1、第三章 金屬結(jié)晶與顯微組織,金屬材料及熱處理,主講人 劉 海 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間材料與環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室 86412462，86418720,第三章 金屬結(jié)晶與顯微組織,凝固,結(jié)晶,平衡結(jié)晶溫度或理論結(jié)晶溫度,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。,凝固,結(jié)晶,平衡結(jié)晶溫度或理論結(jié)晶溫度,金屬熔點(diǎn),第三章 金屬結(jié)晶與顯微組織,3.1 純金屬的結(jié)晶與組織,3.2 二元合金相圖與合金組織,3.3 鐵碳相圖,3.4 鑄錠（件）的組織與缺陷,第三章 金屬結(jié)晶與顯微組織,3.1 純金屬的結(jié)晶與組織,結(jié)晶試驗(yàn)裝置,一、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象,1. 冷卻曲

2、線（熱分析曲線） 金屬由高溫向低溫冷卻過程中所得到的溫度和 時(shí)間關(guān)系曲線叫冷卻曲線。,時(shí)間,一、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象,2. 結(jié)晶過程的宏觀特征 1）過冷現(xiàn)象 實(shí)際結(jié)晶是在低于理論結(jié)晶溫度時(shí)開始的，這種現(xiàn)象稱為過冷。 實(shí)際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差稱謂過冷度，表示為。 2）結(jié)晶潛熱 一摩爾物質(zhì)從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相時(shí)，伴隨放出或吸收的熱量稱為相變潛熱。結(jié)晶時(shí)所放出的熱量稱為結(jié)晶潛熱。,過冷,結(jié)晶潛熱,結(jié)晶是形核和晶核長大的過程。 金屬在冷卻過程中首先經(jīng)過一段“孕育期”，然后出現(xiàn)第一批晶核。隨著時(shí)間的推移，晶核不斷長大，同時(shí)有新的核不斷產(chǎn)生。在這一過程中，液態(tài)金屬愈來愈少，直到各個(gè)晶體相互接觸，液態(tài)

3、耗盡，結(jié)晶過程結(jié)束。,二、金屬結(jié)晶微觀過程,形核,長大,形成多晶體,兩個(gè)過程重疊交織,兩相自由能差,潛熱,結(jié)晶溫度,過冷度,能量起伏,相起伏,晶胚,晶核,1. 晶核的形成 液態(tài)金屬依靠結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏形成時(shí)聚時(shí)散的呈短程有序排列的原子團(tuán)（ 稱為“晶胚” ）。當(dāng)晶胚尺寸大于某一臨界值時(shí)，就能自發(fā)長大為晶核。,均勻形核,非均勻形核,是指完全依靠液態(tài)金屬中的晶胚形核的過程，液相中各區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的。,1）晶核的形成方式,晶胚依附于液態(tài)金屬中的固態(tài)雜質(zhì)表面形核的過程。 實(shí)際金屬的結(jié)晶主要以非均勻形核的方式進(jìn)行。,均勻形核,形核率,是指單位時(shí)間內(nèi)單位體積液體中形成晶核的數(shù)量。用NN1*

4、N2表示。,形核功影響,原子擴(kuò)散能力,急冷,非晶態(tài)材料,非均勻形核,非均勻形核率,所需過冷度較小,點(diǎn)陣匹配原理,固相表面原子排列與新相點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相似時(shí)，既能有效促進(jìn)新相的非均勻形核。,振動(dòng)、攪拌、超聲波,2. 晶核長大機(jī)制,1）二維晶核長大機(jī)制 當(dāng)固液界面為光滑界面時(shí)，晶體長大只能依靠液相中的結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏，使一定大小的原子集團(tuán)幾乎同時(shí)落到光滑界面上，形成具有一定原子厚度并具有一定寬度的平面原子集團(tuán)。 2）螺型位錯(cuò)長大機(jī)制 界面依靠露頭的螺型位錯(cuò)呈螺旋狀生長。 3）垂直長大機(jī)制 在粗糙界面上，幾乎有一半應(yīng)按晶體規(guī)律排列的原子位置上并無原子從液相中擴(kuò)散過來的原子很容易填入這些位置，所以液相原子

5、可以連續(xù)地、垂直地向界面增加，從而使界面迅速向液相推移。大部分金屬是以這種方式長大的。,2. 晶核長大機(jī)制,3. 晶體生長的界面形狀晶體形態(tài),粗糙界面,樹枝狀,晶體的形態(tài)不僅與其生長機(jī)制有關(guān)，而且還與界面的微觀結(jié)構(gòu)、界面前沿的溫度分布和生長動(dòng)力學(xué)很多因素有關(guān)。,3. 晶體生長的界面形狀晶體形態(tài),負(fù)溫度梯度,3. 晶體生長的界面形狀晶體形態(tài),在負(fù)溫度梯度下生長的界面形態(tài) 具有粗糙界面的晶體在負(fù)的溫度梯度下生長時(shí)，由于界面前沿的液體中過冷度較大，如果某一局部發(fā)展較快，它將伸入到過冷度更大的液體中，從而更有利于突出尖端，向液體中生長。盡管突出尖端也可以橫向生長，但由于結(jié)晶潛熱的放出提高了尖端周圍的液

6、體溫度，固橫向生長速度遠(yuǎn)比朝前方的生長速度小。因此，在這種情況下，生長前方很快形成細(xì)長的主干。 如果初生晶核為多面體，在負(fù)的溫度梯度下多面體尖端或棱角處很快生長出細(xì)長的主干，即所謂的一次晶軸。在一次晶軸上又會(huì)生出二次晶軸，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于立方晶系，一次晶軸和二次晶軸都沿方向，并相互垂直 在結(jié)晶過程中，樹枝狀骨架逐漸發(fā)展，直到與相鄰骨架相碰為止。骨架內(nèi)不斷生出更高次晶軸，同時(shí)已經(jīng)生出的晶軸逐漸加粗，直到晶軸間的熔液消耗完畢。,3. 晶體生長的界面形狀晶體形態(tài),粗糙界面,樹枝狀,晶體的形態(tài)不僅與其生長機(jī)制有關(guān)，而且還與界面的微觀結(jié)構(gòu)、界面前沿的溫度分布和生長動(dòng)力學(xué)很多因素有關(guān)。,4. 晶粒大小

7、的控制,1) 控制過冷度,增加過冷度的方法是增加冷卻速度。對(duì)于小薄件，可采用如下方法： 選用吸熱、導(dǎo)熱性強(qiáng)的鑄型材料； 采用水冷鑄造； 降低澆注溫度。,2) 變質(zhì)處理,3) 振動(dòng)、攪拌、超聲波,在澆注前向液態(tài)金屬中加入某些難熔的固態(tài)粉末（變質(zhì)劑），促進(jìn)非均勻形核來細(xì)化晶粒。例：在鋁、鋁合金、鋼中加入 鈦、鋯等。,4. 晶粒大小的控制,1) 控制過冷度,3.1 純金屬的結(jié)晶與組織,3.2 二元合金相圖與合金組織,3.3 鐵碳相圖,3.4 鑄錠（件）的組織與缺陷,第三章 金屬結(jié)晶與顯微組織,2.2二元合金相圖與合金組織,合金相圖用圖解的方法表示不同成分、溫度下合金中相的平衡關(guān)系。相圖是在及其緩慢的

8、冷卻條件下測定的，又稱“平衡相圖”。,一、二元合金相圖的建立（以Cu-Ni合金為例） 1）配制一系列成分的合金； 100%Cu，30%Ni+70%Cu，50%Ni+50%Cu，70%Ni+30%Cu，100%Ni 2）測出上述合金的冷卻曲線； 3）根據(jù)各冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定合金臨界點(diǎn)； 4）將這些臨界點(diǎn)標(biāo)在相圖坐標(biāo)系中相應(yīng)位置上，最后把意義相同的各點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來。,2.2二元合金相圖與合金組織,二、 勻晶相圖與合金組織 勻晶相圖是指兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無限互熔的相圖。具有這種相圖的合金有：Cu-Ni，F(xiàn)e-Cr，Ag-Au，W-Mo,相圖分析 組元：Cu，Ni 點(diǎn)：tACu的熔點(diǎn)； tBNi

9、的熔點(diǎn)； 線：液相線LtA m tB 固相線tA n tB； 區(qū)：兩個(gè)單相區(qū)L， 一個(gè)兩相區(qū)L+,2.2 二元合金相圖與合金組織,2. 杠杠定律,2.2二元合金相圖與合金組織,3合金的平衡結(jié)晶過程及組織,2.2二元合金相圖與合金組織,3合金的平衡結(jié)晶過程及組織,2.2二元合金相圖與合金組織,影響因素：原子擴(kuò)散；冷卻速度,4合金的非平衡結(jié)晶過程及組織,在實(shí)際生產(chǎn)條件下，一般冷卻速度都較快，固熔體中原子擴(kuò)散過程不能充分進(jìn)行。因此，先結(jié)晶的枝晶主軸含高熔點(diǎn)組元多，后結(jié)晶的分枝含底熔點(diǎn)組元多。這種在一個(gè)枝晶內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象叫“枝晶偏析”或“晶內(nèi)偏析”。,2.2二元合金相圖與合金組織,Cu-Ni合金的

10、平衡組織與枝晶偏析組織,平衡組織,枝晶偏析組織,2.2二元合金相圖與合金組織,三、共晶相圖與合金組織,共晶相圖兩個(gè)組元在液態(tài)時(shí)無限互溶，而在固態(tài)時(shí)有限互溶，并有共晶反應(yīng)的相圖。如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si，Al-Sn等。,共晶相圖兩個(gè)組元在液態(tài)時(shí)無限互溶，而在固態(tài)時(shí)有限互溶，并有共晶反應(yīng)的相圖。如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si，Al-Sn等。,2.2二元合金相圖與合金組織,三、共晶相圖與合金組織,1相圖分析 點(diǎn)分析：A、B分別為Pb和Sn的熔點(diǎn);M、N為和固熔體最大溶解度點(diǎn); F、G為和固熔體在室溫下的溶解度點(diǎn); E為共晶點(diǎn) 線分析：AFB為液相線；AMNB

11、為固相線；MEN為三相共存水平線, 在MEN線上發(fā)生共晶反應(yīng)： 區(qū)分析：三個(gè)單相區(qū)L、; 三個(gè)兩相區(qū)L+、L+、+,1）共晶合金（E點(diǎn)）,2. 典型合金平衡結(jié)晶過程及組織,三、共晶相圖與合金組織,2）含錫小于19%的合金,2. 典型合金平衡結(jié)晶過程及組織,三、共晶相圖與合金組織,2. 典型合金平衡結(jié)晶過程及組織,3）亞共晶合金,三、共晶相圖與合金組織,3. 不平衡結(jié)晶及組織 1）偽共晶在不平衡結(jié)晶過程中，在共晶成分附近的亞共晶或過共晶合金形成的共晶組織。 2）離異共晶在先共晶數(shù)量較多時(shí)，共晶組織中與先共晶相同的那相會(huì)依附于先共晶生長，剩下的另一相則單獨(dú)存在于晶界處，從而使共晶組織特征消失。這種

12、兩相分離的共晶稱為偽共晶。,三、共晶相圖與合金組織,2.2二元合金相圖與合金組織,包晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)下有限互溶，并有包晶反應(yīng)。例如：Pt-Ag，Sn-Sb，Cu-Sn，Cu-Zn等。,四、包晶相圖與合金組織,1. 相圖分析 點(diǎn)分析：A、B分別為Pt和Ag的熔點(diǎn)；D為包晶點(diǎn)；P為相最大溶解度點(diǎn)；C為發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)的液相成分點(diǎn)；E、F分別為和室溫下的溶解度。 線分析：ACB為液相線；APDB為固相線；PE、DF是和的溶解度曲線；PDC為三相共存水平線 區(qū)分析：三個(gè)單相區(qū)L、和；三個(gè)兩相區(qū)L+、L+、+ 在水平線上發(fā)生包晶反應(yīng)：,四、包晶相圖與合金組織,LC+PD,四、包晶相圖與合

13、金組織,復(fù)雜二元相圖可看作三類基本相圖的組合。,合金性能,固溶體合金,共晶合金,鍛造,鑄造,包晶合金,3.1 純金屬的結(jié)晶與組織,3.2 二元合金相圖與合金組織,3.3 鐵碳相圖,3.4 鑄錠（件）的組織與缺陷,第三章 金屬結(jié)晶與顯微組織,2.3鐵碳相圖,純鐵,滲碳體,2.3鐵碳相圖,一、鐵碳合金的組元和基本相,1. 純鐵 鐵是元素周期表上的第26個(gè)元素，屬于過渡族金屬元素。在一個(gè)大氣壓下，F(xiàn)e的熔點(diǎn)為1538C，20C時(shí)的密度為7.87g/cm3。 1）鐵的多晶型轉(zhuǎn)變,2.3鐵碳相圖,一、鐵碳合金的組元和基本相,1. 純鐵 鐵是元素周期表上的第26個(gè)元素，屬于過渡族金屬元素。在一個(gè)大氣壓下，

14、Fe的熔點(diǎn)為1538C，20C時(shí)的密度為7.87g/cm3。 1）鐵的多晶型轉(zhuǎn)變 2）鐵素體（以F或表示） 鐵素體是碳溶于-Fe中的間隙固溶體，為體心立方晶格結(jié)構(gòu)，鐵素體的最大溶碳量 ，室溫下則小于 。 3）奧氏體（以A或表示） 奧氏體是碳溶于-Fe中的間隙固溶體，為面心立方晶格結(jié)構(gòu)，奧氏體最大溶碳量為 。,2.3鐵碳相圖,一、鐵碳合金的組元和基本相,2. 滲碳體 滲碳體（Fe3C）是鐵與碳形成的間隙化合物，其含碳量為6.69%，F(xiàn)e3C的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有很高的硬度，但塑性很差（延伸率接近于零）。Fe3C的熔點(diǎn)為1227C，在230C以下具有鐵磁性。,2.3鐵碳相圖,一、鐵碳合金的組元和基本

15、相,3. 鋼鐵材料按含碳量分類,2）亞共析鋼 0.02180.77%C 3）共析鋼 0.77%C 4）過共析鋼 0.772.11%C,5）亞共晶白口鐵 2.114.3%C 6）共晶白口鐵 4.3%C 7）過共晶白口鐵 4.36.69%C,1）工業(yè)純鐵0.0218%C,純鐵,鋼,鑄鐵,2.3鐵碳相圖,鋼,鑄鐵,純鐵,1. 相圖中的點(diǎn),二、Fe-Fe3相圖分析,二、Fe-Fe3相圖分析,1. 相圖中的點(diǎn),五個(gè)單相區(qū)： ABCD以上液相區(qū)L AHNA固溶體區(qū)（） NJESGN奧氏體區(qū)（或A） GPQG鐵素體區(qū)（或F） DFKL滲碳體區(qū)（Fe3C） 七個(gè)兩相區(qū)： L+，L+，L+ Fe3C，+，+，+

16、 Fe3C，+ Fe3C,2. 相圖中的區(qū),二、Fe-Fe3相圖分析,1）HJB包晶線 2）EFC共晶線 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為A與Fe3C的機(jī)械混合無，稱為萊氏體（Ld）。 3）PSK共析線 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為F與Fe3C的機(jī)械混合無，稱為珠光體（P）,3. 三條水平線,二、Fe-Fe3相圖分析,1）GS線 為A析出F的起始溫度，或F全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳的終了溫度，又稱A3線 2）ES線 為碳在A中的溶解度曲線，當(dāng)溫度低于此曲線時(shí)，就從A中析出Fe3C，稱為二次滲碳體（記為Fe3CII）。ES線也叫Acm線。 3）PQ線 為碳在F中的固溶度曲線，當(dāng)溫度低于此曲線時(shí)，從F中析出Fe3C，稱為三次滲碳體（記為Fe3CIII

17、）。,4. 三條固態(tài)轉(zhuǎn)變線,二、Fe-Fe3相圖分析,三、碳鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織,2.3鐵碳相圖,1. 共析鋼 共析鋼為含碳量0.77%C的鐵碳合金。 在S點(diǎn)以上為單相奧氏體（A），在S點(diǎn)發(fā)生共析反應(yīng)：，生成的片狀F與Fe3C相間的組織，稱為珠光體（P）。在S點(diǎn)以下共析鋼為珠光體P。,三、碳鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織,共析鋼結(jié)晶組織示意圖,奧氏體,珠光體,共析鋼室溫金相組織,三、碳鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織,三、碳鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織,2. 亞共析鋼（以0.40%C為例）,亞共析鋼為含碳量在0.0218-0.77%C之間的鐵碳合金。在亞共析鋼平衡冷卻過程中發(fā)生下列過

18、程： 12點(diǎn)：勻晶轉(zhuǎn)變 2點(diǎn)： 包晶轉(zhuǎn)變 23點(diǎn)：勻晶轉(zhuǎn)變 34點(diǎn)：單相奧氏體A 4點(diǎn)： 開始從A析出F，由于析出了含碳量極低的F，使未轉(zhuǎn)變的A含碳量增加，隨著溫度的降低，A與F的含碳量分別沿GS和GP線變化。 5點(diǎn)： 剩余A發(fā)生共析轉(zhuǎn)變,三、碳鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織,亞共析鋼結(jié)晶過程組織示意圖,34,45,5點(diǎn)以下,三、碳鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織,亞共析鋼結(jié)晶過程顯微組織,三、碳鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織,杠桿定律的應(yīng)用,問題：計(jì)算含碳量0.17%C的亞共析鋼中相的相對(duì) 含量和組織相對(duì)含量。,1）相含量,2）組織相對(duì)含量,三、碳鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織,3. 過共析鋼

19、（含碳量大于0.77%C）,過共析鋼結(jié)晶過程顯微組織,練習(xí)題： 計(jì)算在727時(shí)共析轉(zhuǎn)變剛剛完成時(shí)含碳量為1.2%的過共析鋼中的相組成和組織組成物的相對(duì)含量。,三、碳鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織,三、碳鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織,4. 鑄鐵（含碳量2.116.69 %C）,四、含碳量對(duì)鋼平衡組織及性能的影響,1. 按組織組成物標(biāo)注的Fe-Fe3C相圖,2. 含碳量對(duì)平衡組織的影響,四、含碳量對(duì)鋼平衡組織及性能的影響,2. 含碳量對(duì)平衡組織的影響,四、含碳量對(duì)鋼平衡組織及性能的影響,四、含碳量對(duì)鋼平衡組織及性能的影響,鐵素體是軟韌相，滲碳體是硬脆相。珠光體由鐵素體和滲碳體組成，滲碳體以細(xì)片狀

20、分散地分布在鐵素體的基體上，起了強(qiáng)化作用。與鐵素體相比，珠光體具有較高的強(qiáng)度和硬度，但塑性較差。 工程上應(yīng)保證所使用的鐵碳合金具有適當(dāng)?shù)乃苄院晚g性，對(duì)碳素鋼和普通低中合金鋼，含碳量一般不超過1.3%。,3. 含碳量對(duì)鋼力學(xué)性能的影響,四、含碳量對(duì)鋼平衡組織及性能的影響,1）對(duì)切削加工性能的影響 低碳鋼中鐵素體較多，塑韌性好，但易粘刀，切屑不易斷。高碳鋼中滲碳體多，硬度高，嚴(yán)重磨損刀具。中碳鋼硬度和塑性適中，切削加工性能較好。 2）對(duì)可鍛性的影響 金屬的可鍛性是指金屬在壓力加工時(shí)能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。低碳鋼可鍛性較好，隨著含碳量增加，可鍛性逐漸變差。白口鑄鐵無論在低溫還是在高溫，可鍛性都很差。 3）對(duì)鑄造性能的影響