金屬工藝學 第3版 課件 4金屬材料基礎(chǔ)知識

金屬工藝學單元一金屬材料基礎(chǔ)知識金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。通過凝固形成晶體的過程稱為結(jié)晶。一、冷卻曲線與過冷度

純金屬的結(jié)晶是在一定溫度下進行的，通常采用熱分析法測量其結(jié)晶溫度。液態(tài)金屬冷卻到某一溫度時，在冷卻曲線上出現(xiàn)一水平線段，這個水平線段所對應的溫度就是金屬的理論結(jié)晶溫度(T0)。在實際結(jié)晶過程中，液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶溫度(T0)以下的某一溫度時，才開始結(jié)晶，這種現(xiàn)象稱為過冷。理論結(jié)晶溫度T0與實際結(jié)晶溫度T1之差△T，稱為過冷度。實際上金屬總是在過冷的情況下結(jié)晶的，同一金屬結(jié)晶時的過冷度不是一個恒定值，過冷度的大小與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，過冷度就越大，金屬的實際結(jié)晶溫度也就越低。過冷是金屬結(jié)晶的必要條件，但不是充分條件。金屬要進行結(jié)晶，還要滿足動力學條件，如必須有原子的移動和擴散等。模塊六

純金屬的結(jié)晶過程二、金屬的結(jié)晶過程晶核的形成和晶核的長大就是金屬結(jié)晶的基本過程。晶核的長大方式主要是平面生長方式和樹枝狀生長方式。純金屬晶核的長大主要以結(jié)晶表面向前平移的方式進行，即采取平面生長方式。當過冷度較大，液態(tài)金屬中存在未熔化的微粒時，金屬晶核的長大主要以樹枝狀生長方式長大。當液態(tài)金屬采用樹枝狀生長方式長大時，最后凝固的樹枝之間不能及時填滿，晶體的樹枝狀就很容易顯漏出來，如在很多金屬鑄錠表面可以看到樹枝狀的浮雕。

三、金屬結(jié)晶后的晶粒大小1．晶粒大小對金屬力學性能的影響晶粒越細小，金屬的強度、硬度愈高，塑性、韌性愈好。2．晶粒大小的控制在生產(chǎn)中為了獲得細小的晶粒組織，常采用以下一些方法：(1)加快液態(tài)金屬的冷卻速度，增大過冷度。(2)采用變質(zhì)處理。(3)采用機械攪拌、機械振動、超聲波振動和電磁振動等措施，使生長中的樹枝晶破碎和細化，而且破碎的樹枝晶又可起到新晶核作用，使晶核數(shù)量增多，從而可細化晶粒。模塊七

金屬材料的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變在固態(tài)下由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的轉(zhuǎn)變過程，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變或稱同素異晶轉(zhuǎn)變。純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變是：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵材料的一個重要特性，也是鋼鐵材料能夠進行熱處理的理論依據(jù)。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是通過原子的重新排列來完成的，這一過程類似于隊列變換，具有如下特點：（1）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是由晶核形成和晶核長大兩個基本過程完成的，新晶核優(yōu)先在原晶界處生成。（2）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也有過冷(或過熱)現(xiàn)象，而且轉(zhuǎn)變時具有較大的過冷度；（3）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程中，有相變潛熱產(chǎn)生，在冷卻曲線上也出現(xiàn)水平線段，但這種轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下進行的；（4）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時常伴有金屬的體積變化等。模塊八

合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶過程

一、基本概念

組成合金最基本的、獨立的物質(zhì)稱為組元。

由兩種或兩種以上的組元按不同比例配制而成的一系列不同化學成分的所有合金，稱為合金系。

相是指在一個合金系統(tǒng)中具有相同的物理性能和化學性能，并與該系統(tǒng)的其余部分以界面分開的部分。

組織是指用金相觀察方法，在金屬及其合金內(nèi)部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排列狀況等組成關(guān)系的構(gòu)造情況。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)根據(jù)合金中各組元之間的相互作用，合金中的晶體結(jié)構(gòu)可分為固溶體、金屬化合物及機械混合物三種類型。（一）固溶體

合金在固態(tài)下一種組元的晶格內(nèi)溶解了另一種原子而形成的晶體相，稱為固溶體。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置的不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體。1．置換固溶體溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子，占據(jù)溶劑晶格的部分結(jié)點位置時，所形成的晶體相，稱為置換固溶體。按溶質(zhì)溶解度的不同，置換固溶體又可分為有限固溶體和無限固溶體。2．間隙固溶體溶質(zhì)原子在溶劑晶格中不占據(jù)溶劑晶格的結(jié)點位置，而是嵌入溶劑晶格的各結(jié)點之間的間隙內(nèi)時，所形成的晶體相，稱為間隙固溶體。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)無論是置換固溶體，還是間隙固溶體，異類原子的插入都將使固溶體晶格發(fā)生畸變，增加位錯運動的阻力，使固溶體的強度、硬度提高。這種通過溶入溶質(zhì)原子形成固溶體，使合金強度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是強化金屬材料的重要途徑之一。二、合金的晶體結(jié)構(gòu)（二）金屬化合物金屬化合物是指合金中各組元之間發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特性的一種新相。金屬化合物具有與其構(gòu)成組元晶格截然不同的特殊晶格，熔點高，硬而脆。（三）機械混合物由兩相或兩相以上組成的多相組織，稱為機械混合物。在機械混合物中各組成相仍保持著它原有晶格的類型和性能，而整個機械混合物的性能則介于各組成相的性能之間，并與各組成相的性能以及相的數(shù)量、形狀、大小和分布狀況等密切相關(guān)。三、合金結(jié)晶過程合金的結(jié)晶過程與純金屬一樣，也是晶核形成和晶核長大兩個過程。同時結(jié)晶時也需要一定的過冷度，結(jié)晶后形成由多晶體。合金的結(jié)晶過程中具有如下特點：（1）純金屬的結(jié)晶是在恒溫下進行，只有一個結(jié)晶溫度。而絕大多數(shù)合金是在一個溫度范圍內(nèi)進行結(jié)晶的，一般結(jié)晶的開始溫度與終止溫度是不相同，一般有兩個結(jié)晶溫度。（2）合金在結(jié)晶過程中，在局部范圍內(nèi)相的化學成分（即濃度）有差異，當結(jié)晶終止后，整個晶體的平均化學成分與原合金的化學成分相同。（3）合金結(jié)晶后一般有三種情況：第一種情況是形成單相固溶體；第二種情況是形成單相金屬化合物或同時結(jié)晶出兩相機械混合物(如共晶體)；第三種情況是結(jié)晶開始時形成單相固溶體，剩余液體又同時結(jié)晶出兩相機械混合物(如共晶體)。四、合金結(jié)晶冷卻曲線合金結(jié)晶過程比純金屬復雜得多，但其結(jié)晶過程仍可用結(jié)晶冷卻曲線來描述。一般合金的結(jié)晶冷卻曲線有以下三種形式：從一定化學成分的液體合金中同時結(jié)晶出兩種固相物質(zhì)，則該轉(zhuǎn)變過程稱為共晶轉(zhuǎn)變(或稱共晶反應)，其結(jié)晶產(chǎn)物稱為共晶體。共晶轉(zhuǎn)變是在恒溫下進行的。在固態(tài)下由一種單相固溶體同時析出兩相固體物質(zhì)，稱為共析轉(zhuǎn)變(或稱共析反應)。共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變一樣，也是在恒溫條件下進行的。

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金屬材料的鑄錠組織特征一、金屬材料的鑄錠組織結(jié)構(gòu)金屬鑄錠呈現(xiàn)三個不同的結(jié)晶區(qū)：表面細晶粒區(qū)、柱狀晶粒區(qū)和等軸晶粒區(qū)。表面細晶粒區(qū)的組織特點是：晶粒細長，區(qū)域厚度較小，組織致密，成分均勻，力學性能較好。在柱狀晶粒區(qū)，兩排柱狀晶粒相遇的接合面上存在著脆弱區(qū)，此區(qū)域常有低熔點雜質(zhì)及非金屬夾雜物積聚，使金屬材料的強度和塑性降低。這種組織在鍛造和軋制時，容易使金屬材料沿接合面開裂。等軸晶粒區(qū)的組織特點是：晶粒粗大，組織疏松，力學性能較差。在金屬鑄錠中，除存在組織不均勻外，還常有縮孔、氣泡、偏析、夾雜等缺陷。根據(jù)澆注方法的不同，金屬鑄錠分為鋼錠模鑄錠（簡稱鑄錠）和連續(xù)鑄錠。二、定向結(jié)晶和單晶定向結(jié)晶是通過控制冷卻方式，使鑄件沿軸向形成一定的溫度梯度，從而使鑄件從一端開始凝固，并