第3章金屬材料的凝固與固態(tài)相變

1、第三章第三章 材料的凝固與固態(tài)相變材料的凝固與固態(tài)相變3.1 單一組元單一組元材料的材料的凝固凝固 1.結(jié)晶的概念結(jié)晶的概念 材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧蠌囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w固體的的過程稱為過程稱為凝固凝固，若轉(zhuǎn)變?yōu)椋艮D(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)晶態(tài)固體就稱為固體就稱為結(jié)晶，通常也稱為結(jié)晶，通常也稱為一次結(jié)晶一次結(jié)晶。而把材料從一種固。而把材料從一種固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過程稱為的過程稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶二次結(jié)晶或重結(jié)晶。 理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度T T0 0或熔點是固或熔點是固態(tài)和液態(tài)的能量相等的溫度。態(tài)和液態(tài)的能量相等的溫度。 理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度T T0 0與開與開始結(jié)晶溫度始

2、結(jié)晶溫度T Tn n之差叫做過之差叫做過冷度，用冷度，用TT表示。表示。 T= TT= T0 0T Tn n 冷卻速度越大，則冷卻速度越大，則開始結(jié)晶溫度越低，過開始結(jié)晶溫度越低，過冷度也就越大。冷度也就越大。 過冷是結(jié)晶的必要過冷是結(jié)晶的必要條件條件 2.2.材料的結(jié)晶過程材料的結(jié)晶過程 液態(tài)材料結(jié)晶是由液態(tài)材料結(jié)晶是由形核形核和和長大長大兩個密切聯(lián)系的基本兩個密切聯(lián)系的基本過程來實現(xiàn)的。過程來實現(xiàn)的。 晶核的形成晶核的形成 1 1）自發(fā)形核）自發(fā)形核 從液態(tài)內(nèi)部由材料本身原子自發(fā)長出從液態(tài)內(nèi)部由材料本身原子自發(fā)長出結(jié)晶核心的過程叫做自發(fā)形核。結(jié)晶核心的過程叫做自發(fā)形核。 2 2）非自發(fā)形核

3、）非自發(fā)形核 依附于雜質(zhì)而生成晶核的過程叫做依附于雜質(zhì)而生成晶核的過程叫做非自發(fā)形核。非自發(fā)形核。 圖圖2-5 2-5 材料結(jié)晶示意圖材料結(jié)晶示意圖 晶體的長大晶體的長大 1 1）平面長大。在冷卻速度較）平面長大。在冷卻速度較小的情況下，純金屬晶體主要以其小的情況下，純金屬晶體主要以其表面向前平行推移的方式長大。表面向前平行推移的方式長大。 2 2）樹枝狀長大。當(dāng)冷卻速度較大，特別是存在有）樹枝狀長大。當(dāng)冷卻速度較大，特別是存在有雜質(zhì)時，晶體與液體界面的溫度會高于近處液體的溫度，雜質(zhì)時，晶體與液體界面的溫度會高于近處液體的溫度，形成負(fù)溫度梯度，這時金屬晶體往往以樹枝狀的形狀長形成負(fù)溫度梯度，這

4、時金屬晶體往往以樹枝狀的形狀長大。大。 樹枝狀長大樹枝狀長大鋼錠縮孔中暴露的枝晶鋼錠縮孔中暴露的枝晶 3.影響形核和長大的因素影響形核和長大的因素 成核速率成核速率N N 為為單位時間單位體單位時間單位體積形成的晶核數(shù)（個積形成的晶核數(shù)（個/m3s), 長大速長大速度度G為為單單位時間晶體長大的長度位時間晶體長大的長度（m/s) 。 （1）過冷度的影響）過冷度的影響 隨著過冷度的增加隨著過冷度的增加, 形核速率和形核速率和長大速度均會增大。當(dāng)過冷度進(jìn)一長大速度均會增大。當(dāng)過冷度進(jìn)一步增大時，成核速率增大更快，因步增大時，成核速率增大更快，因而比值而比值N/G也增大也增大, 結(jié)果使晶粒細(xì)化。結(jié)果

5、使晶粒細(xì)化。 （2）難熔雜質(zhì)的影響）難熔雜質(zhì)的影響 增加晶核的數(shù)量，使晶粒細(xì)化。增加晶核的數(shù)量，使晶粒細(xì)化。 4.晶粒大小及控制晶粒大小及控制（1）晶粒度的概念）晶粒度的概念 晶粒度是晶粒大小的量度。晶粒度是晶粒大小的量度。用單位體積中晶粒的數(shù)目用單位體積中晶粒的數(shù)目Zv或單或單位面積上晶粒的數(shù)目位面積上晶粒的數(shù)目Zs表示。表示。 在一般情況下在一般情況下,形核速率越形核速率越大大,長大速度越小，晶粒越小長大速度越小，晶粒越小, 則則金屬的強(qiáng)度金屬的強(qiáng)度, 塑性和韌性越好。塑性和韌性越好。工程上使晶粒細(xì)化工程上使晶粒細(xì)化, 是提高金屬是提高金屬機(jī)械性能的重要途徑之一。機(jī)械性能的重要途徑之一。（

6、2）晶粒大小的控制）晶粒大小的控制 1）增大過冷度）增大過冷度 2）變質(zhì)處理：在液體金屬中加）變質(zhì)處理：在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，以細(xì)化晶粒入孕育劑或變質(zhì)劑，以細(xì)化晶粒和改善組織。和改善組織。金屬型鑄造金屬型鑄造 砂型鑄造砂型鑄造 冷卻速度大冷卻速度大 冷卻速度小冷卻速度小針狀改變成細(xì)小顆粒狀針狀改變成細(xì)小顆粒狀 5. 5. 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。bccfccbccFeFeFe 9121394 鐵的鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是

7、鋼鐵材料能夠鋼鐵材料能夠進(jìn)行熱處理改性的內(nèi)因和依據(jù)進(jìn)行熱處理改性的內(nèi)因和依據(jù)。 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下完成的，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下完成的，也是通過形核、長大來完成的。稱為重也是通過形核、長大來完成的。稱為重結(jié)晶。結(jié)晶。 6. 非晶態(tài)材料的形成非晶態(tài)材料的形成 如果冷卻過程很快，液態(tài)物質(zhì)來不及形核或已形成如果冷卻過程很快，液態(tài)物質(zhì)來不及形核或已形成的極少量核心來不及長大就被凝固住了，由此就產(chǎn)生了的極少量核心來不及長大就被凝固住了，由此就產(chǎn)生了非晶態(tài)材料。如將高溫鋼水噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上。非晶態(tài)材料。如將高溫鋼水噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上。鋼水以每秒百萬度的速度迅速冷卻，僅用千分之一秒的鋼水以

8、每秒百萬度的速度迅速冷卻，僅用千分之一秒的時間就將時間就將1300的鋼水降到的鋼水降到200以下，形成非晶帶材。以下，形成非晶帶材。3.2 3.2 多多組元材料的凝固組元材料的凝固 3.2.1 3.2.1 相圖相圖 相圖就是用來表示材料相的狀態(tài)和溫度及成分關(guān)系相圖就是用來表示材料相的狀態(tài)和溫度及成分關(guān)系的綜合圖形，其所表示的相的狀態(tài)是平衡狀態(tài)，也稱為的綜合圖形，其所表示的相的狀態(tài)是平衡狀態(tài)，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。對于多相體系，個相間的相互轉(zhuǎn)化，平衡圖或狀態(tài)圖。對于多相體系，個相間的相互轉(zhuǎn)化，新相的形成，舊相的消失與溫度，壓力，組成有關(guān)。新相的形成，舊相的消失與溫度，壓力，組成有關(guān)。 1相圖的繪

9、制相圖的繪制2.2.幾種基本的相圖幾種基本的相圖 （1 1）勻晶相圖）勻晶相圖 AlAl1 1B B線為液相線，線為液相線，AaAa1 1B B為固相線，圖中有兩個單相區(qū)和為固相線，圖中有兩個單相區(qū)和一個雙相區(qū)（一個雙相區(qū)（L+L+相區(qū)）。相區(qū)）。平衡結(jié)晶過程的特點為：平衡結(jié)晶過程的特點為： 結(jié)晶過程包括生核與長大（更趨向于樹枝狀長大）。結(jié)晶過程包括生核與長大（更趨向于樹枝狀長大）。 結(jié)晶是在一個溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行的。結(jié)晶是在一個溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行的。 獲得成分均勻的固溶體（實際結(jié)晶時成分是不均勻的）。獲得成分均勻的固溶體（實際結(jié)晶時成分是不均勻的）。 （2 2）共晶相圖）共晶相圖 在共晶合金相圖中，

10、共晶合金相圖中，acbacb為液相線，為液相線，adcebadceb為固相線，為固相線，合金系有三種相，相圖中有三個單相區(qū)（合金系有三種相，相圖中有三個單相區(qū)（L L、）；）；三個兩相區(qū)（三個兩相區(qū)（L+L+、L+L+、+）；一條三相）；一條三相(L+)(L+)共存線（水平線共存線（水平線dcedce）。）。 dcedce為共晶線。為共晶線。 Lc Lc d d+ + e e 共晶反應(yīng)所生成的兩相共晶反應(yīng)所生成的兩相機(jī)械混合物叫共晶體。成機(jī)械混合物叫共晶體。成分在分在dede之間的合金平衡結(jié)之間的合金平衡結(jié)晶時都會發(fā)生共晶反應(yīng)。晶時都會發(fā)生共晶反應(yīng)。 TC 共晶合金共晶合金( (合金合金)的的

11、結(jié)晶過程結(jié)晶過程共晶合金共晶合金組織的形組織的形態(tài)態(tài) 合金的室溫組織全部為共合金的室溫組織全部為共晶體；由晶體；由和和兩相組成。兩相組成。 冷卻到冷卻到1 1點溫度后點溫度后, , 發(fā)生發(fā)生共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿w共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿w (+) (+) 。 亞共晶合金亞共晶合金 ( (合金合金)的的結(jié)晶過程結(jié)晶過程 1 1點點, L ; , L ; 1 1點點 2 2點點, L ; , L ; 2 2點點 2 2點點, , Lc (d+ e); 此時此時, , 合金轉(zhuǎn)變?yōu)楹辖疝D(zhuǎn)變?yōu)?+ + (d+ e) 2 2點點 3 3點點, , ; ; 合金的室溫組織合金的室溫組織: : + + + (

12、+) , + (+) , 合金的組成相合金的組成相:和和。 過共晶合金的結(jié)晶過程過共晶合金的結(jié)晶過程與亞共晶合金相似，室溫組與亞共晶合金相似，室溫組織為織為+ + + (+) + (+) 。合金的組成相為合金的組成相為和和。 （3 3）及其他相圖）及其他相圖 如包晶相圖和有共析轉(zhuǎn)變（由一種固相轉(zhuǎn)變成完全共析轉(zhuǎn)變（由一種固相轉(zhuǎn)變成完全不同的兩種相互關(guān)聯(lián)的固相，此兩相混合物稱為共析體）不同的兩種相互關(guān)聯(lián)的固相，此兩相混合物稱為共析體）的相圖等。的相圖等。 3 3 合金的性能與相圖的關(guān)系合金的性能與相圖的關(guān)系 （1 1）合金的使用性能）合金的使用性能與相圖的關(guān)系與相圖的關(guān)系 溶質(zhì)的溶入量越多，溶質(zhì)的

13、溶入量越多，晶格畸變越大，則合金晶格畸變越大，則合金的強(qiáng)度、硬度越高，電的強(qiáng)度、硬度越高，電阻越大。阻越大。 兩相組織合金的力學(xué)兩相組織合金的力學(xué)和物理性能與成分呈直和物理性能與成分呈直線關(guān)系變化。線關(guān)系變化。 （2 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：鑄造性能：純組元和純組元和共晶成分的合金的流共晶成分的合金的流動性最好，縮孔集中，動性最好，縮孔集中，鑄造性能好。鑄造性能好。 鍛造性能：鍛造性能：單相合金單相合金的鍛造性能好。單相的鍛造性能好。單相組織時變形抗力小，組織時變形抗力小，變形均勻，因而變形變形均勻，因而變形能力大。雙相組織的能力大。雙相組織的合金變

14、形能力差些，合金變形能力差些，特別是組織中存在有特別是組織中存在有較多的化合物相時。較多的化合物相時。 4 4 鑄錠鑄錠( (件件) )的凝固的凝固 把金屬熔化注入鑄模，冷卻后獲得一定形狀的鑄件把金屬熔化注入鑄模，冷卻后獲得一定形狀的鑄件的工藝叫做鑄造。的工藝叫做鑄造。 最典型的鑄造結(jié)構(gòu)，整最典型的鑄造結(jié)構(gòu)，整個鑄錠明顯地分為三個各具個鑄錠明顯地分為三個各具特征的晶區(qū)。特征的晶區(qū)。 細(xì)等軸晶區(qū)細(xì)等軸晶區(qū) 在鑄錠的在鑄錠的表層形成的一層厚度不大、表層形成的一層厚度不大、晶粒很細(xì)的區(qū)域。晶粒很細(xì)的區(qū)域。 柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū) 粗等軸晶區(qū)粗等軸晶區(qū) 3.3 3.3 鐵碳合金鐵碳合金 3.3.1 Fe-F

15、e3.3.1 Fe-Fe3 3C C相圖相圖 1.1.鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)與鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)與性能性能（1 1）鐵素體（）鐵素體（F F或或） 碳在碳在FeFe中中的間隙固溶體，體的間隙固溶體，體心立方晶格。鐵素心立方晶格。鐵素體的性能特點是強(qiáng)體的性能特點是強(qiáng)度低、硬度低、塑度低、硬度低、塑性好。性好。 （2 2）奧氏體（）奧氏體（A A或或） 碳在碳在FeFe中的間隙固溶體，中的間隙固溶體，面心立方晶格。奧氏體的強(qiáng)度較低，硬度不高，易于面心立方晶格。奧氏體的強(qiáng)度較低，硬度不高，易于塑性變形。塑性變形。 五個單相區(qū)、七個兩五個單相區(qū)、七個兩相區(qū)和三個三相區(qū)。相區(qū)和三個三相區(qū)。3 相圖中重要的點相圖

16、中重要的點和線和線 C點為共晶點，點為共晶點，ECF為共晶線為共晶線 S點為共析點，點為共析點，PSK為共析線為共析線 GS線線 ES線線（3）滲碳體（）滲碳體（Fe3C） 化合物相，有條狀、網(wǎng)狀、片狀、化合物相，有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，對鐵碳合金的力學(xué)性能有很大影響。滲碳體粒狀等形態(tài)，對鐵碳合金的力學(xué)性能有很大影響。滲碳體硬度高（硬度高（800HBW），塑性差，脆性大。），塑性差，脆性大。2.相圖分析相圖分析 C C點為共晶點，點為共晶點，ECFECF為共晶線。為共晶線。合金在平衡結(jié)晶過程合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到中冷卻到11481148時，時，C C點成分的點成分的L L發(fā)生共晶反

17、應(yīng)，生成發(fā)生共晶反應(yīng)，生成E E點成分的點成分的A A和和FeFe3 3C C。 ，成分在此線的鐵碳合金，在平衡成分在此線的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。結(jié)晶過程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。 共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是奧氏共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的共晶混合物，體與滲碳體的共晶混合物，稱稱萊氏體萊氏體，以符號，以符號LdLd表示。表示。Lc AE+Fe3C1148 S S點為共析點點為共析點, PSK, PSK為共析線為共析線. .合金在平衡結(jié)晶過程合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到中冷卻到727727時，時，S S點成分的點成分的A A發(fā)生共析反應(yīng)，成分在發(fā)生共析反應(yīng)，成分在PSKPSK的鐵碳合金，在平

18、衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共析反應(yīng)。的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共析反應(yīng)。PSKPSK線亦稱線亦稱A1A1線。線。 共析反應(yīng)產(chǎn)物是鐵素體與滲共析反應(yīng)產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的共析混合物，稱碳體的共析混合物，稱珠光體珠光體，以符號以符號P P表示。在顯微鏡下珠光表示。在顯微鏡下珠光體的形態(tài)呈片狀。體的形態(tài)呈片狀。 珠光體的強(qiáng)度很高，塑性、珠光體的強(qiáng)度很高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間。之間。As Fp + Fe3C727 GS GS線線 是合金是合金冷卻時自冷卻時自A A中開始析中開始析出出F F的臨界溫度線，的臨界溫度線，通常稱通常稱A A3 3線。線。 ESE

19、S線線 碳在碳在A A中中的固溶線，通常叫的固溶線，通常叫做做 A Acmcm線 。線 。 A A FeFe3 3C C。 3.3.2 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 根據(jù)根據(jù)FeFeFeFe3 3C C相圖，鐵碳合金可分為三類：相圖，鐵碳合金可分為三類： 1)1)工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 wc 0.0218%0.0218% 2) 2)鋼鋼0.0218% 0.0218% wc 2.11% 2.11% 3) 3)白口鑄鐵白口鑄鐵2.11% 2.11% wc 6.69% 6.69% 工業(yè)純鐵的室溫平衡組織為鐵素體（工業(yè)純鐵的室溫平衡組織為鐵素體（F F），呈白色狀。由于其強(qiáng)），呈白色狀。由于其強(qiáng)度低、硬度低、不宜用作結(jié)構(gòu)材料。度低、硬度低、不宜用作結(jié)構(gòu)材料。1.1.共析鋼共析鋼 wc =0.77% =0.77%的平衡結(jié)晶過程的平衡結(jié)晶過程 共析鋼的室溫組織組成物全部是共析鋼的室溫組織組成物全部是P P，而組成相為，而組成相為F F和和FeFe3 3C C。 2.2.