遼寧工業(yè)大學 工程材料 材料的凝固

1、水晶凝固凝固結(jié)晶結(jié)晶非晶體非晶體晶體晶體液體液體水水結(jié)晶結(jié)晶 = 相變相變 冰冰 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線l過冷度大小與冷卻速度過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，有關(guān)，冷速越大，過冷冷速越大，過冷度越大度越大。T0T1T液體和晶體自由能隨溫度變化液體和晶體自由能隨溫度變化晶胚半徑與晶胚半徑與G關(guān)系關(guān)系均勻形核均勻形核非均勻形核示意圖非均勻形核示意圖均勻長大均勻長大樹枝狀長大樹枝狀長大正溫度梯度正溫度梯度負溫度梯度負溫度梯度晶粒的大小稱為晶粒度。用單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均直徑表示。 控制晶粒大小的方法：1 控制過冷度：影響形核率和長大速度2 變質(zhì)處理 變質(zhì)

2、處理又稱孕育處理，是一種有意向液態(tài)金屬中 加入非自發(fā)形核物質(zhì)從而細化晶粒的方法。3 振動、攪拌1394912 -Fe -Fe -Fel物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素異同素異純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變l鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變l鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：白錫白錫四方四方 灰錫灰錫金剛石立方金剛石立方13 -Fe -Fe -Fe -Fe912FCCBCCFe-Cr合金相圖合金相圖l組元組元是指組成合金的最簡是指組成合金的最簡單、最基本、能夠獨立存單、最基本、能夠

3、獨立存在的物質(zhì)。在的物質(zhì)。l多數(shù)情況下多數(shù)情況下組元是指組成組元是指組成合金的元素合金的元素。但對于。但對于既不既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組反應(yīng)的化合物也可看作組元元, 如如Fe-C合金中的合金中的Fe3C.Cu-Ni合金相圖合金相圖L 成分（成分（wt %Ni）溫度（溫度（）CuNiFe-C二元相圖二元相圖三元相圖三元相圖 3 3. . 將垂線將垂線上相同意義上相同意義的點連接起的點連接起來，并標上來，并標上相應(yīng)的數(shù)字相應(yīng)的數(shù)字和字母。和字母。l兩組元在液態(tài)和固兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時態(tài)下均無限互溶時所構(gòu)成的相圖稱所構(gòu)成的相圖稱二二元勻晶相圖

4、元勻晶相圖。l以以Cu-Ni合金為例合金為例進行分析。進行分析。1、勻晶相圖、勻晶相圖 LL+ 成分成分（wt%Ni）溫度溫度（）CuNi液相線液相線固相線固相線AB 相圖的分析相圖的分析l當液態(tài)金屬自當液態(tài)金屬自高溫冷卻到高溫冷卻到 t1溫度時，開始溫度時，開始結(jié)晶出成分為結(jié)晶出成分為 1的固溶體，的固溶體，其其Ni含量高于含量高于合金平均成分合金平均成分.L L+ l這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變或或勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)。L L+ 分垂線。在成分垂線相當分垂線。在成分垂線相當于溫度于溫度t 的的o點作水平線，點作水平線，其與液固相線交點

5、其與液固相線交點a、b所所對應(yīng)的成分對應(yīng)的成分x1、x2即分別即分別為液相和固相的成分。為液相和固相的成分。12 tLLObaxx1x2AB121122LxxxxQxxxxQ l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段即為相圖中線段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的長度。的長度。l 確定兩平衡相的相對重量確定兩平衡相的相對重量l設(shè)合金的重量為設(shè)合金的重量為1，液相重量為液相重量為QL，固相重量為固相重量為Q abaoxxxxQabobxxxxQ211212L 21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或%5 .61%10045. 058. 045

6、. 053. 0 Q%5 .38%10045. 058. 053. 058. 0 LQ 1L245%Ni58%Ni53%Ni L121300T0100%Cu100%Nil生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下以下 100-200 長時間保溫，長時間保溫，以使原子充分擴散、成分均勻，以使原子充分擴散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作藝稱作擴散退火擴散退火.平衡組織平衡組織枝晶偏析組織枝晶偏析組織Pb-Sn合金相圖合金相圖成分（成分（wt%Sn）溫度（溫度（）PbSnABl 相區(qū)：相區(qū)：相圖中有相圖中有:l三個單相區(qū)：三個單相區(qū)： L 、 、

7、；l三個兩相區(qū)：三個兩相區(qū)：L+ 、L+ 、 + ；l一個三相區(qū)：一個三相區(qū)：即水即水平線平線CED。l 液固相線液固相線: 液相線液相線AEB, 固相線固相線ACEDB. A、B分分別為別為Pb、Sn的熔點的熔點.ABl 和和 固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。在一定溫度下，由一定在一定溫度下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出成分的液相同時結(jié)晶出兩個成分和結(jié)構(gòu)都不相兩個成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變稱作同的新固相的轉(zhuǎn)變稱作共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變或或共晶反應(yīng)共晶反應(yīng). .AB183 Pb-Sn共晶組織共晶組織L+ CDAB 共晶點以右的共晶點以右的合金合金稱稱過共晶過共晶合

8、金合金。l凡具有共晶線凡具有共晶線成分的合金液成分的合金液體冷卻到共晶體冷卻到共晶溫度時都將發(fā)溫度時都將發(fā)生共晶反應(yīng)。生共晶反應(yīng)。L+ CDAB.2H%1004 FGFQ l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l隨溫度下降，隨溫度下降， 和和 相的成分分別沿相的成分分別沿CF線和線和DG線變線變化，化， 的重量增加。的重量增加。l室溫下室溫下 的相對重量百分比為：的相對重量百分比為：Q Ql成分大于成分大于 D點合金結(jié)點合金結(jié)晶過程與晶過程與合金相似合金相似,室溫組織為室溫組織為 + 。ABCDEFGwt%Sn溫度, 119.2 Sn原子原子擴散擴散Pb原子原子擴散擴散Pb-Sn共晶

9、體長大示意圖共晶體長大示意圖層片狀層片狀(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)條棒狀條棒狀(Sb-MnSb橫截面橫截面)螺旋狀（螺旋狀（Zn-Mg）Pb-Sn共晶組織共晶組織針狀共晶針狀共晶樹枝狀共晶樹枝狀共晶放射狀共晶放射狀共晶螺旋狀共晶螺旋狀共晶%.Q%Q%.%.%CDEDQ654100445100219597961597100 E(61.9)D(97.5)C(19.2)室溫下兩相的相對重量百分比是多少？室溫下兩相的相對重量百分比是多少？Pb-Sn共晶合金組織共晶合金組織%1002%,1002)( CEEQCECQQEL %1002%,1002 CDCQCDDQ %CEEQ%,CEC1002

10、1002 如何求室溫下三種如何求室溫下三種組織組成物組織組成物的相對重量？的相對重量？ 亞共晶合金亞共晶合金的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程l 和和 ， 和和 ，共晶體，共晶體( + ) 都是組都是組織組成物?？椊M成物。l相與相之間的相與相之間的差別主要在結(jié)差別主要在結(jié)構(gòu)和成分上。構(gòu)和成分上。Pb-Sn亞共晶組織亞共晶組織L+ L+ L + l 相圖分析相圖分析l單相區(qū)：單相區(qū)：L、 、l二相區(qū)：二相區(qū)：L+ 、 L+ 、 + l三相區(qū)：三相區(qū)：L+ + （水（水平線平線PDC）在一定溫度下，由一個液在一定溫度下，由一個液相包著一個固相生成另一相包著一個固相生成另一新固相的反應(yīng)稱新固相的反應(yīng)稱包晶轉(zhuǎn)變包晶

11、轉(zhuǎn)變或或包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)。L+ L+ L + 時間溫度時間溫度l4、共析相圖、共析相圖l共析反應(yīng)共析反應(yīng)(轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變)是指在一定是指在一定溫度下，由一定成分的固溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結(jié)相同時析出兩個成分和結(jié)構(gòu)完全不同新固相的過程構(gòu)完全不同新固相的過程.共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。SP鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 不是液相。不是液相。l另外，由于固態(tài)另外，由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過冷度大，轉(zhuǎn)變過冷度大，因而共析組織比因而共析組織比共晶組織細。共晶組織細。珠光體珠光體 、 AnBmT b,HB, B% l 形成穩(wěn)形成穩(wěn)定化合物定化合物的合金：的合金：性能性能-成分成分曲線上出曲線

12、上出現(xiàn)拐點?，F(xiàn)拐點。l共晶合金共晶合金結(jié)晶溫度低結(jié)晶溫度低,流動性好，縮孔集中，流動性好，縮孔集中，偏析小，偏析小，鑄造性能好。鑄造性能好。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) l 純鐵及鐵基固溶體純鐵及鐵基固溶體l 鐵素體：鐵素體：鐵素體鐵素體BCC的八面體的八面體和四面體間隙和四面體間隙l組織為不規(guī)則多面體晶組織為不規(guī)則多面體晶粒粒, 晶界較直。晶界較直。強度低、強度低、塑性好塑性好，鋼材熱加工都鋼材熱加工都在在 區(qū)進行。區(qū)進行。碳鋼室溫碳鋼室溫組織中無奧氏體。組織中無奧氏體。奧氏體奧氏體FCC的八面體間隙的八面體間隙lFe3C是一個亞穩(wěn)相，在一是一個亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解

13、：定條件下可發(fā)生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 該反該反應(yīng)對鑄鐵有重要意義。應(yīng)對鑄鐵有重要意義。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而很小，因而常溫下碳在鐵常溫下碳在鐵碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石石墨墨的形式存在的形式存在。 鑄鐵中的石墨鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體鋼中的滲碳體 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 萊氏體萊氏體l珠光體的組織特點是珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。性能介于兩相之間。 PSK線又稱線又稱A1線線 。L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3C珠光體珠光體(

14、光鏡光鏡)掃描電鏡形貌掃描電鏡形貌l 相區(qū)相區(qū)l 五個單相區(qū)：五個單相區(qū)： L、 、 、 、Fe3C l 七個兩相區(qū)七個兩相區(qū): L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C l鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：l 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵(0.0218%C) 組織為單相鐵素體。組織為單相鐵素體。工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵NSJBH L+ + + %3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe Ql從鐵素體中析出的滲碳體稱從鐵素體中析出的滲碳體稱三次滲碳體，三次滲碳體，用用Fe3C表示。表示。 Fe3C以不

15、連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。l合金液體在合金液體在1-2點間轉(zhuǎn)變?yōu)辄c間轉(zhuǎn)變?yōu)?,到到S點發(fā)生共點發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：析轉(zhuǎn)變： S P+Fe3C, 全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿哭D(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。珠光體。l珠光體中的滲碳體稱珠光體中的滲碳體稱共共析滲碳體析滲碳體。lS點以下，共析點以下，共析 中析出中析出Fe3C，與共析，與共析Fe3C結(jié)合結(jié)合不易分辨。不易分辨。室溫組織為室溫組織為P.%.%.%Q,%.PKSKQC Fe321188810088802180696770696 Q珠光體珠光體%.%.%Q%.QLLQC Fe3511588100588000806967706964 Q43219

16、中析出中析出 。到。到5點，點， 成分沿成分沿GS線變到線變到S點，點， 發(fā)生發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降， 中析出中析出Fe3C，由于與共析，由于與共析Fe3C結(jié)合結(jié)合, 且量少且量少, 忽略不計。忽略不計。 +Fe3CGSPABJH%1005%10053 PKKQPKPQCFe %1005%1005 PSSQPSPQP Sl組織組成物的相對重組織組成物的相對重量為：量為： l室溫下組織組成物的相室溫下組織組成物的相對重量為：對重量為：CFeCFeQQLLQCQLQQ33%1006%1000008. 069. 60008. 06 PPQ%QS S

17、Q%,.CQSQQ 100610000080770000806 Sl利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量：似估算亞共析鋼的含碳量：C%=P面積面積%0.77% (忽略忽略 中含碳量中含碳量，P面積面積%=QP)含含0.45%C鋼的組織鋼的組織含含0.20%C鋼的組織鋼的組織含含0.60%C鋼的組織鋼的組織 其其沿晶界呈網(wǎng)狀沿晶界呈網(wǎng)狀分布分布.l溫度下降溫度下降, Fe3C量增加。到量增加。到4點，點， 成分沿成分沿ES線變線變化到化到S點，余下點，余下的的 轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镻。在共析溫度下在共析溫度下FeFe3 3C C的

18、相對量？的相對量？%6 .22%10077. 069. 677. 011. 23 IICFeQ含含1.4%C鋼的組織鋼的組織 Q%QLQQ%.C.QLLQCFe 10051000008069669653l室溫下兩組織組成室溫下兩組織組成物相對重量百分比物相對重量百分比:12345SPCFePQLSSQCLSLQ %1005 %,10077. 069. 669. 653Fe3C %.Q%.%.QCFe847252100112696346963 ， lC點以下點以下, 成分沿成分沿ES線變化，共晶線變化，共晶 將析出將析出Fe3C。Fe3C與共晶與共晶Fe3C 結(jié)結(jié)合，不易分辨。合，不易分辨。12

19、 Fe3C2PFe3Cl在在2點，共晶點，共晶 發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種由由 P與與 Fe3C組成的共晶體稱組成的共晶體稱低溫萊氏體，低溫萊氏體，用用Le表示表示。2 %.Q%.%.QCFe659440100770696346963 ， 點以下，共晶體中珠點以下，共晶體中珠光體的變化同共析鋼光體的變化同共析鋼.S%3 .64%7 .35%100%7 .35%1000008. 069. 63 . 469. 63 CFeQQ 一 次一 次 的的Fe3C被被共晶共晶 襯襯托出來。托出來。到到3點，點， 轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镻.IIIICFeLeCFeLeLeQQ%Q.ECCQECEQQ3310077069677011222 ECFD1234N室溫下相的相對重量百分比室溫下相的相對重量百分比?DFK3Fe3C124鋼鋼鐵素體鐵素體 亞共析鋼亞共析鋼過共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼共析鋼白白 口口 鑄鑄 鐵鐵二次滲碳體二次滲碳體工工業(yè)業(yè)純純鐵鐵珠光體珠光體