第2章 金屬材料的凝固及固態(tài)變化

1、第2章 金屬材料的凝固與固態(tài)相變2.1 純金屬的結(jié)晶2.2 合金的凝固2.3 鐵碳合金平衡態(tài)的相變基礎(chǔ) 思考題，小結(jié)本章內(nèi)容提要第2章內(nèi)容提要： 純金屬的結(jié)晶部分主要介紹純金屬結(jié)晶的條件和結(jié)晶過程，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施。 合金的結(jié)晶部分主要介紹發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶過程和發(fā)生共晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶過程。 鐵碳合金的結(jié)晶部分主要介紹鐵碳相圖、典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程。并介紹鐵碳合金的成分-組織-性能關(guān)系。 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 本章是工程材料課程的重點(diǎn)章。著重掌握以下內(nèi)容：鐵碳相圖;典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程;杠桿定律;鐵碳合金的成分-組織-性能關(guān)系。液體液體2.1 純金屬的結(jié)晶純金屬的

2、結(jié)晶2.1.1 凝固的基本概念凝固的基本概念 在一定條件下，物質(zhì)的三種狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)化。通常把 物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)化成固態(tài)的過程成為凝固1.晶體的結(jié)晶結(jié)晶：通過凝固能形成晶體結(jié)構(gòu) 凝固：通過凝固能形成晶體結(jié)構(gòu) （晶體（晶體 或或 非晶體）非晶體）晶體晶體結(jié)晶結(jié)晶2.非晶體的凝固從能量觀點(diǎn)上看，若熔點(diǎn)在凝固時能完全釋放內(nèi)能，它將轉(zhuǎn)變成晶體，若部分釋放內(nèi)能，則轉(zhuǎn)化成非晶體，所以非晶體處于亞穩(wěn)態(tài)。 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線圖中：T1開始結(jié)晶溫度；T0理論結(jié)晶溫度；T= T0 - Tn1、冷卻曲線、冷卻曲線金屬結(jié)晶時溫度與時金屬結(jié)晶時溫度與時間的關(guān)系曲線稱間的關(guān)系曲線稱冷卻冷卻曲線。曲線。曲線上水平

3、階曲線上水平階段所對應(yīng)的溫度稱段所對應(yīng)的溫度稱實(shí)實(shí)際結(jié)晶溫度際結(jié)晶溫度T1。冷卻速度越大，則過冷度越大。冷卻速度越大，則過冷度越大。2.1.2 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶1.金屬的結(jié)晶過程：金屬的結(jié)晶過程：就是形核和晶核長大的過程液態(tài)金屬液態(tài)金屬形核形核晶核長大晶核長大完全結(jié)晶完全結(jié)晶1）形核過程兩種形核方式兩種形核方式 自發(fā)形核自發(fā)形核 與與 非自發(fā)形核非自發(fā)形核自發(fā)形核自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核非自發(fā)形核 是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。兩種長大方式 平面生

4、長平面生長 與 樹枝狀生長樹枝狀生長。平面生長樹枝狀生長2）晶核長大方式2、影響形核和長大的因素 （1）過冷度的影響（2）難熔雜質(zhì)的影響 2.晶粒大小及控制（晶粒大小及控制（細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施）1）晶粒度 表示晶粒大小，分8級（p111)。細(xì)晶強(qiáng)化 晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象比較： 細(xì)晶強(qiáng)化-強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性 固溶強(qiáng)化-強(qiáng)度、硬度，塑性、韌性晶粒度晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)單位面積晶粒數(shù)（個（個/mm/mm2 2）1632641282565121024 2048晶粒平均直徑晶粒平均直徑（mm）25017712588624431222）細(xì)化晶粒的措施：i.提高過冷度形核

5、率形核率N 、長大速度、長大速度G 與與 過冷度過冷度T 的關(guān)系的關(guān)系TG，NGNii.變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑在液體金屬中加入變質(zhì)劑( (孕育劑孕育劑) )，以細(xì)化晶粒和改善組織，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。的工藝措施。變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大。變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大。iii.iii.振動結(jié)晶振動結(jié)晶振動的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。振動的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。機(jī)械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。機(jī)械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。2.1.3 材料的同素異構(gòu)體現(xiàn)象材料的同素異構(gòu)體現(xiàn)象 -Fe，bcc

6、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912 C -Fe，fcc912 C金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。純鐵的冷卻曲線 t015381394912768液體無磁性有磁性FeFeFe2.1 2.1 小結(jié)小結(jié) 重點(diǎn)要求重點(diǎn)要求 1. 過冷度的概念，晶粒度的影響因素。過冷度的概念，晶粒度的影響因素。 2. 晶粒大小的控制方法。晶粒大小的控制方法。 一般要求一般要求 1. 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。2.2 合金的凝固合金的凝固2.2.1 二元合金相圖與凝固二元合金相圖與凝固

7、1.勻晶向圖勻晶向圖 2.共晶相圖共晶相圖 3.包晶相圖包晶相圖 4.共析相圖共析相圖2.2.2 相圖與性能的關(guān)系相圖與性能的關(guān)系2.2 合金的凝固合金的凝固1 1勻晶相圖勻晶相圖 相圖（平衡圖、狀態(tài)圖）平衡條件下，合金的相狀態(tài)與溫度、成份間關(guān)系的圖形。 CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 2.2.1 二元合金相圖與凝固二元合金相圖與凝固銅-鎳合金勻晶相圖CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 純銅純銅熔點(diǎn)熔點(diǎn)純鎳純鎳熔點(diǎn)熔點(diǎn)液相線液相線固

8、相線固相線液相區(qū)液相區(qū)固相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)液固兩相區(qū)勻晶合金的結(jié)晶過程勻晶合金的結(jié)晶過程abcdT,CtL L L勻晶轉(zhuǎn)變 L 冷卻曲線CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個恒定的熔點(diǎn)，勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個恒定的熔點(diǎn)，而是在液、固相線劃定的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。而是在液、固相線劃定的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。杠桿定律杠桿定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 12acba1b1c1T1T21. 1. 在兩相區(qū)

9、內(nèi)，對在兩相區(qū)內(nèi)，對應(yīng)每一確定的溫度，應(yīng)每一確定的溫度，兩相的成分是確定的。兩相的成分是確定的。2. 2. 隨著溫度的降低，隨著溫度的降低，兩相的成分分別沿液兩相的成分分別沿液相線和固相線變化。相線和固相線變化。杠桿定律杠桿定律：在兩相區(qū)內(nèi)，對應(yīng)每一確定的溫度T1，兩相質(zhì)量的比值是確定的。即QL/Q=b1c1/a1b1杠桿定律推論：在兩杠桿定律推論：在兩相區(qū)內(nèi)，對應(yīng)溫度相區(qū)內(nèi)，對應(yīng)溫度T1T1時兩相在合金時兩相在合金b b中的相中的相對質(zhì)量各為對質(zhì)量各為Q QL L/Q/QH H=b=b1 1c c1 1/a/a1 1c c1 1Q Q /Q/QH H=a=a1 1b b1 1/a/a1 1c

10、 c1 1=1- =1- Q QL L/Q/QH H典例：求典例：求30%Ni30%Ni合金在合金在1280 1280 時時 相的相對量相的相對量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ ac30a1b1c11280 C解：作成分線和溫度線如圖。6618根據(jù)杠桿定律推論， Q Q / / Q QH H = = a a1 1b b1 1 /a/a1 1c c1 1 =12/48=1/4=12/48=1/4答：所求合金在1280 時相的相對質(zhì)量為1/4。2 2共晶相圖共晶相圖PbSnSn%T, C鉛-錫合金共晶相圖液相線液相

11、線L固相線固相線 + L + L + 固溶線固溶線 固溶線固溶線共晶轉(zhuǎn)變分析共晶轉(zhuǎn)變分析PbSnT, CL + L + L + 共晶反應(yīng)線共晶反應(yīng)線表示從表示從c點(diǎn)到點(diǎn)到e點(diǎn)點(diǎn)范圍的合金，在范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)該溫度上都要發(fā)生不同程度上的生不同程度上的共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)。ce共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)表示表示d點(diǎn)成分的合點(diǎn)成分的合金冷卻到此溫度金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。晶轉(zhuǎn)變。dLd c + e共晶反應(yīng)要點(diǎn)共晶反應(yīng)要點(diǎn)PbSnT, CL + L + L + 183ced 共晶轉(zhuǎn)變在恒溫下進(jìn)行。共晶轉(zhuǎn)變在恒溫下進(jìn)行。 轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個不同的固相。轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種

12、液相中結(jié)晶出兩個不同的固相。 存在一個確定的共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。存在一個確定的共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。 成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。X1合金結(jié)晶過程分析合金結(jié)晶過程分析cefgX1T, CtL L LL+ 冷卻曲線冷卻曲線 + 1234PbSnT, CL + L + L + 183cedX1合金結(jié)晶特點(diǎn)合金結(jié)晶特點(diǎn)T, CtL L LL+ 冷卻曲線冷卻曲線 + 1.沒有共晶反應(yīng)過程，沒有共晶反應(yīng)過程，而是經(jīng)過勻晶反應(yīng)形成而是經(jīng)過勻晶反應(yīng)形成單相單相 固相。固相。2.要經(jīng)過脫溶反應(yīng)，要經(jīng)過脫溶反應(yīng)，室溫室溫 組織組成物組織組成物為為

13、 + 組織組成物組織組成物組織中，由一定的相構(gòu)成的，具有一定形態(tài)特征的組成部分。X2合金結(jié)晶過程分析合金結(jié)晶過程分析（共晶合金）（共晶合金）X2T, CtL( + )L( + )LL( + ) 共晶體共晶體冷卻曲線冷卻曲線( + )PbSnT, CL + L + L + 183cedX3合金結(jié)晶過程分析合金結(jié)晶過程分析（亞共晶合金）（亞共晶合金）X3T, CtLL+ ( + )+ + 12( + )+ PbSnT, CL + L + L + 183cedL+( + )+ 標(biāo)注了組織組成物的相圖標(biāo)注了組織組成物的相圖3 3包晶相圖包晶相圖包晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變： Ld + c ePtAgAg%T, C

14、鉑-銀合金包晶相圖L + L + L + cedfgT, CtLL + L + + 4. 4. 共析相圖共析相圖共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變： ( + ) 共析體共析體ABT, C + + + cedL + L2.2.2 相圖與性能的關(guān)系相圖與性能的關(guān)系合金的使用性能與相圖的關(guān)系合金的使用性能與相圖的關(guān)系 固溶體中溶質(zhì)濃度固溶體中溶質(zhì)濃度 強(qiáng)度、硬度強(qiáng)度、硬度 組織組成物的形態(tài)對強(qiáng)度影響很大。組織越細(xì)密，強(qiáng)度越高。組織組成物的形態(tài)對強(qiáng)度影響很大。組織越細(xì)密，強(qiáng)度越高。2. 合金的工藝性能與相圖的關(guān)系合金的工藝性能與相圖的關(guān)系 鑄造性能液固相線距離愈小，結(jié)晶溫度范圍愈?。ㄈ缃咏簿С煞值暮辖穑?，則流動性好，

15、不易形成分散縮孔。 鍛造、軋制性能單相固溶體合金，變形抗力小，變形均勻，不易開裂。2.3.12.3.1鐵碳相圖鐵碳相圖2.3.2 2.3.2 鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的相變鐵碳合金在平衡狀態(tài)下的相變2.3.3 2.3.3 含碳量對鐵碳合金組織性能的影響含碳量對鐵碳合金組織性能的影響2.3.42.3.4 Fe-Fe Fe-Fe3 3 C C相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用2.3鐵碳合金的結(jié)晶2.3.12.3.1鐵碳相圖鐵碳相圖 (Fe-Fe(Fe-Fe3 3 C C相圖相圖) )(1) Fe-Fe3 C(1) Fe-Fe3 C相圖的組元相圖的組元 Fe Fe Fe Fe、-Fe (bcc) -Fe (bcc)

16、和和-Fe (fcc)-Fe (fcc)強(qiáng)度、硬度低，韌性、塑性好。強(qiáng)度、硬度低，韌性、塑性好。 Fe3 C Fe3 C 熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。1）鐵素體 F碳溶于Fe中形成的間隙固溶體。 性能特點(diǎn) 性能近似于純鐵，即強(qiáng)度、硬度低（b=180280Mpa） ，塑性、韌性（=30%50%）好。（2）鐵碳合金的基本組織與性能）鐵碳合金的基本組織與性能 2) 奧氏體 A(如右圖） 碳溶于Fe 中形成的固溶體。 性能特點(diǎn)： 強(qiáng)度、硬度并不高，但塑性很好。 3）滲碳體 Fe3C（如右圖 鐵和碳結(jié)合成的化合物(具有復(fù)雜晶格)。性能特點(diǎn) ： 滲碳體的硬度很高

17、，為800HB，塑性、韌性很差，幾乎等于零，所以滲碳體的性能特點(diǎn)是硬而脆。硬度很高，很耐磨，但又很脆，塑性、韌性幾乎為零。5）萊氏體Ld和低溫萊氏體 Ld奧氏體（珠光體）和滲碳體的機(jī)械混合物。性能特點(diǎn)： 含有大量硬而脆的滲碳體，所以硬度很高，但很脆。(3) (3) 相圖中重要的點(diǎn)和線相圖中重要的點(diǎn)和線液相線ABCD固相線AHJECF包晶線 HJB，包晶點(diǎn) J 共晶線 ECF，共晶點(diǎn)CL4.3(A2.11+Fe3C)高溫萊氏體,Le或Ld共析線 PSK，共析點(diǎn)SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光體, PES線：C在A中的固溶線PQ線：C在F中的固溶線2.3.2 2.3.2 鐵碳合金的平衡結(jié)晶

18、過程鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程Fe-C 合金分類合金分類工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 C % 0.0218 % C % 0.0218 %鋼鋼 0.0218 % 0.0218 % C % 2.11 %C % 2.11 %亞共析鋼亞共析鋼 0.77 %0.77 %共析鋼共析鋼 0.77 % 0.77 % 過共析鋼過共析鋼 0.77 %0.77 %白口鑄鐵白口鑄鐵 2.11 % 2.11 % C % C % 6.69 %6.69 %亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 4.3 % 4.3 % 共晶白口鐵共晶白口鐵 4.3 % 4.3 % 過共晶白口鐵過共晶白口鐵 4.3 %4.3 %類型類型亞共析鋼亞共析鋼共析鋼共析鋼過共析鋼

19、過共析鋼鋼號鋼號204560T8T10T12碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.200.450.600.801.001.20幾種幾種常見常見碳鋼碳鋼1)1)工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 ( C % 0.0218 % )( C % 0.0218 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織F F + + FeFe3 3C C (微量)5005002)2)共析鋼共析鋼 ( C % = 0.77 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織: : 層片狀層片狀 P P ( ( F F + + 共析共析 FeFe3 3C C ) )500500 P中各相的相對量：Fe3C % = ( 0.77 xF ) / ( 6.69 xF ) 0.

20、77 / 6.69 = 12 %F % 1 12 % = 88 %珠光體珠光體強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe3C 和 F 之間。3)3)亞共析鋼亞共析鋼 ( C % = 0.4 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織: : F F + + P P，500500各組織組成物的相對量：P % = ( 0.4 0.0218 ) / ( 0.77 0.0218 ) 51 %F % 1 51 % = 49 %各相的相對量：Fe3C % 0.4 / 6.69 = 6 %F % 1 6 % = 94 %4)4)過共析鋼過共析鋼 ( C % = 1.2 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織: :P P

21、+ + FeFe3C CII 400400各組織組成物的相對量：Fe3CII % = ( 1.2 0.77 ) / ( 6.69 0.77 ) 7 %P % 1 7 % = 93 %各相的相對量：Fe3CII % 1.2 / 6.69 = 18 %F % 1 18 % = 82 %5)5)共晶白口鐵共晶白口鐵 ( C % = 4.3 % )( C % = 4.3 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織: : （低溫）（低溫）萊氏體萊氏體 LeLe （P P + + FeFe3C CII + + 共晶共晶 FeFe3C C ）, , 500500萊氏體萊氏體 LeLe的性能：的性能：硬而脆硬而脆) )亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 ( C % = 3 % )( C % = 3 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織: :LeLe+ + P P + + FeFe3C CII 200200) )過共晶白口鐵過共晶白口鐵 ( C % = 3 % )( C % = 3 % )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織: :LeLe+ + FeFe3C CI 500500標(biāo)注了組織組成物的相圖標(biāo)注了組織組成物的相圖2.3.3 2.