1、第3章 金屬結(jié)晶與顯微組織,主講教師 劉 海 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 86418720，86412462,機(jī)械工程材料,物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。,物質(zhì)從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程。結(jié)晶在固定的溫度下進(jìn)行。,凝固,前言,結(jié)晶,金屬的平衡結(jié)晶溫度或理論結(jié)晶溫度稱為熔點(diǎn)。,凝固,前言,結(jié)晶,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 鐵碳合金相圖,3.4 鑄造組織與缺陷,第3章金屬結(jié)晶與顯微組織,3.1 純金屬的結(jié)晶與組織,3.1 純金屬的結(jié)晶與組織,結(jié)晶試驗(yàn)裝置,1. 冷卻曲線（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。

2、,一、結(jié)晶過程中的宏觀現(xiàn)象,2. 結(jié)晶過程的宏觀特征,T,Tm,Tn,溫度,一、結(jié)晶過程中的宏觀現(xiàn)象,過冷,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:,1）過冷現(xiàn)象,2. 結(jié)晶過程的宏觀特征,T,Tm,Tn,一、結(jié)晶過程中的宏觀現(xiàn)象,過冷,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。,2）結(jié)晶潛熱,二、金屬結(jié)晶的微觀過程,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

3、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)耗盡，結(jié)晶過程結(jié)束。,形核,長大,兩個(gè)過程重疊交織,形成多晶體,二、金屬結(jié)晶的微觀過程,兩相自由能差,結(jié)晶潛熱,結(jié)晶溫度,過冷度,金屬結(jié)晶熱力學(xué),能量起伏,相起伏,晶胚,晶核,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。,1. 晶核的形成,非晶態(tài),晶態(tài),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

4、核,非均勻形核,均勻形核條件,非均勻形核條件,形核率,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*N2 表示。,形核功影響,原子擴(kuò)散能力,形核率影響晶粒尺寸,非均勻形核率高于均勻形核，原因：,點(diǎn)陣匹配原理：非均勻形核的形核功低，如果固相表面原子排列與新相點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相同，更加有效促進(jìn)非均勻形核。,可以通過振動(dòng)、攪拌、超聲波處理等手段促進(jìn)非均勻形核,非均勻形核所需過冷度較??；,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.晶核長大機(jī)制,1）二維晶核

5、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.晶核長大機(jī)制,2）螺型位錯(cuò)長大機(jī)制 當(dāng)固相表面有螺型位錯(cuò)露頭時(shí)，液體中的原子不斷添加到露頭位錯(cuò)的臺(tái)階上使晶體長大。,2.晶核長大機(jī)制,2）螺型位錯(cuò)長大機(jī)制 當(dāng)固相表面有螺型位錯(cuò)露頭時(shí)，液體中的原子不斷添加到露頭位錯(cuò)的臺(tái)階上使晶體長大。,2.晶核長大機(jī)制,3）垂直長大機(jī)制 粗糙界面上有約一半的結(jié)晶位置空著，液體原子可以直接添加到這些位置，使晶界沿法線方向向液相中長大垂直長大。垂直長大的速度較快。,2.晶核長大機(jī)制,3）垂直

6、長大機(jī)制 粗糙界面上有約一半的結(jié)晶位置空著，液體原子可以直接添加到這些位置，使晶界沿法線方向向液相中長大垂直長大。垂直長大的速度較快。,2.晶核長大機(jī)制,鎮(zhèn)靜鋼鋼錠剖面,青銅殘劍,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.晶體生長的形態(tài),正溫度梯度,負(fù)溫度梯度,3.晶體生長的形態(tài),固液界面前沿溫度梯度是影響晶體生長形態(tài)的重要因素。,負(fù)溫度梯度下晶體生長,枝狀晶,在負(fù)溫度梯度下生長的界面形態(tài),3.晶體生長的形態(tài),在正溫度梯度下生長的界面形態(tài),3.晶體生長的形態(tài),合金的結(jié)晶形態(tài),3.晶體生長的形態(tài),影響晶體生長方式的主要因素,溫度梯度

7、/凝固速率,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。,4.晶粒大小的控制,4.晶粒大小的控制,1) 控制過冷度,2) 變質(zhì)處理,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。,3) 振動(dòng)、攪拌和超聲波處理等機(jī)械方法,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 鐵碳合金相圖,3.4 鑄造組織與缺陷,第3章金屬結(jié)晶與顯微組織,3.2 二元合金相圖與合金組織,水的相圖,3.2 二元合金相圖與合金組織,合金相

8、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冷卻條件下測(cè)定的，又稱“平衡相圖”。,銅錫合金相圖,3.2 二元合金相圖與合金組織,一、相圖的建立,3.2.1 勻晶相圖,1）配制一系列成分的合金： 100%Cu； 20%Ni+80%Cu 40%Ni+60%Cu 60%Ni+40%Cu， 80%Ni+20%Cu， 100%Ni,2）測(cè)出上述合金的冷卻曲線；,2）根據(jù)各冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定合金臨界點(diǎn)；,3）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。,一、相圖的建立,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-

9、Ni，F(xiàn)e-Cr，Ag-Au，W-Mo等。,二、相圖分析,組元：Cu，Ni,點(diǎn)：tACu的熔點(diǎn) tBNi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+,三、杠桿定律,3.2.1 勻晶相圖,四、合金的平衡結(jié)晶過程及組織,五、勻晶轉(zhuǎn)變的原子擴(kuò)散過程,勻晶合金的不平衡結(jié)晶,五、勻晶轉(zhuǎn)變的原子擴(kuò)散過程,勻晶轉(zhuǎn)變過程中的原子擴(kuò)散,影響因素：原子擴(kuò)散 冷卻速度,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”。

10、,六、合金的非平衡結(jié)晶過程及組織,3.2.1 勻晶相圖,枝晶偏析,六、合金的非平衡結(jié)晶過程及組織,Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織,平衡組織,枝晶偏析組織,3.2.2 共晶相圖,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。,A,B,M,N,A、B為Pb和Sn的熔點(diǎn);,F、G為和固熔體在室溫下的溶解度點(diǎn);,M、N為和固熔體最大溶解度點(diǎn);,E為共晶點(diǎn),F,G,E,3.2.2 共晶相圖,二、相圖分析,相圖上的點(diǎn)：,3.2.2 共晶相圖,二、相圖分析,相圖上的線：,A,B,M,N,AEB為液相線;,MF

11、、NG為和固熔體溶解度變化曲線;,AMNB為固相線，在MN上發(fā)生共晶反應(yīng);,F,G,3.2.2 共晶相圖,二、相圖分析,相圖上的區(qū)：,三個(gè)單相區(qū): L、;,三個(gè)兩相區(qū): L+、L+和+,1）共晶合金（E點(diǎn)）,二、典型合金平衡結(jié)晶過程及組織,2）含錫小于19%的合金,二、典型合金平衡結(jié)晶過程及組織,3）亞共晶合金,二、典型合金平衡結(jié)晶過程及組織,三、不平衡平衡結(jié)晶過程及組織,3.2.2 共晶相圖,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。,Al-11.7%Si合金快冷組織,共晶合金不平衡凝固,先析出相,偽共晶,三、不平衡平衡結(jié)晶過程及組織,3.2.2 共晶相

12、圖,2）離異共晶在先共晶數(shù)量較多時(shí)，共晶組織中與其相同的相會(huì)依附于先共晶生長，另一相則單獨(dú)存在于晶界處，從而使共晶組織特征消失。這種兩相分離的共晶稱為離異共晶。,Al一4Cu合金快冷組織,可能產(chǎn)生離異共晶示意圖,3.2 二元合金相圖與合金組織,3.2.3 包晶相圖與合金組織,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。,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；

13、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)：,LC+PD,3.2.3 包晶相圖與合金組織,一、相圖分析,3.2.3 包晶相圖與合金組織,二、典型合金平衡結(jié)晶過程及組織,3.2.3 包晶相圖與合金組織,二、典型合金平衡結(jié)晶過程及組織,3.2.3 包晶相圖與合金組織,二、典型合金平衡結(jié)晶過程及組織,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 鐵碳合金相圖,3.4 鑄造組織與缺陷,第3章金屬結(jié)晶與顯微組織,3.3 鐵碳合金相圖,純

14、鐵,滲碳體,3.3 鐵碳合金相圖,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。鐵在770C以下有磁性。隨溫度變化具有多晶型轉(zhuǎn)變：,3.3.1 鐵碳合金的組元和基本相,3.3 鐵碳合金相圖,純鐵,鐵素體是碳溶于-Fe中的間隙固溶體，具有為體心立方晶格結(jié)構(gòu)，鐵素體最大溶碳量Wc=0.0218%，室溫下則小于0.001% 。,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Wc=2.11% 。,3.3.1 鐵碳合金的組元和基本相,鐵素體（F或-Fe ）,奧氏體（A或）,滲碳體（Fe3C）是鐵

15、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。,滲碳體,3.3 鐵碳合金相圖,3.3.1 鐵碳合金的組元和基本相,3.3 鐵碳合金相圖,3.3.2 鐵碳材料按含碳量分類,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,鋼,鑄鐵,純鐵,3.3 鐵碳合金相圖,3.3.3 鐵碳相

16、圖分析,點(diǎn)分析,點(diǎn)分析,3.3.3 鐵碳相圖分析,區(qū)分析,五個(gè)單相區(qū),七個(gè)雙相區(qū),三條水平線,共析線,包晶線,共晶線,珠光體 P,萊氏體 Ld,奧氏體A,三條固態(tài)轉(zhuǎn)變線,ES線：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。,PQ線：碳在F中的固溶度曲線，當(dāng)溫度低于此曲線時(shí)，從F中析出三次滲碳體（記為Fe3CIII）。,GS線: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,1點(diǎn)：從液相析出A; 12點(diǎn)：兩相共存； 2點(diǎn)：液相全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳; 23點(diǎn)：?jiǎn)蜗郃； 3點(diǎn)：共析反應(yīng)； 3點(diǎn)以下：珠光體P，并隨溫度降低從其F中析出Fe3C .,3.3.4 鐵碳合金冷卻過程中的相

17、變及組織,3.3 鐵碳合金相圖,共析鋼,共析鋼,共析鋼室溫組織珠光體P,1點(diǎn)：從液相析出-Fe; 12點(diǎn)：兩相共存； 2點(diǎn)：包晶反應(yīng); 23點(diǎn)：液相和A共存; 34點(diǎn)：?jiǎn)蜗郃； 4點(diǎn)：從A和析出Fe3C； 45點(diǎn)： A和-Fe共存； 5點(diǎn)：A發(fā)生共析反應(yīng)； 5點(diǎn)以下: F和P,隨溫度降低從其F中析出Fe3C .,3.3.4 鐵碳合金冷卻過程中的相變及組織,亞共析鋼,1點(diǎn)：從液相析出-Fe; 12點(diǎn)：兩相共存； 2點(diǎn)：液相全轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe; 23點(diǎn)：?jiǎn)蜗?Fe; ； 3點(diǎn)：從相析出A； 34點(diǎn)：兩相共存； 45點(diǎn)：?jiǎn)蜗郃； 56點(diǎn)：A和-Fe共存； 67點(diǎn)：?jiǎn)蜗?Fe； 7點(diǎn)以下：隨溫度降低從其F

18、中析出Fe3C .,含碳量小于0.017%亞共析鋼,亞共析鋼室溫組織鐵素體F珠光體P,20鋼,40鋼,65鋼,過共析鋼,過共析鋼室溫組織滲碳體Fe3C珠光體P,硝酸酒精侵蝕,苦味酸鈉侵蝕,T12鋼,1點(diǎn)：共晶反應(yīng) 12點(diǎn)：高溫Ld， 析出Fe3C； 2點(diǎn)：共晶反應(yīng); 2點(diǎn)以下：低溫溫Ld;,共晶白口鐵,共晶白口鐵,亞共晶白口鐵,鑄鐵室溫組織,共晶白口鐵,亞共晶白口鐵,過共晶白口鐵,杠桿定律的應(yīng)用,問題：計(jì)算在共析反應(yīng)完成之后含碳量0.17%C的亞共鋼中相的相對(duì)含量和組織相對(duì)含量。,1）相含量,2）組織相對(duì)含量,3.3.4 鐵碳合金冷卻過程中的相變及組織,按組織組成物標(biāo)注的Fe-Fe3C相圖,3.3.5 含碳量對(duì)鋼的組織和性能的影響,A,B,C,D,F,E,N,G,P,S,K,Q,J,H,A,L,F,Fe,Fe3C,3.3.5 含碳量對(duì)鋼的組織和性能的影響,3.3 鐵碳合金相圖,3.3.5 含碳量對(duì)鋼的組織和性能的影響,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