工程材料 第三章 材料的凝固與結(jié)晶組織ppt課件

1、 第三章第三章 資料的凝固與結(jié)晶組織資料的凝固與結(jié)晶組織3.1 概述概述3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖3.4 鑄態(tài)組織與冶金缺陷鑄態(tài)組織與冶金缺陷1. 1. 純金屬的強度不高，耐熱、耐蝕性能較差，純金屬的強度不高，耐熱、耐蝕性能較差，如何改善？如何改善？2. 2. 合金的結(jié)晶過程能否與純金屬的結(jié)晶過程合金的結(jié)晶過程能否與純金屬的結(jié)晶過程一樣？一樣？3. 3. 一樣成分不同含量的合金的結(jié)晶過程能否一一樣成分不同含量的合金的結(jié)晶過程能否一樣？怎樣表示？樣？怎樣表示？3.1 概概 述述一、凝固與結(jié)晶的概念一、凝固與結(jié)晶的概念1. 凝固：凝固：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為

2、固態(tài)的過程。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過程。2. 結(jié)晶：結(jié)晶：物質(zhì)由一種原子陳列形狀晶態(tài)或非晶態(tài)過渡為另一種物質(zhì)由一種原子陳列形狀晶態(tài)或非晶態(tài)過渡為另一種原子規(guī)那么陳列形狀晶態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。原子規(guī)那么陳列形狀晶態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。1一次結(jié)晶一次結(jié)晶 2二次結(jié)晶二次結(jié)晶二、晶態(tài)二、晶態(tài)1. 構(gòu)造構(gòu)造1晶態(tài)是原子在三維空間中有規(guī)那么地周期性反復(fù)陳列的物質(zhì)。晶態(tài)是原子在三維空間中有規(guī)那么地周期性反復(fù)陳列的物質(zhì)。2 非晶態(tài)是一種短程有序、長程無序的混合構(gòu)造。非晶態(tài)是一種短程有序、長程無序的混合構(gòu)造。非晶態(tài)硒構(gòu)成結(jié)晶前凝固硒鼓靜電成像、非晶態(tài)硒構(gòu)成結(jié)晶前凝固硒鼓靜電成像、圖書館、圖書館、 超市物品中用了非晶態(tài)軟磁資

3、料條帶傳感器標簽。超市物品中用了非晶態(tài)軟磁資料條帶傳感器標簽。3.1 概述概述二、晶態(tài)二、晶態(tài)2. 物理性能物理性能1 有各向異性；有各向異性；2 有固定的熔點；有固定的熔點；3 在一定條件下有規(guī)那么的幾何外形。在一定條件下有規(guī)那么的幾何外形。3.1 概述概述晶體有確定的熔點晶體有確定的熔點熔點晶體非晶體時間溫度晶體和非晶體的熔化曲線3.1 概述概述3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶條件一、結(jié)晶條件二、結(jié)晶過程二、結(jié)晶過程三、結(jié)晶晶粒大小及控制三、結(jié)晶晶粒大小及控制四、晶體的同素異構(gòu)四、晶體的同素異構(gòu)溫度TTmTnT純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線一、結(jié)晶條件一、結(jié)晶條件時間 T = Tm - T

4、n Tm - 實際結(jié)晶溫度實際結(jié)晶溫度 Tn - 實踐結(jié)晶溫度實踐結(jié)晶溫度過冷度過冷度3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶條件一、結(jié)晶條件自在能自在能GTTmTnGLGGS溫度T純金屬在液態(tài)和固態(tài)的自在能純金屬在液態(tài)和固態(tài)的自在能-溫度曲線溫度曲線:3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶G 即結(jié)晶驅(qū)動力即結(jié)晶驅(qū)動力二、結(jié)晶過程二、結(jié)晶過程液態(tài)金屬結(jié)晶是由形核和長大兩個親密聯(lián)絡(luò)的根本過程實現(xiàn)的。液態(tài)金屬結(jié)晶是由形核和長大兩個親密聯(lián)絡(luò)的根本過程實現(xiàn)的。 3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶結(jié)晶過程視頻結(jié)晶過程視頻二、結(jié)晶過程二、結(jié)晶過程 1. 晶核的構(gòu)成晶核的構(gòu)成 1自發(fā)形核自發(fā)形核 2非自發(fā)形核非自發(fā)

5、形核3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶二、結(jié)晶過程二、結(jié)晶過程 2 . 晶體的長大晶體的長大1平面長大平面長大 2樹枝狀長大樹枝狀長大3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶結(jié)晶過程結(jié)晶過程flash演示演示 三、結(jié)晶晶粒大小及控制三、結(jié)晶晶粒大小及控制晶粒的大小用晶粒度表示，晶粒度等級數(shù)值越大晶粒越細。晶粒的大小用晶粒度表示，晶粒度等級數(shù)值越大晶粒越細。 晶粒度等級晶粒度等級12345678單位面積晶粒數(shù)單位面積晶粒數(shù)/個個mm-2)16326412825651210242048晶粒平均直徑晶粒平均直徑/mm0.2500.1770.1250.0880.0620.0440.0310.0221. 晶粒度晶

6、粒度3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶三、結(jié)晶晶粒大小及控制三、結(jié)晶晶粒大小及控制晶粒的大小對金屬性能的影響：晶粒的大小對金屬性能的影響： 1常溫下，晶粒越小，金屬的強度、硬度越高，塑性、韌性越好。常溫下，晶粒越小，金屬的強度、硬度越高，塑性、韌性越好。2高溫下任務(wù)的金屬晶粒過于細小反而不好，晶粒大小適中即可。高溫下任務(wù)的金屬晶粒過于細小反而不好，晶粒大小適中即可。3對于用來制造電機和變壓器的硅鋼片來說，晶粒粗大反而好。對于用來制造電機和變壓器的硅鋼片來說，晶粒粗大反而好。 是由于晶粒越粗大，磁滯損耗小，效能就高。是由于晶粒越粗大，磁滯損耗小，效能就高。3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶細晶強化：

7、晶粒細化使金屬力學(xué)性能提高的景象細晶強化：晶粒細化使金屬力學(xué)性能提高的景象晶粒尺寸越小，金屬的強度、硬度越高，塑性、韌性越好。1 1細晶強化：強、硬度細晶強化：強、硬度 塑、韌性塑、韌性2 2固溶強化：強、硬度固溶強化：強、硬度 塑、韌性塑、韌性3 3形變強化：強、硬度形變強化：強、硬度 塑、韌性塑、韌性4彌散強化：強、硬度 塑、韌性幾種強化方式的比較：三、結(jié)晶晶粒大小及控制三、結(jié)晶晶粒大小及控制3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶GN過冷度過冷度T2. 晶粒大小的控制晶粒大小的控制 晶粒的大小取決于晶粒的大小取決于形核率形核率 N、長大速度、長大速度G的的相對大小，即相對大小，即 的大小。的大小

8、。形核率形核率N長大速度長大速度G3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶三、結(jié)晶晶粒大小及控制三、結(jié)晶晶粒大小及控制控制晶粒大小的方法：控制晶粒大小的方法：1控制過冷度控制過冷度2蛻變處置蛻變處置3振動處置振動處置3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶三、結(jié)晶晶粒大小及控制三、結(jié)晶晶粒大小及控制四、晶體的同素異構(gòu)四、晶體的同素異構(gòu) 固態(tài)金屬在不同溫度和壓力下呈不同類型的晶體構(gòu)造的景象，稱固態(tài)金屬在不同溫度和壓力下呈不同類型的晶體構(gòu)造的景象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。3.2 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素異構(gòu)性等元素都具有同素異構(gòu)性3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與

9、相圖一、合金相構(gòu)造一、合金相構(gòu)造二、二元合金相圖二、二元合金相圖一勻晶相圖一勻晶相圖二共晶相圖二共晶相圖三共析相圖三共析相圖合金：由金屬元素與其他元素這些元素可以是合金：由金屬元素與其他元素這些元素可以是金屬元金屬元素，也可以是非金屬元素組成的有金屬特征的素，也可以是非金屬元素組成的有金屬特征的金屬材金屬材料。料。金屬與非金屬組成的是不是一定就是合金？金屬與非金屬組成的是不是一定就是合金？Fe + CFe-C合金鋼Fe3C (化合物3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖一、合金相構(gòu)造一、合金相構(gòu)造3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖1. 合金合金 兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬

10、元兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素所組成的具有金屬特性的物質(zhì)。素所組成的具有金屬特性的物質(zhì)。一、合金相構(gòu)造一、合金相構(gòu)造3. 相相 合金中具有同一化學(xué)成分、同一聚集形狀、同一構(gòu)造合金中具有同一化學(xué)成分、同一聚集形狀、同一構(gòu)造且以界面且以界面相互分開的各個均勻的組成部分。相互分開的各個均勻的組成部分。2. 組元組元 組成合金的最根本獨立物質(zhì)。組成合金的最根本獨立物質(zhì)。 4. 組織組織 用肉眼或顯微鏡所察看到的資料的內(nèi)部微觀形貌。用肉眼或顯微鏡所察看到的資料的內(nèi)部微觀形貌。合金中的根本相構(gòu)造：固溶體和金屬間化合物合金中的根本相構(gòu)造：固溶體和金屬間化合物A(B) AxBy組元：組成合金獨

11、立的最根本單元。組元可以是組元：組成合金獨立的最根本單元。組元可以是元元素或是穩(wěn)定化合物。素或是穩(wěn)定化合物。Fe-C合金Fe、C組元Fe、Fe3C組元雞蛋雞蛋水，蛋白質(zhì)，脂肪，膽固醇水，蛋白質(zhì)，脂肪，膽固醇3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖一、合金相構(gòu)造一、合金相構(gòu)造相：具有一樣構(gòu)造，一樣成分和性能也可以是相：具有一樣構(gòu)造，一樣成分和性能也可以是延續(xù)變化的并以界面相互分開的均勻組成部分，延續(xù)變化的并以界面相互分開的均勻組成部分，如液相、固相是兩個不同的相。如液相、固相是兩個不同的相。 雞蛋雞蛋蛋白、蛋黃工業(yè)純鐵單相鐵素體共析碳鋼鐵素體相、滲碳體相普通陶瓷晶相、玻璃相、氣相3.3 合金的結(jié)

12、晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖一、合金相構(gòu)造一、合金相構(gòu)造一固溶體一固溶體 溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑中所組成的固態(tài)合金溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑中所組成的固態(tài)合金1. 固溶體類型固溶體類型1按溶質(zhì)在金屬溶劑晶格中的位置按溶質(zhì)在金屬溶劑晶格中的位置2按溶質(zhì)原子在金屬溶劑中的溶解度按溶質(zhì)原子在金屬溶劑中的溶解度 有限固溶體、無限固溶體有限固溶體、無限固溶體置換固溶體置換固溶體 1Cr18Ni9Ti間隙固溶體間隙固溶體 鐵素體、奧氏體鐵素體、奧氏體3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖一、合金相構(gòu)造一、合金相構(gòu)造2. 固溶體的性能固溶體的性能固溶強化固溶強化 由于外來原子溶質(zhì)原子溶入溶劑基體中構(gòu)成固由于外來原子溶

13、質(zhì)原子溶入溶劑基體中構(gòu)成固溶體溶體而其強度、硬度升高的景象。而其強度、硬度升高的景象。 溶質(zhì)原子溶入溶質(zhì)原子溶入 晶格畸變晶格畸變 位錯運動阻力上升位錯運動阻力上升 金屬塑性變形困難金屬塑性變形困難 強度、硬度升高。強度、硬度升高。 3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖一、合金相構(gòu)造一、合金相構(gòu)造二金屬間化合物二金屬間化合物 合金的組元相互作用而構(gòu)成的具有金屬特性，而晶格類型和特性又完合金的組元相互作用而構(gòu)成的具有金屬特性，而晶格類型和特性又完全不同于任一組元的化合物，稱為中間相。其熔點高、硬度高、脆性大。全不同于任一組元的化合物，稱為中間相。其熔點高、硬度高、脆性大。1. 正常價化合物正

14、常價化合物2. 電子化合物電子化合物3. 間隙相和間隙化合物間隙相和間隙化合物3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖一、合金相構(gòu)造一、合金相構(gòu)造 間隙相間隙相 VC 間隙化合物間隙化合物 Fe3C3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖一、合金相構(gòu)造一、合金相構(gòu)造3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖一、合金相構(gòu)造一、合金相構(gòu)造一勻晶相圖一勻晶相圖Cu-Ni、Cu-Ag、Au-Ag3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖二、二元合金相圖二、二元合金相圖3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖二、二元合金相圖二、二元合金相圖一勻晶相圖一勻晶相圖勻晶結(jié)晶有以下特點：勻晶結(jié)晶有以下特點： 1與純

15、金屬一樣，與純金屬一樣，固溶體從液相中結(jié)晶出來的過程中，固溶體從液相中結(jié)晶出來的過程中，也包括有生核與長大兩個過程，但固溶體更趨向于樹枝狀長也包括有生核與長大兩個過程，但固溶體更趨向于樹枝狀長大。大。 2固溶體結(jié)晶是在一個溫度區(qū)間內(nèi)進展，即為一個變溫結(jié)固溶體結(jié)晶是在一個溫度區(qū)間內(nèi)進展，即為一個變溫結(jié)晶過程。晶過程。 3在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時，兩相的成分即在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時，兩相的成分即Ni含量是含量是確定的。確定的。 4在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時，兩相的質(zhì)量比是一定的。在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時，兩相的質(zhì)量比是一定的。 5固溶體結(jié)晶時成分是變化的固溶體結(jié)晶時成分是變化的 成分偏析成分偏析,均勻化退

16、火。均勻化退火。 3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖二、二元合金相圖二、二元合金相圖3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖二、二元合金相圖二、二元合金相圖二共晶相圖二共晶相圖 E - 共晶點共晶點 AEB - 液相線液相線 ACENB - 固相線固相線 三個單相區(qū)三個單相區(qū)L、 三個兩相區(qū)三個兩相區(qū)L+、L+、+ 一條三相共存線一條三相共存線 L+, 程度線程度線CEN3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖二、二元合金相圖二、二元合金相圖Pb - Sn共晶合金顯微組織共晶合金顯微組織問：焊錫的成份？問：焊錫的成份？3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖二、二元合金相圖二、二元合金相

17、圖三共析相圖三共析相圖 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。共析產(chǎn)物比共晶產(chǎn)物細密得多。如珠光體為共析體。共析產(chǎn)物比共晶產(chǎn)物細密得多。如珠光體P。 3.3 合金的結(jié)晶與相圖合金的結(jié)晶與相圖二、二元合金相圖二、二元合金相圖 1+2 凝固后在鑄造形狀(或還要經(jīng)過熱處置)下運用的金屬件稱為鑄件，凝固后還要閱歷塑性變形的金屬件稱為鑄錠。 3.4 鑄態(tài)組織與冶金缺陷鑄態(tài)組織與冶金缺陷一、典型三晶區(qū)組織一、典型三晶區(qū)組織 1 - 表層細晶區(qū)表層細晶區(qū)2 - 柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū) 3 - 中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū)鑄錠組

18、織表示圖鑄錠組織表示圖3.4 鑄態(tài)組織與冶金缺陷鑄態(tài)組織與冶金缺陷柱狀晶粒區(qū)柱狀晶粒區(qū)1分枝少，晶質(zhì)細密；分枝少，晶質(zhì)細密；2晶粒粗大，各向異性，橫向性能差；晶粒粗大，各向異性，橫向性能差；3柱狀晶交界處有夾雜和氣體，熱加工時易開柱狀晶交界處有夾雜和氣體，熱加工時易開裂。裂。獲得：大的溫度梯度，單向散熱，定向凝固。獲得：大的溫度梯度，單向散熱，定向凝固。3.4 鑄態(tài)組織與冶金缺陷鑄態(tài)組織與冶金缺陷一、典型三晶區(qū)組織一、典型三晶區(qū)組織 等軸晶粒區(qū)等軸晶粒區(qū)1晶界面積大，雜質(zhì)分布分散；晶界面積大，雜質(zhì)分布分散；2各晶粒位向不同，性能均勻，沒有方向性；各晶粒位向不同，性能均勻，沒有方向性；3枝晶彼此嵌人，沒有脆弱面。枝晶彼此嵌人，沒有脆弱面。4缺陷是枝晶興隆，樹枝晶間液相凝固收縮留缺陷是枝晶興隆，樹枝晶間液相凝固收縮留下