金屬凝固結(jié)晶與相圖介紹

金屬凝固結(jié)晶與相圖介紹★本章學習要求1.明確金屬結(jié)晶的充分、必要條件，結(jié)晶的一般規(guī)律以及影響金屬結(jié)晶后晶粒大小的途徑與方法；2.熟悉勻晶、共晶（包括共析）這兩類基本形式的二元合金相圖（其中包括相圖分析，典型合金的平衡結(jié)晶過程分析，杠桿定律的應用，以及利用與區(qū)分相組分和組織組分這兩種填寫相圖的方法等）；3.熟練地掌握鐵碳合金相圖(包括默畫鐵碳合金相圖、掌握α、Ｆｅ3Ｃ、γ等基本相，熟知相圖中重要點、線的含義,能以冷卻曲線及語言文字分析典型合金尤其是鋼的平衡結(jié)晶過程，正確利用杠桿定律計算室溫下鋼的相組分、組織組分的相對百分含量以及掌握鐵碳合金的成分一組織一性能之間關(guān)系)。第2頁,共67頁，2024年2月25日，星期天★本章學習重點物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)過程稱為凝固，物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱作結(jié)晶，而相圖則是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間相互關(guān)系和變化規(guī)律的有力工具。本章在確定工程材料結(jié)晶的一般規(guī)律，剖析金屬結(jié)晶的充分、必要條件、結(jié)晶規(guī)律及控制結(jié)晶后晶粒大小的途徑、方法，介紹勻晶、共晶型兩類基本形式相圖分析方法的基礎(chǔ)上，重點討論了鐵碳合金相圖。鐵碳合金相圖是本課程的第一個重點章節(jié)，因為鐵碳合金相圖是研究鋼鐵材料的成分、相和組織的變化規(guī)律以及與性能之間關(guān)系的重要理論基礎(chǔ)與有力工具。此外，金屬結(jié)晶的條件、結(jié)晶的一般規(guī)律及控制結(jié)晶后晶粒大小的途徑與方法等亦應十分明確。第3頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.1材料的制備過程2.1.1凝固與結(jié)晶的條件

2.1.2

金屬材料的制備

1.金屬的冶煉

2.純金屬的結(jié)晶規(guī)律第4頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.1.1凝固與結(jié)晶的條件1.凝固與結(jié)晶的概念2.凝固與結(jié)晶的條件主要取決于熔融液體的粘度和冷卻速度。（1）內(nèi)因——粘度是材料內(nèi)部結(jié)合鍵性質(zhì)和結(jié)構(gòu)情況的宏觀表征，其大小表示了液體中發(fā)生相對運動的難易程度。（2）外部因素——冷卻速度。冷速越大，則在單位時間內(nèi)逸散的熱量越多，熔體溫度降得越低，這直接關(guān)系其中原子或分子的擴散能力。冷速〉107oC/s，可抑制金屬熔體重原子擴散，制得非晶合金。第5頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.1材料的制備過程2.1.2

金屬材料的制備1.金屬的冶煉金屬材料制備過程：熱軋→型材→加工→零件鑄錠→熱鍛→機加工→零件冶煉→鑄造→鑄件→機加工→零件第6頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.1材料的制備過程1.金屬的冶煉(1)金屬冶煉方法：火法冶煉、濕法冶煉、電冶煉?；鸱ㄒ睙挘焊邷叵逻M行，鋼鐵、有色金屬。分：熔煉、吹煉、精煉。濕法冶煉：接近于常溫進行，在溶液中進行。電冶煉：電熱熔煉、電解。第7頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.1材料的制備過程(2)煉鋼方法：轉(zhuǎn)爐煉鋼法：鋼水吹氧，周期30~40min，成本低電弧爐煉鋼法：廢鋼，合金鋼和高質(zhì)量鋼種。平爐煉鋼法：以煤氣為燃料

(3)鋼液澆注方法：模鑄法、連續(xù)鑄鋼法。（4）鋼的爐外精煉方法：

真空精煉法、惰性氣體稀釋法、噴粉精煉法第8頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2

純金屬的結(jié)晶規(guī)律

（1）.充分條件：液態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點（結(jié)構(gòu)起伏）第9頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2

純金屬的結(jié)晶規(guī)律(2).必要條件：過冷與過冷度（ΔT）第10頁,共67頁，2024年2月25日，星期天不同冷速下的冷卻曲線示意圖

（圖2-3）第11頁,共67頁，2024年2月25日，星期天自由能與溫度的關(guān)系曲線

（圖2-4）第12頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2

純金屬的結(jié)晶規(guī)律(3).結(jié)晶的普遍規(guī)律——形成晶核與晶核不斷長大的連續(xù)過程第13頁,共67頁，2024年2月25日，星期天單晶體與多晶體示意圖

（圖2-6）第14頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.純質(zhì)材料結(jié)晶的普遍規(guī)律（1）形核的方式①自發(fā)形核②非自發(fā)形核（2）晶核長大的方式①平面方式長大②樹枝晶方式長大第15頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.純質(zhì)材料結(jié)晶的普遍規(guī)律

（1）形核規(guī)律（以自發(fā)形核為主）非自發(fā)形核示意圖第16頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（2）晶核長大規(guī)律

①平面方式長大第17頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（2）晶核長大規(guī)律

②以樹枝晶方式長大為主第18頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

金屬銻錠的組織示意圖第19頁,共67頁，2024年2月25日，星期天預習準備

“2.3鐵碳合金相圖分析”內(nèi)容的課堂討論

參見“學習指導”P16~17中的課堂討論（鐵碳合金相圖）提綱進行充分準備。第20頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.2二元相圖的基本類型

2.2.1

相圖的建立相圖的定義：相圖是表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關(guān)系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。平衡

是指在一定條件下合金系中參與相變過程的各相的成分和相對重量不再變化所達到一種狀態(tài)。此時合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時間而改變。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)晶過程，一般可以認為是平衡的結(jié)晶過程。第21頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.2二元相圖的基本類型

2.2.1

相圖的建立1.相圖的表示方法

?純質(zhì)材料?二元合金2.相圖的建立

?原理?步驟第22頁,共67頁，2024年2月25日，星期天TP273.16K氣相液相固相臨界點609Pa水的相圖水的三相點：第23頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.2.1相圖的建立

幾種不同配比的銅鎳合金第24頁,共67頁，2024年2月25日，星期天用熱分析法建立Cu-Ni相圖（a）冷卻曲線（b）測定的相圖第25頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.2.2勻晶相圖（學習的基礎(chǔ)）1.

相圖分析

?特性點?特性線?基本相?相區(qū)2.

典型合金的平衡結(jié)晶過程分析

1).文字說明2).冷卻曲線描述

3.

固溶體合金結(jié)晶規(guī)律

4.

杠桿定律及其應用

1)推導2)主要內(nèi)容3)適用條件

5.

不平衡結(jié)晶—枝晶偏析

1)含義2)產(chǎn)生原因3)消除辦法第26頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.勻晶相圖分析第27頁,共67頁，2024年2月25日，星期天Cu-Ni合金的顯微組織示意圖第28頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.固溶體合金的平衡結(jié)晶規(guī)律（1）變溫結(jié)晶（2）在結(jié)晶過程中，兩平衡相的成分和相對百分含量是不斷變化的。液相的成分沿著液相線變化，固相的成分沿著固相線變化；此間的任一溫度瞬時，都可應用杠桿定律計算液固兩相的相對百分含量。第29頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.杠桿定律

及應用僅適用于兩相區(qū)，用來求兩個平衡相的化學成分和相對百分含量。注意支點的位置，一般是合金的成分點；兩個端點一定處在兩相區(qū)和單相交界處。第30頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5.不平衡結(jié)晶——枝晶偏析（a）不平衡結(jié)晶；（b）不平衡結(jié)晶的組織第31頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5.不平衡結(jié)晶——枝晶偏析第32頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5.不平衡結(jié)晶——枝晶偏析Cu-Ni合金枝晶偏析示意圖

第33頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.2.3共晶相圖（學習的重點）1.

相圖分析（1）共晶相圖的形成（2）相圖分析

①.特性點、線②.基本相③.相區(qū)第34頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.相圖分析

（1）共晶相圖的形成第35頁,共67頁，2024年2月25日，星期天1.相圖分析

（2）相圖分析第36頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.典型合金的平衡結(jié)晶過程分析（1）有限固溶體合金Ⅰ（2）共晶成分的合金Ⅱ（3）亞共晶成分合金Ⅲ（4）過共晶成分合金Ⅳ第37頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（1）有限固溶體合金Ⅰ

圖2*-110%Sn有限固溶體合金的冷卻曲線及組織第38頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（1）有限固溶體合金Ⅰ杠桿定律的應用在室溫下，計算相百分含量.第39頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（1）有限固溶體合金Ⅰ①平衡結(jié)晶過程分析

?文字說明?冷卻曲線描繪②反應性質(zhì)勻晶反應+二次析出反應③組織特征α+βⅡ或（β+αⅡ）④杠桿定律的應用

?計算相組分的相對百分含量

?計算組織組分的相對百分含量第40頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（2）共晶成分的合金Ⅱ共晶合金的冷卻曲線及室溫下的組織第41頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（2）共晶成分的合金Ⅱ第42頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（2）共晶成分的合金Ⅱ①平衡結(jié)晶過程分析

?文字說明?冷卻曲線描繪②反應性質(zhì)共晶反應+二次析出反應③組織特征（α+β），共晶體，共晶組織④杠桿定律的應用第43頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（3）亞共晶成分合金Ⅲ

圖4*亞共晶合金的冷卻曲線及組織第44頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（3）亞共晶成分合金Ⅲ初晶的截取位置及相應的組織形貌第45頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（3）亞共晶成分合金Ⅲ①平衡結(jié)晶過程分析

?文字說明?冷卻曲線描繪②反應性質(zhì)勻晶反應+共晶反應+二次析出反應③組織特征α+（α+β）+βⅡ④杠桿定律的應用第46頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（4）過共晶成分的合金①平衡結(jié)晶過程分析

?文字說明?冷卻曲線描繪②反應性質(zhì)勻晶反應+共晶反應+二次析出反應③組織特征β+（α+β）+αⅡ④杠桿定律的應用

第47頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（4）過共晶成分的合金

過共晶合金的冷卻曲線及組織第48頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.兩種填寫相圖的方法圖2-12標明組織組分的鉛-錫合金相圖第49頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3.兩種填寫相圖的方法圖2-11以相組分形式填寫相圖的方法第50頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.包晶相圖的特征第51頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.包晶相圖的特征第52頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5.具有穩(wěn)定化合物的相圖第53頁,共67頁，2024年2月25日，星期天6.具有共析反應的相圖第54頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.二元合金相圖與性能之間的關(guān)系合金的性能取決于它的成分和組織,相圖則可反映不同成分的合金在室溫時的平衡組織。因此,具有平衡組織的合金的性能與相圖之間存在著一定的對應關(guān)系。

第55頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7.二元合金相圖與性能之間的關(guān)系圖2-16合金的性能與相圖的關(guān)系第56頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（2）合金的工藝性能與相圖

的關(guān)系

第57頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.3鐵碳合金相圖分析第58頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.3鐵碳合金相圖分析

抗拉強度極限

σb

延伸率

δ

斷面收縮率

ψ

沖擊韌性

ak

J/m2硬度

Fe180～230MPa30%～50%

70%～80%

1.6×106～2×106

50～80HBFe3C30MPa

00

0800HB

第59頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.3鐵碳合金相圖分析鐵碳合金中的相：液相L、δ相、α相、γ相、Fe3C相

相圖中重要的點：J為包晶點、

C點為共晶點、S點為共析點

相圖中重要的線:

水平線HJB為包晶反應線。碳含量0.09%～0.53%

水平線ECF為共晶反應線。碳含量在2.11%～6.69%

水平線PSK為共析反應線。碳含量0.0218%～6.69%GS線自A中開始析出F的臨界溫度線,通常稱A3線。

ES線是碳在A中的固溶線,通常稱Acm線

PQ線是碳在F中固溶線。Fe3CIII

第60頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.3鐵碳合金相圖分析根據(jù)Fe-Fe3C相圖,鐵碳合金可分為三類：工業(yè)純鐵[ω(C)≤0.0218%]鋼[0.0218%<ω(C)≤2.11%

亞共析鋼

0.0218%<ω(C)<0.77%

共析鋼

ω(C)=0.77%

過共析鋼

0.77%<ω(C)≤2.11%白口鑄鐵[2.11%<ω(C)<6.69%]

亞共晶白口鑄鐵

2.11%<ω(C)<4.3%

共晶白口鑄鐵

ω(C)=4.3%

過共晶白口鑄鐵

4.3%<ω(C)<6.69%第61頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2.3鐵碳合金相圖分析第62頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4.碳含量對組織和性能的影響第63頁,共67頁，2024年2月