第三章材料的凝固與結晶

1、第三章材料的凝固與結晶本章授課學時：4 學時本章重點內容：1 、結晶的基本規(guī)律；2 、金屬結晶后晶粒大小與性能的關系；3 、晶粒大小的控制；4 、二元合金相圖的基本類型、結晶過程，以及合金相圖與性能間的關系。本章難點內容：1 、二元合金相圖的基本類型、二元合金相圖的識別與相圖的分析；2 、合金中“相”和“組織”的聯系與區(qū)別。第一節(jié) 凝固的概念目的要求：通過講授晶體與非晶體的凝固，使學生掌握物質從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)所遵循的基本規(guī)律。重點：晶體結晶時過冷現象及熱力學條件。難點：晶體與非晶體凝固的不同點。教學方法：課堂講授并結合多媒體演示。授課內容：一、晶體的凝固物質從液態(tài)到固態(tài)的轉變過程統稱為 “凝固

2、” ， 如果通過凝固能形成晶體結構，則可稱為 “晶體” 。凡純元素（金屬或非金屬）的結晶都具有一個嚴格的“平衡結晶溫度”（即理論結晶溫度T 0 ）,高于此溫度（即實際結晶溫度T1 ）才能進行結晶；兩者之差 A T = T 0-T 1稱為過冷度，處于平衡結晶溫度時，液體與晶體同時共存，達到可逆平衡。為什么純元素的結晶都具有一個嚴格不變的平衡結晶溫度呢？這是因為它們的液體與晶體之間的能量在該溫度下能夠達到平衡的緣故。這一能量叫做“自由能（F）同一物質的液體與晶體，由于其結構不同，它們在不同溫度下的自由能變化是不同的, 如圖所示。由此可見，要使液體進行結晶，就必須使其溫度低于理論溫度，造成液體與晶體

3、間的自由能差：（A F=F液一 F晶），即具有一定的結晶驅動力才行。二、非晶體的凝固若凝固后的物質不是晶體，而是非晶體，那就不能稱之為結晶，只能稱為凝固。非晶體的凝固與晶體的晶體，都是由液體轉化為固體，但本質上又有區(qū)別。非晶體的凝固實質上是靠熔體粘滯系數連續(xù)加大完成，即非晶體固態(tài)可看作粘滯系數很大的”熔體”，需在一個溫度范圍內逐漸完成凝固。第二節(jié) 金屬的結晶和鑄錠 目的要求：通過講授使學生掌握金屬的結晶過程。重點：凝固的概念, 金屬結晶的鑄錠。難點：對結晶熱力學條件的理解, 金屬的鑄錠組織。授課內容：一、金屬的結晶過程純金屬的結晶過程是在冷卻曲線上平臺所經歷的這段時間內發(fā)生的。它是不斷形成晶核

4、和晶核不斷長大的過程。二、金屬結晶后的晶粒大小。1 、晶粒大小與性能的關系。金屬結晶后是由許多晶粒組成的多晶體, 而晶粒的大小是金屬組織的重要標志之一。一般情況下 , 晶粒愈細小, 金屬的強度就愈高, 塑性和韌性也愈好。2 、晶粒大小的控制金屬結晶后單位體積中晶粒數目乙 取決于結晶時的形核率N(晶核形核數目/S m itf )與晶核生長速率 G( mm /s),它們存在著以下的關系：Z 8vz N/G,由上可知,當晶粒生長速率 G 一定時 , 晶核形核率N 愈大 , 晶粒數目就愈多, 反之則愈細。1)、增大過冷度：金屬結晶時的冷卻速度愈大，其過冷度便愈大，不同過冷度 A T對晶核形核率N 和生

5、長速率G 的影響 , 如圖 3-6 所示。2) 、 變質處理：在液態(tài)金屬結晶前, 加入一些細小的變質劑, 使金屬結晶時的晶核形核率N 增加或生長速率G 降低 , 這種細化晶粒的方法, 稱為變質處理。3) 、附加振動：金屬結晶時, 如對液態(tài)金屬附加機械振動。超聲波振動。電磁振動等措施 , 由于振動能使液態(tài)金屬在鑄模中運動加速, 造成枝晶破碎, 這就不僅可以使已長成的晶粒因破碎而細化, 而且破碎的枝晶可以作為晶核, 增加形核率N 。所以 , 附加振動也能使晶粒細化。三、金屬的鑄錠組織1 、 表面細晶粒層：表面細晶粒的形成主要是因為鋼液剛澆入鑄模后, 由于模壁溫度較低,表面金屬遭到劇烈的冷卻, 造成

6、了較大的冷卻所致, 此外 , 模壁的人工晶核作用也是這層晶粒細化的原因之一。2 、柱狀晶粒層：柱狀晶粒的形成主要是因為鑄錠模壁散熱的影響。3 、中心等軸晶粒：隨著柱狀晶粒成長到一定程度, 鑄錠中心部的剩余液體溫度差也愈來愈小 , 趨于均勻冷卻的狀態(tài)；同時由于一些未熔雜志推移至鑄錠中心, 或將柱狀晶的枝晶分枝沖斷, 漂移到鑄錠中心, 它們都可以成為剩余液體的晶核, 這些晶核由于在不同方向上的成長速度相同, 因而便形成較粗大的等軸晶粒區(qū)。第三節(jié) 合金的結晶過程目的要求：通過講授二元相圖使學生掌握二元相圖的基本類型與相圖的分析。重點：二元相圖, 合金性能與二元相圖的關系難點：二元相圖的識別與分析授課

7、內容：一、二元相圖的建立1 、相圖的定義及幾個名詞的解釋1) 、組元：通常把組成合金的最簡單、最基本，能夠獨立存在的物質稱為組元。2) 、合金系：由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金, 稱為合金系。3) 、相圖：用來表示合金系中各個合金的結晶過程的簡明圖解稱為相圖, 有城狀態(tài)圖或平衡圖 , 相圖上所表示的組織都是十分緩慢冷卻的條件下獲得的, 都是接近平衡狀態(tài)的組織。2 、二元相圖的建立以 Pb-Sn 合金系為例, 說明用熱分析實驗方法測定相圖的過程。1) 、配制一系列不同成分的Pb-Sn 合金。2) 、在非常緩慢冷卻條件下, 測定這些合金從液態(tài)到固態(tài)在平衡結晶過程中的冷卻

8、曲線3) 、找出各合金冷卻曲線上的臨界點, 并將它們標注在成分一溫度坐標系。4) 、將各成分線上具有相同意義的點連接成線, 并根據已知條件和實際分析結果寫上數字。字母和各區(qū)所存在的像或組織名稱, 就得到一個完整的二元合金相圖。、二元勻晶相圖當兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶時所構成的相圖, 稱為二元勻晶相圖, 具有這類相圖的合金系主要有：Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Ni 及 W-Mo 等。1 、相圖分析（以Cu-Ni 合金相圖為例）這類相圖很簡單，只有兩條線，其中AB人 為液相線；AB為固相線，在液相線以上稱為液相區(qū)；在固相線以下稱為固相區(qū)；在液相線與固相線之間稱為液。固兩相并存區(qū)。

9、固相線的兩個端點A 和 B 是合金系統的兩個組元Cu 和 Ni 的熔點。2、合金的結晶過程如圖（a）所示，設有合金K,其成分垂線ok與相圖上的相區(qū)分界線交于1,4兩點，分析合金在冷卻曲線上的各段所發(fā)生的結晶或相變過程，如圖（b）所示。通過分析可知，液（固）相線也表示在無限緩慢的冷卻條件下,液。固兩相平衡存在時,液 （固 ）相化學成分隨溫度的變化情況。理論和實踐都已證明了這一結論的正確性。必須著重指出：除了液。 固兩相并存時的情況以外在其他性質相同的兩相區(qū)中也是這樣,即相互處于平衡狀態(tài)的兩個相的成分,分別沿著兩相區(qū)的兩個邊界線改變。3、二元相圖的杠桿定律在兩相區(qū)結晶過程中,兩相的成分和相對量都在

10、不斷變化。杠桿定律就是確定狀態(tài)圖中兩相區(qū)內兩平衡相的成分和相對重量的重要工具。如圖所示,假設：合金的總重量為W O , 液相的重量為W L, , 固相的重量為W S 。若已知液相中的含Ni量為X 1,合金白含 Ni量為X,則可寫出W L +W S =W OW LXX 1 +W S XX 2 =W 0XX（3 1）解方程式（3 1 ）得W L /W S =（X 2 -X）/（X-X 1 ）=bo/oa（3-2）式（3 2 ）好象力學中的杠桿定律，故稱之為杠桿定律。式（3 2 ）可寫成W L/W O =bo/baX100% （33） ; W S /W O =oa/ba x 100% （34）必須指

11、出，杠桿定律只適用于二元系合金相圖中兩相區(qū)，對其他區(qū)域就不適應，自然就不能在用杠桿定律。4、固溶體合金中的偏析在平衡條件下結晶，由于冷速極為緩慢，原子可充分進行擴散，最后仍能得到成分均勻的固溶體。 但在實際生產條件下，由于冷速較快，最后將得到晶體內部化學成分不均勻的樹枝壯晶體，這種現象，稱為枝晶偏析或晶內偏析。枝晶偏析的存在，會嚴重降低合金的機械性能和加工工藝性能。因此在生產上常把有枝晶偏析的合金加熱到高溫，并經長時間保溫，使原子進行充分擴散，以達到成分均勻的目的，這種熱處理方法稱為擴散退火或均勻化退火，用以消除枝晶偏析。5、二元共晶相圖當兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時有限互溶，而且發(fā)生共晶

12、反應時，所構成的相圖稱為二元相圖。具有這類相圖的合金系主要有：Pb-Sn,Pb-Sb。1、相圖分析：（以Pb-Sb合金相圖為例）圖中A、 B 分別表示組元Pb。 Sn 的熔點，ACB 線為液相線，AECDB 為固相線。L、“、3是該合金系的三個基本相，”為 Sb溶于Pb中的固溶體，EF為溶解度曲線，3 為Pb溶于Sb中的固溶體，DG為溶解度曲線。相圖中三個單相區(qū)為 L、“、3三個雙相區(qū) 為 L+ a、L+3、a + 3 °ECD 為三相平衡線。在該恒定溫度下，c 點成分的液相L C 同時結晶出兩種成分和結構不同的固相a E和3 D。其反應式為L C =（共晶溫度）a E + 3 D。

13、此反應稱為共晶轉 變。2、合金的結晶過程<1>、共晶合金的結晶過程合金在共晶溫度以上L在此共晶溫度時發(fā)生共晶反應：L C =（恒溫）a E+3 D其轉變產物稱為共晶體。<2>、亞共晶合金和過共晶合金的結晶過程成分在共晶線上的E 點和 C 點之間的合金稱為亞共晶合金；在 C 點和 D 點之間的合金稱為過共晶合金。如圖所示，合金n為亞共晶合金。當液相的溫度降低至1點時開始結晶出a固溶體。當溫度降低至 3 點時 ,剩余的液相恰好只有共晶成分,因此發(fā)生共晶轉變,得到共晶體。在 3 點以下由于a和3溶解度曲線的變化分別從“、3析出" II 3 D，由于共晶體中的次生相可

14、以不 予考慮，因而只需考慮先從先共晶a固溶體中析出的3 n的數量。合金n的最終組織應為 a+（a + 3） C+3 n ，如圖所示。過共晶合金的冷卻曲線及結晶過程,其分析方法和步驟與上述亞共晶合金基本相同,只是先共晶為3固溶體，所以合金iv的最終組織應為3+(” + 3) C+“ n。<3>、含Sb量小于E點的合金結晶過程(以合金I為例)含量在1點以上為液相，1至3點為勻晶轉變得到“固溶體。3點以下，由于a固溶體溶解度的 變化，伴隨次生相3n的析出，最終組織為a + 3 n 。3、比重偏析亞共晶或過共晶合金結晶時,若初晶的比重與剩余液相的比重相差很大時,則比重小的初晶將上浮,比重大

15、的初晶將下沉。這種由于比重不同而引起的偏析,稱為比重偏析或區(qū)域偏析。比重偏析的存在,也會降低合金的機械性能和加工工藝性能。四、二元包晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶,在固態(tài)有限溶解,并發(fā)生包晶反應時,所構成的相圖,稱為包晶相圖。以Pt-Ag相圖為例。圖中abc為液相線，abcdb為固相線，cf為Ag組元在a固溶體中的溶解度 曲線,dg是Pt組元在3固溶體中的溶解度曲線,cde是包晶線,d是包晶線,d是包晶點，包晶線cde代表在這個合金系統中發(fā)生包晶反應的溫度和成分范圍?，F已合金I為例，分析其結晶過程。從0-1段為液相，此時結晶尚未未開始。1-2段自液相中不斷析出a固溶體 ，至2點時液相 成分為e,

16、a相成分為Co此時合金在恒溫條件下發(fā)生包晶反應,因此在合金的冷卻曲線上出現代表包晶反應的水平臺階。五、形成穩(wěn)定化合物二元合金相圖所謂穩(wěn)定化合物是指：在熔化前，即不分解也不產生任何化學反應的化合物。如Mg 和 Si即可形成分子式為Mg 2 Si 的穩(wěn)定化合物,Mg-Si 相圖就是形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖。這類相圖的主要特點是在相圖中有一個代表穩(wěn)定化合物的垂直線,以垂直線的垂足代表穩(wěn)定化合物的成分,垂直線的頂點代表它的熔點。十分明顯,若把穩(wěn)定化合物Mg 2 Si 視為一個組元,即可認為這個相圖是由左。右兩個簡單共晶相圖所組成(Mg-Mg 2 Si 和 Mg 2 Si-Si), 因此可以分別對它

17、們進行研究,使問題大大簡化。六、具有共析反應的二元合金相圖自某種均勻一致的固相中同時析出兩種化學成分和晶格完全不同的新固相的轉變過程稱為共析反應。同共晶反應相似,共析反應也是一個恒溫轉變過程,有是與共晶線及共晶點相似的共析線和共析點。共析反應的產物稱為共析體。最常見的共析反應是鐵碳合金中的珠光體轉變。最簡單的具有共析反應的二元合金相圖如圖所示。圖中A和B代表兩組元，c點為共析點，dce為共析線,(3 1 +3 2 )是共析體。共析反應為(3 1d + 3 2e )。七、二元相圖的識別方法由上述可知：二元合金相圖的類型很多,但基本類型還是勻晶,共晶和包晶三大類。在分析二元合金相圖時,應掌握以下要

18、點：<1>、相圖中每一點都代表某一成分的合金在某一溫度下所處的狀態(tài),此點稱為合金的表象點。<2>、在單相區(qū)中合金由單相組成,相的成分即等于合金的成分,它由合金的表象點來決定。<3>、在兩個單相區(qū)之間必存在一個兩相區(qū),在此兩相區(qū)合金處于兩相平衡狀態(tài),兩相的相對量運用杠桿定律可以計算。<4>、在二元合金相圖中三相平衡共存表現為一條水平線-三相平衡線。八、合金的性能與相圖間的關系：合金的性能取決于合金的化學成分和組織,合金的化學成分與組織間的關系體現在合金相圖上, 故合金相圖與合金的性能之間必然存在著一定的聯系。1 、合金形成單相固溶體時的情況：當合金形成單相固溶體時, 合金的性能顯然與組成元素的性質及溶劑元素的溶入量多少有關。對于一定的溶劑和溶質來說,溶質的溶入量越多,則合金的強度,硬度愈高,電阻率愈大,電阻溫度系數愈小,如圖3-25 所示。單相固溶體合金不宜制做鑄件而適于承受壓力加工。在材料選用中應注意固溶體合金的這一特點。2、合金形成兩相混合物的情況：合金形成兩相混合物時,分成兩種情況：一種通過包晶反應形成