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1、第三章 金属与合金的结晶 n1纯金属的结晶 n2合金的结晶 工程材料1第3章 金属与合金的结晶 1纯金属的结晶 一、结晶的基本概念 n 一切物质从液态到固态的转变过程称 为凝固，如凝固后形成晶体结构，则称为 结晶。 n 金属在固态下通常都是晶体，所以金 属自液态冷却转变为固态的过程，称为金 属的结晶。 工程材料2第3章 金属与合金的结晶 n 液态金属与固态金属的主要差别在 于：液态金属无一定形状，易流动， 原子间的距离大，但在一定温度条件 下，在液态金属中存在与固态金属的“ 远程排列”不同的“近程排列”。 工程材料3第3章 金属与合金的结晶 一、纯金属结晶的基本条件 1. 结晶时的过冷现象 n
2、 各种纯金属如Fe、Cu等都有一定的结晶温度。 Fe：1539，Cu：1083等等，这是指理论结晶温 度，也叫平衡结晶温度，是指液体的结晶速度与晶 体的熔化速度相等时的温度。 工程材料4第3章 金属与合金的结晶 n 实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度 ，原因在结晶的能量条件上。 n 在自然界中，任何物质都具有一定的能量，而 且一切物质都是自发地由能量高的状态向能量低的 状态转变，结晶过程也同样遵循这一规律。 工程材料5第3章 金属与合金的结晶 晶体 液体 结晶 结晶： 液体 晶体 凝固： 液体 固体（晶体 或 非晶体） 工程材料6第3章 金属与合金的结晶 1. 结晶时的过冷现象 n 图3
3、1中以自由能F代表 体系的能量，只有当固态金 属的自由能低于液态金属的 自由能， 即:体系自由能变化F=F 固F液0时,结晶过程才能 自发进行。 图31 液体和固体的 自由能随温度的变化 工程材料7第3章 金属与合金的结晶 n 从温度坐标上看，只有实际结晶温度T1低 于平衡结晶温度T0，结晶过程才能自发进行。 n 这种实际结晶温度低于平衡结晶温度的现 象称为过冷现象。 n 两者之间的温度差T称为过冷度。即 :T=T0Tn。 n 过冷度的大小与金属的本性以及冷却速度 有关，冷却速度愈大，过冷度T愈大。 工程材料8第3章 金属与合金的结晶 冷却曲线 t T T0 Tn 理论结晶温度 开始结晶温度
4、T 过冷度过冷度 T= T0 - Tn 纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能 ） 工程材料9第3章 金属与合金的结晶 冷却速度越大，则过冷度越大。 工程材料10第3章 金属与合金的结晶 n 可见，随时间的增长，温度逐渐降低，当到T0 温度时出现一个平台， n 说明这时虽然液体金属向外散热，但其温度 并没下降，这是由于在这一温度液体开始结晶向 外散热，补偿了液体对外的热量散失，说明这一 水平台阶对应的温度正是实际结晶温度。这一平 台的开始时间即结晶的开始，终了时间即结晶的 终了，结晶终了后就没有结晶潜热来补偿热量的 散失，所以温度 又开始下降。 工程材料11第3章 金属与合金的
5、结晶 一、纯金属结晶的基本条件 图33冷却曲线的测定 工程材料12第3章 金属与合金的结晶 一、纯金属结晶的基本条件 图34 冷却曲线 工程材料13第3章 金属与合金的结晶 一、纯金属结晶的基本条件 图35 结晶过程 工程材料14第3章 金属与合金的结晶 一、纯金属结晶的基本条件 图36 铅锡铋合金的结晶组织金相像片 工程材料15第3章 金属与合金的结晶 二、纯金属结晶的基本过程 1. 形核和核长大 n 金属的结晶过程从微观的角度看，当液体金属 冷到实际结晶温度后，开始从液体中形成一些尺寸 极小的、原子呈规则排列的晶体晶核，这种已形 成的晶核不断长大，同时液态金属的其它部位也产 生新的晶核，新
6、晶核又不断长大，直到液态金属全 部消失，结晶结束。 n 液态金属的结晶包括形核和晶核长大的两个基 本环节。 工程材料16第3章 金属与合金的结晶 n 形核有自发形核和非自发形核两种方式， n 自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产 生，原子呈规则排列的结晶核心；非自发形核是液态 金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核，非自发 形核所需能量较少，它比自发形核容易得多，一般条 件下，液态金属结晶主要靠非自发形核。 n晶体的长大以枝晶状形式进行的，并不断地分枝发展 。 工程材料17第3章 金属与合金的结晶 结晶 工程材料18第3章 金属与合金的结晶 液态金属形核晶核长大 完全结晶 形核和晶核长大
7、的过程 工程材料19第3章 金属与合金的结晶 纯金属结晶过程 工程材料20第3章 金属与合金的结晶 二、纯金属结晶的基本过程 n1. 形核和核长大 图37 形核和核长大方式 工程材料21第3章 金属与合金的结晶 晶粒缩小和长大 工程材料22第3章 金属与合金的结晶 工程材料23第3章 金属与合金的结晶 4 金属的结晶 工程材料24第3章 金属与合金的结晶 工程材料25第3章 金属与合金的结晶 二、纯金属结晶的基本过程 图38 铸锭结晶组织 工程材料26第3章 金属与合金的结晶 工程材料27第3章 金属与合金的结晶 2. 影响晶核形成和长大的因素 n 晶粒大小对金属机械性能影 响较大，在常温下工
8、作的金属其 强度、硬度、塑性和韧性，一般 是随晶粒细化而有所提高的。影 响晶粒大小的因素有： n 形核率N，长大速度G，形 核率N大，而长大速度G相对小 ，则晶粒愈细，即N与G的比值 大则晶粒细。 图39 影响晶粒形核 率和长大速度的因素 工程材料28第3章 金属与合金的结晶 n 1）过冷度：T大，F大，结晶驱动力大，形核 率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高 了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒 细化不利，结晶发生困难。见图39 2）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某 些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点， 使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率， 细化
9、晶粒的处理方法。 工程材料29第3章 金属与合金的结晶 纯铁的冷却曲线 T t 1538 1394 912 -Fe，bcc -Fe，bcc -Fe，fcc Cooling curve 770 铁磁性 工程材料30第3章 金属与合金的结晶 4. 细化铸态金属晶粒的措施 晶粒度 表示晶粒大小，分8级（p111)。 晶粒度12345678 单位面积晶粒数 （个/mm2） 16326412825651210242048 晶粒平均直径 （m） 2501771258862443122 细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象 工程材料31第3章 金属与合金的结晶 比较： 细晶强化强度、硬度、塑性、韧性
10、固溶强化强度、硬度，塑性、韧性 工程材料32第3章 金属与合金的结晶 细化晶粒的措施 1. 提高过冷度 2. 变质处理 3. 振动结晶 工程材料33第3章 金属与合金的结晶 （1）提高过冷度 形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系 T G，N G N 工程材料34第3章 金属与合金的结晶 （2）变质处理 在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织 的工艺措施。 变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。 （3）振动结晶 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。 机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。 工程材料35第3章 金属与合金的结晶 2合金的结晶 n一、相图
11、的意义及相关概念 n相图的意义 n相关概念 组元 合金系 相图 工程材料36第3章 金属与合金的结晶 相图的相关概念 n1 组元： n 通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立 存在的物质称为组元。但在所研究的范围内既不分解 也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元， 如Fe3C看作一组元。 n2 合金系 n 由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一 系列不同成分的合金，称为合金系。 工程材料37第3章 金属与合金的结晶 n3相图 n 用来表示合金系中各个合金的结晶过程 的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图 。 n 相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却 的条件下获得的，都是接近平衡状态的组
12、织 。 工程材料38第3章 金属与合金的结晶 二、二元合金状态图的建立 n目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状 态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。 n以CuNi合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤 ： n（1）配制不同成分的合金试样，如纯铜； 75%Cu+25%Ni；50%Cu+50%Ni；合金 25%Cu+75%Ni；：纯Ni。 n（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点 ； n（3）将各临界点绘在温度合金成分坐标图上； n（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu 、Ni合金相图。 工程材料39第3章 金属与合金的结晶 工程材料40第3章 金属
13、与合金的结晶 四、二元状态图的基本类型分析 n1.二元匀晶相图 n2.二元共晶相图 n3.二元包晶相图 n4.形成稳定化合物的相图 n5.具有共析转变的相图 n6.合金的性能与相图的关系 工程材料41第3章 金属与合金的结晶 1.二元匀晶相图 1相图的组成及特征 2合金平衡结晶过程及组织 3枝晶偏析及其消除 工程材料42第3章 金属与合金的结晶 匀晶相图 相图（平衡图、状态图） 平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。 Cu Ni Ni% T,C 20406080 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L L+ 工程材料43第3章 金
14、属与合金的结晶 铜-镍合金匀晶相图 Cu Ni Ni% T,C 20406080 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L L+ 纯铜 熔点 纯镍 熔点 液相线 固相线 液相区 固相区 液固两相区 工程材料44第3章 金属与合金的结晶 匀晶合金的结晶过程 a b c d T,C t L L L 匀晶转变 L 冷却曲线 Cu Ni Ni% T,C 20406080 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L L+ 匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点， 而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。
15、工程材料45第3章 金属与合金的结晶 杠杆定律 Cu Ni Ni% T,C 20406080 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L L+ 1 2 a c b a1 b1 c1 T1 T2 1. 在两相区内，对应 每一确定的温度，两 相的成分是确定的。 2. 随着温度的降低， 两相的成分分别沿液 相线和固相线变化。 杠杆定律：在两相区内，对 应每一确定的温度T1，两相 质量的比值是确定的。即 QL/Q=b1c1/a1b1 杠杆定律推论：在两 相区内，对应温度T1 时两相在合金b中的相 对质量各为 QL/QH=b1c1/a1c1 Q/QH=a1
16、b1/a1c1 =1- QL/QH 工程材料46第3章 金属与合金的结晶 Cu-Ni二元均晶相图 工程材料47第3章 金属与合金的结晶 Cu-Ni合金枝晶偏析示意图 工程材料48第3章 金属与合金的结晶 枝晶偏析及其消除 n 由于实际生产中，合金冷却速度快，原子 扩散不充分。扩散过程总是落后于结晶过程，合 金结晶是在非平衡的条件下进行的。这使得先结 晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，合金的 熔点较高，构成晶体的树枝状骨架，后结晶出的 部分含高熔点组元较少，熔点较低，填充于枝间 。 n 这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝 晶偏析或称晶内偏析。 工程材料49第3章 金属与合金的结晶 n 出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性 能、耐蚀性能和加工工艺性能变坏。 n 出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以 消除。一般采用将铸件加热到低于固相线100 200
