材料的凝固幻灯片

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1、有一直径为do=10mm，Lo=100mmr的低碳钢试样，拉伸试验时测得Fs=21000N，Fb=29000N，dk=5.65mm，Lk=138mmr。求此试样的s、b、。,第三章 材料的凝固,金属的结晶以及二元合金相图,3.1 金属的结晶过程 3.2 晶粒大小的控制 3.3 金属铸锭宏观组织 3.4 同素异晶转变 3.5 二元合金相图,液体 - 固体（晶体 或 非晶体）- 凝固,液体 - 晶体 - 结晶,结晶,3.1 金属的结晶过程,一、液态金属的结构,经研究发现在略高于熔点时，液态金属的结构具有以下特点：是近程有序远程无序结构，见右图；存在着能量起伏和结构起伏。,3.1 金属的结晶过程,局

2、部的近程有序,二、结晶过程的宏观现象,研究液态金属结晶的最常用、最简单的方法是热分析法。它是将金属放入坩埚中，加热熔化后切断电源，用热电偶测量液态金属的温度与时间的关系曲线，该曲线称为冷却曲线或热分析曲线，见右图。,过冷现象冷却过程中的温度平台,T0,T1,T,理论结晶温度,开始结晶温度,T = T0 T1,时间,温度,纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度,3.1 金属的结晶过程,结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。过冷现象： 液态金属必须冷却到理论结晶温度Tm以下某一个温度T时才开始结晶，这个现象称为过冷。,3.1 金属的结晶过程,三. 金属结晶的热力学条件,过冷后，液

3、固相自由能之差G就是金属结晶的驱动力，过冷度越大，驱动力越大。,3.1 金属的结晶过程,四、金属结晶的微观基本过程 形核长大过程,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,结晶过程示意图,3.1 金属的结晶过程,形核,液态金属在结晶时，其形核方式一般认为主要有两种：即自发形核（对称均匀形核）和非自发形核（又称非均匀形核）。,（1） 自发形核,从过冷液态金属中自发形成晶核的过程就称为自发形核。,（2） 非自发形核,液态金属原子，依附于模壁或液相中未熔固相质点表面，优先形成晶核的过程，称为非自发形核。,3.1 金属的结晶过程,长大方式：树枝状生长方式,3.1 金属的结晶过程,返回,思考,1. 为什么要进

4、行晶粒大小的控制？,2. 怎样进行晶粒大小的控制？,3.2 晶粒大小的控制,细晶强化：晶粒细化使金属机械性能提高的现象,晶粒尺寸越小，金属的强度、硬度越高， 塑性、韧性越好。,3.2 晶粒大小的控制,细化晶粒的途径：,具体方式：增大过冷度，孕育（变质）处理,增大,形核率,降低,长大速度,N,G,G、N,T,孕育（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。其作用是增大形核率并抑制晶粒的长大。,3.2 晶粒大小的控制,工程材料的强化和韧化,细晶强化：强硬度 塑韧性,固溶强化：强硬度 塑韧性,形变强化：强硬度 塑韧性,弥散强化：强硬度 塑韧性,几种强化方式的比较：

5、,3.3 金属铸锭宏观组织,1.表面细晶粒区，2.柱状晶粒区，3.中心等轴区,铸锭剖面大致存在三个不同特征的区( 铸锭三晶区)：,铸锭结晶组织,柱状晶粒区,分枝少，晶质细密晶粒粗大，各向异性横向性能差；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,等轴晶粒区,晶界面积大，杂质分布分散各晶粒位向不同，性能均匀，没有方向性；枝晶彼此嵌人，没有脆弱面。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 同素异晶转变,铁素体碳原子固溶在-Fe中形成的间隙固溶体,铁素体

6、的固溶度0.0218%（727摄氏度）,奥氏体碳原子固溶在-Fe中形成的间隙固溶体,奥氏体的固溶度2.11%（1148摄氏度）,3.5 二元合金相图,相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。是合金体系中材料的状态与温度、成分间关系的简明图解。,平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。,2.2.1 相图的建立 2.2.2 相图的使用 2.2.3 典型相图分析 2.2.4 性能与相图的关系,2.2

7、 二元合金相图,成分,温度,表象点,2.2.1 相图的建立,2.2.1 相图的建立,时间,温度,温度,成分,热分析法建立Cu-Ni相图,固相线,液相线,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,2.2.1 相图的建立,返回,由相图某成分合金在某温度时的相由相图确定给定合金的相变温度由相图某成分合金在某温度时的两个平衡相的成分和相对质量杠杆定律,2.2.2 相图的使用,2.2.2 相图的使用,2.2.2 相图的使用,设合金的质量为Q合金 , 其中 Ni质量分数为b%, 在 T1温度时, L相中的 Ni质量分数为a%, 相中的Ni质量分数为c%

8、。,2.2.2 相图的使用,合金中含Ni的总质量 = L相中含Ni的质量 + 相中含Ni的质量,因为,所以,化简后得,质量分数,2.2.2 相图的使用,返回,1匀晶相图2共晶相图3包晶相图 4. 共析相图,2.2.3 典型相图分析,匀晶相图,a,b,c,d,T,C,t,L,L,L,匀晶转变 L ,冷却曲线,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。,匀晶合金的结晶过程,匀晶相图,3. 固溶体的不平衡结晶,1)工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡凝固(结晶) 。2)非平衡凝固(结晶)

9、得到的组织称为不平衡组织。,匀晶相图,固溶体结晶时成分是变化的（固相线和液相线），如冷却较快，原子扩散不能充分进行，则会形成成分不均匀的固溶体。固溶体一般都以枝晶状方式结晶，使得一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。 枝晶偏析的合金对合金的力学性能影响较大。容易导致合金塑性韧性下降；易引起晶间腐蚀，降低合金的抗蚀性能。 消除枝晶偏析的方法采用扩散退火。,匀晶相图,匀晶相图,偏析实例,通过对非平衡凝固分析得到如下结论：,(1) 固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同，有一定的偏离（固相

10、成分按平均成分线变化），其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重；冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡条件。(2) 先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)，后结晶部分含有较多的低熔点组元(Cu)。(3) 非平衡结晶条件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时的终止温度。,返回,匀晶相图,共晶相图,共晶相图：液相组元无限互溶，固相组元有限溶解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷却过程中发生共晶转变，这类合金构成的相图称为共晶相图。,从一个液相中同时析出两个固相,L + ,Pb,Sn,Sn%,T,C,液相线,L,固相线, + ,L+ ,L + ,固溶线,固溶线,共晶相图,A,B,E

11、,C,D,F,G,共晶相图简介,共晶相图,Pb,Sn,T,C,L, + ,L + ,L + ,共晶反应线表示从C点到D点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。,C,共晶点表示E点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。,E,LE C + D,A,B,D,F,G,共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。,共晶转变要点须知,共晶相图,c,E,F,G,X1,T,C,t,L,L,L,L+ ,冷却曲线, + ,1,2,3,4,共晶相图结晶过程分析（）,共晶相图,A,D,T,C,t

12、,L,L,L,L+ ,冷却曲线, + , ,1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。,2.要经过二次析出反应，室温 组织组成物为 + ,组织组成物 组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。,共晶相图,X2,T,C,t,L,(+ ),L,L,L(+ ) 共晶体,冷却曲线,(+ ),共晶相图结晶过程分析（）,共晶相图,共晶相图,X3,T,C,t,L,L+ ,(+ )+ + ,1,2,(+ )+ ,共晶相图结晶过程分析（）,共晶相图,共晶相图,X4,T,C,t,L,L+ ,(+ )+ + ,1,2,(+ )+ ,共晶相图结晶过程分析（）,共晶相图,返回,标注了组织组成物的相

13、图,共晶相图,课后第8题,包晶相图,包晶相图：液相组元无限互溶，固相组元有限溶解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷却过程中发生包晶转变，这类合金构成的相图称为包晶相图。,一种液相与一种固相反应生成另一种固相的转变过程称为包晶转变,L + ,Pt,Ag%,T,C,L, + ,L + ,L + ,D,f,g,包晶相图简介,A,B,C,三个单相区：L、 、,三个两相区： L+ 、 L + 、+,一个三相区： CED,E,包晶相图,包晶转变： LC + P D,Pt,Ag,Ag%,T,C,L, + ,L + ,L + ,f,g,T,C,t,L,L + ,L + ,+ ,A,B,C,P,D,包晶相

14、图,返回,包晶相图,共析转变： ( + ) 共析体,A,B,T,C, + , + , + ,c,e,d,L + ,L,返回,共析相图,含有稳定化合物的相图,（1）固定的成分和一定的熔点。（2）结晶过程和纯金属相同。（3）可把它看成独立的组元。（4）可作为两个简单相图进行分析。,合金系中两组元之间还可能形成稳定的金属化合物，其组成可用通式AmBn表示,何谓共晶反应、包晶反应和共析反应?试比较这三种反应的异同点.,思考,共同点：反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定成分的相，都处于三相平衡状态。不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应；共析反应是一种固相在恒温下生成两种固相的反应；而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。,共晶反应：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分和晶格均不相同的两种晶体的反应。包晶反应：指一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另外一种固相的反应过程。共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应。,