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1、材 料 的 凝 固,第三章,金属材料及热处理,第三章 材料的凝固,3.4 凝固组织与其控制,3.1 纯金属的结晶,3.2 合金的结晶,3.3 铁碳合金相图,基本概念,凝固与结晶,凝 固：指物质从液态经冷却转变为固态的过程； 凝固后的固态物质可以是晶体，也可以是非晶体,结 晶：通过凝固形成晶体物质的过程,金属的凝固过程,玻璃的凝固过程,结晶过程,非晶体凝固过程,金属从液态过渡为固体晶态的转变,一次结晶,金属从一种固态过渡到另一种固体晶态的过程,二次结晶,性能发生突变,逐渐变化,影响凝固状态的因素,1. 熔融液体的粘度,粘度表征液体中发生相对运动的阻力,粘度越大，表示液体越粘稠,液体层间的内摩擦力
2、越大，相对运动也越困难,原子无法迁移排成晶体,形成无规则的原子排列,金属材料熔体的粘度值极小，熔点附近原子的迁移能力极强，绝大多数能凝固为晶体。,2. 熔融液体的冷却速度,冷却速度越大,阻止金属材料中原子的迁移,非晶态的金属材料,第一节 纯金属的结晶,三、 同素异构转变,二、纯金属的结晶过程,一、 结晶的热力学条件,一、 结晶的热力学条件,热力学定律：在等压条件下，一切自发过程都是朝着系统自由能降低的方向进行,液 态,固 态,T0,温度升高,自由能下降,同一物质的液体和晶体在不同温度下自由能的变化,T0,理论结晶温度,低于T0,高于T0,物质处于晶体状态稳定,物质处于液体稳定,液 态,固 态,
3、T0,液体与晶体的 自由能-温度曲线,纯金属的冷却曲线,T0,冷却曲线：测定液体金属冷却时温度和时间的变化关 系作出的曲线,纯金属的冷却曲线,T0,理论结晶温度（熔点）,结晶时的过冷现象,金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象,实际结晶温度,T,T,T0,过冷度T,T0 T,注：对于某种金属来说，过冷度不是恒定值，它的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度也越大，则金属的实际结晶温度越低。,由于在结晶时释放出结晶潜热,过冷是结晶的必要条件,结晶的结构条件,形成晶核,固态金属,原子作长程有序规则排列,金属结晶的实质:由短程有序的排列的液态金属转变成具有长程有序排列的固态金属,在一定条件下短程
4、有序排列的原子团有可能成为结晶的核心,液态金属冷却到T0以下,经过一段时间,晶核,固态金属原子排列,液态金属原子排列,孕育期,液态金属,原子作短程有序规则排列,二、纯金属的结晶过程,结晶过程,晶核不断形成,晶核不断长大,液体冷却到T0温度以下,出现新的晶核,液 体,经过一段时间 (称为孕育期),晶 核,各个方向生长,不断生核 不断长大,液体完全消失,一些尺寸极小、原子规则排列的小晶体,1. 结晶的基本过程,晶 体,每一个晶核 一个小晶粒 多晶体结构,1）晶核的形成方式,晶核的形成方式,自发成核,非自发成核,2. 结晶后晶粒的大小,晶核可以由近程有序结构液体中规则排列的原子团形成,由液体中的固态
5、杂质微粒作晶核,注：在实际结晶过程中，自发形核和非自发形核同时存在，但以非自发形核方式发生结晶更为普遍,2) 晶核的长大方式,晶核的长大方式,树枝状长大,均匀长大,主要方式,过冷度很小时,实际金属结晶时冷却速度较大,晶核树枝状长大示意图,3）晶粒大小,表示晶粒大小的一种尺寸,晶粒度,晶粒就是由一个晶核长大的晶体,晶粒大小一般以单位面积的晶粒数目或以晶粒的平均直径来表示,标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。,钢的晶粒度示意图（100 X ）,2级,1级,8级,7级,6级,5级,4级,3级,3.晶粒大小对材料性能的影响,晶粒越细，常温下的力学性能越好,对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。
6、因为在高温下原子沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的阻力大为减弱而致,多晶体纯铁的晶粒大小与力学性能,决定晶粒度的因素,晶粒的大小,长大的速度,形核率,单位时间单位体积内形成晶核的数目,形核率（N）,晶核的长大速度（G）,单位时间晶体生长的线长度,形核率与长大速度的比值N/G越大,晶粒越细,晶粒度-N,G-过冷度关系曲线,控制晶粒尺寸的方法,1. 控制过冷度,过冷度增大,NG值增加,晶粒细小,降低浇铸温度,因此小型和薄壁铸件比大型铸件组织细,增大冷却速度,增加过冷度,2. 变质处理,（孕育处理）,在液态金属中加入能成为外生核的物质,促进形核,细化晶粒,变质剂（孕育剂),注：不是加入任何物质都能起
7、变质作用的，不同的 金属液体要加入不同的物质,铸造工业中利用此法，可生产出高强度的孕育铸铁,提高形核率,3. 振动、搅拌等方法,在结晶时，采用机械振动、超声波处理等方法,能促进形核,打碎正在生长的树状晶,新的晶核,晶粒细化,碎晶块,由于外部输入了能量,三、 同素异构转变,同素异构转变: 物质在固态下其晶格类型随温度的变化 而发生转变的现象,同素异晶体: 同素异构转变所得到的不同晶格的晶体,同素异构转变同样也要遵循形核、长大的规律，但它是一个固态下的相变过程，即为固态相变,在金属中，锡、铁、锰、钴、钛等都存在着同素异构转变,1. 基本概念,1538,1394,912,-Fe,-Fe,-Fe,纯铁
8、的同素异构转变,2. 铁的同素异构转变,液态铁结晶后是体心立方晶格,-Fe,在1394以下转变成面心立方晶格,-Fe,冷却至912时又转变成体心立方晶格,-Fe,-Fe,-Fe,-Fe,1394,912,正是纯铁具有这种同素异晶转变，因而才能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织和性能,3. 固态转变的特点,固态转变又称为二次结晶或重结晶，它有与结晶不同的特点：,1、发生固态转变时，形核一般在某些特定部位发生，如晶界、晶内缺陷等,2、由于固态下扩散困难，因而固态转变的过冷倾向大,固态相变组织通常要比结晶组织细,3、固态转变往往伴随着体积变化，因而易产生很大的内应力，使材料发生变形或开裂,第二节
9、 合金的结晶,2. 二元相图的基本类型与分析,1. 二元相图的建立,基本知识,合金的结晶特点：,1.合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个温度范围内完成，而纯金属在恒温下完成；,2.合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化，还会伴有化学成分的变化，而纯金属仅发生晶体结构的变化。,合金系：两个或两个以上的组元按不同比例下配制成 的一系列不同成分的合金的总称,合 金：是两种或两种以上的金属元素，或金属元素与 非金属元素组成的具有金属特性的物质,组元：组成合金的最简单、最基本且能独立存在的物质；在大多数的情况下就是组成元素。按所含组元的数目，合金分为二元合金、三元合金及多元合金,相：是指合金中化学成
10、分、晶体结构和原子聚集状态皆相同，并以界面互相分开的各均匀组成部分,组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金中不同形状、大小、数量和分布的相，又称显微组织。,相 图：反映在平衡条件下各成分合金的结晶过程以及相和组织存在范围与变化规律的简明示意图,状态图：相图可以反映材料在不同条件下的状态,平衡图：相图是通过材料在极其缓冷的条件下所测得的试验数据建立的，反映各相平衡状态的关系,相 图,状态图,平衡图,缓慢冷却条件下,1. 二元相图的建立,CuNi二元合金系为例，说明二元相图的建立过程,1）配制出不同成分的合金,测出它们的冷却曲线,找出各曲线上的临界点,Cu-Ni合金的冷却曲线,结
11、晶的开始温度和终了温度,2）,在温度-成分坐标系中过合金成分点作成分垂线,将临界点标在成分线上,将成分垂线上相同意义的点连接起来，标上相应的数字和字母,Cu-Ni合金的二元相图,温度,时间,L,Cu,Ni,20%,80%,60%,40%,Ni%,100%Cu,20%Ni,80%Ni,60%Ni,40%Ni,100%Ni,Cu-Ni合金的冷却曲线,Cu-Ni合金相图,液相线：结晶开始点的连线,固相线：结晶终了点的连线,在温度-成分坐标系中过合金成分点作成分垂线,将临界点标在成分线上,将成分垂线上相同意义的点连接起来，标上相应的数字和字母,L+,温度,2. 二元相图的基本类型与分析,相图与合金性能
12、之间的关系,二元匀晶相图,二元共晶相图,二元包晶相图,形成稳定化合物的二元合晶相图,具有共析反应的二元合晶相图,二元相图的分析步骤,二元相图的基本类型,二元匀晶相图,定 义：两组元在液态和固态下均无限互溶，且只发生匀晶反应的相图,匀晶反应：从液相中直接结晶出固溶体的反应,二元匀晶相图是最简单的二元相图，Cu-Ni;Cu-Au;Au-Ag;W-Mo等合金都具有这类相图,L,A,B,Cu,Ni,Ni%,Cu-Ni合金相图,液相线,固相线,液相区,固相区,L+,两相区,铜的熔点,镍的熔点,1）相图分析,L,A,B,Cu,Ni,Ni%,Cu-Ni合金相图,合金平衡结晶过程,L,L,L,L,时间,L+,
13、t1,t2,t3,t4,温度,l1,l2,l3,1,4,3,2,l4,2）合金的结晶过程,温度,分 析,1.液、固相线不仅是相区分线，也是结晶时两相的成分变化线,2.匀晶转变是变温转变，在结晶过程中，液、固两相的成分随温度而变化,3）杠杆定律,确定两平衡相的成分,L,A,B,Cu,Ni,Ni%,L+,确定两平衡相的相对重量,L,A,B,Cu,Ni,Ni%,L+,x1,x,x2,t1,a,b,o,确定两平衡相的成分,设合金成分为x,过x作成分垂线,在垂线上相当于t1的点做水平线,其与液、固相线的交点a，b所对应的成分x1、 x2分别为液相、固相的成分,L,A,B,Cu,Ni,Ni%,L+,x1,
14、x,x2,t1,a,b,o,确定两平衡相的相对重量,设成分为x的合金的重量为1,固相相对重量为Q，其成分为x2，则：,液相的相对重量为QL， 其成分为x1,QL+Q =1,QL* x1 + Q* x2 =x,确定两平衡相的相对重量,QL+Q =1,QL * x1 + Q * x2 =x,QL=,Q=,x2- x,x2- x1,x- x1,x2- x1,L,A,B,Cu,Ni,Ni%,L+,x1,x,x2,t1,a,b,o,QL=,Q=,QL,Q,注：杠杆定律只适用于两相区,支点是合金的成分,端点是所求两平衡相的成分,4）枝晶偏析,也称晶内偏析,在一个晶粒中，造成先结晶晶轴(枝干)的成分和后结晶
15、晶轴(分枝)成分的差异,定 义：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀 的现象,成 因：,实际冷却速度较快,致使扩散过程落后于结晶过程,影响因素,冷却速度,给定成分合金的液相线与固相线的垂直距离,距离越大,偏析相对越严重,速度越大,偏析相对越严重,对合金性能的影响,加工性能,力学性能,耐腐蚀性能,解决方法,将铸件加热到固相线以下100-200长时间保温来消除枝晶偏析，称为扩散退火,可使原子充分扩散，使成分均匀,二元共晶相图,定义：组成二元合金的两组元，在液态能无限互 溶，但在固态只能有限互溶且发生共晶反应 时，其所构成的相图,Pb-Sb，A1-Si，Pb-Sn，Ag-Cu等二元合金均为这类的相图,1）相图分析,AEB,液相线,固相线,ACEDB,A点,Pb的熔点,Sn的熔点,B点,相图中的点和线,Pb,Sn,10,90,80,70,60,50,40,30,20,A,G,B,C,D,E,F,L,L+,+,L+,327,温度
