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第3章材料凝固
第三章 材料的凝固;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
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。
实际结晶温度: 曲线上水平阶段所对应的温度T1。
理论结晶温度:熔点或平衡结晶温度T0。;2、过冷与过冷度
纯金属都在理论结晶温度下, 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。;过冷:液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象。
过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差?T
?T= T0 –T1
过冷度大小与冷却速度有关,冷速越大,过冷度越大。;;二、结晶的一般过程;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。;均匀长大,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
这是由于过冷度大,且晶核棱角处的散热条件好,生长快,先形成一次轴,一次轴又会产生二次轴…,树枝间最后被填充。;树枝状结晶;三、同素异构转变;?-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;第二节 合金的结晶;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;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。;二、二元相图的基本类型与分析;相图由两条线构成,液相线、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+ ? );⑴ 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,液相成分沿液相线变化,固相成分沿固相线变化。; 液固相线不仅是相区分界线, 也是结晶时两相的成分变化线;匀晶转变是变温转变。; ⑵ 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重量。
现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律:
① 确定两平衡相的成分;则 QL + Q? =1
QL x1 + Q? x2 =x
解方程组得;因此两相的相对重量百分比为:;杠杆定律;课堂练习(如图)求:图示1300°C时,液相与固相的相对含量。;实际冷速较快,结晶时固相中的原子来不及扩散,使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素, 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素。;在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。
;Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织;2、二元共晶相图;⑴ 相图分析
① 相:相图中有L、?、?三种相, ?是溶质Sn在 Pb中的固溶体, ?是溶质Pb在Sn中的固溶体。
② 相区:相图中有三个单相区: L、?、?;三个两相区: L+?、L+?、?+ ?;一个三相区:即水平线CED。; ④ 固溶线: 溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的固溶线。
固溶体的溶解度随温度降低而下降。; ⑤ 共晶线:水平线CED叫做共晶线。
在共晶线对应的温度下(183 ℃),E点成分的合金同时结晶出C点成分的 ? 固溶体和D点成分的 ? 固溶体,形成这两个相的机械混
合物:LE ?(?C + ?D); 共晶反应的产物,即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。;具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上,凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金,位于共;⑵ 合金的结晶过程
① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。;由已有固相析出的新固相称
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