金屬材料概論第三章課件

第三章材料的凝固與結(jié)晶組織第三章材料的凝固與結(jié)晶組織1一、概述二、純金屬結(jié)晶三、合金的結(jié)晶與相圖四、鑄件組織與冶金缺陷學(xué)習(xí)內(nèi)容:一、概述學(xué)習(xí)內(nèi)容:2第一節(jié)概述凝固：金屬由液態(tài)固態(tài)的過(guò)程→形成的固態(tài)物質(zhì)為晶體、非晶體

轉(zhuǎn)變一次結(jié)晶：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過(guò)程二次結(jié)晶：物質(zhì)從一種固體晶態(tài)過(guò)渡為另一種固體晶

態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程結(jié)晶：金屬由液態(tài)

固態(tài)的過(guò)程→原子由不規(guī)

則的排列轉(zhuǎn)變到有規(guī)則的排列，凝固后的固態(tài)物質(zhì)通常是晶體轉(zhuǎn)變(一)概念第一節(jié)概述凝固：金屬由液態(tài)固態(tài)的過(guò)程3(二)學(xué)習(xí)的意義：形狀、大小和分布→極大的影響著金屬的工藝性能和使用性能液態(tài)金屬經(jīng)過(guò)結(jié)晶得到的組織→鑄態(tài)組織掌握結(jié)晶過(guò)程的基本規(guī)律為研究其它相變奠定基礎(chǔ)液相向固相的轉(zhuǎn)變是一個(gè)相變過(guò)程研究和控制金屬的結(jié)晶過(guò)程→提高金屬使用性能和工藝性能的一個(gè)重要手段(二)學(xué)習(xí)的意義：形狀、大小和分布→極大的影響著金屬的工4第二節(jié)純金屬結(jié)晶一、結(jié)晶條件把純金屬置于坩堝內(nèi)加熱成均勻熔體→使其緩慢冷卻→在冷卻過(guò)程中，每隔一定時(shí)間測(cè)定溫度變化→直至結(jié)晶完畢后冷卻到室溫冷卻曲線：將溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系繪制成曲線溫度T時(shí)間τ△TTmTn第二節(jié)純金屬結(jié)晶一、結(jié)晶條件把純金屬置于坩堝內(nèi)加熱成均勻5理論結(jié)晶溫度（Tm）金屬的熔化和結(jié)晶應(yīng)在同一溫度下進(jìn)行，該溫度稱(chēng)為平衡結(jié)晶溫度（理論結(jié)晶溫度）液體中金屬原子結(jié)晶到晶體上的速度晶體上的原子溶解入液體中的速度晶體與液體處于平衡狀態(tài)理論結(jié)晶溫度（Tm）金屬的熔化和結(jié)晶應(yīng)在同一溫度下進(jìn)行，該6（一）結(jié)晶過(guò)程的宏觀現(xiàn)象過(guò)冷現(xiàn)象結(jié)晶潛熱①液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶

溫度Tm（熔點(diǎn)）時(shí)→未開(kāi)始結(jié)晶；1、過(guò)冷現(xiàn)象Tm溫度T時(shí)間τ（一）結(jié)晶過(guò)程的宏觀現(xiàn)象過(guò)冷現(xiàn)象①液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶1、7②冷卻到Tm

之下Tn(實(shí)際結(jié)晶溫度)→液態(tài)金屬開(kāi)始結(jié)晶過(guò)冷度△T—金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度Tn與理論結(jié)晶溫度

Tm

之差：∴△T越大，Tn越低！溫度T時(shí)間τ△TTmTn△T②冷卻到Tm之下Tn(實(shí)際結(jié)晶溫度)→液態(tài)金屬開(kāi)始結(jié)晶8★影響過(guò)冷度的因素金屬的本性：金屬不同→△T的大小不同金屬的純度：純度↑(雜質(zhì)越少)→△T↑冷卻速度：v冷卻

↑→△T↑

v冷卻

↓↓→△T↓↓實(shí)際結(jié)晶溫度越低★過(guò)冷是金屬結(jié)晶的必要條件；說(shuō)明不管冷卻速度多么緩慢，也不可能在理論結(jié)晶溫度進(jìn)行結(jié)晶—即對(duì)于一定的金屬，過(guò)冷度有一最小值，若過(guò)冷度小于該值，結(jié)晶過(guò)程就不能進(jìn)行！★影響過(guò)冷度的因素金屬的本性：金屬不同→△T的大小不同9☆當(dāng)液體金屬緩慢冷至理論凝固溫度Tm時(shí),并未開(kāi)始凝固,當(dāng)溫度降至熔點(diǎn)以下某一個(gè)溫度Tn時(shí)開(kāi)始結(jié)晶;溫度T時(shí)間τ△TTmTn☆隨后溫度迅速回升，一直回升至接近熔點(diǎn)，溫度不再上升，也不下降。出現(xiàn)恒溫結(jié)晶階段，即曲線上出現(xiàn)“平臺(tái)”；☆結(jié)晶終止后，溫度繼續(xù)均勻下降！說(shuō)明☆當(dāng)液體金屬緩慢冷至理論溫度T時(shí)間τ△TTmTn☆隨后溫度102·結(jié)晶潛熱相變潛熱：1mol物質(zhì)從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相時(shí)，伴隨著放出或吸收的熱量熔化潛熱：金屬熔化時(shí)從固相

液相吸收的熱量轉(zhuǎn)變結(jié)晶潛熱：金屬結(jié)晶時(shí)從液相

固相放出的熱量轉(zhuǎn)變結(jié)晶過(guò)程中，釋放的結(jié)晶潛熱>散失的熱量溫度回升，甚至已結(jié)晶的局部區(qū)域重熔溫度T時(shí)間τ△TTmTn2·結(jié)晶潛熱相變潛熱：1mol物質(zhì)從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相11T→Tn

：結(jié)晶潛熱釋放→結(jié)晶過(guò)程結(jié)束，結(jié)晶潛熱釋放完畢，冷卻曲線繼續(xù)下降補(bǔ)償散失到周?chē)h(huán)境的熱量冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)△t就是結(jié)晶過(guò)程所用的時(shí)間1點(diǎn)：結(jié)晶過(guò)程的開(kāi)始2點(diǎn)：結(jié)晶過(guò)程的結(jié)束溫度T時(shí)間τ△TTm△tTn12T→Tn：結(jié)晶潛熱釋放→結(jié)晶過(guò)程結(jié)束，結(jié)晶潛熱釋放完畢，冷122圖：Tn，尺寸較大的原子團(tuán)簇開(kāi)始變的穩(wěn)定→成為結(jié)晶核心—晶核二、結(jié)晶過(guò)程：晶體形核—長(zhǎng)大過(guò)程1、舉例：小塊金屬結(jié)晶微觀過(guò)程1圖：Tm

，液態(tài)金屬中的原子團(tuán)簇極不穩(wěn)定→不能成為結(jié)晶核心122圖：Tn，尺寸較大的原子團(tuán)簇二、結(jié)晶過(guò)程：晶體形核—133圖：晶核按各自方向吸收液體中的金屬原子→逐漸長(zhǎng)大同時(shí)，液態(tài)中不斷產(chǎn)生新的晶核→也逐漸長(zhǎng)大3不斷發(fā)展4、5圖：相鄰晶體相互接觸→液體金屬耗盡→金屬結(jié)束453圖：晶核按各自方向吸收液體中的金屬原子→逐漸長(zhǎng)大同時(shí)，14對(duì)結(jié)晶過(guò)程的描述，揭示了一個(gè)十分重要的規(guī)律：金屬的結(jié)晶與其他有機(jī)物一樣，都是形核與長(zhǎng)大的過(guò)程，而且兩者交錯(cuò)重疊進(jìn)行?？傊航饘俚慕Y(jié)晶過(guò)程中形核結(jié)晶終止獲得多晶粒的組織，其中一個(gè)晶粒是由一顆晶核形成的，由于各個(gè)晶核隨機(jī)生成，所以各個(gè)晶粒的位向各不相同。如果在結(jié)晶過(guò)程中只有一顆晶核并長(zhǎng)大，而不出現(xiàn)第二顆晶核．那么由這一顆晶核長(zhǎng)大的金屬，就是一塊金屬單晶體。對(duì)結(jié)晶過(guò)程的描述，揭示了一個(gè)十分重要的規(guī)律：總之：金屬的結(jié)晶15均質(zhì)形核：由熔液自發(fā)形成新晶核，液體中出現(xiàn)新相晶核的幾率是相同的→

自發(fā)形核異質(zhì)形核：新相優(yōu)先出現(xiàn)于液相中的某些區(qū)域的形核方式→

非自發(fā)形核←雜質(zhì)（未熔質(zhì)點(diǎn)）2、形核和長(zhǎng)大形核：均質(zhì)形核：由熔液自發(fā)形成新晶核，液體中出現(xiàn)新異質(zhì)形核：新相優(yōu)16一定過(guò)冷度下，晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中保持規(guī)則外形；長(zhǎng)大到互相接觸時(shí)，規(guī)則外形被破壞；長(zhǎng)大結(jié)束后,液態(tài)金屬完全消失，成為多邊形的晶粒長(zhǎng)大：長(zhǎng)大過(guò)程實(shí)質(zhì)：液體中金屬原子向晶核表面遷移過(guò)程晶體生長(zhǎng)最常見(jiàn)的方式：樹(shù)枝狀結(jié)晶—枝晶長(zhǎng)大條件：過(guò)冷度一定過(guò)冷度下，晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中保持規(guī)則外形；長(zhǎng)大：長(zhǎng)大過(guò)程實(shí)質(zhì)173、枝晶長(zhǎng)大過(guò)程1）形成的晶核具有規(guī)則外型；2）棱角處長(zhǎng)出數(shù)枝晶細(xì)長(zhǎng)的樹(shù)干3）樹(shù)干與周?chē)^(guò)冷液體的界面不穩(wěn)定，出現(xiàn)凸出尖端，長(zhǎng)大成為新的晶枝樹(shù)枝晶生長(zhǎng)示意圖一次晶軸二次晶枝/晶軸3、枝晶長(zhǎng)大過(guò)程1）形成的晶核具有規(guī)則外型；3）樹(shù)干與周?chē)^(guò)184）二次晶枝發(fā)展到一定程度后，在其上面長(zhǎng)出三

次晶枝

→所有枝晶嚴(yán)密和縫對(duì)接起來(lái)（液態(tài)金屬完全消失）→形成一個(gè)個(gè)多邊形晶粒樹(shù)枝晶生長(zhǎng)示意圖4）二次晶枝發(fā)展到一定程度后，在其上面長(zhǎng)出三樹(shù)枝晶19由樹(shù)枝狀長(zhǎng)成晶粒由樹(shù)枝狀長(zhǎng)成晶粒20Al77Sr23(wt.%)Al90Sr10(wt.%)Al77Sr23(wt.%)Al90Sr10(wt.%)21∵結(jié)晶初期生成的微小晶粒與液相間的平衡溫度低于大晶體與液相間的平衡溫度—小晶體的熔點(diǎn)<大晶體的熔點(diǎn)

而通常金屬的熔點(diǎn)是與大晶體相對(duì)應(yīng)的→結(jié)晶過(guò)程只能在金屬熔點(diǎn)以下的溫度進(jìn)行∴過(guò)冷條件下發(fā)生?、俳忉尳Y(jié)晶為什么必需在過(guò)冷條件下進(jìn)行？Tn=T小晶粒溫度T時(shí)間τ△T△TTm=T大晶粒說(shuō)明：∵結(jié)晶初期生成的微小晶粒與①解釋結(jié)晶為什么必需在過(guò)冷條件下進(jìn)22②結(jié)晶過(guò)程中晶核數(shù)目越多，凝固后晶粒數(shù)目也越多，晶粒越細(xì)小；反之，晶粒數(shù)目越少，晶粒越粗大；③晶核是隨機(jī)形成的，位向各不相同，故晶粒的位向也不相同—金屬在一般條件下凝固得到的是多晶體②結(jié)晶過(guò)程中晶核數(shù)目越多，凝固后晶粒數(shù)目也越多，③晶核是隨機(jī)23三、結(jié)晶晶粒大小及控制

晶粒度：晶粒的大小—晶粒的平均面積或平均直

徑表示取決于形核率N和長(zhǎng)大速度G

形核率N（cm-3.s-1)：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積液相中形成的晶核數(shù)目三、結(jié)晶晶粒大小及控制晶粒度：晶粒的大小—晶粒的平均面24三者之間的關(guān)系：N↑,G↓→單位體積中晶核數(shù)目越多，晶核長(zhǎng)大空間小→晶粒越細(xì)??；反之，晶粒越粗化單位體積中的晶粒數(shù)目ZV

和單位面積中的晶粒數(shù)目ZS分別為三者之間的關(guān)系：N↑,G↓→單位體積中晶核數(shù)目越多，25金屬結(jié)晶后形成的晶粒度對(duì)其性能有很大的影響：有利于提高金屬材料的常溫力學(xué)性能細(xì)晶強(qiáng)化工業(yè)生產(chǎn)中常采用的細(xì)化方法：1、控制過(guò)冷度2、變質(zhì)處理3、振動(dòng)處理晶粒越細(xì)小

→金屬的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性越好金屬結(jié)晶后形成的晶粒度對(duì)其性能有很大的影響：有利于提高金屬材26純鐵的晶粒度與機(jī)械性能的關(guān)系50.01162780.1048.8572630.2039.5442112.528.8401659.7延伸率×100屈服強(qiáng)度（MN.m-2)抗拉強(qiáng)度/（MN.m-2)晶粒平均直徑/mm純鐵的晶粒度與機(jī)械性能的關(guān)系50.0116227過(guò)冷度再大→凝因后的金屬不是晶體，而是非晶態(tài)。形核組織長(zhǎng)大1、過(guò)冷度的影響冷卻較快—△T大→形核率N↑，長(zhǎng)大速度G

↑N/G↑,晶粒多而細(xì)小緩慢冷卻—△T小→形核率N↓，長(zhǎng)大速度G↓N/G↓,晶粒少而粗大過(guò)冷度再大→凝因后的金屬不是晶體，而是非晶態(tài)。形核組織長(zhǎng)28形核率N長(zhǎng)大速度GGN過(guò)冷度△TN,G增大速率不同；N的增長(zhǎng)率>G的增長(zhǎng)率形核率N長(zhǎng)大速度GGN過(guò)冷度△TN,G增大速率不同；292、變質(zhì)處理液體金屬中的雜質(zhì)（結(jié)構(gòu)與金屬的相似），在結(jié)晶過(guò)程中起到了晶核的作用，促使成核率大大↑，細(xì)化了晶粒。因此常有意地往其中加一定量的難熔金屬或合金(Ti,B,Zr)，來(lái)細(xì)化晶粒的處理。3、振動(dòng)處理液態(tài)金屬中輸入一定頻率的振動(dòng)波，形成的對(duì)流使成長(zhǎng)中的數(shù)枝晶臂折斷

增大晶核數(shù)目

提高形核率，細(xì)化晶粒常用的方法：電磁攪拌，機(jī)械振動(dòng)等2、變質(zhì)處理3、振動(dòng)處理液態(tài)金屬中輸入一定頻率的振動(dòng)波，形成30MacroetchedtestsamplesofcommercialpurityAl(left:unrefined;right:refinedbyAl-5Ti-1Bmasteralloy)純Al50mmAl-5Ti-1BMacroetchedtestsamplesofco311magnet2crucible3transformer磁場(chǎng)攪拌裝置123BNS1magnet123BNS32δ-Feγ-Feα-Fe1394℃

912℃體心立方面心立方體心立方四、金屬的同素異構(gòu)性鐵具有典型的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變TmFe=1535℃同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變:固態(tài)金屬隨溫度變化而發(fā)生晶格改變的現(xiàn)象，稱(chēng)為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程相似，是通過(guò)金屬原子的重新排列來(lái)完成的，故稱(chēng)其為再結(jié)晶故稱(chēng)為二次結(jié)晶或重結(jié)晶！δ-Feγ-Fe33第三節(jié)合金的結(jié)晶與相圖學(xué)習(xí)內(nèi)容：合金的應(yīng)用比純金屬?gòu)V泛得多

→因?yàn)楹辖鸬膹?qiáng)度、硬度、耐磨性等機(jī)械性能比純金屬高許多；某些合金還具有特殊的電、磁、耐熱、耐蝕等物理、化學(xué)性能。一

概念

二

合金相結(jié)構(gòu)

三

二元合金相圖第三節(jié)合金的結(jié)晶與相圖學(xué)習(xí)內(nèi)容：合金的應(yīng)用比純金屬?gòu)V泛得34一概念1·合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉或燒結(jié)、或采用其它方法組合而成的具有

金屬特性的物質(zhì)。2·組元：組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)，簡(jiǎn)稱(chēng)