03第三章材料的凝固

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1、第三章 材料的凝固 第一节 纯金属的结晶 第二节 合金的结晶 第三节 铁碳合金相图 第四节 铸锭 (件 )组织与缺陷 水晶 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。 凝固 结晶 非晶体 晶体 液体 水 结晶 = 相变 冰 第一节 纯金属的结晶 一 . 冷却曲线与过冷度 二 . 结晶的一般过程 三 . 同素异构转变 一、冷却曲线与过冷 1、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 曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的

2、 。 纯金属的冷却曲线 2、过冷与过冷度 纯金属都有一个 理论结晶温度 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 。 结晶只有在 际结晶温度下才能进行。 纯金属的冷却曲线 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称 过冷 。 理论结晶温度与实际结晶温度的差 冷度 T= 过冷度大小与冷却速度有关， 冷速越大，过冷度越大 。 二、结晶的一般过程 1、结晶的基本过程 结晶由 晶核的形成 和 晶核的长大 两个基本过程组成 . 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 晶胚 。在 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 。 1

3、T 液体和晶体自由能随温度变化 晶胚半径与体、液体、晶体的结构 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。 2、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。 均匀形核 非均匀形核示意图 3、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。 均匀长大 树枝状长大 在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。 正温度梯度 实际金属结晶主要

4、以树枝状长大。 是因存在 负温度梯度， 且晶核棱角处散热好 ，生长快，先形成 一次轴 ，一次轴产生 二次轴 ，树枝间最后被填充。 负温度梯度 树枝状长大 树枝状长大的实际观察 树枝状长大的实际观察 (定向凝固 ) 金属的树枝状结晶 三、同素异构转变 构转变 。 同素异构转变属于相变之一 固态相变 。 1394 912 物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称 同素异 纯铁的同素异构转变 1、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： 白锡 四方 灰锡 金刚石立方 13 体心立方结构( 心立方结构(都是铁的 同素异构体 。 12 2、固态转变的特点 形核一般在某些特定部位发

5、生 (如晶界、晶内缺陷、特定晶面等 )。 由于固态下扩散困难 ,因而过冷倾向大。 固态转变伴随着体积变化 , 易造成很大内应力 。 固态相变的晶界形核 (255K) 锡疫 四、结晶后的晶粒大小及其控制 1、晶粒度 表示晶粒大小的尺度叫 晶粒度 。 可用晶粒的平均面积或平均直径表示。 工业生产上采用 晶粒度等级 来表示晶粒大小。 标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细 。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。 2、决定晶粒度的因素 晶粒的大小取决于 晶核的形成速度 和 长大速度 。 过冷度对 N、 单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫 形核率 (N)。 单位时间内晶核生长的长度叫 长

6、大速度 (G)。 N/粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。 3、控制晶粒度的方法 控制过冷度： 随过冷度 增加， N/粒变细。 变质处理： 又称 孕育处理 。 即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。 所加入的非均匀形核物质叫 变质剂 （或称 孕育剂 ）。 缓冷 快冷 未变质 变质 铸铁变质处理前后的组织 变质处理前 变质处理后 变质处理使铸铁中石墨细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。 电磁搅拌细化晶粒示意图 超声振动细化晶粒示意图 振动、搅拌等 : 对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面 可靠外部输入的能量来促进形核 ， 另一方面也可 使成长中的枝晶破碎，使

7、晶核数目显著增加。 气轮机转子的宏观组织 (纵截面 ) 细晶的熔模铸件 (上 ) 普通铸件 (下 ) 4、晶粒大小对金属性能的影响 常温下 ， 晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好 ,即 细晶强化 。 高温下 ，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。 单晶叶片 s= i+ 晶粒大小与金属强度的关系 多晶铁的拉伸变形 室温 高温 第二节 合金的结晶 一、二元相图的建立 二、二元相图的基本类型与分析 1、二元匀晶相图 2、二元共晶相图 3、二元包晶相图 4、形成稳定化合物的二元相图 5、具

8、有共析反应的二元相图 6、二元相图的分析步骤 7、相图与合金性能之间的关系 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用 相图 进行分析 . 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 。 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。 多数情况下 组元是指组成合金的元素 。但对于 既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元 , 如 L 成分（ 温度（）i 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

9、据组元数 , 分为二元相图、三元相图和多元相图。 三元相图 一、二元相图的建立 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 。 二元相图的建立步骤为： 以 白铜 )为例 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 2. 将临界点标在温度 3. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。 相图中， 结晶开始点的连线叫 液相线 。结晶终了点的连线叫 固相线 。 二、二元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 。 以 1、二元匀晶相图 相图由两条线构成 ，上面是液相线，下面是固相线。 相图

10、被两条线分为三个相区 ，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 + ） 。 L L + 成分 （ i） i 液相线 固相线 A B 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 始结晶出成分为 1的固溶体，其 L 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 。 成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到 最后一滴 时 固溶体的成分又变回到合金成分 3上来 。 液固相线不仅是相区

11、分界线 , 也是结晶时两相的成分变化线 ； 匀晶转变是变温转变 。 L 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 确定两平衡相的成分： 设合金成分为 x，过 分垂线。在成分垂线相当于温度 t 的 与液固相线交点 a、 1 2 t L L O b a x x1 B 则 Q =1 QL Q x 解方程组得 121122 式中的 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 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： 21或 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为 杠杆定律 。即 合金在某

12、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 。 例题 （如图） %0 Q%0 5%8%3% L 1 2 1300 T 0 100%00% 枝晶偏析 定义： 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（如 i） , 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素 (如 u)。 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。 影响因素 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。