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第三章 材料的凝固 第一节 纯金属的结晶 第二节 合金的结晶 第三节 铁碳合金相图 第四节 铸锭(件)组织与缺陷 物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 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。 第一节 纯金属的结晶 一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变 一、冷却曲线与过冷 1、冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。 曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。 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 二、结晶的一般过程 1、结晶的基本过程 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成. 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶胚。在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。 气体、液体、晶体的结构 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，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。 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。 在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。 实际金属结晶主要以树枝状长大。是因存在负温度梯度，且晶核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一次轴产生二次轴…，树枝间最后被填充。 树枝状长大 树枝状长大的实际观察 树枝状长大的实际观察(定向凝固) 金属的树枝状结晶 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。 ? -Fe、 ?-Fe 为体心立方结构(BCC)，?-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。 2、固态转变的特点 ⑴ 形核一般在某些特定部位发生(如晶界、晶内缺陷、特定晶面等)。 四、结晶后的晶粒大小及其控制 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、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。 3、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）。 Al-Si合金组织 铸铁变质处理前后的组织 ⑶ 振动、搅拌等: 对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核， 气轮机转子的宏观组织(纵截面) 4、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，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好,即细晶强化。 高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。 多晶铁的拉伸变形 第二节 合金的结晶 一、二元相图的建立 二、二元相图的基本类型与分析 1、二元匀晶相图 2、二元共晶相图 3、二元包晶相图 4、形成稳定化合物的二元相图 5、具有共析反应的二元相图 6、二元相图的分析步骤 7、相图与合金性能之间的关系 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. 相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。 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。 二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。 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