材料的凝固與結(jié)晶.doc

第三章材料的凝固與結(jié)晶第一節(jié) 凝固的概念第二節(jié)金屬的結(jié)晶和鑄錠第三節(jié)合金的結(jié)晶過程第一節(jié) 凝固的概念目的要求：通過講授晶體與非晶體的凝固，使學(xué)生掌握物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)所遵循的基本規(guī)律授課內(nèi)容：一， 晶體的結(jié)晶二， 非晶體的結(jié)晶重點(diǎn)：晶體結(jié)晶時(shí)過冷現(xiàn)象及熱力學(xué)條件難點(diǎn)：晶體與非晶體凝固的不同點(diǎn)教學(xué)方法：課堂講授并結(jié)合多媒體演示講授重點(diǎn)內(nèi)容提要一， 晶體的凝固物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程統(tǒng)稱為凝固，如果通過凝固能形成晶體結(jié)構(gòu)，則可稱為晶體凡純元素（金屬或非金屬）的結(jié)晶都具有一個(gè)嚴(yán)格的平衡結(jié)晶溫度（即理論結(jié)晶溫度），高于此溫度（即實(shí)際結(jié)晶溫度）才能進(jìn)行結(jié)晶；兩者之差稱為過冷度，處于平衡結(jié)晶溫度時(shí)，液體與晶體同時(shí)共存，達(dá)到可逆平衡為什么純元素的結(jié)晶都具有一個(gè)嚴(yán)格不變的平衡結(jié)晶溫度呢？這是因?yàn)樗鼈兊囊后w與晶體之間的能量在該溫度下能夠達(dá)到平衡的緣故這一能量叫做自由能（）同一物質(zhì)的液體與晶體，由于其結(jié)構(gòu)不同，它們在不同溫度下的自由能變化是不同的,如圖3-1所示由此可見，要使液體進(jìn)行結(jié)晶，就必須使其溫度低于理論溫度，造成液體與晶體間的自由能差：（F=F液F晶），即具有一定的結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力才行二：非晶體的凝固若凝固后的物質(zhì)不是晶體，而是非晶體，那就不能稱之為結(jié)晶，只能稱為凝固非晶體的凝固與晶體的晶體，都是由液體轉(zhuǎn)化為固體，但本質(zhì)上又有區(qū)別非晶體的凝固實(shí)質(zhì)上是靠熔體粘滯系數(shù)連續(xù)加大完成，即非晶體固態(tài)可看作粘滯系數(shù)很大的熔體，需在一個(gè)溫度范圍內(nèi)逐漸完成凝固第二節(jié) 金屬的結(jié)晶和鑄錠目的要求:通過講授金屬的結(jié)晶過程授課內(nèi)容:一:金屬的結(jié)晶過程二:金屬結(jié)晶后的晶粒大小1:晶粒大小與性能的關(guān)系2:晶粒大小的控制三:金屬鑄錠組織1:表面細(xì)晶粒層2;柱狀晶粒層3:中心等軸晶重點(diǎn):凝固的概念,金屬結(jié)晶的鑄錠.難點(diǎn):對(duì)結(jié)晶熱力學(xué)條件的理解,金屬的鑄錠組織講授重點(diǎn)內(nèi)容提要:一:金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程是在冷卻曲線上平臺(tái)所經(jīng)歷的這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的.它是不斷形成晶核和晶核不斷長大的過程,如圖3-3所示.（P38頁）二:金屬結(jié)晶后的晶粒大小.1:晶粒大小與性能的關(guān)系.金屬結(jié)晶后是由許多晶粒組成的多晶體,而晶粒的大小是金屬組織的重要標(biāo)志之一.一般情況下,晶粒愈細(xì)小,金屬的強(qiáng)度就愈高,塑性和韌性也愈好.表3-1（P39頁）說明晶粒大小對(duì)純鐵機(jī)械性能的影響.2:晶粒大小的控制金屬結(jié)晶后單位體積中晶粒數(shù)目Z,取決于結(jié)晶時(shí)的形核率N(晶核形核數(shù)目/Sm)與晶核生長速率G(/s),它們存在著以下的關(guān)系:ZN/G,由上可知,當(dāng)晶粒生長速率G一定時(shí),晶核形核率N愈大,晶粒數(shù)目就愈多,反之則愈細(xì).1):增大過冷度:金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻速度愈大,其過冷度便愈大,不同過冷度T對(duì)晶核形核率N和生長速率G的影響,如圖3-6所示.2):變質(zhì)處理:在液態(tài)金屬結(jié)晶前,加入一些細(xì)小的變質(zhì)劑,使金屬結(jié)晶時(shí)的晶核形核率N增加或生長速率G降低,這種細(xì)化晶粒的方法,稱為變質(zhì)處理.3):附加振動(dòng):金屬結(jié)晶時(shí),如對(duì)液態(tài)金屬附加機(jī)械振動(dòng).超聲波振動(dòng).電磁振動(dòng)等措施,由于振動(dòng)能使液態(tài)金屬在鑄模中運(yùn)動(dòng)加速,造成枝晶破碎,這就不僅可以使已長成的晶粒因破碎而細(xì)化,而且破碎的枝晶可以作為晶核,增加形核率N.所以,附加振動(dòng)也能使晶粒細(xì)化.三:金屬的鑄錠組織.典型的金屬的鑄錠組織有三個(gè)區(qū)域組成：表面細(xì)晶粒區(qū)；柱狀晶區(qū)；中心等軸晶區(qū)。1:表面細(xì)晶粒層:表面細(xì)晶粒的形成主要是因?yàn)殇撘簞倽踩腓T模后,由于模壁溫度較低,表面金屬遭到劇烈的冷卻,造成了較大的冷卻所致,此外,模壁的人工晶核作用也是這層晶粒細(xì)化的原因之一.2:柱狀晶粒層:柱狀晶粒的形成主要是因?yàn)殍T錠模壁散熱的影響.3:中心等軸晶粒隨著柱狀晶粒成長到一定程度,鑄錠中心部的剩余液體溫度差也愈來愈小,趨于均勻冷卻的狀態(tài);同時(shí)由于一些未熔雜志推移至鑄錠中心,或?qū)⒅鶢罹У闹Х种_斷,漂移到鑄錠中心,它們都可以成為剩余液體的晶核,這些晶核由于在不同方向上的成長速度相同,因而便形成較粗大的等軸晶粒區(qū).第三節(jié) 合金的結(jié)晶過程目的要求:通過講授二元相圖使學(xué)生掌握二元相圖的基本類型與相圖的分析.授課內(nèi)容:一:二元合金相圖的建立1:相圖的意義及幾個(gè)名詞的解釋2:二元相圖的建立二:二元?jiǎng)蚓鄨D1:相圖分析2:合金的結(jié)晶過程3:二元相圖的杠桿定律三:二元共晶相圖1:相圖分析2:合金結(jié)晶過程3:比重偏析四:二元包晶相圖1:相圖分析2:合金的結(jié)晶過程五:形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖六:具有共析反應(yīng)的二元合金相圖七:合金的性能與相圖間的關(guān)系重點(diǎn):二元相圖,合金性能與二元相圖的關(guān)系難點(diǎn):二元相圖的識(shí)別與分析講授重點(diǎn)內(nèi)容提要:一:二元相圖的建立1:相圖的定義及幾個(gè)名詞的解釋1):組元:通常把組成合金的最簡單.最基本.能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元.2):合金系:由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金,稱為合金系.3):相圖:用來表示合金系中各個(gè)合金的結(jié)晶過程的簡明圖解稱為相圖,有城狀態(tài)圖或平衡圖,相圖上所表示的組織都是十分緩慢冷卻的條件下獲得的,都是接近平衡狀態(tài)的組織.2:二元相圖的建立以Pb-Sn合金系為例,說明用熱分析實(shí)驗(yàn)方法測定相圖的過程.（圖39，42頁）1):配制一系列不同成分的Pb-Sn合金.配制的合金數(shù)目愈多,合金成分的間隔愈小,測繪出來的合金相圖就愈精確.2):在非常緩慢冷卻條件下,測定這些合金從液態(tài)到固態(tài)在平衡結(jié)晶過程中的冷卻曲線,如圖3-10所示.3):如圖3-10所示:找出各合金冷卻曲線上的臨界點(diǎn),并將它們標(biāo)注在成分-溫度坐標(biāo)系.4):將各成分線上具有相同意義的點(diǎn)連接成線,并根據(jù)已知條件和實(shí)際分析結(jié)果寫上數(shù)字.字母和各區(qū)所存在的像或組織名稱,就得到一個(gè)完整的二元合金相圖.（圖310，43頁）二:二元?jiǎng)蚓鄨D當(dāng)兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖,稱為二元?jiǎng)蚓鄨D,具有這類相圖的合金系主要有:Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Ni及W-Mo等.1:相圖分析圖3-11(a)為 Cu-Ni合金相圖（45頁，圖311）.下面就此合金為例進(jìn)行分析.這類相圖很簡單,只有兩條線,其中AB為液相線;AB為固相線,在液相線以上,稱為液相區(qū);在固相線以下稱為固相區(qū);在液相線與固相線之間稱為液.固兩相并存區(qū).固相線的兩個(gè)端點(diǎn)A和B是合金系統(tǒng)的兩個(gè)組元Cu和Ni的熔點(diǎn).2:合金的結(jié)晶過程如圖3-11(a)所示,設(shè)有合金K,其成分垂線ok與相圖上的相區(qū)分界線交于1,4兩點(diǎn),分析合金在冷卻曲線上的各段所發(fā)生的結(jié)晶或相變過程,如圖3-11(b)所示.通過分析可知,液(固)相線也表示在無限緩慢的冷卻條件下,液.固兩相平衡存在時(shí),液(固)相化學(xué)成分隨溫度的變化情況.理論和實(shí)踐都已證明了這一結(jié)論的正確性.必須著重指出:除了液.固兩相并存時(shí)的情況以外,在其他性質(zhì)相同的兩相區(qū)中也是這樣,即相互處于平衡狀態(tài)的兩個(gè)相的成分,分別沿著兩相區(qū)的兩個(gè)邊界線改變.3:二元相圖的杠桿定律在兩相區(qū)結(jié)晶過程中,兩相的成分和相對(duì)量都在不斷變化.杠桿定律就是確定狀態(tài)圖中兩相區(qū)內(nèi)兩平衡相的成分和相對(duì)重量的重要工具.如圖3-12所示,假設(shè):合金的總重量為WO,液相的重量為WL,固相的重量為WS.若已知液相中的含Ni量為X1,合金的含 Ni量為X,則可寫出WL+WS=WOWLX1+WSX2=W0X（）解方程式（）得WL/WS=(X2-X)/(X-X1)=bo/oa （）式（）好象力學(xué)中的杠桿定律，故稱之為杠桿定律式（）可寫成WL/WO=bo/ba100% ()WS/WO=oa/ba100% ()必須指出，杠桿定律只適用于二元私合金相圖中兩相區(qū)，對(duì)其他區(qū)域就不適應(yīng)，自然就不能在用杠桿定律：固溶體合金中的偏析在平衡條件下結(jié)晶，由于冷速極為緩慢，原子可充分進(jìn)行擴(kuò)散，最后仍能得到成分均勻的固溶體但在實(shí)際生產(chǎn)條件下，由于冷速較快，最后將得到晶體內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的樹枝壯晶體，這種現(xiàn)象，稱為枝晶偏析或晶內(nèi)偏析枝晶偏析的存在，會(huì)嚴(yán)重降低合金的機(jī)械性能和加工工藝性能因此在生產(chǎn)上常把有枝晶偏析的合金加熱到高溫，并經(jīng)長時(shí)間保溫，使原子進(jìn)行充分?jǐn)U散，以達(dá)到成分均勻的目的，這種熱處理方法稱為擴(kuò)散退火或均勻化退火，用以消除枝晶偏析三：二元共晶相圖當(dāng)兩組元在液態(tài)時(shí)無限互溶，在固態(tài)時(shí)有限互溶，而且發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)，所構(gòu)成的相圖稱為二元相圖具有這類相圖的合金系主要有：Pb-Sn,Pb-Sb).：相圖分析：圖（48頁）表示Pb-Sb合金相圖及成分線下面就以此合金相圖為例進(jìn)行分析圖中A.B分別表示組元Pb.Sn的熔點(diǎn)，ACB線為液相線，AECDB為固相線L.是該合金系的三個(gè)基本相，為Sb溶于Pb中的固溶體，EF為溶解度曲線，為Pb溶于Sb中的固溶體，DG為溶解度曲線相圖中三個(gè)單相區(qū)為L.三個(gè)雙相區(qū)為L+.L+.+ECD為三相平衡線在該恒定溫度下，c點(diǎn)成分的液相LC同時(shí)結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)不同的固相E和D.其反應(yīng)式為LC(共晶溫度)ED此反應(yīng)稱為共晶轉(zhuǎn)變：合金的結(jié)晶過程:共晶合金的結(jié)晶過程合金在共晶溫度以上L在此共晶溫度時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng):LC(恒溫)ED其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為共晶體。:亞共晶合金和過共晶合金的結(jié)晶過程. 成分在共晶線上的E點(diǎn)和C點(diǎn)之間的合金稱為亞共晶合金;在C點(diǎn)和D點(diǎn)之間的合金稱為過共晶合金. 如圖3-17（49頁）所示,合金為亞共晶合金.當(dāng)液相的溫度降低至1點(diǎn)時(shí)開始結(jié)晶出固溶體.當(dāng)溫度降低至3點(diǎn)時(shí),剩余的液相恰好只有共晶成分,因此發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變,得到共晶體.在3點(diǎn)以下由于和溶解度曲線的變化分別從.析出,由于共晶體中的次生相可以不予考慮,因而只需考慮先從先共晶固溶體中析出的的數(shù)量.合金的最終組織應(yīng)為(+)C,如圖3-18（50頁）所示. 過共晶合金的冷卻曲線及結(jié)晶過程,其分析方法和步驟與上述亞共晶合金基本相同,只是先共晶為固溶體,所以合金的最終組織應(yīng)為(+)C.:含Sb量小于E點(diǎn)的合金結(jié)晶過程.以合金為例,其冷卻曲線及結(jié)晶過程如圖3-19（51頁）所示. 含量在1點(diǎn)以上為液相,1至3點(diǎn)為勻晶轉(zhuǎn)變得到固溶體.3點(diǎn)以下,由于固溶體溶解度的變化,伴隨次生相的析出,最終組織為.3:比重偏析. 亞共晶或過共晶合金結(jié)晶時(shí),若初晶的比重與剩余液相的比重相差很大時(shí),則比重小的初晶將上浮,比重大的初晶將下沉.這種由于比重不同而引起的偏析,稱為比重偏析或區(qū)域偏析.比重偏析的存在,也會(huì)降低合金的機(jī)械性能和加工工藝性能.四:二元包晶相圖. 兩組元在液態(tài)無限互溶,在固態(tài)有限溶解,并發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí),所構(gòu)成的相圖,稱為包晶相圖. Pt-Ag相圖如圖3-20（52頁）所示.圖中abc為液相線,abcdb為固相線,cf為Ag組元在固溶體中的溶解度曲線,dg是Pt組元在固溶體中的溶解度曲線,cde是包晶線,d是包晶線,d是包晶點(diǎn),包晶線cde代表在這個(gè)合金系統(tǒng)中發(fā)生包晶反應(yīng)的溫度和成分范圍.現(xiàn)已合金為例,分析其結(jié)晶過程. 從01段為液相,此時(shí)結(jié)晶尚未未開始.12段自液相中不斷析出固溶體,至2點(diǎn)時(shí)液相成分為e,相成分為c. 此時(shí)合金在恒溫條件下發(fā)生包晶反應(yīng),因此在合金的冷卻曲線上出現(xiàn)代表包晶反應(yīng)的水平臺(tái)階.五:形成穩(wěn)定化合物二元合金相圖. 所謂穩(wěn)定化合物是指:在熔化前，即不分解也不產(chǎn)生任何化學(xué)反應(yīng)的化合物.如Mg和Si即可形成分子式為Mg2Si的穩(wěn)定化合物,Mg-Si相圖就是形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖(圖3-23，53頁).這類相圖的主要特點(diǎn)是在相圖中有一個(gè)代表穩(wěn)定化合物的垂直線,以垂直線的垂足代表穩(wěn)定化合物的成分,垂直線的頂點(diǎn)代表它的熔點(diǎn).十分明顯,若把穩(wěn)定化合物Mg2Si視為一個(gè)組元,即可認(rèn)為這個(gè)相圖是由左.右兩個(gè)簡單共晶相圖所組成(Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si),因此可以分別對(duì)它們進(jìn)行研究,使問題大大簡化.六:具有共析反應(yīng)的二元合金相圖.自某種均勻一致的固相中同時(shí)析出兩種化學(xué)成分和晶格完全不同的新固相的轉(zhuǎn)變過程稱為共析反應(yīng).同共晶反應(yīng)相似,共析反應(yīng)也是一個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變過程,有是與共晶線及共晶點(diǎn)相似的共析線和共析點(diǎn).共析反應(yīng)的產(chǎn)物稱為共析體.最常見的共析反應(yīng)是鐵碳合金中的珠光體轉(zhuǎn)變.最簡單的具有共析反應(yīng)的二元合金相圖如圖3-24所示（54頁）.圖中A和B代表兩組元,c點(diǎn)為共析點(diǎn),dce為共析線,(12)是共析體.共析反應(yīng)為(1d2e).七:二元相圖的識(shí)別方法由上述可知:二元合金相圖的類型很多,但基本類型還是勻晶,共晶和包晶三大類.在分析二元合金相圖時(shí),應(yīng)掌握以下要點(diǎn):相圖中每一點(diǎn)都代表某一成分的合金在某一溫度下所處的狀態(tài),此點(diǎn)稱為合金的表象點(diǎn).:在單相區(qū)中合金由單相組成,相的成分即等于合金的成分,它由合金的表象點(diǎn)來決定.:在兩個(gè)單相區(qū)之間必存在一個(gè)兩相區(qū),在此兩相區(qū)合金處于兩相平衡狀態(tài),兩相的相對(duì)量運(yùn)用杠桿定律可以計(jì)算.:在二元合金相圖中三相平衡共存表現(xiàn)為一條水平線-三相平衡線.三相平衡線的圖形特征及性質(zhì)如表3-2所示.八:合金的性能與相圖間的關(guān)系. 合金的性能取決于合金的化學(xué)成分和組織,合金的化學(xué)成分與組織間的關(guān)系體現(xiàn)在合金相圖上,因此合金相圖與合金的性能之間必然存在著一定的聯(lián)系.1:合金形成單相固溶體時(shí)的情況 當(dāng)合金形成單相固溶體時(shí),合金的性能顯然與組成元素的性質(zhì)及溶劑元素的溶入量多少有關(guān).對(duì)于一定的溶劑和溶質(zhì)來說,溶質(zhì)的溶入量越多,則合金的強(qiáng)度,硬度愈高,電阻率愈大,電阻溫度系數(shù)愈小,如圖3-25所示.單相固溶體合金不宜制做鑄件而適于承受壓力加工.在材料選用中應(yīng)注意固溶體合金的這一特點(diǎn).2:合金形成兩相混合物的情況. 合金形成兩相混合物時(shí),分成兩種情況:一種通過包晶反應(yīng)形成的普