1、目的要求：教學(xué)重點：教學(xué)難點：勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖。課 題：第2章 2.1純金屬的結(jié)晶、 2.2 二元合金的結(jié)晶（ I） 1 了解純金屬結(jié)晶的條件、理解其結(jié)晶過程，掌握細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施； 2 掌握二元合金的結(jié)晶。純金屬結(jié)晶的過程、細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施、二元合金教學(xué)課時：教學(xué)方法：多媒體，板書教學(xué)內(nèi)容與步驟：本章介紹金屬材料組織和性能的影響因素及其控制方法。重點闡 明鐵碳相圖、鐵碳合金平衡結(jié)晶過程、鐵碳合金的成分 -組織 -性能關(guān)系。重點闡明鋼的熱處理原理和熱處理工藝。 簡要闡述純金屬的結(jié)晶、 金屬的塑性加工、鋼的合金化。本章是工程材料課程的重點章。著重掌握：鐵碳相圖，鐵碳合金

2、的平衡結(jié)晶過程，鐵碳合金的成分 -組織 -性能關(guān)系。過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變，鋼的淬透性、淬硬性。常用熱處理等熱處理工藝。合金元素對鋼 的熱處理、鋼的機(jī)械性能的影響。熟悉純金屬、合金的結(jié)晶，金屬的 塑性加工、再結(jié)晶對金屬組織和性能的影響規(guī)律。2.1 純金屬的結(jié)晶2.1.1 純金屬的結(jié)晶金屬材料要經(jīng)過液態(tài)和固態(tài)的加工過程。鋼材經(jīng)過冶煉、注錠、 鍛造、軋制、機(jī)加工和熱處理等工藝過程。金屬澆注、冷卻后，液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬，獲得一定形狀的 鑄錠或鑄件。液態(tài)金屬中金屬原子作不規(guī)則運(yùn)動。在小范圍內(nèi)，原子會出現(xiàn)規(guī) 則排列，稱短程有序。短程有序的原子集團(tuán)是不穩(wěn)定的，瞬時出現(xiàn)瞬 時消失。通常的固態(tài)金屬屬于晶體材料，

3、金屬原子規(guī)則排列，叫長程 有序。金屬從液態(tài)到固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為一次結(jié)晶。簡稱金屬結(jié)晶。一、純金屬結(jié)晶的條件純銅的冷卻曲線中TO為純銅的熔點（理論結(jié)晶溫度）,Tn為開始結(jié) 晶溫度。自發(fā)轉(zhuǎn)變的能量條件：自然界的一切自發(fā)轉(zhuǎn)變過程，總是由一種較高能量狀態(tài)趨向于能 量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。在一定溫度條件下，只有引起體系自由能（即能夠?qū)ν庾鞴Φ哪?部分能量）降低的過程才能自發(fā)進(jìn)行。液態(tài)金屬結(jié)晶條件：液態(tài)金屬要結(jié)晶，溫度必須低于理論結(jié)晶溫 度TO，要有一定的過冷度 AT，使金屬在液態(tài)和固態(tài)之間存在自由能差。液態(tài)金屬結(jié)晶的動力： F二、純金屬的結(jié)晶過程 包括兩個基本過程：形核、長大1. 形核液態(tài)金屬內(nèi)部生成一些極小

4、的晶體作為結(jié)晶的核心。 生成的核心叫做晶核。實際金屬結(jié)晶時，以非自發(fā)形核為主。晶核形成、晶體長大時晶體表 面能的增加是金屬結(jié)晶的阻力。2. 晶體的長大晶體的長大有兩種方式 :(1)平面長大冷卻速度較慢時，晶體表面向前平行推移長大。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。(2)樹枝狀長大冷卻速度較快時，晶體的棱角和棱邊的散熱快，長大較快，成為 晶枝。優(yōu)先形成的晶枝稱一次晶軸，在一次晶軸增長時，在側(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。實際金屬結(jié)晶時，晶體多以樹枝狀長大方式長大。2.1.2 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變

5、為另一種晶格的現(xiàn) 象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。金屬從一種固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過程稱為二次結(jié)晶 或重結(jié)晶。2.1.3 細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施金屬結(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下呈顆粒狀。如卩：晶粒大小可用晶粒度來表示，晶粒度號越大晶粒越細(xì)。般情況下，晶粒越小，金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性越好。使晶粒細(xì)化，提高金 屬機(jī)械性能的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒措施1. 增大金屬的過冷度成核速率N :單位時間單位體積形成的晶核數(shù)，個/m3 s;長大速度G :單位時間晶體長大的長度，m/s ;實際工程中，過冷度常處于 曲線的左邊部分。隨著過冷

6、度的增大，成核速率和長大速度都增大，成核速率增大 更快，比值N/G也增大，晶粒細(xì)化。增大過冷度的主要方法:提高液態(tài)金屬的冷卻速度、采用冷卻能力較強(qiáng)的模子。采用金屬型鑄模，比采用砂型鑄模獲得的鑄件晶粒要細(xì)小。超高速急冷技術(shù)可獲得超細(xì)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(qiáng)度和韌性、 優(yōu)異的軟磁性能、高的電 阻率、良好的抗蝕性等。2. 變質(zhì)處理在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，以細(xì)化晶粒和改善組織的方 法叫變質(zhì)處理。變質(zhì)劑的作用：增加晶核數(shù)量，阻礙晶核長大。如：鋁合金液體中加入鈦、鋯，鋼水中加入鈦、釩、鋁，鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣、硅鈣鋇合金，都可使晶粒細(xì)化。3.

7、振動在結(jié)晶過程中采用機(jī)械振動、 超聲波振動方法， 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(xì)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(yīng)現(xiàn)象， 液態(tài)金屬翻滾，沖斷正在結(jié)晶的樹枝狀晶體的晶枝，增加結(jié)晶核心， 細(xì)化晶粒。2.1.4 鑄錠的結(jié)構(gòu)一、鑄錠結(jié)構(gòu)鑄錠分為三個各具特征的晶區(qū)。1. 細(xì)等軸晶區(qū)錠模溫度低，導(dǎo)熱快，外層液體金屬過冷度大，生成晶核多。模 壁能起非自發(fā)晶核的作用。鑄錠表層形成一層晶粒細(xì)小的細(xì)晶區(qū)。2. 柱狀晶區(qū)細(xì)晶形成，錠模溫度升高，冷卻速度降低，液體金屬過冷度減小， 生核速率降低。 散熱具有方向性， 晶粒朝與散熱方向的反方向平行長 大，形

8、成柱狀晶區(qū)。3. 粗等軸晶區(qū)中心冷卻速度慢，過冷度小。散熱失去方向性。柱狀晶上被沖下 的二次晶枝的碎塊成為晶核， 各個方向均勻長大， 形成粗大等軸晶區(qū)。二、鑄錠晶粒形狀的影響因素 柱狀晶柱狀晶性能：柱狀晶性能具有明顯的方向性。沿柱狀晶晶軸方向的強(qiáng)度較高。主要受單向載荷的機(jī)器零件， 如汽輪機(jī)葉片等， 柱狀晶結(jié)構(gòu)是非 常理想的。等軸晶2.1.5 單晶的制取單晶是電子元件和激光元件的重要原料。噴氣發(fā)動機(jī)葉片開始應(yīng)用金屬單晶。根據(jù)結(jié)晶理論，制備單晶的基本要求是液體結(jié)晶時只有一個晶核， 要嚴(yán)格防止另外形核。本節(jié)小結(jié)金屬結(jié)晶條件：要有一定的過冷度，金屬結(jié)晶推動力：固態(tài)金屬和液態(tài)金屬之間的自由能差。金屬結(jié)晶

9、過程：形核、長大。細(xì)化鑄態(tài) 金屬晶粒措施：增大過冷度、變質(zhì)處理、振動、電磁攪拌2.2合金的結(jié)晶合金結(jié)晶過程復(fù)雜，用合金相圖來分析。相圖：表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關(guān)系的 一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。平衡：在一定條件下合金系中參與相變的各相的成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再變化。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)晶過程，可以認(rèn)為是平衡的結(jié)晶過程。在常壓下，二元合金的相狀態(tài)決定于溫度和成分。二元合金相圖用溫度一成分坐標(biāo)系的銅鎳二元合金相圖平面圖來表示。圖中的每一點表示一定成分的合金在一定溫度時的穩(wěn)定相狀態(tài)。221二元合金的結(jié)晶、發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶1.結(jié)晶過程勻晶反應(yīng)：La固溶體Cu-

10、Ni、Fe-Cr、Au-Ag合金具有勻晶相圖。aa1c線為液相線，該線以上合金處于液相；ac1c線為固相線，該線以下合金處于固相。單相區(qū)L相：液相，Cu和Ni形成的液溶體；a相：Cu和Ni組成的無限固溶體。雙相區(qū)L+ a相區(qū)。2.勻晶結(jié)晶特點(1) 形核與長大與純金屬一樣，固溶體結(jié)晶也包括形核、長大兩個過程。固溶體 更趨向樹枝狀長大。(2) 變溫結(jié)晶固溶體結(jié)晶在一個溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，變溫結(jié)晶。(3) 兩相的成分確定在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時，兩相的成分(即 L相中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和a相中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù))確定。過溫度T1作水平線，交液相線和固相線于a1、c1。a1、c1點 在成分軸上 的投影點即為L相和

11、a相中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。隨著溫度的下降，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變 化。兩相的質(zhì)量比一定在兩相區(qū)，溫度一定時，兩相的質(zhì)量符合杠桿定律。 在T1溫度杠桿的兩個端點為給定溫度時兩相的成分點，支點為合金的成分 點。杠桿定律只適用于相圖中的兩相區(qū)； 杠桿定律只能在平衡狀態(tài)下 使用。（5）容易產(chǎn)生枝晶偏析枝晶偏析：在一個晶粒內(nèi)化學(xué)成分分布不均勻。擴(kuò)散退火：把合金加熱到低于固相線100 C左右，長時間保溫,原子充分?jǐn)U散，獲得成分均勻的固溶體。二、發(fā)生共晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu合金具有共晶相圖。Pb-Sn合金相圖中有三個單相區(qū)：L: Pb與Sn形成的液溶體a： Sn溶于Pb中的有限固溶體Pb-Sn合金相圖B： Pb溶于Sn中的有限固溶體三個雙相區(qū)：L+ a、L+ p、+ p一條L+ a+ P三相共存線（水平線cde ）。這種相圖稱共晶相圖。發(fā)生共晶反應(yīng)時三相共存，三相各自成分確定，恒溫進(jìn)行。d點為共晶點，表示d點成分（共晶成分）的液相合金冷卻到d點溫度 （共晶溫度）時,共同結(jié)晶出c點成分的a相和e點成分的P相。Ld T( ac+ pe)共晶反應(yīng)：一種液相在恒溫下同時結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)，生成的兩相混合物叫共晶體。1.合金I的平衡結(jié)晶過程2.合金II（共晶合金）的結(jié)晶過程3. 合金m （亞共晶合金）的結(jié)