第三章 純金屬結(jié)晶與合金的結(jié)晶

第三章純金屬結(jié)晶與

合金的結(jié)晶第一節(jié)純金屬的結(jié)晶第二節(jié)合金的結(jié)晶第一節(jié)純金屬的結(jié)晶一、純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象1、

通過熱分析法測(cè)定冷卻曲線2、

冷卻曲線分析純金屬結(jié)晶時(shí)，在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)的原因，是由于金屬在結(jié)晶過程中，釋放的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了外界散失的熱量，使溫度并不隨冷卻時(shí)間的增加而下降，直到金屬結(jié)晶終了后，已沒有結(jié)晶潛熱補(bǔ)償散失的熱量，故溫度又重新下降。冷卻曲線tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度}T過冷度T=T0-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）3、

過冷現(xiàn)象金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度Tn低于理論結(jié)晶溫度T0的現(xiàn)象。過冷度△T=T0－Tn，過冷是結(jié)晶的必要條件。同一金屬，結(jié)晶時(shí)冷卻速度越大，過冷度越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度越低。二、純金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶的過程是不斷形核和長大的過程。液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶1、

形核液體中存在著許多類似于晶體的小集團(tuán)，當(dāng)?shù)陀诶碚摻Y(jié)晶溫度時(shí)，這些小集團(tuán)中的一部分就成為穩(wěn)定的結(jié)晶核心，稱為晶核。

兩種形核方式——自發(fā)形核與非自發(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的結(jié)晶核心。2、

長大晶體的長大過程是液體中原子遷移到固體表面，使液—固界面向液體中推移的過程。兩種長大方式

——

平面生長與樹枝狀生長。平面長大樹枝狀長大三、晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響1、概念1）

晶粒度——衡量晶粒大小的尺度，常以單位截面上晶粒數(shù)目或晶粒的平均直徑來表示。2）

形核率——指單位時(shí)間、單位體積中所形成的晶核數(shù)目。3）

長大速度——指單位時(shí)間內(nèi)晶核向周圍長大的平均線速度。2、金屬晶粒的細(xì)化方法在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性。這是因?yàn)椋壕ЯＴ郊?xì)，塑性變形越可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使塑性變形越均勻，內(nèi)應(yīng)力集中越??；晶粒越細(xì)，晶界就越曲折，晶粒與晶粒間犬牙交錯(cuò)的機(jī)會(huì)就越多，越不利于裂紋的傳播和發(fā)展，彼此就越緊固，強(qiáng)度和韌性就越好。晶粒度

(晶粒數(shù)/mm2)b

(N/mm2)s

(N/mm2)

(％)6.32374635.3512747044.819429410847.5表3-1

純鐵的晶粒度與力學(xué)性能的關(guān)系（1）提高過冷度形核率N

、長大速度G與過冷度T的關(guān)系TG，NGN（2）變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。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。（3）振動(dòng)結(jié)晶——機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。振動(dòng)的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。四、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1、

概念：金屬在固體下由一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的變化稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變所得的不同晶格類型的晶體稱為同素異構(gòu)體。

2、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵是典型的具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性的金屬。純鐵的結(jié)晶和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程：

-Fe-Fe-Fe1394℃

912℃

純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe，fcc-Fe，bcc912C一．二元合金相圖的建立

1、二元合金相圖的表示方法

純鐵的結(jié)晶過程，可以利用冷卻曲線來研究。如果把冷卻曲線上的轉(zhuǎn)變點(diǎn)投影到溫度坐標(biāo)軸上，利用一個(gè)縱坐標(biāo)就可以表示出純鐵在加熱和冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變過程。對(duì)于二元合金系，除溫度變化外，還有合金成分的變化，因而需要采用兩個(gè)坐標(biāo)軸來表示二元合金相圖。在二元合金相圖中，以縱坐標(biāo)表示溫度，以橫坐標(biāo)表示成分。

第二節(jié)合金的結(jié)晶2．二元合金相圖的測(cè)定方法

最基本、最常用的方法是熱分析法

1）首先配制一系列不同成分的Cu—Ni合金；2）用熱分析法測(cè)出所配制的各合金的冷卻曲線；3）找出各冷卻曲線上的相變點(diǎn)；4）將各個(gè)合金的相變點(diǎn)分別標(biāo)注在溫度——成分坐標(biāo)圖中相應(yīng)的合金垂線上。5）連接各相同意義的相變點(diǎn)，所得的線稱為相界線，這樣就得到Cu—Ni合金相圖Cu-Ni合金相圖的測(cè)定二、勻晶相圖兩組元在液態(tài)與固態(tài)均可彼此無限溶解的合金相圖，稱為勻晶相圖。這類相圖有：Cu-Ni、Fe-Ni、Au-Ag系。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+純銅熔點(diǎn)純鎳熔點(diǎn)液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)勻晶合金的結(jié)晶過程abcdT,CtLLL勻晶轉(zhuǎn)變

L

冷卻曲線CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個(gè)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。三、共晶相圖兩組元在液態(tài)互溶，在固態(tài)相互有限溶解，并發(fā)生共晶反應(yīng)的合金相圖，稱為共晶相圖。具有這類相圖的合金有Pb-Sn、Sb-Sb、Cu-Ag、Al-Si等。PbSnSn%T,C液相線L固相線+

L

+L

+固溶線固溶線相界線把共晶相圖分成六個(gè)相區(qū)：三個(gè)單相區(qū)L、α、β相區(qū)；三個(gè)兩相區(qū)為L+a、L+β、α+β相區(qū)。共晶線DCE是L、α、β三相平衡的共存線。1、相圖分析--鉛-錫合金相圖PbSnT,CL+

L

+L

+共晶反應(yīng)線表示從c點(diǎn)到e點(diǎn)范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反應(yīng)。ce共晶點(diǎn)表示d點(diǎn)成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。dLd

c

+

e共晶反應(yīng)要點(diǎn)PbSnT,CL+

L

+L

+183ced共晶轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵逻M(jìn)行。轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個(gè)不同的固相。存在一個(gè)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。2.典型的合金結(jié)晶過程分析cefgX1T,CtLLLL+

冷卻曲線+

ⅡⅡ1234{PbSnT,CL+

L

+L

+183ced（1）X1合金結(jié)晶過程分析X1合金結(jié)晶特點(diǎn)T,CtLLLL+

冷卻曲線+

Ⅱ

Ⅱ1.沒有共晶反應(yīng)過程，而是經(jīng)過勻晶反應(yīng)形成單相固相。2.要經(jīng)過脫溶反應(yīng)，室溫組織組成物為+

Ⅱ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。（2）X2合金結(jié)晶過程分析

（共晶合金）X2T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶體冷卻曲線(+)PbSnT,CL+

L

+L

+183ced（3）X3合金結(jié)晶過程分析

（亞共晶合金）X3T,CtLL+

(+)++

Ⅱ12(+)+PbSnT,CL+

L

+L

+183cedL+(+)+（4）X4合金結(jié)晶過程分析

（過共晶合金）X4T,CtLL+

(+)++

Ⅱ12(+)+PbSnT,CL+

L

+L

+183cedL+(+)+3、合金的相組分與組織組分標(biāo)注了組織組分的Pb-Sn相圖在高溫通過勻晶轉(zhuǎn)變所形成的固溶體，在冷卻到某一溫度時(shí)，又發(fā)生分解而形成兩個(gè)新的固相，這種相圖稱為共析相圖。從一個(gè)固相中同時(shí)析出兩個(gè)不同成分的固相轉(zhuǎn)變稱為共析轉(zhuǎn)變。與共晶轉(zhuǎn)變對(duì)比有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）共析轉(zhuǎn)變是固態(tài)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過程中需要原子作大量的擴(kuò)散，但在固態(tài)中的擴(kuò)散比在液態(tài)中困難得多，所以共析轉(zhuǎn)變需要較大的過冷度。2）由于共析轉(zhuǎn)變過冷度大，因而形核率高，得到的共晶體更細(xì)密。3）共析轉(zhuǎn)變前后晶體結(jié)構(gòu)不同，轉(zhuǎn)變會(huì)引起容積變化，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。這一現(xiàn)象在鋼的熱處理時(shí)表現(xiàn)較為明顯。

四、共析相圖共析轉(zhuǎn)變：(+)

共析體ABT,C+

+

+cedL

+