1、第三章 純金屬結(jié)晶與 合金的結(jié)晶,第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶 第二節(jié) 合金的結(jié)晶,第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶,一、純金屬的冷卻曲線和過(guò)冷現(xiàn)象 1、 通過(guò)熱分析法測(cè)定冷卻曲線,2、冷卻曲線分析 純金屬結(jié)晶時(shí)，在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)的原因，是由于金屬在結(jié)晶過(guò)程中，釋放的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了外界散失的熱量，使溫度并不隨冷卻時(shí)間的增加而下降，直到金屬結(jié)晶終了后，已沒有結(jié)晶潛熱補(bǔ)償散失的熱量，故溫度又重新下降。,冷卻曲線,T0,Tn,理論結(jié)晶溫度,開始結(jié)晶溫度,T,過(guò)冷度,T= T0 - Tn,純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過(guò)冷度（克服界面能）,3、過(guò)冷現(xiàn)象 金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度Tn低于理論結(jié)晶溫度T0的現(xiàn)象。 過(guò)冷度T=

2、 T0Tn，過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件。 同一金屬，結(jié)晶時(shí)冷卻速度越大，過(guò)冷度越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度越低。,二、純金屬的結(jié)晶過(guò)程,結(jié)晶的過(guò)程是不斷形核和長(zhǎng)大的過(guò)程。,液態(tài)金屬,形核,晶核長(zhǎng)大,完全結(jié)晶,1、形核,液體中存在著許多類似于晶體的小集團(tuán)，當(dāng)?shù)陀诶碚摻Y(jié)晶溫度時(shí)，這些小集團(tuán)中的一部分就成為穩(wěn)定的結(jié)晶核心，稱為晶核。 兩種形核方式 自發(fā)形核 與 非自發(fā)形核 自發(fā)形核 由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過(guò)臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。 2、長(zhǎng)大,晶體的長(zhǎng)大過(guò)程是液體中原子遷移到固體表面，使液固界面向液體中推移的過(guò)程。 兩種長(zhǎng)大方式 平面生長(zhǎng) 與 樹枝狀生長(zhǎng)。,平面長(zhǎng)大,樹枝狀長(zhǎng)大,三、晶粒大小對(duì)金屬力

3、學(xué)性能的影響,1、概念 1）晶粒度衡量晶粒大小的尺度，常以單位截面上晶粒數(shù)目或晶粒的平均直徑來(lái)表示。 2）形核率指單位時(shí)間、單位體積中所形成的晶核數(shù)目。 3）長(zhǎng)大速度指單位時(shí)間內(nèi)晶核向周圍長(zhǎng)大的平均線速度。 2、金屬晶粒的細(xì)化方法 在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性。 這是因?yàn)椋?晶粒越細(xì)，塑性變形越可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使塑性變形越均勻，內(nèi)應(yīng)力集中越??； 晶粒越細(xì)，晶界就越曲折，晶粒與晶粒間犬牙交錯(cuò)的機(jī)會(huì)就越多，越不利于裂紋的傳播和發(fā)展，彼此就越緊固，強(qiáng)度和韌性就越好 。,表3-1 純鐵的晶粒度與力學(xué)性能的關(guān)系,（1）提高過(guò)冷度,形核率N 、長(zhǎng)大速度G 與 過(guò)冷度

4、T 的關(guān)系,T,G，N,G,N,（2）變質(zhì)處理,在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。 變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長(zhǎng)大。 （3）振動(dòng)結(jié)晶 機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。 振動(dòng)的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。,四、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,1、概念：金屬在固體下由一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的變化稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變所得的不同晶格類型的晶體稱為同素異構(gòu)體。 2、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 鐵是典型的具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性的金屬。純鐵的結(jié)晶和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的過(guò)程：,純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,912 C,一二元合金相圖的建立 1、二元合金相圖的表示方

5、法 純鐵的結(jié)晶過(guò)程，可以利用冷卻曲線來(lái)研究。如果把冷卻曲線上的轉(zhuǎn)變點(diǎn)投影到溫度坐標(biāo)軸上，利用一個(gè)縱坐標(biāo)就可以表示出純鐵在加熱和冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程。 對(duì)于二元合金系，除溫度變化外，還有合金成分的變化，因而需要采用兩個(gè)坐標(biāo)軸來(lái)表示二元合金相圖。在二元合金相圖中，以縱坐標(biāo)表示溫度，以橫坐標(biāo)表示成分。,第二節(jié) 合金的結(jié)晶,2二元合金相圖的測(cè)定方法 最基本、最常用的方法是熱分析法 1）首先配制一系列不同成分的CuNi合金； 2）用熱分析法測(cè)出所配制的各合金的冷卻曲線； 3）找出各冷卻曲線上的相變點(diǎn)； 4）將各個(gè)合金的相變點(diǎn)分別標(biāo)注在溫度成分坐標(biāo)圖中相應(yīng)的合金垂線上。 5）連接各相同意義的相變點(diǎn)，所得的

6、線稱為相界線，這樣就得到CuNi合金相圖,Cu-Ni合金相圖的測(cè)定,二、勻晶相圖,兩組元在液態(tài)與固態(tài)均可彼此無(wú)限溶解的合金相圖，稱為勻晶相圖。這類相圖有：Cu-Ni、Fe-Ni、Au-Ag 系。,1083,1455,L,L+ ,純銅熔點(diǎn),純鎳熔點(diǎn),液相線,固相線,液相區(qū),固相區(qū),液固兩相區(qū),勻晶合金的結(jié)晶過(guò)程,a,b,c,d,T,C,t,L,L,L,勻晶轉(zhuǎn)變 L ,冷卻曲線,勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個(gè)恒定的熔點(diǎn)，而是在液、固相線劃定的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。,三、共晶相圖,兩組元在液態(tài)互溶，在固態(tài)相互有限溶解，并發(fā)生共晶反應(yīng)的合金相圖，稱為共晶相圖。 具有這類相圖的合金有Pb-Sn、Sb-Sb、

7、Cu-Ag、Al-Si等。,Pb,Sn,Sn%,T,C,液相線,L,固相線, + ,L + ,L + ,固溶線,固溶線,相界線把共晶相圖分成六個(gè)相區(qū)：三個(gè)單相區(qū)L、相區(qū)；三個(gè)兩相區(qū)為L(zhǎng)+a、L+、+相區(qū)。共晶線DCE是L、三相平衡的共存線。,1、相圖分析-鉛-錫合金相圖,Pb,Sn,T,C,L, + ,L + ,L + ,共晶反應(yīng)線 表示從c點(diǎn)到e點(diǎn)范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反應(yīng)。,c,e,共晶點(diǎn) 表示d點(diǎn)成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。,d,Ld c + e,共晶反應(yīng)要點(diǎn),共晶轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵逻M(jìn)行。 轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個(gè)不同的固相。 存在一個(gè)確定的共晶

8、點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。 成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。,2.典型的合金結(jié)晶過(guò)程分析,c,e,f,g,X1,T,C,t,L,L,L,L+ ,冷卻曲線, + ,1,2,3,4,（1）X1合金結(jié)晶過(guò)程分析,X1合金結(jié)晶特點(diǎn),T,C,t,L,L,L,L+ ,冷卻曲線, + , ,1.沒有共晶反應(yīng)過(guò)程，而是經(jīng)過(guò)勻晶反應(yīng)形成單相固相。,2.要經(jīng)過(guò)脫溶反應(yīng)，室溫 組織組成物為 + ,組織組成物 組織中，由一定的相構(gòu)成的，具有一定形態(tài)特征的組成部分。,（2）X2合金結(jié)晶過(guò)程分析（共晶合金）,X2,T,C,t,L,(+ ),L,L,L(+ ) 共晶體,冷卻曲線,(+ ),（3）X3合金結(jié)晶過(guò)程分析（

9、亞共晶合金）,X3,T,C,t,L,L+ ,(+ )+ + ,1,2,(+ )+ ,（4）X4合金結(jié)晶過(guò)程分析（過(guò)共晶合金）,X4,T,C,t,L,L+ ,(+ )+ + ,1,2,(+ )+ ,3、合金的相組分與組織組分,標(biāo)注了組織組分的Pb-Sn相圖,在高溫通過(guò)勻晶轉(zhuǎn)變所形成的固溶體，在冷卻到某一溫度時(shí)，又發(fā)生分解而形成兩個(gè)新的固相，這種相圖稱為共析相圖。 從一個(gè)固相中同時(shí)析出兩個(gè)不同成分的固相轉(zhuǎn)變稱為共析轉(zhuǎn)變 。 與共晶轉(zhuǎn)變對(duì)比有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1）共析轉(zhuǎn)變是固態(tài)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過(guò)程中需要原子作大量的擴(kuò)散，但在固態(tài)中的擴(kuò)散比在液態(tài)中困難得多，所以共析轉(zhuǎn)變需要較大的過(guò)冷度。 2）由于共析轉(zhuǎn)變過(guò)冷度大，因而形核率高，得到的共晶體更細(xì)密。 3）共析轉(zhuǎn)變前后晶體結(jié)構(gòu)不同，轉(zhuǎn)變會(huì)引起容積變化，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。這一現(xiàn)象在鋼的熱處理時(shí)表現(xiàn)較為明顯。,四、 共析相圖,共析轉(zhuǎn)變： ( + ) 共析體,A,B,T,C, + , + , + ,c,e,d,L + ,L,五、合金性能與相圖間關(guān)系,1、合金的使用性能與相圖的