材料学概论2(2)-金属材料

《材料学概论2(2)-金属材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料学概论2(2)-金属材料（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、材料科学导论 金属材料 -相图 金属材料的获得一般都是要经过对矿产原料的熔炼、除渣、浇铸等作业后，再凝固成铸锭或细粉。并通过各种热加工和冷加工获取成材或制件。由液态冷凝成固态是一个重要环节。金属材料通常都是多晶体材料，所以金属由液态冷凝成固态的过程也是一种结晶过程。 基本概念 凝固： 一般非晶体由液态向固态转变 的过程 。 结晶： 由液态金属转变为固态晶体的过程。 金 属 的 结 晶 纯金属的冷却曲线（理想状态） C T L a b S 0 a： 结晶开始点 b：结晶终了点 金 属 的 结 晶 纯金属的冷却曲线（实际） C L T0 T1 S 0 T0：理论结晶温度 T1：实际结晶温度 T =

2、 T0-T1（过冷度） 纯金属结晶是在恒温下完成的 。 即冷却曲线中有一个平台 。 这是因为纯金属结晶会释放出 “ 潜热 ” 。 而这潜热刚好弥补了金属液在冷却过程中向周围环境散发的热量 。 从而使结晶过程处于一个温度的动平衡状态 。 (实际上 ， 对于纯金属其冷却曲线出现平台之前 ， 还有一个相应的过冷现象 ， 它为开始结晶提供足够的动力 。 一旦结晶开始释放潜热， 温度才回升到结晶温度平台上 )。 当结晶结束 ，潜热释放也就结束 ， 凝固了的金属随着向环境不断散热 ， 温度又逐渐下降 。 金 属 的 结 晶 合金的冷却曲线 C a b L s L+s 0 a：结晶开始点 b： 结晶终了点

3、合金的结晶是在一个温度范围内完成。 对一个合金系来说，除个别成分的合金同纯金属一样有一个结晶温度之外，多数合金的结晶开始温度与结束温度是两个温度值。即结晶温度是一个温度区间。而这个温度区间的大小与合金的化学成分比有直接的关系。在测定冷却曲线时，人们发现，液态金属的冷却速度会影响结晶的开始和结束温度。当冷却速度非常慢 (平衡态冷却速度 )时，对于成分一定的金属都有一个固定的结晶温度或结晶温度区间。 当冷却速度增大时，则结晶温度或结晶温度区间通常都要下降，而且下降的量随冷却速度加大而增加。 对于合金 (除固定成分外 )， 在结晶过程虽然也释放潜热 ， 但达不到温度的平衡 ， 仅能使结晶过程中冷速变

4、慢 ， 并不出现温度平台 。 即结晶过程不是在恒温下进行 ， 而是在一个温度区间中完成 。 金 属 的 结 晶 结晶的必要条件 -过冷度 金属的结晶过程： 原子团 形核 晶核长大 小晶粒 晶粒（外形不规则的小晶体） 晶核的形成 晶核的形成分为 均匀 (自发 )成核和 非均匀 成核。在均匀的液态母相中自发地形成新相晶核的过程叫均匀成核，也叫 自发成核 。在液态母相随时都存在着瞬时近程有序的原子集团 (即结构起伏 )。这种原子集团在没有降到结晶温度之下时是不稳定的，时生时溶。而当有了一定的过冷度时，某些进程有序原子集团的尺寸一旦不小于该温度下的临界晶核尺寸就会稳定下来 ,成为新生固相的晶核。 临界

5、晶核尺寸是随着过冷度减小而增大的。若过冷度为零，则临界晶核尺寸为无穷大，即不能自发成核。相反，过冷度愈大，自发成核的临界晶核尺寸愈小。也就是说，随着过冷度的增加液相中自发成核所需的近程有序原子集团的尺寸也愈小。 这意味着过冷度愈大愈易自发形成晶核。 在实际金属熔液中总是存在某些未溶的杂质粒子 ， 这些固态离子表面及铸型壁等现成的界面都会成为液态金属结晶时的自然晶核 。 凡是依附于母相中某些现成界面而成核的过程都称为 非均匀成核 (非自发成核 )。 非均匀成核所需的过冷度比均匀成核的小的多 。 现成界面的状态 (表面能 、 浸润角 、 曲率半径 、 晶格位向等 )影响着非均匀成核的能力 。 均匀

6、成核与非均匀成核在金属结晶中是同时存在的 。 非均匀成核在实际生产中比均匀成核更重要 。 母相在给定的条件下产生晶核的能力可用成核率 (N)来表示。成核率是指在单位时间和单位体积内所形成的晶核数目。成核率愈大，结晶后晶体中的晶粒愈细小。 细化晶粒的方法 增加冷却速度，增大过冷度； 增加外来晶核 ; 采用机械、超声波振动、电磁搅拌等； 晶粒粗细对材料力学性能的影响 晶粒越细，强度越高，塑性和韧性也越好。 晶粒的大小通常是以晶粒度来表示。而晶粒度又是以单位界面内晶粒数目的多少来划分和标定的。通常是晶粒愈小材料强度、塑性愈好。 晶粒大小对材料的物理化学性能也有明显的影响。如：硅钢片中晶粒愈大磁滞损耗

7、愈少，耐蚀不锈钢中晶粒愈大耐腐蚀性愈好。 可见 ， 按照材料的不同用途和种类应合理的控制其晶粒大小 。 这就需要我们了解一些金属结晶时影响晶粒大小的因素 。 金属的同素异构转变 1538c 1394c 912c 室温 -Fe -Fe - Fe 体心立方 面心立方 体心立方 金属的同素异构转变的慨念 金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。 金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。 相 图 根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类 、 各相的相对量、 成分及温度变化时可能发生的变化 。 仅在热力学

8、平衡条件下成立 ， 不能确定结构 、 分布状态和具体形貌 。 Pb-Sb二元合金相图 合金结晶与二元合金相图 合金结晶的基本规律与纯金属的结晶基本相同 ， 也是在一定过冷度下成核和长大来完成结晶的 。 但是 ， 其结晶过程更复杂 ， 得到的组织可以是单相或是多相 ， 既可是纯固溶体也可是化合物或两相组成的机械混合物 。 而具体成分的合金显微组织可能是其中的一个相或一个基本组织 ， 也可能是多个相及基本组织的组合 。 而且在不同温度下 ， 同一化学成分合金的显微组织也可能不同。 对如此复杂的情况 ， 只用冷却曲线或语言简单叙述是很不方便的 。 因此 ， 出现了用相图这种形式来表述合金的结晶及冷却

9、的相变状况 。 相图是在平衡态下测画出来的 。 因此也称合金的平衡状态图 。 相图是表示在平衡状态下合金的化学成分 、 相 、 组织与温度的关系图 。 由于受到几何表述的限制 ，虽然合金系中的组元可以是多个 ， 但是 ，只能测画出二元合金的二元相图和三元合金的三元相图 ， 三元以上的合金通常是不能直接用相图来表述 。 即使三元合金的相图也是很复杂的 。 二元合金相图的测画 在每个二元合金系中都有无数个不同化学成分比例的合金。每一个具体成分合金都可以用热分析法测定出它的冷却曲线。将这些冷却曲线上的相转变点都转画到一个以温度为纵轴，化学成分为横轴的坐标中相对应的点上，则这些相变点所形成的各条曲线就

10、构成了一个二元合金系的相图。 实际上测画一个合金系的相图时，只需精确地测定这个合金系中一些有代表性的合金冷却曲线。再在温度 化学成分的坐标上将相同意义的相变点所对应的点用平滑曲线连接起来就构成这个合金系的相图。在相图上将各个交点标出字符，将各个相区内填上相应的相或基本组织的代号就得到了一张完整的相图了。 二元合金状态图 把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了 Pb-Sb二元合金相图。 Pb-Sb二元合金相图 二元匀晶相图 1 匀晶相同及其分析 （ 1） 匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变 。 （ 2） 匀晶相图：具有匀晶转变特征

11、的相图 。 相图测画示意图 返回 二元匀晶相图 相图分析 两点：纯组元的熔点； 两线： L, S相线； 三区： L, , L+ 。 1匀晶相图分析及合金的结晶过程 以 Cu Ni合金为例，图中 a点是纯铜的熔点(1083C)； b点是纯镍的熔点 (1452 C)； aa3a2a1b曲线是液相开始结晶的温度线，称为 液相线 ，在其线以上的区域合金系全部是呈液相 L状态，称为液相区。ab3b2b1b曲线是液相全部结晶结束的温度线，称为 固相线 ；在其线以下的区域合金系全部结晶成同一种均匀的固溶体相 ，此区称为固相区。在液相线与团相线围成的区域内是液相与团相共存的区域 (L十 )，称为两相区。 铜与

12、镍两组元组成的二元合金在固态下是无限固溶的，所以，任何成分比例都结晶成单相固溶体。由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变称为匀晶转变。在 Cu Ni合金系中，除纯 Cu和纯 Ni的结晶是纯金属的结晶，其结晶温度是一个点之外，其它任一个合金的结晶都是在一个相应的温度区间内完成结晶的。虽然温度区间的大小和温度的高低不同，但结晶规律是相同的。 从上图可见， WNi=B%的合金化学成分垂线与液相线相交于 L1，与固相线相交于 3。 当该合金由液相缓慢冷却 (平衡状态 )至 t1温度时，由液相中开始结晶出相。随着温度的不断降低 相比例不断增加，剩余液相的比例不断减少直至到 t3温度，液相 L全部结晶成 相

13、。在温度由 t1降到 t3的结晶转变过程中，不仅 L与 两相所占的比例不断变化，而且 L和 两相的化学成分，通过原子扩散也不断地变化。在t1时，结晶出来的 相的化学成分为该点所对应的成分 (含 Ni高于合金成分 )，剩余液相的化学成分 为L1点所对应的成分。 在 t1、 t3温度时 相的化学成分分别为 2， 3点对应的成分。而剩余液相的化学成分分别为 L2、 L3点对应的成分。这就是说， 在不同温度下刚刚结晶出来的固相 的化学成分是不相同的，其变化规律是沿着固相线变化。 与此同时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化。但是，由于 冷却速度很慢 (平衡态 )，又处在足够高的温度下，所以，当结晶

14、结束时，无论是先结晶的目相，还是后结晶出来的 相，其化学成分都将 通过原子足够长时间的扩散而趋平均匀相同。 并且 相的晶粒通常都是不规则的多面体状，称等轴晶粒。 2.枝晶偏析 由前述可知不同温度下结晶出来的 相成分是不同的，温度高时结晶出来的 相含熔点高的镍元素多，温度低时结晶的 相含镍少。由于在实际生产中冷却速度较快(不能保证平衡态 )，原子扩散迁移滞后于结晶， 相化学成分的均匀性得不到保证。这时就会出现在一个晶粒内，各处成分的不均匀现象。称为 晶内偏析 。因为 相是以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支干就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析。 枝晶偏析会降低合金的力学性能 (尤其是塑性和韧性 )和工艺性能。对于有枝晶偏析的铸锭和铸件可采用在低于固相线 100C 200C的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互扩散而使成分趋于均匀，消除枝晶偏析。这种热处理方法称为 均匀化退火 ，也称 扩散退火 。 二元共晶相图及合金凝固 共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固