1、工程學(xué)院 田玉琬,第二章 金屬材料的凝固與固態(tài)相變,第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶 第二節(jié) 合金的結(jié)晶 第三節(jié) 鐵碳合金相圖 第四節(jié) 凝固組織及其控制,第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶,一、結(jié)晶 結(jié)晶：物體從液態(tài)凝固到的固態(tài)晶體的過程。 本質(zhì)：近程有序 遠(yuǎn)程有序,T,F,Tn,結(jié)晶溫度和過冷度,液相,固相,過冷度：T = T0 Tn,實(shí)際結(jié)晶曲線,1.純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線,二、純金屬的結(jié)晶 結(jié)晶過程：形核+長大,1. 晶核的生成：,自發(fā)生核 (同質(zhì)形核),非自發(fā)形核(異質(zhì)形核),自發(fā)生核：晶核是從液體結(jié)構(gòu)內(nèi)部自發(fā)長出來的 T200，短程有序的原子團(tuán)穩(wěn)定成晶核 非自發(fā)形核：晶核是依附外來雜質(zhì)而生成的 T 20，液體

2、中的雜質(zhì)、容器壁,實(shí)際金屬和合金結(jié)晶中,非自發(fā)形核比自發(fā)生核更重要,往往起優(yōu)先和主導(dǎo)作用!,樹枝狀長大典型生長方式,2. 晶核的長大：,形核率（ N ）: 單位時(shí)間、單位體積產(chǎn)生的晶核數(shù)。 晶核的長大速率（ G）：單位時(shí)間內(nèi)晶核長大的平均速度。,3. 影響形核和長大的因素：,難熔雜質(zhì)：高熔點(diǎn)的雜質(zhì)，特別是當(dāng)雜質(zhì)的晶體結(jié)結(jié)構(gòu)與金屬的晶體結(jié)構(gòu)有某些相似時(shí)，將強(qiáng)烈地促使非自發(fā)形核，大大提高形核率。（變質(zhì)處理）,4. 晶粒大小控制,形核率愈大，則結(jié)晶后的晶粒愈多，晶粒就愈小。 晶核長大速度愈小，則結(jié)晶所需的時(shí)間愈長，能生成的核心愈多，晶粒就愈細(xì)。,增大過冷度：過冷度大，形核速率相對長大速率更大。 變質(zhì)

3、處理：有意地向液態(tài)金屬中加入某些變質(zhì)劑，以細(xì)化晶粒和改善組織。,三、金屬的同素異構(gòu),同素異構(gòu)現(xiàn)象：外界條件變化，晶體結(jié)構(gòu)變化。,1394,1534,912, - Fe, - Fe, - Fe,鐵的冷卻曲線,同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上也是一種廣義的結(jié)晶過程：也就是原子重新排列的過程,它也遵循生核與長大的基本規(guī)律。,第二節(jié) 合金的結(jié)晶,一、相圖 合金的結(jié)晶過程比純金屬復(fù)雜，常用相圖進(jìn)行分析。 相圖用來表示合金系中各合金在緩冷條件（接近熱力學(xué)平衡狀態(tài)）下的結(jié)晶過程。,二、相圖的建立,二、二元合金的相圖的建立,1. 二元相圖： 存在兩個(gè)組元時(shí)，含量是變量，常壓下的結(jié)晶過程，則橫座標(biāo)用線段表示含量，縱座標(biāo)表示溫

4、度。平面上按平衡狀態(tài)下存在的相來分隔。,相圖用途：,由含量和溫度預(yù)知平衡相 含量一定，溫度發(fā)生變化時(shí)其他平衡相變化的規(guī)律； 估算平衡相的數(shù)量。 預(yù)測材料的組織和性能！,a,b,L,S,L : 液相區(qū),S : 固相區(qū),L+S:液固共存區(qū),L + S,兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶-無限固溶體。,三、二元?jiǎng)蚓鄨D,1：開始凝固，固體成分在對應(yīng)固相線處 12：溫度下降，液體數(shù)量減少，固體數(shù)量增加，成分沿液相線和固相線變化 2：凝固完成，固體成分回到合金原始成分 2以下：固體冷卻，無組織變化,兩相區(qū)杠桿定律,合金x在溫度T1由兩相平衡并存，這時(shí)兩相的成分和數(shù)量保持不變。過x點(diǎn)作水平線交液相線和固相線于

5、a、c點(diǎn)，在某一溫度下液、固兩相的相對量可用杠桿定律來計(jì)算,設(shè)mL和m分別為兩相的數(shù)量，由質(zhì)量守恒定律可推導(dǎo)出： ML + M = 1 ML c = M a,注：杠桿定律適用所有兩相平衡！,1）與純金屬凝固一樣，結(jié)晶過程包括形核和長大；結(jié)晶需要一定的過冷度才能開始。 2）結(jié)晶在一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。只有在溫度不斷下降時(shí)固體量才增加，溫度不變，結(jié)晶數(shù)量維持平衡不變可利用杠桿定律計(jì)算兩相相對量。 3）結(jié)晶過程中液體和固體的成分分別沿液、固線不斷變化。,特點(diǎn)：,枝晶偏析：如果冷卻速度較快，液體和固體成分來不及均勻，除晶粒細(xì)小外，固體中的成分會(huì)出現(xiàn)不均勻，樹枝晶中成分也不均勻，產(chǎn)生晶內(nèi)偏析。,L,兩組元在

6、液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下有限溶解。 如PbSn、AgCu等二元共晶相圖。,四、二元共晶相圖,1）共晶成分（E點(diǎn)/c點(diǎn)） 共晶反應(yīng)：到達(dá)TE溫度，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，L+，得到兩固相的混合物，稱為共晶體，一般呈層片分布。 TE以下：固溶體的冷卻，共晶體中的相和相成分分別沿CG線和DH線變化，并析出II 和II。 由固相中析出的固相稱為次生相，由于次生相都相應(yīng)地同相和連在一起，且數(shù)量較少，故不改變共晶體的形貌。,液相線,固相線,在中的溶解線,共晶線,共晶合金,亞共晶,過共晶,固溶體,固溶體,過共晶,共析轉(zhuǎn)變 + ,五、二元共析相圖,L,液相線：ac 和 bc 固相線：ad 和 bp df和pg：固溶體、的

7、溶解度隨溫度變化線 dpc:為包晶轉(zhuǎn)變線,包晶轉(zhuǎn)變 LC+d P,六、二元包晶相圖,七、鑄錠（件）的凝固,1. 細(xì)等軸晶區(qū)：錠模溫度低，模壁異質(zhì)形核，晶粒細(xì)小，取向隨機(jī)； 2. 柱狀晶區(qū)：模具溫度的升高，形核困難，散熱方向垂直模壁，形成較粗且方向基本相同的長形晶粒區(qū)。 3.中心等軸晶區(qū)：液體對流，中心溫度均勻，緩慢降至凝固點(diǎn)，向四周均勻生長，形成等軸晶。晶核數(shù)量的有限，該區(qū)間的晶粒通常較粗大。,力學(xué)性能：表層硬；柱狀區(qū)有方向性；中心疏松、多雜質(zhì)。 鑄錠缺陷：集中縮孔最后凝固部位。要控制部位，便于切去。,第三節(jié) 鐵碳合金系相圖(FeFe3C),純鐵的冷卻曲線, - Fe, - Fe, - Fe,

8、鐵素體F / ：碳在體心立方Fe的間隙固溶體。,高溫鐵素體：碳在高溫體心立方Fe中的固溶體。,奧氏體A/ ：碳在面心立方Fe中的固溶體。,奧氏體溶碳能力比鐵素體大。 鐵素體是室溫組織。,一、鐵碳合金相圖基本相：液相、鐵素體、奧氏體、滲碳體,奧氏體（austenite）： 碳溶入-Fe中形成的固溶體， 記作（或A）,鐵素體（ferrite）： 碳溶入-Fe或-Fe中形成的固溶體， 記作：（或F）及,滲碳體Fe3C 含碳6.69%，F(xiàn)e3C硬度高，脆性大，塑性幾乎為零。 強(qiáng)化作用。 Fe3C是一個(gè)亞穩(wěn)相，F(xiàn)e3C3Fe+C(石墨)。 碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C

9、或石墨的形式存在。, 三個(gè)三相區(qū)/水平線：HJB (L+)、ECF(L+ Fe3C)、PSK(+ Fe3C),1. 相區(qū) 五個(gè)單相區(qū)： L、Fe3C 七個(gè)兩相區(qū): L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、+ 、+Fe3C,二、鐵碳合金相圖的分析,2. 特征線 液相線ABCD，固相線AHJECFD 包晶線 L+ ，共晶線 L + Fe3C，共析線 A F+ Fe3C,3. 特征點(diǎn),4. 鐵碳合金的分類,工業(yè)純鐵：C0.0218% 亞共析鋼：0.02180.77% C 共析鋼：0.77% C 過共析鋼：0.77%2.11% C 亞共晶白口鑄鐵：2.114.3%C 共晶白口鑄鐵：4.3%C 過共

10、晶白口鑄鐵：4.36.69%C 室溫相均為鐵素體+滲碳體Fe3C,奧氏體組織 ,高溫鐵素體組織,鐵素體組織F/,滲碳體組織 Cm,三、鐵碳合金的組織分析,萊氏體,共晶相：高溫 +Fe3C，低溫+ Fe3C 共晶組織：高溫萊氏體Le，低溫萊氏體Le,珠光體,共析相： + Fe3C 共析組織：珠光體 P,Le 萊氏體 Le, + ,奧氏體組織 ,高溫鐵素體組織 ,鐵素體組織 ,滲碳體組織 Cm,珠光體 P,典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析,1工業(yè)純鐵 (0.01%C) 2. 共析鋼 (0.77%C) 3. 亞共析鋼 (0.40%C) 4過共析鋼 (1.2%C) 5共晶白口鐵 (4.3%C) 6亞共晶白口鐵

11、 (3.0%C) 7過共晶白口鐵 (5.0%C),1. 工業(yè)純鐵 (0.01%C),力學(xué)性能: 強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。,相： +Fe3C 組織： F+Fe3C,2. 共析鋼 (0.77%C),共析： + Fe3C 珠光體P,相： +Fe3C 組織： P 珠光體,3.亞共析鋼 (0.45%C),組織：L L+ L+ L+ + +P +P,相：L L+ L+ L+ + +Fe3C +Fe3C,相： +Fe3C 組織： +P,室溫下P/F體積比？,亞共析鋼的組織都是F+P 鐵素體和珠光體的相對量不同 0.02180.77%C：P隨C增加而增加,4.過共析鋼 (1.2%C),組織：L L+ +F

12、e3C +Fe3C P+Fe3C,相：L L+ +Fe3C +Fe3C +Fe3C,相： +Fe3C 組織： P+Fe3C,室溫下P/Fe3C體積比？,0.01%C鐵素體,0.77%C珠光體,0.45%C鐵素體+珠光體,1.2%C鐵素體+二次滲碳體,500,共晶：L +Fe3C Le：奧氏體+滲碳體 Le：珠光體+滲碳體,5.共晶白口鑄鐵 (4.3%C),組織：L L+Le Le Le+Le Le,相：L L+Fe3C +Fe3C+ +Fe3C+ +Fe3C+,相：+Fe3C+ 組織：P、Fe3C、Le,5.亞共晶白口鑄鐵 (3.0%C),5.過共晶白口鑄鐵 (5.0%C),相：+Fe3C+ 組織：Fe3C、Le,相：液相L、鐵素體和、奧氏體、滲碳體Fe3C 組織：鐵素體F、奧氏體A、滲碳體Fe3C、珠光體P、萊氏體Le和Le,Fe3C,B,+F,L+A,A+ ,L+ ,L,L+ Fe3C,+ Fe3C+,+ Fe3C+,+ Fe3C,F+ Fe3C,相：液相L、鐵素體和、奧氏體、滲碳體Fe3C, Fe3C,Fe3C,A,A+F,L+A,A+ ,L+ ,F,A,L,L+ Fe3C,A+ Fe3C,A+ Fe3C+Le,Le,Le+ Fe3C,Le+ Fe3C,Le,P+ Fe3C+Le,P+ Fe3C,P+F,P,