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1、 第三章第三章 材料的凝固与材料的凝固与结晶结晶组织组织3.1 基本概念基本概念3.2 纯金属纯金属的结晶的结晶3.3 合金合金合金合金的结晶与相图的结晶与相图3.4 铸态组织与冶金缺陷铸态组织与冶金缺陷2021/3/1113.1 基本概念基本概念一、凝固与一、凝固与结晶结晶的概念的概念1. 凝固：凝固：物质由液态转化为固态的过程物质由液态转化为固态的过程。2. 结晶结晶：物质由一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为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。另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。（1）一次一次结晶结晶 （2）二次二次结晶结晶20
2、21/3/112二、二、晶态晶态1. 晶态结构晶态结构（1 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。）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）非晶态非晶态是一种是一种短程有序、长程无序短程有序、长程无序的混合结构。的混合结构。非晶态硒非晶态硒 硒鼓静电成像、硒鼓静电成像、 图书馆、图书馆、 超市物品中用非晶态软磁材料条带（传感器标签）。超市物品中用非晶态软磁材料条带（传感器标签）。3.1 基本概念基本概念2.2.晶态物理性能晶态物理性能（1 1） 有各向异性；有各向异性；（2 2） 有固定的熔点；有固定的熔点；（3 3） 在一定条件下有规则的几何外形。在一
3、定条件下有规则的几何外形。2021/3/113 当液态金属原子来不及按它的常规结晶，在它还处于不整齐、杂乱无当液态金属原子来不及按它的常规结晶，在它还处于不整齐、杂乱无章的状态时就被章的状态时就被“冻结冻结”了，称为了，称为非晶态金属非晶态金属。它具有类似玻璃的某些结。它具有类似玻璃的某些结构特征，故称为构特征，故称为金属玻璃金属玻璃。3.1 基本概念基本概念 金属和玻璃的最大区别是：金属和玻璃的最大区别是：金属金属从液态冷却凝固的过程中有确定的凝从液态冷却凝固的过程中有确定的凝固点，原子按一定的规律排列，形成晶体；而固点，原子按一定的规律排列，形成晶体；而玻璃玻璃从液态到固态的转变是从液态到
4、固态的转变是连续的，没有明确的分界线，即没有固定的凝固点。连续的，没有明确的分界线，即没有固定的凝固点。 金属玻璃的原子排列是无序的，没有特殊的薄弱环节，其金属玻璃的原子排列是无序的，没有特殊的薄弱环节，其强度强度比一般比一般金属材料金属材料高高得多，而且得多，而且塑性、韧性好塑性、韧性好；其没有金属那样的晶粒边界，腐蚀；其没有金属那样的晶粒边界，腐蚀剂无空可钻，剂无空可钻，耐蚀性特别好耐蚀性特别好。2021/3/1143.2 纯金属的结晶纯金属的结晶一、结晶条件一、结晶条件二、结晶过程二、结晶过程三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制四、晶体的四、晶体的同素异构同素异构2021/3/1
5、15一、结晶条件一、结晶条件自由能自由能GTTmTnGLGGS温度T纯金属在液态和固态的纯金属在液态和固态的自由能自由能-温度曲线温度曲线3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶 Tm - 理论结晶温度理论结晶温度 Tn - 实际结晶温度实际结晶温度 过冷度过冷度 T = Tm Tn G - G - 结晶驱动力结晶驱动力结晶驱动力结晶驱动力2021/3/116二、结晶过程二、结晶过程3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶金属结晶过程视频金属结晶过程视频结晶过程结晶过程flash 液态金属结晶是由液态金属结晶是由形核形核和和长大长大两个密切联系的基本过程实现的。两个密切联系的基本过程实现的。 2021/3/1
6、17二、结晶过程二、结晶过程 1. 晶核晶核的形成的形成 （1）自发自发形核形核 （2）非自发非自发形核形核3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶2021/3/118二、结晶过程二、结晶过程 2 . 晶体晶体的长大的长大 （1）平面平面长大长大 （2）树枝状树枝状长大长大3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶平面长大：冷速极小时产生，实际金属很少见。平面长大：冷速极小时产生，实际金属很少见。2021/3/119二、结晶过程二、结晶过程3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶2021/3/1110三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制1. 1. 晶粒度：晶粒度：表示
7、晶粒的大小，晶粒度等级表示晶粒的大小，晶粒度等级数值数值越大晶粒越细。越大晶粒越细。 晶粒度等级晶粒度等级12345678单位面积晶粒数单位面积晶粒数/（个（个mm-2)16326412825651210242048晶粒平均直径晶粒平均直径/mm0.2500.1770.1250.0880.0620.0440.0310.0223.2 纯金属的结晶纯金属的结晶2021/3/1111三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制晶粒的大小晶粒的大小对金属性能的影响：对金属性能的影响： （1 1）常温下，晶粒越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好常温下，晶粒越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好
8、。（2 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。）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 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。）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。是因为晶粒越粗大，磁滞损耗小，效能就高。3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶2021/3/1112细晶强化细晶强化：晶粒细化使金属力学性能提高的现象。晶粒细化使金属力学性能提高的现象。晶粒尺寸越晶粒尺寸越小小，金属的强度、硬度越，金属的强度、硬度越高高，塑性、韧性越，塑性、韧性越好好。（1 1）细晶细晶强化：强、硬
9、度强化：强、硬度 塑、韧性塑、韧性（2 2）固溶固溶强化：强、硬度强化：强、硬度 塑、韧性塑、韧性（3 3）形变形变强化：强、硬度强化：强、硬度 塑、韧性塑、韧性（4 4）弥散弥散强化：强、硬度强化：强、硬度 塑、韧性塑、韧性三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶2021/3/1113GN过冷度过冷度T2. 晶粒大小的控制晶粒大小的控制 晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于形核率形核率 N、长大速度、长大速度G的的相对大小相对大小，即，即 的大小的大小。（1 1）控制）控制过冷度过冷度 V V冷冷TNTN晶粒细小晶粒细小（2 2）变质变质处理处理（3 3）振动
10、振动处理处理形核率形核率N长大速度长大速度G3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制2021/3/11143.2 纯金属的结晶纯金属的结晶三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制未变质未变质变质变质Al-SiAl-Si合金合金缓冷缓冷快冷快冷2021/3/11153.2 纯金属的结晶纯金属的结晶三、结晶晶粒大小及控制三、结晶晶粒大小及控制铸铁铸铁变质处理变质处理前前变质处理变质处理后后变质处理使组织细化。变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。变质剂为硅铁或硅钙合金。2021/3/1116四、晶体的同素异构四、晶体的同素异构固态金属在不同固态金属在不
11、同温度温度和压力下呈不同类型的晶体结构的现象，称为和压力下呈不同类型的晶体结构的现象，称为同素异构转变同素异构转变。Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构性。等元素都具有同素异构性。3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶2021/3/1117锡锡：也也有同素异构性，有同素异构性，灰锡、白锡、脆锡灰锡、白锡、脆锡。怕冷、怕热怕冷、怕热。 （1）怕冷怕冷： 13 ，白锡白锡，块状，块状-Sn，塑性好，表壳、酒壶等，塑性好，表壳、酒壶等 （100，锡箔，可以，锡箔，可以0.04mm）；）； 13 ，灰锡灰锡，-Sn，慢慢崩裂，慢慢崩裂 （ 33 ，暗灰色锡，明显碎裂成粉末，暗灰色锡，明显碎裂成粉末）。
12、）。 （2 2）怕热怕热： 161 ，脆锡脆锡，斜方锡，斜方锡马口铁马口铁：马口铁的锡镀层与低碳钢基体材料结合紧密，在经受机械变形时不：马口铁的锡镀层与低碳钢基体材料结合紧密，在经受机械变形时不会脱落或产生裂纹，因此马口铁同时具有钢的强度，可加工性、可焊性和锡会脱落或产生裂纹，因此马口铁同时具有钢的强度，可加工性、可焊性和锡的耐腐蚀性（特别是耐食品的浸蚀）、无毒、可涂漆和美观装饰性的耐腐蚀性（特别是耐食品的浸蚀）、无毒、可涂漆和美观装饰性 ，广泛用，广泛用于食品和饮料的包装。于食品和饮料的包装。 四、晶体的同素异构四、晶体的同素异构3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶2021/3/1118SiO2
13、也有也有同素异构转变。同素异构转变。因为不同结构晶体的密度不同，所以同素异因为不同结构晶体的密度不同，所以同素异构转变中总伴有体积变化，会引起很大的内应力，常常导致构转变中总伴有体积变化，会引起很大的内应力，常常导致陶瓷产品陶瓷产品在烧结过程中开裂。在烧结过程中开裂。3.2 纯金属的结晶纯金属的结晶四、晶体的同素异构四、晶体的同素异构2021/3/11193.3 合金的结晶与合金的结晶与相相图图一、合金一、合金相相结构结构二、二元合金相图二、二元合金相图（一）（一）匀晶匀晶相图相图（二）（二）共晶共晶相图相图（三）（三）共析共析相图相图2021/3/11203.3 合金的结晶与相图合金的结晶与
14、相图1. 合金合金 两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成两种或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。的具有金属特性的物质。一、合金相结构一、合金相结构3. 相相 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。互相分开的各个均匀的组成部分。2. 组元组元 组成合金的最基本独立物质。组成合金的最基本独立物质。 4. 组织组织 用肉眼或显微镜所观察到的材料的内部微观形貌。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：合金中的基本相结构：固溶体固溶
15、体和和金属间化合物金属间化合物A(B) AxBy2021/3/1121相：相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。 鸡蛋鸡蛋蛋白、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 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相结构一、合金相结构2021/3/1122（一）（一）固溶体固溶体 溶质原子溶入金属溶剂中所组成的固态合金溶质原子溶入金属溶剂中所组成的固态合金1. 固溶体类型固溶体类型（1）按溶质在金属溶剂晶格中的位置）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）按
16、溶质原子在金属溶剂中的溶解度 有限固溶体、无限固溶体有限固溶体、无限固溶体置换置换固溶体固溶体 12Cr18Ni9间隙间隙固溶体固溶体 铁素体、奥氏体铁素体、奥氏体3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相结构一、合金相结构 糖在水中的饱和度：糖在水中的饱和度： 100 时，为时，为80%；90 时，为时，为70%。 2021/3/11232. 固溶体的性能固溶体的性能固溶强化固溶强化 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。而其强度、硬度升高的现象。 溶质原子溶入溶质原子溶入 晶格畸变晶格畸变 位错运动
17、阻力上升位错运动阻力上升 金属塑性变形困难金属塑性变形困难 强度、硬度升高。强度、硬度升高。 3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相结构一、合金相结构2021/3/1124（二）（二）金属间化合物金属间化合物 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，称为和特性又完全不同于任一组元的化合物，称为中间相中间相。其。其熔点高、硬度高、脆性大熔点高、硬度高、脆性大。 1. 正常价化合物正常价化合物 2. 电子化合物电子化合物 3. 间隙相间隙相和和间隙化合物间隙化合物 （1）当）当 rc/rMe
18、 0.59 时，时， 其晶体结构复杂，称为其晶体结构复杂，称为间隙化合物间隙化合物，如，如Cr23C6、Cr7C3、 Fe3C 等。等。3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相结构一、合金相结构2021/3/1125 间隙相间隙相 VC 间隙化合物间隙化合物 Fe3C3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相结构一、合金相结构2021/3/11263.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图一、合金相结构一、合金相结构穿甲弹穿甲弹：既坚硬，动量又大，穿透力极强，能摧毁坦克、装甲车。：既坚硬，动量又大，穿透力极强，能摧毁坦克、装甲车。穿甲弹芯密度影响穿甲深度，增大弹芯材料密度就是增
19、加弹芯动量、动能。穿甲弹芯密度影响穿甲深度，增大弹芯材料密度就是增加弹芯动量、动能。W与钢中的与钢中的C结合，生成极硬的结合，生成极硬的WC，70HRC或或2000HV。W密度大，密度大，19.25g/cm3。2021/3/1127（一）（一）匀晶匀晶相图相图Cu-Ni、Cu-Ag、Au-Ag3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相图2021/3/1128匀晶匀晶结晶有下列特点：结晶有下列特点： （1）与与纯纯金金属属一一样样，固固溶溶体体从从液液相相中中结结晶晶出出来来的的过过程程中中，也也包包括括有有生生核核与长大两个过程，但固溶体更趋向于与长大两个过程，但固
20、溶体更趋向于树枝状长大树枝状长大。 （2）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶变温结晶过程过程。 （3）在两相区内，温度一定时，两相的成分（即）在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。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。）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）固溶体结晶时成分是变化的 （成分偏析成分偏析,均匀化退火均匀化退火）。）。 3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相图2021/3/1129（二）（二）共晶共
21、晶相图相图 E - 共晶点共晶点 AEB - 液相线液相线 ACENB - 固相线固相线 三个单相区（三个单相区（L、） 三个两相区（三个两相区（L+、L+、+） 一条一条三相共存线（三相共存线（ L+, 水平线水平线CEN）3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相图问问：焊锡的成份？：焊锡的成份？2021/3/1130（二）（二）共晶共晶相图相图3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相图共晶组织共晶组织层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固) 条棒状（条棒状（Sb-MnSb横截面）横截面）螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）2021
22、/3/1131（三）（三）共析共析相图相图 由由一一种种固固相相转转变变成成完完全全不不同同的的两两种种相相互互关关联联的的固固相相，此此两两相相混混合合物物称称为为共析体共析体。共析产物比共晶产物细密得多。如。共析产物比共晶产物细密得多。如珠光体（珠光体（P）。 3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相图 1 + 22021/3/1132（三）（三）共析共析相图相图3.3 合金的结晶与相图合金的结晶与相图二、二元合金相图二、二元合金相图PS珠光体珠光体2021/3/1133 铸件铸件 凝固后在铸造状态（或还要经过热处理）下使用的金属件。凝固后在铸造状态（或还要经
23、过热处理）下使用的金属件。 铸锭铸锭 凝固后还要经历凝固后还要经历塑性变形塑性变形的金属件。的金属件。3.4 铸态组织与冶金缺陷铸态组织与冶金缺陷2021/3/1134一、一、典型三晶区典型三晶区组织组织 3.4 铸态组织与冶金缺陷铸态组织与冶金缺陷2021/3/1135一、一、典型三晶区典型三晶区组织组织 3.4 铸态组织与冶金缺陷铸态组织与冶金缺陷2021/3/1136柱状晶粒区柱状晶粒区（1）分枝少，晶质细密；）分枝少，晶质细密；（2）晶粒粗大，各向异性，横向性能差；）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。）柱状晶交界处有夹杂和气体，热加工时易开
24、裂。获得获得：大的温度梯度，单向散热，定向凝固。：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铸态组织与冶金缺陷一、一、典型三晶区典型三晶区组织组织 等轴晶粒区等轴晶粒区（1）晶界面积大，杂质分布分散；）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；）各晶粒位向不同，性能均匀，没有方向性；（3）枝晶彼此嵌入，没有脆弱面。）枝晶彼此嵌入，没有脆弱面。（4）缺点缺点是枝晶发达，树枝晶间液相凝固收缩留下很多是枝晶发达，树枝晶间液相凝固收缩留下很多 分散孔洞分散孔洞(显微缩松显微缩松)，因此凝固后金属组织不够致密。，因此凝固后金属组织不够致密。 获得获得：较低的
25、浇注温度；孕育处理；机械振动、电磁搅拌。：较低的浇注温度；孕育处理；机械振动、电磁搅拌。2021/3/1137二、冶金缺陷二、冶金缺陷（1）缩孔）缩孔（2）疏松）疏松（3）气泡）气泡（4）裂纹）裂纹（5）偏析）偏析3.4 铸态组织与冶金缺陷铸态组织与冶金缺陷2021/3/1138气孔气孔3.4 铸态组织与冶金缺陷铸态组织与冶金缺陷二、冶金缺陷二、冶金缺陷2021/3/1139偏析偏析裂纹裂纹3.4 铸态组织与冶金缺陷铸态组织与冶金缺陷二、冶金缺陷二、冶金缺陷2021/3/1140第三章第三章 复习复习2021/3/11411. 结晶结晶/一次（二次）结晶一次（二次）结晶/同素异构转变（同素异构
26、转变（-Fe、-Fe）2. T、G，建立新表面需要的能量，建立新表面需要的能量3. 形核、长大、树枝晶、晶粒度、晶粒大小的控制方法形核、长大、树枝晶、晶粒度、晶粒大小的控制方法4. 固溶体（间隙、置换）、化合物（碳化物）固溶体（间隙、置换）、化合物（碳化物）5. 固溶强化、碳化物强化（固溶强化、碳化物强化（P43，表，表3-3）6. 结晶过程中的成分变化、成分偏析（与流动性的关系、结晶过程中的成分变化、成分偏析（与流动性的关系、 与液固两相温差的关系）、均匀化退火（扩散退火）与液固两相温差的关系）、均匀化退火（扩散退火）7. 共晶（点、组织）、焊锡成分、共析组织、珠光体共晶（点、组织）、焊锡成
27、分、共析组织、珠光体8. 典型三晶区典型三晶区 2021/3/1142第三章第三章 作业作业2021/3/1143一、选择题（一、选择题（ 1 115 15 ）二、判断题二、判断题 学号尾数为学号尾数为0 0、1 1的同学做（的同学做（1 11010）题；）题； 学号尾数为学号尾数为2 2、3 3的同学做（的同学做（11112020）题；）题； 学号尾数为学号尾数为4 4、5 5的同学做（的同学做（21213030）题；）题； 学号尾数为学号尾数为6 6、7 7的同学做（的同学做（31314040）题；）题； 学号尾数为学号尾数为8 8的同学做（的同学做（41415050）题；）题； 学号尾数为学号尾数为9 9的同学做（的同学做（51516060）题。）题。三、问答题（三、问答题（ 1 14 4 ）2021/3/1144
