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1、第三章第三章 材料的凝固与相图材料的凝固与相图 u 凝固与结晶的基本概念 u 纯金属的结晶 u 合金的结晶与相图 u 铸态组织与冶金缺陷 3.1 凝固与结晶的概念 1.凝固 物质由液态转变成固态的过程。 晶体？ 非晶体？ 2.结晶 *由液态转变成晶体固态物质的过程。 工程上一般把金属由液态转变为态转变为 固态态的加工过过 程称为为铸铸造。 将液态态金属浇铸浇铸 到锭锭模或铸铸模中冷却为为一定形 状的块块体称为为铸锭铸锭 。也可以直接浇浇注成铸铸件。 2 铸 铝 锭 3 浇注50t铸钢支承辊 4 炼钢连铸连轧生产线 钢包 结晶器 5 *物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程。 意义：材料
2、中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用冶 炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才得到固 态。 一般情况下固态金属和合金 是多晶体，不同的金属及合 金在不同的结晶条件下所得 到的晶粒的大小、形状、分 布、晶体学取向、相的成分 以及相对量不同，形成各种 各样的组织，从而导致千差 万别的性能。 3.1 凝固与结晶的概念 6 凝固状态的影响因素 1.物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更 低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低，而低温下 按特定方式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的 基本原则。 2.熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻力， 随温度降低，粘
3、度不断增加，在到达结晶转变温度前，粘 度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时，即可以保持 固定的形状，这时物质已经凝固，不能发生结晶。例如玻 璃、高分子材料。 3.熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度原子来 不及重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合 成晶体，可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到 106/s才能获得非晶态。 在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体 ，这时的凝固过程也是结晶过程。 7 原子排列呈长程无序、短程有序 无晶粒、无晶界、各向同性、高度的均一性 实现对材料结构进行原子尺度的设计与控制 非晶态合金 非晶合金发展历史概述 8 1960年Duwez
4、等人通过AuSi合金液体淬火发现的金属玻璃， 被认为是金属材料科学中的一次革命。传统的金属玻璃已经产 业化，但由于受快速冷却条件（106K/s）的限制，只能做粉、 丝、薄带等低维材料，应用领域受到了制约。 块体金属玻璃是二十世纪九十年代发展起来的新一代金属玻璃 。通过合金成分控制提高其玻璃形成能力，能够在常规铸造冷 却条件下获得块体材料，如何获得高玻璃形成能力的合金成为 关键问题。 非晶合金发展历史概述 9 非晶合金具有传统金属材料无法达到的性能 10 液态金属原子的位置是不规则的密堆排列, 它们在互相挤碰的热运动中，也会出现许多大 小不等、规则排列、取向不定、时聚时散的原 子团。 这种原子团
5、的规则排列称短程有序。 液态金属结构液态金属结构 3.2 纯金属结晶 11 当温度下降至结晶温度以下时，原子团不再消失并迅 速长大形成规则排列的晶胚晶核晶粒固态晶体 金属。规则排列的原子结构，称长程有序。 液态金属结构液态金属结构 不规则排列，短程有序 固态金属结构固态金属结构 规则排列，长程有序 12 一、结晶条件一、结晶条件 过冷现象：金属在平衡 结晶温度Tm时，结晶为晶体 的速度与晶体熔化为液体的 速度相等，不发生结晶。只 有在Tn时才能结晶。 实际结晶温度与理论结 晶温度存在一温差T，称过 冷度。 T =Tm Tn 过冷是结晶的必要条件。 13 结晶温度 金属理论 结晶温度 环境温度使
6、液 态金属温度降 低至Tn 在Tn结晶并释 放潜热，使结 晶温度又升高 至Tm 铁Fe 1538，铜Cu 1085，金Au 1064，银Ag 962 铝Al 660，锌Zn 420，铅Pb 327，锡Sn 232 14 结晶的热力学条件及结构条件 1.金属结晶的热力学条件: G = H S T G 物体的自由能 H 物体的焓值 S 熵 T 温度 K 15 G / T = S ee - F T T G TnToTL 液相 固相 16 2.金属结晶的结构条件 近程有序结构 结构起伏 结晶 远程有序结构 17 二.结晶过程 形核 长大 18 结晶的一般规律: 形核、长大 。 19 1、形核 1）均质
7、形核：晶核是在母相（液相）中直接由 那些时聚时散的原子集团形成晶胚，再长大为晶核 。 2)非均质形核：晶核依附于液相中的杂质或外来 表面形核。 实际熔液都存在杂质和外表面， 凝固方式主要是非均质形核。 20 1、形核 液态金属有许多不稳定、短程有序的原子团。当 温度低于Tm时，原子团成为均质形核的晶胚。 晶胚内原子规则排列，其外层原子与液体中无 规则排列的原子相接触构成界面。 21 2、结晶（晶核长大） 在一定的过冷度下，晶核形成后会继 续长大，形成晶体。 22 3.晶核的长大方式树枝状 23 2.晶核的长大方式树枝状 24 金属的树枝晶 金属的树枝晶 金属的树枝晶 冰的树枝晶 25 4.影响
8、晶核的形核率和 晶体长大率的因素 p过冷度的影响 p未熔杂质的影响 26 三、结晶晶粒大小与控制 晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小。在生产中用晶粒度 表示，测定方法是在放大100倍下观察和标准的进行对比评 级，18级(有更高的)，级别高的晶粒细。 27 晶粒的大小对金属性能有重要影响！ 细化晶粒是提高金属机械性能的重要途径。这 种方法称为细晶强化细晶强化。 细晶强化是同时可以提高金属强度、硬度、塑 性及韧性的唯一有效方法。 金属强化方向之一： 晶粒细化超细化纳米晶 非晶态 28 29 细化铸态金属晶粒措施之一： 增大过冷度增大过冷度 过冷度T增大,形核速 率N和长大速度G都会增大。 T较小时，N
9、的增长率 小于G； T较大时，N的增长率 大于G。 30 增大过冷度的主要办法： 1、降低浇注温度。 2、提高浇注后的冷却速度（如采用金属型铸模）。 高速急冷可获得超细晶或纳米晶粒。 超高速急冷可使液态金属难以结晶而得到非晶 态结构。非晶态金属具有很高的强度和韧性及优异 的电磁性能和高的抗腐蚀性能等。 31 32 细化铸态金属晶粒措施之二：变质处理变质处理 在液体金属中加入变质剂（孕育剂），增加 晶核的数量，细化晶粒和净化晶界。 如在铝液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、 钒、铝、镁、硅等，可使晶粒明显细化。 33 耐磨材料的细化晶粒强化 34 细化铸态金属晶粒措施之三：振动与搅拌振动与搅拌 金属
10、在结晶过程中采用机械振动、超声波振动、电磁电磁 搅拌、搅拌、吹入惰性气体等方法，使正在生长的树枝状 晶破碎，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。 35 四、晶体的同素异构 有些金属固态时存在两种或两种以上的晶体结 构（铁、钴、钛等）。在固态的某一温度，晶格结 构会发生转变。 由一种晶格结构转变为另一种晶格结构，称同 素异构转变。 金属在固态的金属在固态的晶格结构转变过程称为二次结晶过程称为二次结晶 （重结晶）。（重结晶）。 36 金属在发生同素异构转变 时也有过冷现象，也释放潜热， 有固定的转变温度。 转变过程重新形核并长大 为新的晶粒。 固态转变需要较大的过冷度 。 37 纯铁的冷却曲线 在
11、1538 液态铁 -Fe （体心） 在1394 -Fe Fe （体心） （面心） 在912 Fe -Fe （面心） （体心） 38 合金：一种金属与另一种或多种金属与非金属元 素组成的具有金属特性的物质。 碳钢是由铁与碳两 个组元组成的二元合金； 合金钢是由铁、碳及其 它元素组成的多元合金。 3.3 合金的结晶与相图 39 一、一、 合金相结构合金相结构 相是结构相同、化学成分相同的组成部分。 如液态金属为液相；如液态金属为液相； - Fe为体心立方结构的固 态相； Fe3C（渗碳体）渗碳体）在钢中为复杂结构的间隙化 合物相。 工业纯铁 C%0.0218% T8T8钢钢 由铁素体相和由铁素体相
12、和 （相或铁素体相） Fe3C相相组成 40 组织：组织：一种或多种相的组成体。一种或多种相的组成体。 相构成了组织。相的形态、组织形态，相的形态、组织形态， 可在光学或电子显微镜下进行观察。可在光学或电子显微镜下进行观察。 工业纯铁 T8T8钢钢 珠光体组织珠光体组织 （ 铁素体组织）铁素体组织） （由铁素体相和渗碳体相（由铁素体相和渗碳体相组成） 41 相组成： - Fe相（铁素体） Fe3C相（渗碳体） 组织组成：组织组成：铁素体组织珠光体组织。 珠光体组织： - Fe相 Fe3C相。 20CrMo20CrMo钢金相观察钢金相观察 42 两种基本相结构： 固溶体固溶体、金属间化合物金属间
13、化合物。 1 1、固溶体、固溶体 二个组元通过溶解形成一种与原结构相同的固 相称为固溶体A（B）。 成分均匀、性能一致。 43 固溶体分类：固溶体分类： 置换固溶体： 晶格相同,原子半径、化学 性质相近的元素组成。 如Fe与Mn、Ni、Cr、Si、Mo 另Cu-Sn、Pb-Zn、Cu-Ni等。 溶质原子在金属溶剂晶格中的位置 44 间隙固溶体： 原子半径较小的元素 溶入溶剂晶格的间隙形 成的固溶体。 过渡金属Fe、Co、Ni 与H、B、C、N形成间 隙固溶体。 如-Fe（铁素体） -Fe（奥氏体） 置换：Cu-Sn、Pb-Zn （有限）； Cu-Ni、Fe-Cr （无限）； 间隙：-Fe（铁素
14、体）对碳的溶解度： 727时为0.0218% ，而常温仅0.0008%。 按溶质原子在金属溶剂中的溶解度 有限固溶体、无限固溶体 46 固溶体性能固溶体性能 固溶强化：溶质原子引起溶剂晶格畸变,使材 料强度和硬度升高，塑性和韧性有所降低。 机理：溶质原子溶入晶格畸变阻碍位错运 动金属塑性变形困难强度、硬度升高。 a) b) c) 47 2 2、金属间化合物（、金属间化合物（合金中第二种相结构） 金属间化合物是组元元素形有金属特性的、晶格 和特性完全不同于任一组元的化合物。 特点：具有特殊的物理化学性能、高的熔点和硬度 ； 显著提高合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性 。 主要类型：主要类型： 1）正常价化合物 金与非，（Mg2Si、Cu2Se、MnS）遵守化合价 规律，脆、硬度较高 ； 2）电子化合物 金与金，金属键，脆，硬度较高 ； 48 3）间隙化合物 金与非，
