第二章金屬材料組織和性能控制一金屬學(xué)及熱處理

1、第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 2.1 純金屬的結(jié)晶 2.2 合金的結(jié)晶 2.3 金屬的塑性加工 2.4 鋼的熱處理 2.5 鋼的合金化 2.6 表面技術(shù) 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 基本概念： l凝固：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。 l結(jié)晶過程：金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)(晶態(tài))的過程。 廣義上講，金屬從一種原子排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪?種原子排列狀態(tài)的過程均屬于結(jié)晶過程。 一次結(jié)晶：金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程。 重結(jié)晶 (或二次結(jié)晶)：金屬從一種固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變 為另一種固體晶態(tài)的過程，改變了晶體結(jié)構(gòu)。 再結(jié)晶：同種晶體

2、結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)變。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 一、純金屬結(jié)晶的條件 1、冷卻曲線：通過實驗，測得液體金屬在結(jié)晶時的 溫度時間曲線稱為冷卻曲線。 圖中： T0熔點（理論結(jié)晶溫度） Tn開始結(jié)晶溫度 ab液態(tài)金屬逐漸冷卻 c 結(jié)晶起始點 e 結(jié)晶終了點 cde結(jié)晶過程 ef 結(jié)晶后的冷卻過程 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 晶體 液體液體 結(jié)晶結(jié)晶 結(jié)晶： 液體液體 - - 晶體晶體 凝固： 液體液體 - - 固體（晶體固體（晶體 或或 非晶體）非晶體） 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 t T T0 Tn 理論結(jié)晶溫度 開始結(jié)晶溫度 T T= T

3、0 - Tn 純金屬結(jié)晶的條件 就是應(yīng)當(dāng)有一定的 過冷度（克服界面能） 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 2、基本概念 l過冷現(xiàn)象：液態(tài)金屬實際冷卻到理論結(jié)晶溫 度以下而暫不結(jié)晶的現(xiàn)象。 l過冷度：理論結(jié)晶溫度T0 與開始結(jié)晶溫度Tn 之差叫做過冷度，用T 表示。T = T0 - Tn l冷卻速度與過冷度的關(guān)系： 冷卻速度越大，則開始結(jié)晶溫度越低，過 冷度也就越大。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 問：冷卻曲線中為何出現(xiàn)d-e平臺？ l結(jié)晶潛熱：一摩爾物質(zhì)從一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€ 相時，伴隨著原子無序狀態(tài)和有序狀態(tài)之間的

4、 轉(zhuǎn)變，也就伴隨著放出或吸收熱量，這種熱量 稱為相變潛熱。 l金屬從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗨懦鰜淼臒崃考捶Q為 結(jié)晶潛熱。 所以，金屬結(jié)晶過程中，由液態(tài)原子無序狀 態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)時放出結(jié)晶潛熱，抵消了向 外界散發(fā)的熱量，而保持結(jié)晶過程溫度不變， 出現(xiàn)d-e平臺。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 3、結(jié)晶條件 1）熱力學(xué)條件 熱力學(xué)第二定律：自然界的一切自發(fā)轉(zhuǎn)變過程， 總是由一種較高能量狀態(tài)趨向于能量最低的穩(wěn) 定狀態(tài)。 在一定溫度條件下，只有那些引起體系自由能 降低的過程才能自發(fā)進(jìn)行。 金屬的結(jié)晶過程也必須滿足這一熱力學(xué)規(guī)律。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 狀態(tài)自由能

5、：GHTS 式中：H焓，T熱力學(xué)溫度，S熵，可推導(dǎo)得 dG VdPSdT 結(jié)晶通常在常壓下進(jìn)行，有：dP0 dG SdT S dG/dT or dG/dTS S表征系統(tǒng)中原子排列混亂程度 T 上升，原子排列混亂程度增加，即S 增大， 則系統(tǒng)自由能G 下降。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 由于液態(tài)金屬原 子排列混亂程度大于 固態(tài)金屬，故SLSS， 即液相的自由能曲線 的斜率大于固相。 TT0，GSGL ,平衡 TT0，GSGL ，熔化 TT0，GS-強度、硬度、塑性、韌性強度、硬度、塑性、韌性 固溶強化固溶強化-強度、硬度強度、硬度，塑性、韌性，塑性、韌性 第二章金屬材料組織和

6、性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 二、細(xì)晶強化 在一般情況下，晶粒越小，則金屬的強度、 塑性和韌性越好。工程上使晶粒細(xì)化，以提高 金屬的機械性能的強化方法稱為細(xì)晶強化。 霍爾-配奇(Hall-Petch)公式 式中d為晶粒直徑，另外兩個是與材料有關(guān)的常數(shù) 細(xì)晶強化機理：晶粒細(xì)化，晶界增多，位錯 運動阻力增加，取向不同的相鄰晶粒之間的協(xié) 同更困難，使強度增加；晶粒越細(xì)晶內(nèi)各區(qū)域 以及晶內(nèi)和晶界之間的變形更均勻，使塑性更 好，斷裂時需要消耗更大的功，增加了韌性。 21 0 Kd s 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 三、細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施 液態(tài)金屬結(jié)晶時，晶粒大小取決于形核率 N(單位

7、時間單位體積形成的晶核數(shù)，個/m3s)和 晶體長大速度G（單位時間晶體長大的長度， m/s）。 單位體積中晶粒數(shù)目： 單位面積中晶粒數(shù)目： 即晶粒數(shù)目 Z （N/G） 所以，凡能促進(jìn)形核，抑制長大的因素，都 能細(xì)化晶粒；凡能抑制形核，促進(jìn)長大的因素， 均能粗化晶粒。 43 )(9 . 0GNZV 21 )( 1 . 1GNZ S 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 1、增大金屬的過冷度 l T T C，增大T， N/G增大，有利于細(xì)化 晶粒； l T TC，原子擴散能 力能力減弱, N、G降低. l一般情況下，都會有 TTC，故晶粒隨T 的增大而細(xì)化。 TC 第二章金屬材料組織和性

8、能控制一 金屬學(xué)及熱處理 增大過冷度（增大過冷度（T T）的主要辦法是提高液態(tài)金）的主要辦法是提高液態(tài)金 屬的冷卻速度，采用冷卻能力較強的模子屬的冷卻速度，采用冷卻能力較強的模子 。 例如：采用金屬型鑄模，比采用砂型鑄模獲采用金屬型鑄模，比采用砂型鑄模獲 得的鑄件晶粒要細(xì)小。得的鑄件晶粒要細(xì)小。 新技術(shù)：超高速急冷技術(shù)超高速急冷技術(shù)( (10105 5101011 11K/s K/s) )可獲可獲 得超細(xì)化晶粒的金屬、亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬和非得超細(xì)化晶粒的金屬、亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬和非 晶態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬。非晶態(tài)金屬具有特別高的強晶態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬。非晶態(tài)金屬具有特別高的強 度和韌性、優(yōu)異的軟磁性能、高的電阻

9、率、良度和韌性、優(yōu)異的軟磁性能、高的電阻率、良 好的抗蝕性等。好的抗蝕性等。 例如：將液態(tài)金屬連續(xù)流入旋轉(zhuǎn)的冷卻軋輥將液態(tài)金屬連續(xù)流入旋轉(zhuǎn)的冷卻軋輥 之間，急冷后可獲得非晶態(tài)金屬材料薄帶。之間，急冷后可獲得非晶態(tài)金屬材料薄帶。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 2、變質(zhì)處理 對于形狀復(fù)雜的鑄件，常常不允許過多的增大對于形狀復(fù)雜的鑄件，常常不允許過多的增大 過冷度；對于體積較大的鑄件，很難獲得大的過過冷度；對于體積較大的鑄件，很難獲得大的過 冷度。有一類物質(zhì)，它們或它們生成的化合物，冷度。有一類物質(zhì)，它們或它們生成的化合物， 符合作為符合作為非自發(fā)晶核非自發(fā)晶核的條件，將其加入液體

10、金屬的條件，將其加入液體金屬 時可以大大增加晶核數(shù)目。因此，生產(chǎn)上常常采時可以大大增加晶核數(shù)目。因此，生產(chǎn)上常常采 用用變質(zhì)處理變質(zhì)處理來細(xì)化晶粒。來細(xì)化晶粒。 變質(zhì)處理：在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑， 以細(xì)化晶粒和改善組織。以細(xì)化晶粒和改善組織。 變質(zhì)劑作用：增加晶核數(shù)量或者阻礙晶核長大。增加晶核數(shù)量或者阻礙晶核長大。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 1）增加晶核數(shù)量 變質(zhì)劑加入液體金屬中促進(jìn)非自發(fā)形核， 增加形核率。 例如：在鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋼水 中加入Ti、V、Al，鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣等 合金，都可使晶粒細(xì)化。 2）阻礙晶核長大

11、 例如：Al-Si合金中加入鈉鹽，Na能富集在Si 的表面，降低Si的長大速度，阻礙粗晶Si的形 成。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 3、振動 在金屬結(jié)晶的過程中采用機械振動、超聲波 振動等方法，可以破碎正在生長中的樹枝狀晶 體，形成更多的結(jié)晶核心，獲得細(xì)小的晶粒。 4、電磁攪拌 將正在結(jié)晶的金屬置于一個交變電磁場中， 由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會翻滾起來，沖 斷正在結(jié)晶的樹枝狀晶體的晶枝，增加結(jié)晶核 心，從而可細(xì)化晶粒。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 一、鑄錠的結(jié)構(gòu) 金屬凝固時，由于表面和中心的結(jié)晶條件不同， 鑄件的結(jié)構(gòu)是不均勻的，整個體積明顯分為三個 特

12、征晶區(qū)。 (1)細(xì)等軸晶區(qū) (2)柱狀晶區(qū) (3)粗等軸晶區(qū) 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 一、鑄錠（鑄件）的三層典型組織 1. 1. 表面細(xì)晶區(qū)表面細(xì)晶區(qū) 2.2.柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū) 3.3.中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū) 1. 1. 表面細(xì)晶區(qū)表面細(xì)晶區(qū) 2.柱狀晶區(qū) 3.3.中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū) 弱面弱面 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 1、細(xì)等軸晶區(qū) 液體金屬注入錠模時，由于錠模溫度不高，傳熱快， 外層金屬受到激冷，過冷度大，生成大量的晶核。同時 模壁也能起非自發(fā)晶核的作用。結(jié)果，在金屬的表層形 成一層厚度不大、晶粒很細(xì)的細(xì)晶區(qū)。 2、柱狀晶區(qū) 細(xì)晶區(qū)形成

13、的同時，錠模溫度升高，液體金屬的冷卻 速度降低，過冷度減小， 生核速率降低，但此時長大 速度受到的影響較小。結(jié)晶時，優(yōu)先長大方向（即一次 晶軸方向）與散熱最快方向（一般為往外垂直模壁的方 向）的反方向一致的晶核向液體內(nèi)部平行長大，結(jié)果形 成柱狀晶區(qū)。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 3、粗等軸晶區(qū) 隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，液體金屬的冷卻速 度很快降低，過冷度大大減小，溫度差不斷 降低，趨于均勻化；散熱逐漸失去方向性； 所以在某個時候，剩余液體中被推來和漂浮 來的、以及從柱狀晶上被沖下的二次晶枝的 碎塊，可能成為晶核，向各個方向均勻長大， 最后形成一個粗大的等軸晶區(qū)。 第二章金屬材料

14、組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 二、鑄錠晶粒形狀的影響因素 1、柱狀晶 1）柱狀晶特征 l性能具有明顯的方向性，沿柱狀晶晶軸方向的強度較高， 適合做受單向載荷的機器零件； l晶質(zhì)較致密，但柱狀晶的接觸面由于常有非金屬夾雜或 低熔點雜質(zhì)而為弱面，在熱軋、鍛造時容易開裂，所以 對于熔點高和雜質(zhì)多的金屬，例如鐵、鎳及其合金，不 希望生成柱狀晶；但對于熔點低，不含易熔雜質(zhì)，塑性 較好的金屬，即使全部為柱狀晶，也能順利地進(jìn)行熱軋、 熱鍛，所以鋁、銅等有色金屬及合金，反而希望鑄錠得 到柱狀晶結(jié)構(gòu)。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 2）柱狀晶的獲得柱狀晶的獲得 l金屬加熱溫度高，冷卻速度大

15、，鑄造溫度高 和澆注速度大等，有利于在鑄錠或鑄件的截 面上保持較大的溫度梯度，獲得較發(fā)達(dá)的柱 狀晶； l結(jié)晶時單向散熱，有利于柱狀晶的生成； l為了獲得柱狀晶結(jié)構(gòu)，可采用定向結(jié)晶的方 法。例如：具有細(xì)長柱狀晶的鋁鎳鈷永磁合 金即是用這種方法生產(chǎn)的。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 2、等軸晶 1）等軸晶特征 沒有弱面，其晶枝彼此嵌入，結(jié)合較牢，性能均 勻，無方向性，是一般情況下的金屬特別是鋼鐵鑄 件所要求的結(jié)構(gòu)。 2）等軸晶的獲得 l鑄造溫度低，冷卻速度小等，有利于截面溫度的均 勻性，促進(jìn)等軸晶的形成。 l用機械振動、電磁攪拌等方法，可破壞柱狀晶的形 成，有利于等軸晶的形成。若

16、冷卻速度很快，可全 部獲得細(xì)小的等軸晶，砂型鑄造往往得到較粗的等 軸晶。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 三、鑄錠的缺陷 1、縮孔：鑄錠順序凝固，最后凝固的地方得不到 液體補縮，形成集中縮孔，含有較多雜質(zhì)，一 般需要切除。 2、疏松：樹枝晶結(jié)晶時不能保證液體的補給而在 枝晶間和枝晶內(nèi)形成的分散縮孔，稱為疏松。 鑄件中心最易形成疏松。 提高澆注液面以改善液體補給條件可減少疏 松。 疏松在熱軋時一般可以焊合。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 3、氣孔 金屬液溶解的氣體、化學(xué)反應(yīng)氣體和 澆注卷入的氣體在液體凝固時來不及逸 出，便在鑄錠內(nèi)形成氣孔。氣孔在鑄錠 表面附近稱為皮下氣孔。 氣孔大多可以在熱加工過程中焊合， 但孔面氧化的氣孔不能焊合，容易造成 微裂紋的萌生。 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處理 單晶是電子元件和激光元件的重要原料。金屬 單晶也開始應(yīng)用于某些特殊場合如噴氣發(fā)動機葉 片等。根據(jù)結(jié)晶理論，制備單晶的基本要求是液 體結(jié)晶時只存在一個晶核，要嚴(yán)格防止另外形核. 單晶高溫合金渦輪葉片 第二章金屬材料組織和性能控制一 金屬學(xué)及熱處