章-金屬與合金的結(jié)晶

第三章金屬與合金的結(jié)晶液態(tài)金屬原子沒(méi)有明顯的排列規(guī)律。金屬?gòu)囊簯B(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶。實(shí)際也是原子從無(wú)規(guī)則排列到有規(guī)則排列的過(guò)程。§3—1純金屬的結(jié)晶一、純金屬的冷卻曲線和過(guò)冷現(xiàn)象純金屬的結(jié)晶是在一定溫度下進(jìn)行的。原因在于結(jié)晶時(shí)的潛熱與散發(fā)的熱量基本相等，結(jié)晶溫度保持不變。

純金屬在無(wú)限緩慢的條件下結(jié)晶的溫度稱為“理論結(jié)晶溫度”，實(shí)際結(jié)晶溫度是比較快的，液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度下某一溫度才開始結(jié)晶。這種現(xiàn)象稱為過(guò)冷現(xiàn)象，溫度差值稱為“過(guò)冷度”。二、純金屬的結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程是“晶核不斷形成和長(zhǎng)大”的過(guò)程，即為結(jié)晶的基本規(guī)律。圖中可知，固態(tài)金屬通常由多晶體構(gòu)成，每個(gè)晶核長(zhǎng)成晶體為晶粒，晶粒之間的接觸面稱為晶界。三、金屬結(jié)晶后的晶粒大小金屬晶粒的大小通常用單位截面積上的晶粒數(shù)或晶粒的平均直徑表示金屬晶粒的粗細(xì)對(duì)力學(xué)性能影響很大。晶粒余細(xì)，強(qiáng)度、硬度余高，且塑性、韌性余好。結(jié)晶后晶粒的大小與形核率N和晶核長(zhǎng)大速率G有關(guān)。形核率是指單位時(shí)間內(nèi)，單位體積中所產(chǎn)生的晶核數(shù)目。長(zhǎng)大速率是指單位時(shí)間內(nèi)晶核向周圍長(zhǎng)大的平均線速度。凡是促進(jìn)形核率N、抑制長(zhǎng)大速率G的因素，都能細(xì)化晶粒。工業(yè)中常用細(xì)化晶粒的方法有：1、增加過(guò)冷度液態(tài)金屬在過(guò)冷狀態(tài)下的結(jié)晶，隨著過(guò)冷度的增加形核率與長(zhǎng)大速率都增加。且形核率與比長(zhǎng)大速率要快的多。冷卻速度快可以獲得細(xì)化組織。2、變質(zhì)處理加入細(xì)小的變質(zhì)劑，是形核率增加或使長(zhǎng)大率減緩，細(xì)化組織。3、附加振動(dòng)振動(dòng)使晶枝破碎，形成新的晶核同時(shí)晶粒也得到細(xì)化。四、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變大多數(shù)金屬在結(jié)晶以后，晶格類型保持不變。但純鐵及部分金屬，會(huì)隨溫度變化，固態(tài)金屬晶格也隨之改變，稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。1538以上液體；1394—1538δ–Fe；體心912-1394γ–Fe；面心912以下α-Fe。體心同素異晶轉(zhuǎn)變又稱為二次結(jié)晶、重結(jié)晶。§2—2合金的結(jié)晶合金結(jié)晶規(guī)律與純金屬基本相同，在過(guò)冷的情況下形成晶核及晶核長(zhǎng)大。其不同在于合金的結(jié)晶不一定是在恒溫下進(jìn)行；其次合金在不同的溫度下存在不同數(shù)目的相。一、二元合金相圖的基本知識(shí)相圖表示合金在平衡狀態(tài)下，組成相與溫度、成分的關(guān)系。通過(guò)它了解合金系中不同成分合金在不同溫度時(shí)的組織狀態(tài)，相得成分和相對(duì)量，并且可以了解合金在緩慢冷卻中過(guò)程中的相變規(guī)律。1、二元合金相圖的表示方法二元合金相圖用縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示成分。例如：C點(diǎn)、D點(diǎn)。橫坐標(biāo)上的任一點(diǎn)表示一種成分合金。通過(guò)橫坐標(biāo)上的任一點(diǎn)的垂線稱合金線。合金線上不同的點(diǎn)表示該合金在不同溫度下的相組成。例如：M點(diǎn)。2、二元合金相圖的測(cè)定方法1)配制一系列成分不同的合金2)測(cè)出各種合金的冷卻曲線3)找出和冷卻曲線上的相變點(diǎn)。4)將相變點(diǎn)分別標(biāo)在溫度-成分坐標(biāo)圖上。5)將意義相同的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，構(gòu)成合金狀態(tài)圖。二、二元?jiǎng)蚓鄨D勻晶是指在液態(tài)下兩組元可以相互溶解，在固態(tài)下能形成無(wú)限固溶體。1、勻晶相圖分析圖3-122、杠桿定律在結(jié)晶區(qū)域，合金中各相的成分和相的相對(duì)量在不斷地變化。1)兩平衡相及其成分的確定2)兩平衡相相對(duì)量的確定3、合金的結(jié)晶過(guò)程分析按圖3-12說(shuō)明。液相線t1結(jié)晶出固體α，t1-t3之間為液固共融，t3以下全部為固體α，結(jié)晶結(jié)束。4、枝晶偏析理想的合金是在及其緩慢的條件下才可以得到。實(shí)際生產(chǎn)中由于冷卻速度比較快，原子擴(kuò)散受到限制，產(chǎn)生先結(jié)晶的固溶體含高熔點(diǎn)組元較多，后結(jié)晶的固溶體含低熔點(diǎn)組元較多。晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為晶內(nèi)偏析。金屬固溶體的結(jié)晶是按樹狀方式長(zhǎng)大的，枝干先結(jié)晶成分與后結(jié)晶的成分不同產(chǎn)生偏析稱為枝晶偏析。枝晶偏析會(huì)降低合金的力學(xué)性能和加工工藝性能。實(shí)際生產(chǎn)中用加熱、保溫、緩冷等方式使成分?jǐn)U散，達(dá)到成分均勻的目的。稱為均勻化退火。三、二元共晶相圖二元合金系中兩組元在液態(tài)完全溶解，在固態(tài)有限溶解，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為共晶相圖。1、相圖分析圖3-16Pb

、

Sn結(jié)晶溫度tA、tB

液相線tAC、CtBPb

、

Sn固相線tAD、EtB

固溶線DF、EGC點(diǎn)共晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)共晶線DCE六個(gè)相區(qū)：L、α、β、L+α、L+β、

α+β2、合金的結(jié)晶過(guò)程分析圖3-16(1)合金Ⅰ圖3-17(2)合金Ⅱ圖3-19(3)合金Ⅲ圖2-21(4)合金Ⅳ圖2-233、合金的相組分與組織組分前述中的Pb-Sn合金結(jié)晶所得到的組織中有α、β兩相，稱為該合金的相組分。結(jié)晶過(guò)程中，由于結(jié)晶條件不同，各相以不同的數(shù)目、形狀、大小相組合，在顯微鏡下可觀察到不同的組織。在相關(guān)的相圖中的表示稱為組織組分。同一種相組分得表現(xiàn)不同，用α、αⅡ、β、βⅡ

、α+β表示。合金的相組分與組織組分的相對(duì)量，可利用杠桿定律來(lái)計(jì)算。4、密度偏析由于不同金屬的結(jié)晶點(diǎn)不同，合金在開始結(jié)晶時(shí)的組織密度與剩余液體密度不同，造成前后結(jié)晶密度的不同，稱為密度偏析。它將減低合金的使用和加工性能。四、合金性能與相圖間的關(guān)系1、單項(xiàng)固溶體合金溶質(zhì)溶入溶劑后，將產(chǎn)生晶