[工学]3-材料的凝固与铁碳合金相图的分析及应用-机械工程学院.ppt

第三章 材料的凝固与铁碳合金相图的分析和应用 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 凝固组织及其控制 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。 由于材料和冷却条件不同，凝固后得到的固态物质可能是晶体，也可能是非晶体。（如采用连续激冷法可以获得非晶态金属） 金属的凝固过程实质上就是原子由近程有序转变为长程有序的状态。 金属结晶后形成的组织，包括各种相的形状、大小、分布等都将极大地影响到金属的性能。 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Tm(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Tm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= Tm –T1 自由能差△G就是促使液体结晶的驱动力。 △G越大，驱动力越大，结晶速度越快。 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 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，称为晶坯。 在Tm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。 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。 由液体自发形成晶核的过程称均匀形核。 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. 这是由于存在负温度梯度，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。 树枝状长大 树枝状长大的实际观察 树枝状结晶 三、结晶晶粒的大小及控制 晶粒的大小称为晶粒度。晶粒度取决于形核率和长大速度G的相对大小。 若形核率越大，而长大速度越小，单位体积中晶核的数目越多，每个晶核来不及长大，从而得到的晶粒越细小。 细晶强化：常温下，晶粒越小，金属的强度、硬度越高，塑性和韧性越好。 工业上细化晶粒的方法： 1、控制过冷度： 2、变质处理 向液态金属中添加变质剂，增加晶核的数目，从而细化晶粒。 3、振动处理 在结晶过程中输入一定频率的振动波，从而使树枝晶臂折断，增加晶核数目，从而提高形核率，细化晶粒。常见有机械振动、电磁搅拌。 四、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。 1、铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为： ?-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。 同素异构转变的过程，就是原子重新排列的过程；同样遵循形核和长大的过程。 同素异构转变是在固态下完成晶格转变，所以成为二次结晶。 铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行热处理的内因和依据。 2、固态转变的特点 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。 相结构：指合金中具有同一化学成分、同一聚集状态、同一结构且以界面相互分开的各个均匀的组成部分。 组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料内部微观形貌。组织是由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相构成的。 一、合金的相结构 1、固溶体 溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。 固溶体的晶体结构与组成合金的基本金属组元的结构相同。 2、金属化合物 金属化合物是合金组元之间发生相互作用而形成的新相。其晶格类型和特性不同于其中任一组元。 相图表示了在缓冷条