3第三章材料的凝固12讲解.ppt

第三章 材 料 的 凝 固 第三章 材料的凝固 第一节 凝固的基本概念 第二节 金属的结晶 第三节 二元合金相图 第四节 铁碳合金相图 物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡到另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。 2、过冷与过冷度 纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态. 结晶只有在T0以下的实 际结晶温度下才能进行。 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。 理论结晶温度与实际结晶温度的差?T称过冷度 ?T= T0 –T1 3 、结晶的热力学条件 为什么需要过冷？ 物质系统总是由自由能较高的状态自发向自由能较低的状态转变。 同一种液态金属和晶体的自由能都随温度升高而降低，但液态降低得较快。 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 2）、晶核的形成方式 形核有两种方式，即自发形核和非自发形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核。 以液体中存在的固态杂质或容器壁为核心形核称非自发形核。非自发形核更为普遍。 3）、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。 实际结晶时，晶体以主要树枝状生长。 树枝状结晶 四、晶粒大小及其控制 1、晶粒度 表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。 2、晶粒大小对金属性能的影响 常温下，晶粒越细 ，晶界面积越大，金属的强度、硬度、越高，同时塑性、韧性越好，称为细晶强化。 高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动和迁移，晶粒粗大是又易产生应力集中，因此高温下晶粒过粗大、过细小都不好。 3、决定晶粒度的因素 晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。 4、控制晶粒度的方法 ⑴ 控制过冷度： 随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。 ⑵ 变质处理： 又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。 （3）振动、搅拌 三、同素异构转变 构转变。同素异构转变属于相变之一—固态相变。 第三节 二元合金相图 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. 合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。 一、二元相图的建立 几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。 二元合金相图的测定方法 合金相图都是用实验方法测定的。步骤为： 相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。 二、二元相图的基本类型与分析 相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。 相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为? 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ? ）。 2. 合金的结晶过程 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合金为例说明。 随温度下降，固溶体质量增加，液相质量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。 成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时 平衡结晶过程： 1.tt1：L 2.t=t1：L→α，固溶体成分=a1 3.t3tt1： L、α共存 固溶体的成分a1 →a3 液相成分L1 →L3 4.t=t3：结晶完毕 固溶体的成分=a3(30%) 5.tt3: α 室温组织: α 室温相组成：α 3. 杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对质量。 现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律： ① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成 则 QL + Q? =1 QL x1 + Q? x2 =x 解方程组得 因此两相的相对质量百分比为： 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的质量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 杠杆定律只适用于两相区。 例（如图） 合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶