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1、第三章 材料的凝固与结晶组织,3.1 概述 3.2 纯金属的结晶 3.3 合金的结晶与相图 3.4 铸态组织与冶金缺陷,思考,1. 纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，如何改善？,2. 合金的结晶过程是否与纯金属的结晶过程相同？,3. 相同成分不同含量的合金的结晶过程是否相同？怎样表示？,3.1 概 述,一、凝固与结晶的概念,1. 凝固：,物质由液态转化为固态的过程。,2. 结晶：,物质由一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种 原子规则排列状态（晶态）的转变过程。 （1）一次结晶 （2）二次结晶,二、晶态,1. 结构,（1）晶态是原子在三维空间中有规则地周期性重复排列的物质。 （2）
2、非晶态是一种短程有序、长程无序的混合结构。,非晶态硒（形成结晶前凝固）硒鼓静电成像、 图书馆、 超市物品中用了非晶态软磁材料条带（传感器标签）。,3.1 概述,二、晶态,2. 物理性能,（1） 有各向异性； （2） 有固定的熔点； （3） 在一定条件下有规则的几何外形。,3.1 概述,晶体有确定的熔点,熔点,晶体,非晶体,3.1 概述,3.2 纯金属的结晶,一、结晶条件,二、结晶过程,三、结晶晶粒大小及控制,四、晶体的同素异构,温度T,Tm,Tn,T,纯金属结晶时的冷却曲线,一、结晶条件,时间,T = Tm - Tn Tm - 理论结晶温度 Tn - 实际结晶温度,过冷度,3.2 纯金属的结晶
3、,一、结晶条件,自由能G,T,Tm,Tn,GL,G,GS,温度T,纯金属在液态和固态的自由能-温度曲线:,3.2 纯金属的结晶,G 结晶驱动力,二、结晶过程,液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程实现的。,3.2 纯金属的结晶,结晶过程视频,二、结晶过程,液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程实现的。,3.2 纯金属的结晶,二、结晶过程,1. 晶核的形成 （1）自发形核 （2）非自发形核,3.2 纯金属的结晶,二、结晶过程,2 . 晶体的长大（1）平面长大 （2）树枝状长大,3.2 纯金属的结晶,结晶过程flash演示,二、结晶过程,2 . 晶体的长大（1）平面长大 （2）
4、树枝状长大,3.2 纯金属的结晶,金属的树枝晶,二、结晶过程,3.2 纯金属的结晶,冰的树枝晶,三、结晶晶粒大小及控制,晶粒的大小用晶粒度表示，晶粒度等级数值越大晶粒越细。,1. 晶粒度,3.2 纯金属的结晶,三、结晶晶粒大小及控制,晶粒的大小对金属性能的影响：,（1）常温下，晶粒越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。 （2）高温下工作的金属晶粒过于细小反而不好，晶粒大小适中即可。 （3）对于用来制造电机和变压器的硅钢片来说，晶粒粗大反而好。 是因为晶粒越粗大，磁滞损耗小，效能就高。,3.2 纯金属的结晶,细晶强化：晶粒细化使金属力学性能提高的现象,晶粒尺寸越小，金属的强度、硬度越高，塑
5、性、韧性越好。,（1）细晶强化：强、硬度 塑、韧性,（2）固溶强化：强、硬度 塑、韧性,（3）形变强化：强、硬度 塑、韧性,（4）弥散强化：强、硬度 塑、韧性,几种强化方式的比较：,三、结晶晶粒大小及控制,3.2 纯金属的结晶,G,N,过冷度T,2. 晶粒大小的控制,晶粒的大小取决于 形核率 N、长大速度G的 相对大小，即 的大小。,形核率N 长大速度G,3.2 纯金属的结晶,三、结晶晶粒大小及控制,控制晶粒大小的方法： （1）控制过冷度 V冷 T N 晶粒细小 （2）变质处理 （3）振动处理,3.2 纯金属的结晶,三、结晶晶粒大小及控制,控制晶粒大小的方法： （1）控制过冷度 V冷TN晶粒细
6、小 （2）变质处理 （3）振动处理,四、晶体的同素异构,固态金属在不同温度和压力下呈不同类型的晶体结构的现象，称为同素异构转变。,3.2 纯金属的结晶,Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构性,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,二、二元合金相图,（一）匀晶相图,（二）共晶相图,（三）共析相图,合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元 素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属材 料。,思考,金属与非金属组成的是不是一定就是合金？,Fe + C,Fe-C合金（钢）,Fe3C (化合物）,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,3.3 合金的结晶与相图,1. 合金 两种或
7、两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成的具有金属特性的物质。,一、合金相结构,3. 相 合金中具有同一化学成分、同一聚集状态、同一结构且以界面 互相分开的各个均匀的组成部分。,2. 组元 组成合金的最基本独立物质。,4. 组织 用肉眼或显微镜所观察到的材料的内部微观形貌。,合金中的基本相结构：固溶体和金属间化合物,A(B) AxBy,组元：组成合金独立的最基本单元。组元可以是元 素或是稳定化合物。,Fe-C合金,Fe、C组元,Fe、Fe3C组元,鸡蛋,水，蛋白质，脂肪，胆固醇,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开
8、的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。,鸡蛋,蛋白、蛋黄,工业纯铁,单相铁素体,共析碳钢,铁素体相、渗碳体相,普通陶瓷,晶相、玻璃相、气相,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,（一）固溶体 溶质原子溶入金属溶剂中所组成的固态合金,1. 固溶体类型,（1）按溶质在金属溶剂晶格中的位置,（2）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,置换固溶体 1Cr18Ni9Ti,间隙固溶体 铁素体、奥氏体,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,100时，糖在水中的饱和度为80%。 90 时，糖在水中的饱和度为70%。 过饱和体的浓度为含糖量90%。,3.3 合金的结晶与相图,一、
9、合金相结构,2. 固溶体的性能,固溶强化 由于外来原子（溶质原子）溶入溶剂基体中形成固溶体 而其强度、硬度升高的现象。,溶质原子溶入 晶格畸变 位错运动阻力上升 金属塑性变形困难 强度、硬度升高。,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,（二）金属间化合物,合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物，称为中间相。其熔点高、硬度高、脆性大。,1. 正常价化合物,2. 电子化合物,3. 间隙相和间隙化合物,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,间隙相 VC,间隙化合物 Fe3C,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,3.3 合金的结晶与相图,一、
10、合金相结构,（一）匀晶相图,Cu-Ni、Cu-Ag、Au-Ag,3.3 合金的结晶与相图,二、二元合金相图,3.3 合金的结晶与相图,二、二元合金相图,（一）匀晶相图,匀晶结晶有下列特点： （1）与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树枝状长大。 （2）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。 （3）在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。 （4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。 （5）固溶体结晶时成分是变化的 （成分偏析,均匀化退火）。,3.3 合金的结晶与相图,二、二元合金相图,3.3 合金
11、的结晶与相图,二、二元合金相图,（二）共晶相图,E - 共晶点 AEB - 液相线 ACENB - 固相线 三个单相区（L、） 三个两相区（L+、L+、+） 一条三相共存线（ L+, 水平线CEN）,3.3 合金的结晶与相图,二、二元合金相图,Pb - Sn共晶合金显微组织,问：焊锡的成份？,3.3 合金的结晶与相图,二、二元合金相图,（三）共析相图,由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相，此两相混合物称为共析体。共析产物比共晶产物细密得多。如珠光体（P）。,3.3 合金的结晶与相图,二、二元合金相图, 1+2,凝固后在铸造状态(或还要经过热处理)下使用的金属件称为铸件，凝固后还要经历塑
12、性变形的金属件称为铸锭。,3.4 铸态组织与冶金缺陷,一、典型三晶区组织,1 - 表层细晶区 2 - 柱状晶区 3 - 中心等轴晶区,铸锭组织示意图,3.4 铸态组织与冶金缺陷,柱状晶粒区 （1）分枝少，晶质细密； （2）晶粒粗大，各向异性，横向性能差； （3）柱状晶交界处有夹杂和气体，热加工时易开裂。 获得：大的温度梯度，单向散热，定向凝固。,3.4 铸态组织与冶金缺陷,一、典型三晶区组织,等轴晶粒区 （1）晶界面积大，杂质分布分散； （2）各晶粒位向不同，性能均匀，没有方向性； （3）枝晶彼此嵌人，没有脆弱面。 （4）缺点是枝晶发达，树枝晶间液相凝固收缩留下很多 分散孔洞(显微缩松)，因此凝固后全属组织不够致密。 获得：较低的浇注温度；孕育处理；机械振动、电磁搅拌。,3.4 铸态组织与冶金缺陷,一、典型三晶区组织,二、冶金缺陷,（1）缩孔 （2）疏松 （3）气泡 （4）裂纹 （5）偏析,3.4 铸态组织与冶金缺陷,3.4 铸态组织与冶金缺陷,二、冶金缺陷,裂纹,3.4 铸态组织与冶金缺陷,二、冶金缺陷,
