工程材料金屬與合金的結(jié)晶

工程材料金屬與合金的結(jié)晶第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一金屬材料的結(jié)晶金屬材料的冶煉、鑄造和熱處理等加工工藝都伴隨有結(jié)晶過程，結(jié)晶過程會影響材料的使用性能和加工性能。研究金屬材料的結(jié)晶過程可以幫助我們有效地掌握金屬凝固和結(jié)晶的規(guī)律，從而獲得性能優(yōu)良的金屬材料。

結(jié)晶——材料內(nèi)部原子從不規(guī)則排列狀態(tài)（液態(tài)）過渡到規(guī)則排列（固態(tài)）的過程。

二次結(jié)晶——材料內(nèi)部原子從一種排列狀態(tài)到另一種排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程。如工業(yè)純鐵從高溫到低溫冷卻時，發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：L

1538℃

δ-Fe

1394℃

γ-Fe

912℃

α-Fe注：純鐵在770℃時發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，該溫度稱為居里點?！豆こ滩牧霞皯?yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)純金屬的結(jié)晶一、純金屬的冷卻曲線和過冷度

1.純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線可使用熱分析裝置進行測定（《教材》P36）。由純金屬的冷卻曲線可以看出，當液態(tài)金屬冷卻到某一溫度時，在曲線上出現(xiàn)一個平臺，該平臺對應(yīng)的溫度即為純金屬的熔點（結(jié)晶溫度）。此現(xiàn)象說明金屬在結(jié)晶過程中，釋放出了大量的結(jié)晶潛熱。

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金屬與合金的結(jié)晶第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2.過冷度過冷度⊿T=理論結(jié)晶溫度T0—實際結(jié)晶溫度Tn（過冷度⊿T﹥0

——結(jié)晶的必要條件）（自由能⊿F﹤0——結(jié)晶的充分條件）實踐表明，金屬總是在一定的過冷條件下結(jié)晶的，過冷是結(jié)晶的必要條件。對同一金屬，結(jié)晶時的過冷度越大，則冷卻速度越快，金屬的實際結(jié)晶溫度越低?！豆こ滩牧霞皯?yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一二、純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶包括兩個基本過程：形成晶核和晶粒長大。（1）晶核的形成自發(fā)形核：過冷條件下，液態(tài)金屬內(nèi)自行產(chǎn)生晶核非自發(fā)形核：在液態(tài)金屬中，外加細小的高熔點物質(zhì)（2）晶核的長大晶粒呈平面狀長大（純金屬，且過冷度很?。┚Я３蕵渲铋L大（生產(chǎn)中常見）

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金屬與合金的結(jié)晶第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一三、金屬結(jié)晶后的晶粒大小

1.晶粒大小和金屬性能的關(guān)系晶粒的大小，習(xí)慣上使用單位截面積內(nèi)晶粒的平均直徑來表示，分為10級。實踐表明，細化晶粒能使材料的強度、硬度，塑性、韌性等均得到提高（細晶強化），是生產(chǎn)中提高金屬材料力學(xué)性能的有效方法。

2.細化晶粒的常用方法P39

（1）提高過冷度，增加形核率；（2）采用變質(zhì)處理；（3）結(jié)晶時附加振動。

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金屬與合金的結(jié)晶第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)合金的結(jié)晶合金結(jié)晶的過程與純金屬相似，也包括形成晶核和晶粒長大兩個基本過程。但合金的結(jié)晶一般不是恒溫過程，并伴隨有相變和組織轉(zhuǎn)變過程。因此，習(xí)慣采用合金相圖來分析合金的結(jié)晶過程。相圖——表示金屬的相結(jié)構(gòu)和狀態(tài)隨成分和溫度（壓力）的情況發(fā)生變化的示意圖，由于合金相圖是在平衡狀態(tài)下建立的，所以也稱為平衡狀態(tài)圖。平衡狀態(tài)——結(jié)晶時，過冷度→0，即加熱/冷卻速度極為緩慢的過程。利用相圖，可以清楚地了解不同成分的合金在不同溫度下的相組成和組織組成情況，以及在溫度轉(zhuǎn)變時可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變等，因此相圖是研究合金的結(jié)晶過程的重要工具。

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金屬與合金的結(jié)晶第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一一、二元合金相圖的建立

二元合金相圖的建立一般采用熱分析方法，即利用合金冷卻發(fā)生相變時釋放出結(jié)晶潛熱，使冷卻曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點的特點來建立相圖。

1、配制二元合金系；

2、測出各種合金的冷卻曲線，找出其特征點（轉(zhuǎn)折點或平臺）；

3、畫出溫度-成分坐標系，標出每種合金的特征點溫度；

4、將相同意義的點連接成光滑曲線，得到相圖?！豆こ滩牧霞皯?yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一二、二元勻晶相圖勻晶反應(yīng)——合金組元在液相和固相下均能無限互溶，結(jié)晶時只析出單相固溶體的反應(yīng)。1.相圖分析兩個單相區(qū)：L、α一個兩相區(qū)：L+α液相線：acb（液相往固相轉(zhuǎn)變的開始線，在L和L+α相之間）固相線：adb（液相往固相轉(zhuǎn)變的完成線，在L+α和α相之間）《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一

2.結(jié)晶過程分析溫度變化組織轉(zhuǎn)變

TO→T1：L

T1→T2

：L+α

T2→T3

：α《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一

注：在結(jié)晶過程中，液相L和固相α的成分并不確定，將隨溫度發(fā)生變化，其中，液相成分隨液相線變化：L1→L2→L3

固相成分隨固相線變化：α1→α2→α3

思考：結(jié)晶完成后，固相α的成分是否均勻？《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶平衡狀態(tài)下，兩相成分將通過原子的擴散來實現(xiàn)成分的均勻。第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一

3.杠桿定律在兩相區(qū)中，合金處于結(jié)晶過程中。隨著溫度的變化，兩相的成分和相對量都在不斷發(fā)生變化，它們之間的相互關(guān)系符合杠桿定律。即：其中：

x—某相的成分

Q—某相的重量相對量注：（1）杠桿的支點為溫度線與合金總成分線的交點。（2）各相的重量相對量的作用點為該相的成分點?！豆こ滩牧霞皯?yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一

4.枝晶偏析

——實際生產(chǎn)中，由于冷速較快，結(jié)晶時合金各相成分來不及充分擴散達到均勻化，先析出晶軸部分含高熔點物質(zhì)較多，后析出的晶粒外層含低熔點物質(zhì)較多，這種樹枝狀晶粒內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象稱為枝晶偏析。枝晶偏析的特點：

1、枝晶偏析是晶粒內(nèi)部的成分不均勻現(xiàn)象（晶內(nèi)偏析）。

2、冷卻速度越快，則原子擴散時間越少，偏析越大。危害：成分偏析會導(dǎo)致材料的性能下降。消除：采用擴散退火(均勻化退火)，將材料加熱到低于固相線100-200℃，長時間保溫，使原子擴散，達到成分均勻?！豆こ滩牧霞皯?yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一三、共晶相圖共晶反應(yīng)——恒溫條件下，由一個液相生成兩個固相的結(jié)晶轉(zhuǎn)變。

LE←→αM+βN(該溫度下三相共存)1.共晶相圖分析：液相線：AEB固相線：AMENB

三個單相區(qū)：L、α、β三個兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β

一個三相共存線：MEN

二個溶解度線：沿MF線，α相中溶解Sn的量降低，α→βⅡ沿NG線，β相中溶解Pb的量降低，β→αⅡ

固態(tài)下原子擴散能力有限，析出的二次相不易長大，呈細小的顆粒狀彌散分布在固溶體基體上，阻礙位錯運動，使材料的σ，HR提高

——析出強化/彌散強化《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2.結(jié)晶過程分析（Ⅰ）CSn﹤19%溫度變化組織轉(zhuǎn)變TO→T1：LT1→T2：L+αT2→T3：αT3→T4：α+βⅡ《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一（Ⅱ）CSn=61.9%（共晶成分）溫度變化組織轉(zhuǎn)變

TO→T1：LT1→T1’：L+α+βT1’→T2

：（α+β）注：共晶反應(yīng)L→α+β的產(chǎn)物為α相和β相交錯的片層狀機械混合物，用(α+β)用表示。

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金屬與合金的結(jié)晶第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一（Ⅲ）19%﹤CSn

﹤61.9%（亞共晶成分）溫度變化組織轉(zhuǎn)變TO→T1：LT1→T2：L+αT2→T2’：（α+β）+α

T2’→T3：（α+β）+α+βⅡ

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金屬與合金的結(jié)晶第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一（Ⅳ）61.9%﹤CSn

﹤97.5%（過共晶成分）溫度變化組織轉(zhuǎn)變TO→T1：LT1→T2：L+βT2→T2’：（α+β）+β

T2’→T3：（α+β）+β+αⅡ

《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一共晶相圖的相組成物及組織組成物比較：按相組成物填寫的共晶相圖按組織組成物填寫的共晶相圖《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一

3、杠桿定律計算實例比較：①在室溫下，含Sn量為C，C＜19%時：相組成為：α+β組織組成為：α+βⅡ

按相組成物填寫的共晶相圖按組織組成物填寫的共晶相圖《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶CC第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一

②在室溫下，含Sn量為C，19%＜C＜61.9%：相組成為：α+β組織組成為：α+βⅡ+（α+β）

不能計算

（注意：杠桿定律只適用于兩相區(qū)或兩種組織組成區(qū)?。?/p>

按相組成物填寫的共晶相圖按組織組成物填寫的共晶相圖《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶CC第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一

③在略低于183℃時（即共晶轉(zhuǎn)變剛結(jié)束），含Sn量為C，19%＜C＜61.9%：相組成為：α+β組織組成為：α+（α+β）

按相組成物填寫的共晶相圖按組織組成物填寫的共晶相圖《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶CC第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一四、包晶相圖（介紹）包晶反應(yīng)——恒溫條件下，由一個液相和一個固相生成另一個固相的結(jié)晶轉(zhuǎn)變。

Ld+

αc←→βe(該溫度下三相共存)《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一五、共析相圖共析反應(yīng)——恒溫條件下，由一個固相生成兩個固相的結(jié)晶轉(zhuǎn)變。

γe←→

αc+βd《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一分析：鐵碳相圖上具有哪些結(jié)晶反應(yīng)？《工程材料及應(yīng)用》第三章

金屬與合金的結(jié)晶第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一六、密度偏析（比重偏析）

——合金在結(jié)晶過程中，如結(jié)晶析出的固態(tài)晶體密度與剩余液相的密度相差較大，析出的晶體就會在液體中上浮或下沉，從而導(dǎo)致凝固后合金的上、下部分成分不一致。如下圖：Pb-Sb（鉛-銻）合金（軸承合金）中析出富Sb的β相，密度較小，在液態(tài)金屬中上浮。危害：造成整個材料各部分成分不均勻，性能差異較大，影響使用和加工。消除：（不能采用熱處理）

1、提高冷卻速度（同時考慮枝析）

2、攪拌（機械、電磁）《工程材料及應(yīng)用》第三章

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