1、第三章 材料的凝固,第一節(jié) 純金屬的結晶 第二節(jié) 合金的結晶 第三節(jié) 鐵碳合金相圖 第四節(jié) 凝固組織及其控制,物質由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。 物質由液態(tài)轉變?yōu)榫B(tài)的過程稱為結晶。 物質由一個相轉變?yōu)榱硪粋€相的過程稱為相變。因而結晶過程是相變過程。,第一節(jié) 純金屬的結晶,一. 冷卻曲線與過冷度 二. 結晶的一般過程 三. 同素異構轉變,一、冷卻曲線與過冷 1、冷卻曲線 金屬結晶時溫度與時間的關系曲線稱冷卻曲線。 實際結晶溫度: 曲線上水平階段所對應的溫度T1。 理論結晶溫度：熔點或平衡結晶溫度T0。,純金屬的冷卻曲線,2、過冷與過冷度 純金屬都在理論結晶溫度下, 液體和晶體處于動平衡狀態(tài)。

2、 結晶只有在T0以下的實際 結晶溫度下才能進行。,霧凇,過冷：液態(tài)金屬在理論結晶溫度以下開始結晶的現(xiàn)象。 過冷度：理論結晶溫度與實際結晶溫度的差T T= T0 T1 過冷度大小與冷卻速度有關，冷速越大，過冷度越大。,3、結晶的熱力學條件,二、結晶的一般過程,1、結晶的基本過程 結晶由晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程組成。 晶坯: 液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團，它們時聚時散。 晶核: 在T0以下, 經(jīng)一段時間后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯將會長大，形成穩(wěn)定結構。,晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核產生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩

3、晶粒接觸后形成晶界。,2、晶核的形成方式 形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。 由液體中排列規(guī)則的原子團形成晶核稱均勻形核。 以液體中存在的固態(tài)雜質為核心形核稱非均勻形核。非均勻形核更為普遍。,均勻形核,非均勻形核示意圖,3、晶核的長大方式 晶核的長大方式有兩種，即均勻長大和樹枝狀長大。,均勻長大，晶體生長以平面狀態(tài)向前推進。,實際金屬結晶主要以樹枝狀長大 這是由于過冷度大，且晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產生二次軸，樹枝間最后被填充。,樹枝狀結晶,三、同素異構轉變,構轉變。同素異構轉變屬于相變之一固態(tài)相變。 1、鐵的同素異構轉變 鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結構

4、變化，其變化為：,物質在固態(tài)下晶體結構隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素異,純鐵的同素異構轉變,-Fe、 -Fe為體心立方結構(BCC)，-Fe為面心立方結構(FCC)。都是鐵的同素異構體。,2、固態(tài)轉變的特點, 形核一般在某些特定部位發(fā)生（如晶界、晶內缺陷、特定晶面等）。, 由于固態(tài)下擴散困難，因而過冷傾向大。 固態(tài)轉變伴隨著體積變化，易造成很大內應力。,第二節(jié) 合金的結晶,一、二元相圖的建立 二、二元相圖的基本類型與分析 1、二元勻晶相圖 2、二元共晶相圖 3、二元包晶相圖 4、形成穩(wěn)定化合物的二元相圖 5、具有共析反應的二元相圖 6、二元相圖的分析步驟 7、相圖與合金性能之間的關系,合金的結晶過程比

5、純金屬復雜，常用相圖進行分析. 相圖是用來表示合金系中各合金在緩冷條件下結晶過程的簡明圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。,合金系是指由兩個或兩個以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。,組元是指組成合金的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質。,L+,相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。 根據(jù)組元數(shù), 分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。,一、二元相圖的建立,幾乎所有的相圖都是通過實驗得到的，最常用的是熱分析法。,二元相圖的建立步驟為：以Cu-Ni合金(白銅)為例 1. 配制不同成分的合金，測出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點（

6、停歇點或轉折點）。 2. 將臨界點標在溫度-成分坐標中的成分垂線上。,3. 將垂線上相同意義的點連接起來，并標上相應的數(shù)字和字母。,二、二元相圖的基本類型與分析,兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時所構成的相圖稱二元勻晶相圖。 以Cu-Ni合金為例進行分析。,1、二元勻晶相圖,相圖由兩條線構成，液相線、固相線。 相圖被兩條線分為三個相區(qū)，液相線以上為液相區(qū)L ，固相線以下為 固溶體區(qū)，兩條線之間為兩相共存的兩相區(qū)（L+ ）, 合金的結晶過程 除純組元外，其它成分合金結晶過程相似，以合金為例說明。,LL+,隨溫度下降，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。,這種從液相中結晶出單一固相的轉變稱為

7、勻晶轉變或勻晶反應。,液固相線不僅是相區(qū)分界線, 也是結晶時兩相的成分變化線；勻晶轉變是變溫轉變。, 杠桿定律 處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量。 現(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導杠桿定律： 確定兩平衡相的成分,則 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程組得,式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的長度。, 確定兩平衡相的相對重量 設合金的重量為1，液相重量為QL，固相重量為Q。,因此兩相的相對重量百分比為：,兩相的重量比為：,杠桿定律,運用杠桿定律時要注意：

8、（1）只適用于相圖中的兩相區(qū)； （2）只能在平衡狀態(tài)下使用； （3）杠桿的兩個端點為給定溫度時兩相的成分點, 而支點為合金的成分點。,課堂練習（如圖）求：圖示1300C時，液相與固相的相對含量。,實際冷速較快，結晶時固相中的原子來不及擴散，使先結晶出的枝晶軸含有較多的高熔點元素, 后結晶的枝晶間含有較多的低熔點元素。, 枝晶偏析,在一個枝晶范圍內或一個晶粒范圍內成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析。,不僅與冷速有關， 而且與液固相線的 間距有關。 冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴重。 枝晶偏析會影響合金的力學、耐蝕、加工等性能,生產上常擴散退火來消除枝晶偏析。,Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏

9、析組織,平衡組織,枝晶偏析組織,2、二元共晶相圖,當兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶,并發(fā)生共晶反應時所構成的相圖稱作共晶相圖。 以 Pb-Sn 相圖為例進行分析。, 相圖分析 相：相圖中有L、三種相, 是溶質Sn在 Pb中的固溶體， 是溶質Pb在Sn中的固溶體。 相區(qū)：相圖中有三個單相區(qū)： L、；三個兩相區(qū)： L+、L+、+ ；一個三相區(qū)：即水平線CED。, 固溶線: 溶解度點的連線稱固溶線。相圖中的CF、DG線分別為 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的固溶線。 固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。, 液固相線：液相線AEB，固相線ACEDB。A、B分別為Pb、Sn的熔點。, 共晶線：水

10、平線CED叫做共晶線。 在共晶線對應的溫度下（183 ），E點成分的合金同時結晶出C點成分的 固溶體和D點成分的 固溶體，形成這兩個相的機械混 合物：LE (C + D),在一定溫度下，由一定成分的液相同時結晶出兩個成分和結構都不相同的新固相的轉變稱作共晶轉變或共晶反應。,共晶反應的產物，即兩相的機械混合物稱共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點稱共晶點。,具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點以左的合金稱亞共晶合金，位于共,晶點以右的合金稱過共晶合金。, 合金的結晶過程 含Sn量小于C點合金(合金)的結晶過程 直接從液相中結晶出的固相稱

11、一次相或初生相。,由已有固相析出的新固相稱二次相或次生相。 形成二次相的過程稱二次析出, 是固態(tài)相變的一種。,H,室溫下的相對重量百分比為：,由 析出的二次 用 表示。 隨溫度下降， 和 相的成分分別沿CF線和DG線變化， 的重量增加。,合金室溫組織為 + 。,成分大于 D點合金結晶過程與合金相似，室溫組織為 + 。,由于二次相析出溫度較低，一般十分細小。, 共晶合金(合金)的結晶過程 液態(tài)合金冷卻到E 點時同時被Pb和Sn飽和, 發(fā)生共晶反應：LE (C+D) 。,析出過程中兩相相間形核、互相促進、共同長大，因而共晶組織較細，呈片、棒、點球等形狀。,共晶組織形態(tài),層片狀(Al-CuAl2定向

12、凝固),條棒狀(Sb-MnSb橫截面),螺旋狀（Zn-Mg）,Pb-Sn共晶組織,在共晶轉變過程中，L、 、 三相共存, 三個相的量在不斷變化，但它們各自成分是固定的。 共晶組織中的相稱共晶相.共晶轉變結束時， 和 相的相對重量百分比為：,共晶結束后，隨溫度下降， 和 的成分分別沿CF線和DG線變化，并從共晶 中析出 ，從共晶 中析出 ，由于共晶組織細， 與共晶結合， 與共晶 結合，共晶合金的室溫組織仍為 ( + ) 共晶體。,室溫下兩相的相對重量百分比是多少？, 亞共晶合金(合金)的結晶過程 在2點以前LL+。冷卻到2點，固相成分變化到C點，液相成分變化到E點, 此時兩相的相對重量為：,在2

13、點，共晶轉變L ( + ) ，即QE =QL 反應結束后，在共晶溫度下、 兩相的相對重量百分比為：,溫度繼續(xù)下降，將從一次 和共晶 中析出，從共晶 中析出。其室溫組織為+ (+) + 。, 過共晶合金結晶過程 與亞共晶合金相似，不同的是一次相為 , 二次相為 室溫組織為+(+)+。,Pb-Sn合金的結晶過程, 組織組成物在相圖上的標注 組織組成物是指組成合金顯微組織的獨立部分。,組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上。將組織組成物標注在相圖中，可使所標注的組織與顯微鏡下觀察到的組織一致。,Pb-Sn亞共晶組織,組織組成物在相圖上的標注,3、二元包晶相圖,當兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并

14、發(fā)生包晶反應時所構成的相圖稱作包晶相圖。 以Pt-Ag相圖為例簡要分析, 相圖分析 單相區(qū)：L、 二相區(qū)：L+、 L+、+ 三相區(qū)：L+ （水平線PDC）,在一定溫度下，由一個液相包著一個固相生成另一新固相的反應稱包晶轉變或包晶反應。,水平線PDC稱包晶線 包晶反應：LC+P D, 合金的結晶過程 包晶成分合金：LL+ + II 。 室溫組織為 + II, PD成分合金： LL+ +II+ + II 。, DC成分合金： LL+ L+ + II,4、形成穩(wěn)定化合物的二元相圖,穩(wěn)定化合物是指在熔化前不發(fā)生分解的化合物。其成分固定，在相圖中是一條垂線(代表一個單相區(qū))。,5、具有共析反應的二元相圖

15、,共析轉變也是固態(tài)相變。,共析反應(共析轉變)是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結構完全不同的新固相的過程。,共析相圖與共晶相圖相似，對應的有共析線(PSK線)、共析點(S點)、共析溫度、共析成分、共析合,金、亞共析合金、過共析合金。,鐵碳合金相圖,共析反應的產物是共析體（鐵碳合金中的共析體稱珠光體），也是兩相的機械混合物（鐵素體+滲碳體)。,共析反應的母相是固相，而不是液相。 共析組織比共晶組織細，因固態(tài)轉變過冷度大。,珠光體,常見三相等溫水平線上的反應,6、相圖與合金性能之間的關系, 相圖與合金力學性能、物理性能的關系,單相固溶體的合金： 性能隨成分呈曲線變化，隨溶質含量

16、增加，、HB、增加，塑性下降。 形成穩(wěn)定化合物的合金： 性能-成分曲線出現(xiàn)拐點。,單相固溶體的強硬度高于純金屬； 共晶、共析及穩(wěn)定化合物成分合金強硬度升高。, 相圖與鑄造性能的關系, 固溶體合金液固相線間距越大、偏析傾向大, 樹枝晶發(fā)達, 流動性降低, 補縮能力下降, 分散縮孔增加., 共晶合金結晶溫度低，流動性好，縮孔集中， 偏析小， 鑄造性能好。,第三節(jié) 鐵碳合金相圖,鐵碳合金碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應用最廣的合金。 含碳量為0.0218% 2.11%的稱鋼 含碳量為 2.11% 6.69%的稱鑄鐵。,鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它們都可以作為純組元看待。 含

17、碳量大于Fe3C成分（6.69%）時，合金太脆，已無實用價值。 實際所討論的鐵碳合金相圖是Fe- Fe3C相圖。,一、鐵碳合金的組元和相,碳在-Fe中的固溶體稱 -鐵素體，用 表示。 體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在727時最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。 鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。,鐵素體, 組元：Fe、 Fe3C 相 鐵素體(F或)： 碳在-Fe中的固溶體稱鐵素體。, 奧氏體(A或 ): 碳在 -Fe中的固溶體稱奧氏體。 是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148時最大為2.11%。,組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。強度低、塑性好

18、，鋼材熱加工都在 區(qū)進行. 碳鋼室溫組織中無奧氏體。,奧氏體, 滲碳體(Fe3C或Cm)：即Fe3C, 含碳6.69%。 Fe3C硬度高、強度低(b35MPa), 脆性大, 塑性幾乎為零.,Fe3C是一個亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C3Fe+C(石墨), 該反應對鑄鐵有重要意義。 由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。,二、鐵碳合金相圖的分析, 特征點, 特征線 液相線ABCD， 固相線AHJECFD 三條水平線： HJB：包晶線LB+H J ECF：共晶線LC E+Fe3C 共晶產物是 與Fe3C的機械混合物，稱作萊氏體, 用Le表示

19、。為蜂窩狀, 以Fe3C為基，性能硬而脆。,萊氏體,PSK：共析線 S FP+ Fe3C 共析轉變的產物是 與Fe3C的機械混合物，稱作珠光體，用P表示。,珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。 PSK線又稱A1線 。, 其它相線 GS,GP 固溶體轉變線, GS又稱A3 線。 HN,JN 固溶體轉變線， ES碳在 -Fe中的固溶線。又稱Ac m線。 PQ碳在-Fe中的固溶線。, 三個三相區(qū)：即HJB (L+)、ECF(L+ Fe3C)、PSK(+ Fe3C)三條水平線, 相區(qū) 五個單相區(qū)： L、Fe3C 七個兩相區(qū): L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、+ 、+Fe

20、3C,三、典型合金的平衡結晶過程, 鋼(0.02182.11%C)高溫組織為單相 亞共析鋼 (0.02180.77%C) 共析鋼 (0.77%C) 過共析鋼 (0.772.11%C),鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類： 工業(yè)純鐵(0.0218% C) 組織為單相鐵素體。, 白口鑄鐵 (2.116.69%C) 鑄造性能好, 硬而脆 亞共晶白口鑄鐵 (2.114.3%C) 共晶白口鑄鐵(4.3%C) 過共晶白口鑄鐵 (4.36.69%C),工業(yè)純鐵的結晶過程 合金液體在1-2點間轉變?yōu)椋?-4點間，5-6點間。到7點，從中析出Fe3C。,隨溫度下降，F(xiàn)e3C量不斷增加，合金的室溫下組織為F+ F

21、e3C。 室溫下Fe3C最大量為:,從鐵素體中析出的滲碳體稱三次滲碳體，用Fe3C表示。 Fe3C以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。, 共析鋼的結晶過程,合金液體在1-2點間轉變?yōu)?。到S點發(fā)生共析轉變： SP+Fe3C, 全部轉變?yōu)橹楣怏w。,珠光體在光鏡下呈指紋狀. 變結束時，珠光體中相的相對重量百分比為：,珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。 S點以下，共析 中析出Fe3C，與共析Fe3C結合不易分辨。室溫組織為P.,室溫下，珠光體中兩相的相對重量百分比是多少？, 亞共析鋼的結晶過程 0.090.53%C亞共析鋼冷卻時發(fā)生包晶反應. 以0.45%C的鋼為例 合金在4點以前通過勻晶包晶勻晶反應全部轉變?yōu)?/p>

22、。到4點，由, 中析出 。到5點, 成分沿GS線變到S點， 發(fā)生共析反應轉變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降， 中析出Fe3C，由于與共析Fe3C結合, 且量少, 忽略不計.,利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量:C%=P面積%0.77% (忽略 中含碳量，P面積%=QP),共析溫度下相的相對重量為：,組織組成物的相對重量為：,室溫下相的相對重量百分比為：,室溫下組織組成物的相對重量百分比為：,亞共析鋼室溫下的組織為F+P。 在0.02180.77%C 范圍內珠光體的量隨含碳量增加而增加。, 過共析鋼的結晶過程 合金在12點轉變?yōu)?, 到3點, 開始析出Fe3C。從奧氏體中

23、析出的Fe3C稱二次滲碳體, 用Fe3C表示, 其沿晶界呈網(wǎng)狀分布.,溫度下降, Fe3C量增加。到4點， 成分沿ES線變化到S點，余下的 轉變?yōu)镻。,在共析溫度下Fe3C的相對量？,過共析鋼室溫組織為P+ Fe3C 。 Fe3C量隨含碳量而增加, 含碳量為2.11%時, Fe3C量最大：,含1.4%C鋼的組織,室溫下兩相的相對重量百分比：,室溫下兩組織組成物的相對重量百分比：, 共晶白口鐵的結晶過程 合金冷卻到C點發(fā)生共晶反應全部轉變?yōu)槿R氏體(Le),萊氏體是共晶 與共晶Fe3C的機械混合物, 呈蜂窩狀.,共晶轉變結束時，兩相的相對重量百分比為:,C點以下, 成分沿ES線變化，共晶 將析出F

24、e3C。 Fe3C與共晶Fe3C 結合，不易分辨。,溫度降到2點, 成分達到0.77%, 此時, 相的相對重量:,在2點, 共晶 發(fā)生共析反應，轉變?yōu)橹楣怏w，這種由,P與 Fe3C組成的共晶體稱低溫萊氏體, 用Le表示. 2 點以下，共晶體中P 的變化同共析鋼。,共晶白口鐵室溫組織為Le (P+ Fe3C), 它保留了共晶轉變產物的形態(tài)特征。 室溫下兩相的相對重量百分比為：, 亞共晶白口鐵的結晶過程 合金在12點間析出 。到2點，液相成分變到C點,并轉變?yōu)長e。23點間從中析出Fe3C，一次的Fe3C被共晶 襯托出來。到3點， 轉變?yōu)镻。,亞共晶白口鐵室溫組織為P+Fe3C+Le。 室溫下組織

25、組成物相對重量百分比為 ：,室溫下相的相對重量百分比?, 過共晶白口鐵的結晶過程 12點間從液相中析出Fe3C, 這種滲碳體稱一次滲碳體，用 Fe3C表示，呈粗條片狀。到2點，余下的液相成分變到C點并轉變?yōu)長e。,組織組成物與相組成物標注區(qū)別主要在+ Fe3C和+Fe3C兩個相區(qū). + Fe3C相區(qū)中有四個組織組成物區(qū)，+Fe3C相區(qū)中有七個組織組成物區(qū)。, 組織組成物在鐵碳合金相圖上的標注, 含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響 含碳量對室溫平衡組織的影響 含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關系為：, 含碳量對力學性能的影響 亞共析鋼隨含碳量增加，P 量增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性下降。,0.77%C時，組織為100% P, 鋼的性能即P的性能。 0.9%C，F(xiàn)e3C為晶界連續(xù)網(wǎng)狀，強度下降, 但硬度仍上升。 2.11%C，組織中有以Fe3C為基的Le,合金太脆., 含碳量對工藝性能的影響 切削性能: 中碳鋼合適 可鍛