第三章材料的凝固與結(jié)晶

1、第三章材料的凝固與結(jié)晶本章授課學(xué)時(shí)：4 學(xué)時(shí)本章重點(diǎn)內(nèi)容：1 、結(jié)晶的基本規(guī)律；2 、金屬結(jié)晶后晶粒大小與性能的關(guān)系；3 、晶粒大小的控制；4 、二元合金相圖的基本類型、結(jié)晶過程，以及合金相圖與性能間的關(guān)系。本章難點(diǎn)內(nèi)容：1 、二元合金相圖的基本類型、二元合金相圖的識(shí)別與相圖的分析；2 、合金中“相”和“組織”的聯(lián)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(xué)生掌握物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)所遵循的基本規(guī)律。重點(diǎn)：晶體結(jié)晶時(shí)過冷現(xiàn)象及熱力學(xué)條件。難點(diǎn)：晶體與非晶體凝固的不同點(diǎn)。教學(xué)方法：課堂講授并結(jié)合多媒體演示。授課內(nèi)容：一、晶體的凝固物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程統(tǒng)稱為 “凝固

2、” ， 如果通過凝固能形成晶體結(jié)構(gòu)，則可稱為 “晶體” 。凡純?cè)兀ń饘倩蚍墙饘伲┑慕Y(jié)晶都具有一個(gè)嚴(yán)格的“平衡結(jié)晶溫度”（即理論結(jié)晶溫度T 0 ）,高于此溫度（即實(shí)際結(jié)晶溫度T1 ）才能進(jìn)行結(jié)晶；兩者之差 A T = T 0-T 1稱為過冷度，處于平衡結(jié)晶溫度時(shí)，液體與晶體同時(shí)共存，達(dá)到可逆平衡。為什么純?cè)氐慕Y(jié)晶都具有一個(gè)嚴(yán)格不變的平衡結(jié)晶溫度呢？這是因?yàn)樗鼈兊囊后w與晶體之間的能量在該溫度下能夠達(dá)到平衡的緣故。這一能量叫做“自由能（F）同一物質(zhì)的液體與晶體，由于其結(jié)構(gòu)不同，它們?cè)诓煌瑴囟认碌淖杂赡茏兓遣煌? 如圖所示。由此可見，要使液體進(jìn)行結(jié)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(jié)晶驅(qū)動(dòng)力才行。二、非晶體的凝固若凝固后的物質(zhì)不是晶體，而是非晶體，那就不能稱之為結(jié)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(zhuǎn)化為固體，但本質(zhì)上又有區(qū)別。非晶體的凝固實(shí)質(zhì)上是靠熔體粘滯系數(shù)連續(xù)加大完成，即非晶體固態(tài)可看作粘滯系數(shù)很大的”熔體”，需在一個(gè)溫度范圍內(nèi)逐漸完成凝固。第二節(jié) 金屬的結(jié)晶和鑄錠 目的要求：通過講授使學(xué)生掌握金屬的結(jié)晶過程。重點(diǎn)：凝固的概念, 金屬結(jié)晶的鑄錠。難點(diǎn)：對(duì)結(jié)晶熱力學(xué)條件的理解, 金屬的鑄錠組織。授課內(nèi)容：一、金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程是在冷卻曲線上平臺(tái)所經(jīng)歷的這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的。它是不斷形成晶核

4、和晶核不斷長(zhǎng)大的過程。二、金屬結(jié)晶后的晶粒大小。1 、晶粒大小與性能的關(guān)系。金屬結(jié)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(biāo)志之一。一般情況下 , 晶粒愈細(xì)小, 金屬的強(qiáng)度就愈高, 塑性和韌性也愈好。2 、晶粒大小的控制金屬結(jié)晶后單位體積中晶粒數(shù)目乙 取決于結(jié)晶時(shí)的形核率N(晶核形核數(shù)目/S m itf )與晶核生長(zhǎng)速率 G( mm /s),它們存在著以下的關(guān)系：Z 8vz N/G,由上可知,當(dāng)晶粒生長(zhǎng)速率 G 一定時(shí) , 晶核形核率N 愈大 , 晶粒數(shù)目就愈多, 反之則愈細(xì)。1)、增大過冷度：金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻速度愈大，其過冷度便愈大，不同過冷度 A T對(duì)晶核形核率N 和生

5、長(zhǎng)速率G 的影響 , 如圖 3-6 所示。2) 、 變質(zhì)處理：在液態(tài)金屬結(jié)晶前, 加入一些細(xì)小的變質(zhì)劑, 使金屬結(jié)晶時(shí)的晶核形核率N 增加或生長(zhǎng)速率G 降低 , 這種細(xì)化晶粒的方法, 稱為變質(zhì)處理。3) 、附加振動(dòng)：金屬結(jié)晶時(shí), 如對(duì)液態(tài)金屬附加機(jī)械振動(dòng)。超聲波振動(dòng)。電磁振動(dòng)等措施 , 由于振動(dòng)能使液態(tài)金屬在鑄模中運(yùn)動(dòng)加速, 造成枝晶破碎, 這就不僅可以使已長(zhǎng)成的晶粒因破碎而細(xì)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(dòng)也能使晶粒細(xì)化。三、金屬的鑄錠組織1 、 表面細(xì)晶粒層：表面細(xì)晶粒的形成主要是因?yàn)殇撘簞倽踩腓T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(xì)化的原因之一。2 、柱狀晶粒層：柱狀晶粒的形成主要是因?yàn)殍T錠模壁散熱的影響。3 、中心等軸晶粒：隨著柱狀晶粒成長(zhǎng)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(shí)由于一些未熔雜志推移至鑄錠中心, 或?qū)⒅鶢罹У闹Х种_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(zhǎng)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(jié)晶過程目的要求：通過講授二元相圖使學(xué)生掌握二元相圖的基本類型與相圖的分析。重點(diǎn)：二元相圖, 合金性能與二元相圖的關(guān)系難點(diǎn)：二元相圖的識(shí)別與分析授課

7、內(nèi)容：一、二元相圖的建立1 、相圖的定義及幾個(gè)名詞的解釋1) 、組元：通常把組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本，能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元。2) 、合金系：由兩個(gè)或兩個(gè)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(gè)合金的結(jié)晶過程的簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)方法測(cè)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(cè)定這些合金從液態(tài)到固態(tài)在平衡結(jié)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(diǎn), 并將它們標(biāo)注在成分一溫度坐標(biāo)系。4) 、將各成分線上具有相同意義的點(diǎn)連接成線, 并根據(jù)已知條件和實(shí)際分析結(jié)果寫上數(shù)字。字母和各區(qū)所存在的像或組織名稱, 就得到一個(gè)完整的二元合金相圖。、二元?jiǎng)蚓鄨D當(dāng)兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖, 稱為二元?jiǎng)蚓鄨D, 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(jiǎn)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(gè)端點(diǎn)A 和 B 是合金系統(tǒng)的兩個(gè)組元Cu 和 Ni 的熔點(diǎn)。2、合金的結(jié)晶過程如圖（a）所示，設(shè)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(diǎn)，分析合金在冷卻曲線上的各段所發(fā)生的結(jié)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(shí),液 （固 ）相化學(xué)成分隨溫度的變化情況。理論和實(shí)踐都已證明了這一結(jié)論的正確性。必須著重指出：除了液。 固兩相并存時(shí)的情況以外在其他性質(zhì)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(gè)相的成分,分別沿著兩相區(qū)的兩個(gè)邊界線改變。3、二元相圖的杠桿定律在兩相區(qū)結(jié)晶過程中,兩相的成分和相對(duì)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(nèi)兩平衡相的成分和相對(duì)重量的重要工具。如圖所示,假設(shè)：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(xué)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(duì)其他區(qū)域就不適應(yīng)，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(jié)晶，由于冷速極為緩慢，原子可充分進(jìn)行擴(kuò)散，最后仍能得到成分均勻的固溶體。 但在實(shí)際生產(chǎn)條件下，由于冷速較快，最后將得到晶體內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的樹枝壯晶體，這種現(xiàn)象，稱為枝晶偏析或晶內(nèi)偏析。枝晶偏析的存在，會(huì)嚴(yán)重降低合金的機(jī)械性能和加工工藝性能。因此在生產(chǎn)上常把有枝晶偏析的合金加熱到高溫，并經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間保溫，使原子進(jìn)行充分?jǐn)U散，以達(dá)到成分均勻的目的，這種熱處理方法稱為擴(kuò)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(dāng)兩組元在液態(tài)時(shí)無限互溶，在固態(tài)時(shí)有限互溶，而且發(fā)生共晶

12、反應(yīng)時(shí)，所構(gòu)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(diǎn)，ACB 線為液相線，AECDB 為固相線。L、“、3是該合金系的三個(gè)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(gè)單相區(qū)為 L、“、3三個(gè)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(diǎn)成分的液相L C 同時(shí)結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)不同的固相a E和3 D。其反應(yīng)式為L(zhǎng) C =（共晶溫度）a E + 3 D。

13、此反應(yīng)稱為共晶轉(zhuǎn) 變。2、合金的結(jié)晶過程<1>、共晶合金的結(jié)晶過程合金在共晶溫度以上L在此共晶溫度時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)：L C =（恒溫）a E+3 D其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為共晶體。<2>、亞共晶合金和過共晶合金的結(jié)晶過程成分在共晶線上的E 點(diǎn)和 C 點(diǎn)之間的合金稱為亞共晶合金；在 C 點(diǎn)和 D 點(diǎn)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(dāng)液相的溫度降低至1點(diǎn)時(shí)開始結(jié)晶出a固溶體。當(dāng)溫度降低至 3 點(diǎn)時(shí) ,剩余的液相恰好只有共晶成分,因此發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變,得到共晶體。在 3 點(diǎn)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(shù)量。合金n的最終組織應(yīng)為 a+（a + 3） C+3 n ，如圖所示。過共晶合金的冷卻曲線及結(jié)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(yīng)為3+(” + 3) C+“ n。<3>、含Sb量小于E點(diǎn)的合金結(jié)晶過程(以合金I為例)含量在1點(diǎn)以上為液相，1至3點(diǎn)為勻晶轉(zhuǎn)變得到“固溶體。3點(diǎn)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(jié)晶時(shí),若初晶的比重與剩余液相的比重相差很大時(shí),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(huì)降低合金的機(jī)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(yīng)時(shí),所構(gòu)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(diǎn)，包晶線cde代表在這個(gè)合金系統(tǒng)中發(fā)生包晶反應(yīng)的溫度和成分范圍?，F(xiàn)已合金I為例，分析其結(jié)晶過程。從0-1段為液相，此時(shí)結(jié)晶尚未未開始。1-2段自液相中不斷析出a固溶體 ，至2點(diǎn)時(shí)液相 成分為e,

16、a相成分為Co此時(shí)合金在恒溫條件下發(fā)生包晶反應(yīng),因此在合金的冷卻曲線上出現(xiàn)代表包晶反應(yīng)的水平臺(tái)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(chǎn)生任何化學(xué)反應(yīng)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(diǎn)是在相圖中有一個(gè)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(diǎn)代表它的熔點(diǎn)。十分明顯,若把穩(wěn)定化合物Mg 2 Si 視為一個(gè)組元,即可認(rèn)為這個(gè)相圖是由左。右兩個(gè)簡(jiǎn)單共晶相圖所組成(Mg-Mg 2 Si 和 Mg 2 Si-Si), 因此可以分別對(duì)它

17、們進(jìn)行研究,使問題大大簡(jiǎn)化。六、具有共析反應(yīng)的二元合金相圖自某種均勻一致的固相中同時(shí)析出兩種化學(xué)成分和晶格完全不同的新固相的轉(zhuǎn)變過程稱為共析反應(yīng)。同共晶反應(yīng)相似,共析反應(yīng)也是一個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變過程,有是與共晶線及共晶點(diǎn)相似的共析線和共析點(diǎn)。共析反應(yīng)的產(chǎn)物稱為共析體。最常見的共析反應(yīng)是鐵碳合金中的珠光體轉(zhuǎn)變。最簡(jiǎn)單的具有共析反應(yīng)的二元合金相圖如圖所示。圖中A和B代表兩組元，c點(diǎn)為共析點(diǎn)，dce為共析線,(3 1 +3 2 )是共析體。共析反應(yīng)為(3 1d + 3 2e )。七、二元相圖的識(shí)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(shí),應(yīng)掌握以下要

18、點(diǎn)：<1>、相圖中每一點(diǎn)都代表某一成分的合金在某一溫度下所處的狀態(tài),此點(diǎn)稱為合金的表象點(diǎn)。<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(diǎn)來決定。<3>、在兩個(gè)單相區(qū)之間必存在一個(gè)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(duì)量運(yùn)用杠桿定律可以計(jì)算。<4>、在二元合金相圖中三相平衡共存表現(xiàn)為一條水平線-三相平衡線。八、合金的性能與相圖間的關(guān)系：合金的性能取決于合金的化學(xué)成分和組織,合金的化學(xué)成分與組織間的關(guān)系體現(xiàn)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(lián)系。1 、合金形成單相固溶體時(shí)的情況：當(dāng)合金形成單相固溶體時(shí), 合金的性能顯然與組成元素的性質(zhì)及溶劑元素的溶入量多少有關(guān)。對(duì)于一定的溶劑和溶質(zhì)來說,溶質(zhì)的溶入量越多,則合金的強(qiáng)度,硬度愈高,電阻率愈大,電阻溫度系數(shù)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(yīng)注意固溶體合金的這一特點(diǎn)。2、合金形成兩相混合物的情況：合金形成兩相混合物時(shí),分成兩種情況：一種通過包晶反應(yīng)形成