第三章金屬及合金的結(jié)晶.

1、 金屬的結(jié)晶熔化凝固結(jié)晶金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。結(jié)晶是指從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程。平衡結(jié)晶溫度或理論結(jié)晶溫度金屬熔點通常把金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程稱為通常把金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程稱為一次結(jié)晶一次結(jié)晶。而把金屬從一種固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過程而把金屬從一種固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過程稱為稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。二次結(jié)晶或重結(jié)晶。 金屬的結(jié)晶 金屬的結(jié)晶 物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之為結(jié)晶。金屬及其合金都是晶體，所以它們的凝固過程就是結(jié)晶。 凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。 凝固是相變過程，可為其它

2、相變的研究提供基礎。 金屬冶煉、鑄造、焊接工藝過程就是結(jié)晶過程。第一節(jié) 結(jié)晶的基本規(guī)律一 、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)：長程有序而短程有序。 特點（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數(shù)較小、原子排列較混亂。冷卻曲線結(jié)晶潛熱結(jié)晶溫度過冷結(jié)晶潛熱 第一節(jié) 結(jié)晶的基本規(guī)律二、 、過冷現(xiàn)象 （1）過冷：金屬的實際結(jié)晶溫度總是低于其理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。 （2）過冷度：金屬材料的理論結(jié)晶溫度(Tm) 與其實 際 結(jié) 晶 溫 度 To之 差 T=Tm-To 注：過冷是結(jié)晶的必要條件，結(jié)晶過程總是在一定的過冷度下進行。 第一節(jié) 結(jié)晶的基本規(guī)律三、結(jié)晶過程（1）結(jié)晶的基本過程：形核長大。（見示意圖）（2）描述結(jié)晶進

3、程的兩個參數(shù) 形核率：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用N表示。 長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間內(nèi)遷移的距離。用G表示。形核長大形成多晶體兩個過程重疊交織 第二節(jié) 結(jié)晶的基本條件 1 熱力學條件（1）G-T曲線（圖34） a 是下降曲線：由G-T函數(shù)的一次導數(shù)（負）確定。 dG/dT=-S b 是上凸曲線：由二次導數(shù)（負）確定。 d2G/d2T=-Cp/T c 液相曲線斜率大于固相： 由一次導數(shù)大小確定。 二曲線相交于一點，即材料的熔點。 第二節(jié) 結(jié)晶的基本條件 1 熱力學條件（2）熱力學條件 Gv=LmT/Tm a T0, Gv0時, Gk非Gk, 雜質(zhì)促

4、進形核； c=180時，Gk非Gk， 雜質(zhì)不起作用。 第三節(jié) 晶核的形成 2 非均勻形核 （4）影響非均勻形核的因素 a 過冷度：（N-T曲線有一下降過程）。（圖316） b 外來物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)：越小越有利。點陣匹配原理：結(jié)構(gòu)相似， 點陣常數(shù)相近。 c 外來物質(zhì)表面形貌：表面下凹有利。（圖317） 第四節(jié) 晶核的長大 1 晶核長大的條件 （1）動態(tài)過冷 動態(tài)過冷度：晶核長大所需的界面過冷度。 （是材料凝固的必要條件） （2）足夠的溫度 （3）合適的晶核表面結(jié)構(gòu)。 第四節(jié) 晶核的長大 2 液固界面微結(jié)構(gòu)與晶體長大機制粗糙界面（微觀粗糙、宏觀平整金屬或合金的界面）： 垂直長大。光滑界面（微觀光滑、宏

5、觀粗糙無機化合物或亞金屬材料的界面）： 橫向長大：二維晶核長大、依靠缺陷長大。 第四節(jié) 晶核的長大 第四節(jié) 晶核的長大 第四節(jié) 晶核的長大 第四節(jié) 晶核的長大 3 液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài) （1）正溫度梯度（液體中距液固界面越遠，溫度越高） 粗糙界面：平面狀。 光滑界面：臺階狀。 （2）負溫度梯度（液體中距液固界面越遠，溫度越低） 粗糙界面：樹枝狀。 光滑界面：樹枝狀多面體臺階狀。 第四節(jié) 晶核的長大 第四節(jié) 晶核的長大(1)平面長大 當冷卻速度較慢時，金屬晶體以其表面向前平行推移的方式長大。晶體長大時，不同晶面的垂直方向上的長大速度不同。沿密排面的垂直方向上的長大速度最慢，而非密排面的

6、垂直方向上的長大速度較快。平面長大的結(jié)果，晶體獲得表面為密排面的規(guī)則形狀。 第四節(jié) 晶核的長大 第四節(jié) 晶核的長大(2)樹枝狀長大 當冷卻速度較快時，晶體的棱角和棱邊的散熱條件比面上的優(yōu)越，因而長大較快，成為伸入到液體中的晶枝。優(yōu)先形成的晶枝稱一次晶軸，在一次晶軸增長和變粗的同時，在其側(cè)面生出新的晶枝，即二次晶軸。其后又生成三次晶軸、四次晶軸。結(jié)晶后得到具有樹枝狀的晶體。 實際金屬結(jié)晶時，晶體多以樹枝狀長大方式長大。 第四節(jié) 晶核的長大 第五節(jié) 凝固理論的應用一、細化鑄態(tài)金屬晶粒一、細化鑄態(tài)金屬晶粒 金屬結(jié)晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個晶粒是由一個晶核長成的晶體，實際金屬的晶粒在顯微鏡

7、下呈顆粒狀。 在一般情況下, 晶粒越小, 則金屬的強度, 塑性和韌性越好。工程上使晶粒細化, 是提高金屬機械性能的重要途徑之一。這種方法稱為細晶強化。 細化鑄態(tài)金屬晶粒有以下措施。 第五節(jié) 凝固理論的應用1、增加過冷度 一定體積的液態(tài)金屬中，若形核率N(單位時間單位體積形成的晶核數(shù),個/m3s)越大，則結(jié)晶后的晶粒越多， 晶粒就越細??； 晶體長大速度G(單位時間晶體長大的長度, m/s)越快，則晶粒越粗。 隨著過冷度的增加, 形核速率和長大速度均會增大。但前者的增大更快，因而比值N/G也增大, 結(jié)果使晶粒細化。第五節(jié) 凝固理論的應用 第五節(jié) 凝固理論的應用 增大過冷度的主要辦法是提高液態(tài)金屬的

8、冷卻速度，采用冷卻能力較強的模子。例如采用金屬型鑄模，比采用砂型鑄模獲得的鑄件晶粒要細小。 第五節(jié) 凝固理論的應用2. 變質(zhì)處理 變質(zhì)處理就是在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，以增加晶核的數(shù)量或者阻礙晶核的長大，以細化晶粒和改善組織。 例如，在鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋼水中加入鈦、釩、鋁等。 第五節(jié) 凝固理論的應用3. 振動 在金屬結(jié)晶的過程中采用機械振動、超聲波振動等方法，可以破碎正在生長中的樹枝狀晶體，形成更多的結(jié)晶核心，獲得細小的晶粒。 4. 電磁攪拌 將正在結(jié)晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感應現(xiàn)象，液態(tài)金屬會翻滾起來，沖斷正在結(jié)晶的樹枝狀晶體的晶枝，增加結(jié)晶核心，從而可細化晶粒。

9、 第五節(jié) 凝固理論的應用 二、 單晶體制備 1、意義：單晶是電子元件和激光元件的重要原料。金屬單晶也開始應用于某些特殊場合如噴氣發(fā)動機葉片等。 2、基本原理：根據(jù)結(jié)晶理論，制備單晶的基本要求是液體結(jié)晶時只存在一個晶核，要嚴格防止另外形核。 3、制備方法：尖端形核法和垂直提拉法。 第五節(jié) 凝固理論的應用 三、定向凝固技術(shù) （1）原理：單一方向散熱獲得柱狀晶。 （2）制備方法。 第五節(jié) 凝固理論的應用 四、 急冷凝固技術(shù) 超高速急冷技術(shù)可獲得超細化晶粒的金屬、亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬。非晶態(tài)金屬具有特別高的強度和韌性、優(yōu)異的軟磁性能、高的電阻率、良好的抗蝕性等。 （1）非晶金屬與合金 （

10、2）微晶合金。 （3）準晶合金。 二元合金狀態(tài)圖二元合金狀態(tài)圖 一、相圖的意義及相關(guān)概念 二、二元合金狀態(tài)圖的建立 三、平衡相組成的分析 四、二元狀態(tài)圖的基本類型分析 一、相圖的意義及相關(guān)概念 相圖的意義 相關(guān)概念組元 合金系 相圖 二、二元合金狀態(tài)圖的建立 目前，合金狀態(tài)圖主要是通過實驗測定的，且測定合金狀態(tài)圖的方法很多，但應用最多的是熱分析法。 以CuNi合金相圖測定為例，說明熱分析法的應用及步驟： （1）配制不同成分的合金試樣，如純銅；75%Cu+25%Ni；50%Cu+50%Ni；合金25%Cu+75%Ni；：純Ni。 （2）測定各組試樣合金的冷卻曲線并確定其相變臨界點； （3）將各臨

11、界點繪在溫度合金成分坐標圖上； （4）將圖中具有相同含義的臨界點連接起來，即得到Cu、Ni合金相圖。用熱分析法測定Cu、Ni相圖 a）冷卻曲線 b）相圖三、平衡相組成的分析 1平衡相成分的確定 2平衡相相對重量的確定：（杠桿定律） 平衡相成分分析示意圖 平衡相相對重量的確定（杠桿定律）mnmkmnmXMmnknmnXnML四、二元狀態(tài)圖的基本類型分析 1.二元勻晶相圖 2.二元共晶相圖 3.二元包晶相圖 4.形成穩(wěn)定化合物的相圖 5.具有共析轉(zhuǎn)變的相圖 6.合金的性能與相圖的關(guān)系 1.二元勻晶相圖1相圖的組成及特征 2合金平衡結(jié)晶過程及組織3枝晶偏析及其消除 Cu-Ni二元均晶相圖 Cu-Ni

12、合金枝晶偏析示意圖 枝晶偏析及其消除 由于實際生產(chǎn)中，合金冷卻速度快，原子擴散不充分。擴散過程總是落后于結(jié)晶過程，合金結(jié)晶是在非平衡的條件下進行的。這使得先結(jié)晶出來的固溶體合金含高熔點組元較多，合金的熔點較高，構(gòu)成晶體的樹枝狀骨架，后結(jié)晶出的部分含高熔點組元較少，熔點較低，填充于枝間。 這種在晶粒內(nèi)化學成分不均勻的現(xiàn)象稱為枝晶偏析或稱晶內(nèi)偏析。 出現(xiàn)枝晶偏析后，使合金材料的機械性能、耐蝕性能和加工工藝性能變壞。 出現(xiàn)枝晶偏析后，可通過擴散退火予以消除。一般采用將鑄件加熱到低于固相線100200的溫度，進行長時間保溫，使偏析元素進行充分擴散，成分均勻化。 2.二元共晶相圖1相圖的組成分析 2典型

13、合金平衡結(jié)晶過程分析二元共晶相圖1相圖的組成分析 共晶相圖中有三個單相區(qū)：液相區(qū)L，固相和相區(qū)； 三個兩相區(qū)：L+區(qū)，L+區(qū)，+區(qū)； 一個三相共存點：C點 共晶合金結(jié)晶過程示意圖 亞共晶合金結(jié)晶過程示意圖 2點溫度(結(jié)束時)點以下LL12之間L接近2點+11合金的結(jié)晶過程示意圖 點以上 1-2之間2-3之間3以下LL3.二元包晶相圖 1相圖的組成分析 2典型合金平衡結(jié)晶過程分析二元包晶相圖1相圖的組成分析 在二元包晶相同中，有三個單相區(qū)：液相區(qū)L、固相區(qū)和相區(qū)； 三個兩相區(qū)：L+、L+、+； 一個三相共存點：e點（L、共存） 合金I結(jié)晶過程示意圖 合金結(jié)晶過程示意圖 合金結(jié)晶過程示意圖 4.形

14、成穩(wěn)定化合物的相圖 合金系中兩組元之間還可能形成穩(wěn)定的金屬化合物，其組成可用通式AmBn表示，它具有固定的成分和一定的熔點，可把它看成獨立的組元。它的分析可作為兩個簡單相圖進行。 5.具有共析轉(zhuǎn)變的相圖 共析轉(zhuǎn)變 共析轉(zhuǎn)變屬于固態(tài)相變的一種類型。和共晶反應一樣是由一個相分解為兩個相的三相平衡等溫轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變的特點是：由特定成分的單相固態(tài)合金，在恒定的溫度下，分解成兩個新的，具有一定晶體結(jié)構(gòu)的固相。其反應式可表達為： 反應產(chǎn)物和的相對重量有一固定的比例： 由于共析反應是在固態(tài)下進行的，其原子擴散條件很差，晶核成長速度很小，所以共析轉(zhuǎn)變物的組織是比較細密的兩相相間的機械混合物。 5.合金的性能與

15、相圖的關(guān)系合金的性能與相圖的關(guān)系（1）合金的使用性能與相圖的關(guān)系 由圖可見，當合金形成單相固溶體時，隨溶質(zhì)溶入量的增加，合金的硬度、強度升高，而電導率降低，呈透鏡形曲線變化，在合金性能與成分的關(guān)系曲線上有一極大值或極小值。當合金形成兩相混合物時，其性能是兩相性能值的算術(shù)平均值。隨著成分的變化，合金的強度、硬度、導電率等性能在兩組成相的性能間呈線性變化，對于共晶成分或共析成分的合金，其性能還與兩組成相的致密程度有關(guān)，組織愈細，性能愈好。當合金形成穩(wěn)定化合物時，在化合物處性能出現(xiàn)極大值或極小值。（2）合金工藝性能與相圖的關(guān)系 合金的工藝性能與相圖也有密切的聯(lián)系。如鑄造性能（包括流動性、縮孔分布、偏析大?。┡c相圖中液相線和固相線之間的距離密切相關(guān)。相圖中液相線與固相線的距離愈寬，形成枝晶偏析的傾向越大，同時先結(jié)晶出的樹枝晶阻礙未結(jié)晶液體的流動，則流動性愈差，分散縮孔愈多。合金的流