-A+F-F+Fe3CIII,工业纯铁的结晶过程,2共析钢 C%=0.77%,L-L+A-A-A+P-P 相组成物：F和Fe3C F%=,Fe3C%=,组织组成物 ：P,珠光体,珠光体,共析钢的结晶过程,3亚共析钢 0.0218%C%0.77%,L-L+A-A