chapter 3-1 phase equilibria and phase diagram

1、6.16.1 the one-component phase the one-component phase diagramdiagram6.26.2 the eutectic phase diagram the eutectic phase diagram6.3 the peritectic6.3 the peritectic phase diagram phase diagram6.4 Fe-C phase diagram6.4 Fe-C phase diagram l物質由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程物質由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為稱為凝固凝固(solidification)。l物質由液態(tài)轉變?yōu)榫?/p>

2、態(tài)的過程物質由液態(tài)轉變?yōu)榫B(tài)的過程稱為稱為結晶結晶(crystallization)。l物質由一個相轉變?yōu)榱硪粋€相物質由一個相轉變?yōu)榱硪粋€相的過程稱為的過程稱為相變相變(phase transformation)。因而結晶過因而結晶過程是相變過程。程是相變過程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶TempPressGasLiquidSolid1 atm100 C0 CTempPressGasLiquidSolid1 atm1538 C910 C austenite ferriteH2OFeF = C P + 2F: degree of freedom; C: the number of component

3、s;P: the number of phases in equilibriuml1、冷卻曲線、冷卻曲線l金屬結晶時溫度與時間的關金屬結晶時溫度與時間的關系曲線稱系曲線稱冷卻曲線。冷卻曲線。曲線上曲線上水平階段所對應的溫度稱水平階段所對應的溫度稱實實際結晶溫度際結晶溫度T1。理論結晶溫理論結晶溫度度T0(熔點熔點或或平衡結晶溫度平衡結晶溫度)。 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線一、冷卻曲線與過冷度一、冷卻曲線與過冷度l液態(tài)金屬在理論結晶溫液態(tài)金屬在理論結晶溫度以下開始結晶的現(xiàn)象度以下開始結晶的現(xiàn)象稱稱過冷過冷(undercooling)。l理論結晶溫度與實際結理論結晶溫度與實際結晶溫度的差晶溫

4、度的差 T稱稱過冷度過冷度。 T= T0 T1l過冷度大小與冷卻速度過冷度大小與冷卻速度有關，有關，冷速越大，過冷冷速越大，過冷度越大度越大。Nucleus formation and growthl液態(tài)金屬中存在著原子排列液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團規(guī)則的小原子團(ordered clusters)，它們時聚時散，它們時聚時散，稱為稱為晶坯晶坯(。在。在T0以下，經(jīng)一以下，經(jīng)一段時間后段時間后(即孕育期即孕育期)，一些，一些大尺寸的晶坯將會長大，稱大尺寸的晶坯將會長大，稱為為晶核晶核(crystal nucleus)。(氣氣、液液、晶體的結構晶體的結構)T0T1T液體和晶體自由能隨

5、溫度變化液體和晶體自由能隨溫度變化晶核半徑與晶核半徑與G關系關系l晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核產(chǎn)生。晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失液體完全消失。每個晶核最終長成一每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。后形成晶界。l2、晶核的形成方式、晶核的形成方式l形核有兩種方式形核有兩種方式，即，即均勻形核均勻形核(homogeneous nucleation)和和非非均勻形核均勻形核(heterogeneous nucleation)。l由液體中排列規(guī)則的原子團形成晶核稱由液體中

6、排列規(guī)則的原子團形成晶核稱均勻形核均勻形核。l以液體中存在的固態(tài)雜質為核心形核稱以液體中存在的固態(tài)雜質為核心形核稱非均勻形核非均勻形核。非均勻。非均勻形核更為普遍。形核更為普遍。非均勻形核示意圖非均勻形核示意圖均勻形核均勻形核l3、晶核的長大方式、晶核的長大方式l晶核的長大方式有兩種晶核的長大方式有兩種，即，即均勻長大均勻長大和和樹枝狀長大樹枝狀長大。l在正溫度梯度下，晶體生長在正溫度梯度下，晶體生長以平面狀態(tài)向前推進。以平面狀態(tài)向前推進。正溫度梯度正溫度梯度均勻長大均勻長大l實際金屬的結晶主要以樹枝狀長大。實際金屬的結晶主要以樹枝狀長大。l這是由于存在這是由于存在負溫度梯度，負溫度梯度，且且

7、晶核棱角處的散熱條晶核棱角處的散熱條件好件好，生長快，先形成，生長快，先形成一次軸一次軸，一次軸又會產(chǎn)生，一次軸又會產(chǎn)生二二次軸次軸，樹枝間最后被填充。（，樹枝間最后被填充。（定向凝固定向凝固）負溫度梯度負溫度梯度金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶冰的樹枝晶l一、晶粒度一、晶粒度l表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶晶粒度粒度。可用晶粒的平均面可用晶粒的平均面積或平均直徑表示。積或平均直徑表示。l工業(yè)生產(chǎn)上采用工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等晶粒度等級級來表示晶粒大小。來表示晶粒大小。l標準晶粒度共分八級，一級最粗，八級最細標準晶粒度共分八級，一級最

8、粗，八級最細。通過。通過100100倍顯微鏡下的晶粒大小與標準圖對照來評級。倍顯微鏡下的晶粒大小與標準圖對照來評級。l常溫下常溫下，晶粒越細，晶界晶粒越細，晶界面積越大，因而金屬的強面積越大，因而金屬的強度、硬度越高，同時塑性、度、硬度越高，同時塑性、韌性也越好。韌性也越好。即即細晶強化細晶強化。l高溫下高溫下，晶界呈粘滯狀態(tài)，晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生滑動，在外力作用下易產(chǎn)生滑動，因而細晶粒無益。因而細晶粒無益。晶粒大小與金屬強度的關系晶粒大小與金屬強度的關系單晶葉片單晶葉片l三、決定晶粒度的因素三、決定晶粒度的因素l晶粒的大小取決于晶粒的大小取決于晶核的形成速度晶核的形成速度和和長

9、大速度長大速度。過冷度對過冷度對N、G的影響的影響l單位時間、單位體積內(nèi)形成單位時間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫的晶核數(shù)目叫形核率形核率(N)。l單位時間內(nèi)晶核生長的長度單位時間內(nèi)晶核生長的長度叫叫長大速度長大速度(G)。lN/G比值越大，晶粒越細小比值越大，晶粒越細小。因此，凡是促進形核、抑制因此，凡是促進形核、抑制長大的因素，都能細化晶粒。長大的因素，都能細化晶粒。l1、控制過冷度：、控制過冷度：隨過冷隨過冷度度增加，增加，N/G值增加，晶值增加，晶粒變細。粒變細。l2、變質處理：、變質處理：又稱又稱孕育孕育處理處理。即有意向液態(tài)金屬即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非均勻形核物質從內(nèi)加入非均勻形核物

10、質從而細化晶粒的方法。而細化晶粒的方法。所加所加入的非均勻形核物質叫入的非均勻形核物質叫變變質劑質劑（或（或稱孕育劑稱孕育劑）。）。變質處理前變質處理前變質處理后變質處理后變質處理使組織細變質處理使組織細化。變質劑為硅鐵化。變質劑為硅鐵或硅鈣合金?；蚬桠}合金。電磁攪拌細化晶粒示意圖電磁攪拌細化晶粒示意圖超聲振動細化晶粒示意圖超聲振動細化晶粒示意圖l3、振動、攪拌等：、振動、攪拌等：對正在結晶的金屬進行振動或對正在結晶的金屬進行振動或攪動，一方面可靠外部輸入的能量來促進形核，攪動，一方面可靠外部輸入的能量來促進形核，另一方面也可使成長中的另一方面也可使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯枝晶破碎，使晶

11、核數(shù)目顯著增加。著增加。細晶的熔模鑄件細晶的熔模鑄件(上上)普通鑄件普通鑄件(下下) 構轉變構轉變。同素異構轉變屬同素異構轉變屬 于相變之一于相變之一固態(tài)相變固態(tài)相變。l一、鐵的同素異構轉變一、鐵的同素異構轉變l鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結構變化，其變化為：晶體結構變化，其變化為：1394912 -Fe -Fe -Fel物質在固態(tài)下晶體結構隨物質在固態(tài)下晶體結構隨l溫度變化的現(xiàn)象稱溫度變化的現(xiàn)象稱同素異同素異純鐵的同素異構轉變純鐵的同素異構轉變l -Fe、 -Fe為為體心立方結構體心立方結構(BCC)， -Fe為為面心立面心立方結構方結構(FCC)。都是鐵的。都是鐵的

12、同素異構體同素異構體。 -Fe -Fel二、二、solid state transformationl固態(tài)下的相變也是一個形核和長大的過程固態(tài)下的相變也是一個形核和長大的過程，但有著，但有著與結晶不同之處，與結晶不同之處，其特點為：其特點為：l1、形核一般在某些特定部、形核一般在某些特定部位發(fā)生（如晶界、晶內(nèi)缺位發(fā)生（如晶界、晶內(nèi)缺陷、特定晶面等）。陷、特定晶面等）。l2、由于固態(tài)下擴散困難，由于固態(tài)下擴散困難，因而過冷傾向大。因而過冷傾向大。l3、固態(tài)轉變伴隨著體積變固態(tài)轉變伴隨著體積變化，易造成很大內(nèi)應力?；?，易造成很大內(nèi)應力。固態(tài)相變的晶界形核固態(tài)相變的晶界形核 鑄錠鑄錠( (件件) )

13、組織與缺陷組織與缺陷l在實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被在實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，澆注到錠模中便得到鑄錠，而注入到鑄型模具中成型則而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。得到鑄件。鑄錠鑄錠(件件)的組織的組織及其存在的缺陷對其加工和及其存在的缺陷對其加工和使用性能有著直接的影響。使用性能有著直接的影響。l鑄錠鑄錠(件件)的宏觀組織的宏觀組織通常由三個區(qū)組成通常由三個區(qū)組成: l1、表層細晶區(qū)：、表層細晶區(qū)：澆注時，由于冷模壁產(chǎn)澆注時，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過冷度及非均勻形核作用，使生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細的等軸晶粒區(qū)。表面形成一層很細的等軸晶粒區(qū)。l2、 柱狀晶區(qū)：柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結晶放出潛由于模壁溫度升高，結晶放出潛熱，使細晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。熱，使細晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著