第三章 金屬與合金的結晶

1、 第三章第三章 金屬與合金的結晶金屬與合金的結晶教教 學學 要要 求求主主 要要 內內 容容本本 章章 重重 點點本本 章章 小小 結結習習 題題 機械制造基礎 第三章 教 學 要 求 通過學習，學生應熟悉純金屬和合金的結晶過程及其組織特點。 機械制造基礎 第三章 主 要 內 容 第一節(jié) 純金屬的結晶 第二節(jié) 合金的結晶 機械制造基礎 第三章 本 章 重 點 二元合金相圖的基本知識; 二元合金的結晶過程。 機械制造基礎 第三章 第三章 金屬與合金的結晶 金屬與合金從液態(tài)到固態(tài)的轉變過程，是原子由不規(guī)則排列的液體狀態(tài)逐步過渡到原子作規(guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程，這一過程稱為結晶。 金屬材料結晶后形成

2、的組織 (鑄態(tài)組織) 對金屬材料的鑄態(tài)性能及經過各種加工后的性能都有影響。 研究金屬和合金的結晶過程及規(guī)律，對探索改善金屬材料的組織和性能具有重要的意義。 機械制造基礎 第三章 第一節(jié) 純金屬的結晶 一、一、純金屬的冷卻曲線和過冷現象純金屬的冷卻曲線和過冷現象 將純金屬加熱熔化成液體，然后讓液態(tài)金屬緩慢冷卻下來，并在冷卻過程中，每隔一定時間測量一次溫度，然后將記錄下來的數據繪制在溫度時間坐標中，這樣便獲得如圖3-1所示的冷卻曲線。 機械制造基礎 第三章 冷卻曲線分析：冷卻曲線分析： 1、冷卻曲線出現平臺的原因，是由于金屬 結晶過程中會釋放出結晶潛熱，補償了向外界散失的熱量，使溫度不隨冷卻時間的

3、增長而下降，直到金屬結晶終了后，溫度又重新下降。 2、在實際生產中，金屬的實際結晶溫度T1總是低于理論結晶溫度T0，這種現象稱為過冷現象。理論結晶溫度與實際結晶溫度的差值，稱為過冷度，用T表示，即T = T0 - T1。 實踐證明，金屬總是在一定的過冷度下結晶的，所以過冷是金屬結晶的必要條件。 機械制造基礎 第三章 二、純金屬的結晶過程純金屬的結晶過程 1 1、形核形核 當液態(tài)金屬冷卻到接近理論結晶溫度時，形成一批類似于晶體中原子有規(guī)則排列的小集團。這些小集團是不穩(wěn)定的，時聚時散，此起彼伏。當溫度下降到低于理論結晶溫度時，這些小集團中的一部分就穩(wěn)定下來，成為結晶核心。這種最先形成的、作為結晶核

4、心的微小晶體稱為晶核。晶核的形成過程稱為形核。晶核的形成有兩種方式：自發(fā)形核和非自發(fā)形核。 機械制造基礎 第三章 2、長大 隨著時間的推移，已形成的晶核不斷長大，同時液態(tài)金屬中又會不斷地形成新的晶核并不斷長大，直到液態(tài)金屬全部消失，晶體彼此產接觸為止，如圖3-2所示。 結晶時每一個晶核長成的晶體就是一個晶粒。固態(tài)金屬是由許多晶核長大并形成晶粒后嵌鑲為一體而組成的多晶體。 晶粒是構成金屬晶體晶粒是構成金屬晶體的最小單位，的最小單位，晶粒與晶粒晶粒與晶粒之間的接觸面叫晶界。之間的接觸面叫晶界。 晶界處比晶粒內部凝固的晚，故金屬中的低熔點雜質往往聚集在晶界上，從而使晶界處的性能不同于晶粒內部。 機械

5、制造基礎 第三章 三、金屬結晶后的晶粒大小金屬結晶后的晶粒大小晶粒大小是金屬組織的重要標志之一。金屬晶粒大小的表示方法： 1、用單位體積內的晶粒數目來表示，數目越多，晶粒越細小。 2、以單位截面上晶粒數目或晶粒的平均直徑來表示。細晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強度、硬度、塑性和韌性。工業(yè)生產中細化晶粒的方法：工業(yè)生產中細化晶粒的方法： 1、增加過冷度 液態(tài)金屬結晶時的形核率 N、長大速率 G與過冷度T 之間的關系如教材中圖3-3所示。 機械制造基礎 第三章 增加過冷度，就是要提高金屬凝固時的冷卻速度。但在實際生產中，對于大鑄錠、大鑄件，過高的冷卻速度往往導致鑄件產生裂紋而報廢。因此，對于大型鑄

6、件則需要用其它方法來細化晶粒。 2、變質處理 在液態(tài)金屬結晶前加入一些細小的難熔質點（變質劑），以增加形核率或降低長大速率，從而細化晶粒的方法，稱為變質處理。 例如，往鋁液中加鈦、硼；往鋼水中加入鈦、鋯、鋁等；往鑄鐵水中加入硅鐵、硅鈣合金，都能使晶粒細化，從而提高金屬的力學性能。 3、附加振動 金屬結晶時，對金屬液附加機械振動、超聲波振動、電磁振動等措施，使生長中的枝晶破碎，而破碎的枝晶尖端又可起晶核作用，增加了形核率N，達到細化晶粒的目的。 機械制造基礎 第三章 四、金屬的同素異構轉變金屬的同素異構轉變 金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格類型轉變?yōu)榱硪环N晶由一種晶

7、格類型轉變?yōu)榱硪环N晶格類型的變化，稱為金屬的同素格類型的變化，稱為金屬的同素異構轉變。異構轉變。圖3-4為純鐵的冷卻曲線，它表示了純鐵的結晶和同素異構轉變的過程。 由于純鐵能夠發(fā)生同素異構轉變，生產中才有可能對鋼和鑄鐵進行各種熱處理，以改變其組織和性能。 機械制造基礎 第三章 金屬的同素異構轉變過程與液態(tài)金屬的結晶過程相似，實質上是一個重結晶過程。它遵循液態(tài)金屬結晶的一般規(guī)律。金屬的同素異構轉變的特點： 1、由于同素異構轉變是在固態(tài)下發(fā)生的，原子擴散比在液態(tài)中困難得多，這使同素異構轉變具有較大的過冷度； 2、由于轉變時晶體結構的致密度改變引起晶體體積的變化,從而產生較大的內應力。 金屬的同素異

8、構轉變是鋼在淬火時引起應力、導致工件變形和開裂的重要因素。 機械制造基礎 第三章 第二節(jié) 合金的結晶 合金與純金屬結晶時的不同點：1、合金的結晶不一定在恒溫下進行；2、合金在不同的溫度范圍內會存有不同數量的相，且各相的 成分有時也會變化；3、同一合金系，因成分不同，其組織也不同，即便是同一成 分的合金，其組織也會隨溫度的不同而發(fā)生變化。一、二元合金相圖的基本知識一、二元合金相圖的基本知識合金相圖在平衡條件下，合金的成分、溫度與組織之間關系的簡明圖表，又稱為合金平衡圖或合金狀態(tài)圖。 合金相圖的用途：a、研究合金的組織形成和變化規(guī)律的有效工具；b、作為制定冶煉、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的重要依

9、據。 機械制造基礎 第三章 用熱分析法建立Cu-Ni二元合金相圖的方法和步驟：(1) 配制一系列成分不同的Cu-Ni合金。配制的合金越多，測得的相圖越準確，我們選定六種不同成分的Cu-Ni合金，見表3-1。表3-1 Cu-Ni 合金的成分和臨界點 合金編號 合 金 化 學 成 分 合 金 的 臨 界 點 Cu 100Ni 100開始結晶溫度 / C結晶終了溫度 / C100010831083802011751130604012601195406013401270208014101360010014551455 機械制造基礎 第三章 (2)用熱分析法測出所配合金的冷卻曲線，如圖3 - 5a所示。

10、(3) 由冷卻曲線上的折點與水平線段找出各合金的臨界點(合金的結晶開始及終了溫度) ，見表3-1所列。(4)將以上找出的臨界點畫到以溫度為縱坐標、合金成分為橫坐標的坐標圖中相應合金的成分線上，然后連接各相同意義的臨界點，所得的線稱為相界線。這樣就獲得了Cu-Ni合金相圖，如圖3-5b所示。圖3-5 用熱分析法測定Cu-Ni合金相圖a)冷卻曲線 b)相圖 機械制造基礎 第三章 二、二元合金的結晶過程(一) 二元勻晶相圖凡是兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無限互溶，即在固態(tài)下能形成無限固溶體時，此二元合金相圖屬于勻晶相圖。具有這類相圖的合金系有Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr、W-Mo等。1

11、、相圖分析圖3-6a所示為Cu-Ni合金相圖。 機械制造基礎 第三章 2、合金的結晶過程分析 銅和鎳二組元在固態(tài)下能完全互相溶解，并能以任何比例形成單相固溶體。 現以wNi= 40的Cu-Ni合金為例，分析其平衡結晶過程及其組織，如圖3-6b所示。 機械制造基礎 第三章 3枝晶偏析 在實際生產中，冷卻速度比較快，而且固態(tài)下原子擴散又很困難，致使固溶體內部的原子擴散來不及充分進行，結果在每個晶粒內，先結晶的固溶體含高熔點組元 (如Cu-Ni合金中的Ni) 較多，后結晶的固溶體內含低熔點組元 (如Cu-Ni合金中的Cu) 較多。這種在一個晶粒內部化學成分不均勻的現象，叫枝晶偏析。枝晶偏析會嚴重影響

12、合金的力學性能和耐蝕性，故應設法消除消除枝晶偏析的方法： 將鑄件加熱到固相線以下100200的溫度，保溫較長時間，然后緩慢冷卻，使原子充分擴散，從而達到成分均勻的目的。這種處理方法稱為均勻化退火。 機械制造基礎 第三章 (二) 二元共晶相圖 共晶轉變指一定成分的液相在一定的溫度下，同時結晶出兩種不同固相的轉變。 由共晶轉變獲得的兩相混合物稱為共晶組織或共晶體。 二元共晶相圖凡是二元合金中兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)下有限溶解，并發(fā)生共晶轉變的相圖屬于共晶相圖。 具有這類相圖的合金系有Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Zn-Sn、Cu-Ag等。 下面以Pb-Sn合金相圖為例進行分析。 機械制造

13、基礎 第三章 1相圖分析 A點Pb的熔點 ( 327.5 ) ； B點Sn的熔點 ( 231.9 ) ； AEB線液相線； AMENB線固相線； 相是Sn溶于Pb中形成的有限固溶體，MF線為Sn在Pb中的溶解度曲線； 相是Pb溶于Sn中形成的有限固溶體，NG線是Pb在Sn中的溶解度曲線。MEN線為三相平衡線，又稱共晶線。共晶溫度為183，在該溫度下，E點成分的液相同時結晶出兩種不同的固相M和N 。 機械制造基礎 第三章 E 點稱為共晶點，溫度為183，Sn 的含量為61. .9，成分在E 點的合金稱為共晶合金，E 點對應的溫度稱為共晶溫度。成分在 ME 之間的合金稱為亞共晶合金，成分在 EN

14、之間的合金稱為過共晶合金。 2典型合金的結晶過程分析 (1)sn 19的合金( 如圖3-7a中的合金I)。合金I冷卻到1點時結晶出固溶體，直到溫度降低到2點時，全部轉變?yōu)閱蜗喙倘荏w。溫度在2點至3點之間，固溶體不發(fā)生任何變化。 機械制造基礎 第三章 當溫度冷卻到3點以下時,多余的Sn就以固溶體的形式從固溶體中析出，這種由固溶體中析出的固溶體，稱為次生固溶體，用表示。該合金的最后平衡組織為+ 。 (2) 共晶合金 (sn = 61. .9，圖3-7a中的合金) 。該合金冷卻到183時，同時結晶出和兩種固溶體，即發(fā)生共晶轉變，直到液相完全消失。繼續(xù)冷卻時，從和中將分別析出和 。由于數量較少，不改變

15、共晶組織的基本形貌，室溫織織仍可視為 + 。該合金的結晶過程如圖3-9所示。 機械制造基礎 第三章 (3) 亞共晶合金 (19Sn61. .9) 。如圖3-7a中的合金。當合金冷卻到1點溫度時，開始從液相中結晶出固溶體。溫度在12點之間，溫度的降低，固溶體的量不斷增多，其成分不斷沿AM 線變化；剩余液相的量不斷減少，其成分不斷沿AE線變化。溫度降到2點時，剩余液相的成分達到共晶點成分，在共晶溫度 (183) 下發(fā)生共晶轉變，同時結晶出+共晶體，直到液相全部消失為止。 所有Pb-Sn亞共晶合金的結晶過程與合金相似，其顯微組織均由初晶、次生和共晶體 + 組成。所不同的是，合金成分越接近共晶成分，組

16、織中共晶體 + 的量越多，而初晶的量越少。 (4) 過共晶合金(61. .9Sn 97. .5)。過共晶合金的平衡結晶過程及組織與亞共晶成分的合金相類似，所不同的是先結晶出來的固相是固溶體，結晶后的顯微組織為初晶、次生 和共晶體 + 組成。 機械制造基礎 第三章 小小 結結 過冷是金屬結晶的必要條件，金屬的結晶過程包括形核和長大兩個階段。冷卻速度越快，過冷度越大，晶核的數量越多，晶粒越細小，金屬的力學性能越高。 同素異晶轉變是金屬的一個重要性能。凡是具有同素異晶轉變的金屬及其合金，都可以用熱處理的方法改變其性能。 枝晶偏析嚴重影響了合金的力學性能和耐蝕性，可采用加熱并保溫的方法予以消除。 合金相圖又稱為合金平衡圖或合金狀態(tài)圖。利用合金相圖, 可以了解不同成分的合金在不同溫度時的組織狀態(tài)，以及當溫度改變時可能發(fā)生的轉變，是制訂金屬冶煉、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的理論基礎。 機械制造基礎 第三章 機械制造基礎 第三章習 題3-1 解釋下列名詞 結晶 過冷現象 過冷度 變質處理 晶核 同素異晶轉變 枝晶偏析 共晶轉變