第三章金屬與合金的結(jié)晶

1、 第三章第三章 金屬與合金的結(jié)晶金屬與合金的結(jié)晶教教 學(xué)學(xué) 要要 求求主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容本本 章章 重重 點(diǎn)點(diǎn)本本 章章 小小 結(jié)結(jié)習(xí)習(xí) 題題 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 教 學(xué) 要 求 通過學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)熟悉純金屬和合金的結(jié)晶過程及其組織特點(diǎn)。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 主 要 內(nèi) 容 第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶 第二節(jié) 合金的結(jié)晶 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 本 章 重 點(diǎn) 二元合金相圖的基本知識(shí); 二元合金的結(jié)晶過程。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 第三章 金屬與合金的結(jié)晶 金屬與合金從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，是原子由不規(guī)則排列的液體狀態(tài)逐步過渡到原子作規(guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程，這一過程稱為結(jié)晶。 金屬材料結(jié)晶后形成

2、的組織 (鑄態(tài)組織) 對(duì)金屬材料的鑄態(tài)性能及經(jīng)過各種加工后的性能都有影響。 研究金屬和合金的結(jié)晶過程及規(guī)律，對(duì)探索改善金屬材料的組織和性能具有重要的意義。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶 一、一、純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象 將純金屬加熱熔化成液體，然后讓液態(tài)金屬緩慢冷卻下來，并在冷卻過程中，每隔一定時(shí)間測(cè)量一次溫度，然后將記錄下來的數(shù)據(jù)繪制在溫度時(shí)間坐標(biāo)中，這樣便獲得如圖3-1所示的冷卻曲線。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 冷卻曲線分析：冷卻曲線分析： 1、冷卻曲線出現(xiàn)平臺(tái)的原因，是由于金屬 結(jié)晶過程中會(huì)釋放出結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了向外界散失的熱量，使溫度不隨冷卻時(shí)間的

3、增長(zhǎng)而下降，直到金屬結(jié)晶終了后，溫度又重新下降。 2、在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度T1總是低于理論結(jié)晶溫度T0，這種現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值，稱為過冷度，用T表示，即T = T0 - T1。 實(shí)踐證明，金屬總是在一定的過冷度下結(jié)晶的，所以過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 二、純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程 1 1、形核形核 當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到接近理論結(jié)晶溫度時(shí)，形成一批類似于晶體中原子有規(guī)則排列的小集團(tuán)。這些小集團(tuán)是不穩(wěn)定的，時(shí)聚時(shí)散，此起彼伏。當(dāng)溫度下降到低于理論結(jié)晶溫度時(shí)，這些小集團(tuán)中的一部分就穩(wěn)定下來，成為結(jié)晶核心。這種最先形成的、作為結(jié)晶核

4、心的微小晶體稱為晶核。晶核的形成過程稱為形核。晶核的形成有兩種方式：自發(fā)形核和非自發(fā)形核。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 2、長(zhǎng)大 隨著時(shí)間的推移，已形成的晶核不斷長(zhǎng)大，同時(shí)液態(tài)金屬中又會(huì)不斷地形成新的晶核并不斷長(zhǎng)大，直到液態(tài)金屬全部消失，晶體彼此產(chǎn)接觸為止，如圖3-2所示。 結(jié)晶時(shí)每一個(gè)晶核長(zhǎng)成的晶體就是一個(gè)晶粒。固態(tài)金屬是由許多晶核長(zhǎng)大并形成晶粒后嵌鑲為一體而組成的多晶體。 晶粒是構(gòu)成金屬晶體晶粒是構(gòu)成金屬晶體的最小單位，的最小單位，晶粒與晶粒晶粒與晶粒之間的接觸面叫晶界。之間的接觸面叫晶界。 晶界處比晶粒內(nèi)部凝固的晚，故金屬中的低熔點(diǎn)雜質(zhì)往往聚集在晶界上，從而使晶界處的性能不同于晶粒內(nèi)部。 機(jī)械

5、制造基礎(chǔ) 第三章 三、金屬結(jié)晶后的晶粒大小金屬結(jié)晶后的晶粒大小晶粒大小是金屬組織的重要標(biāo)志之一。金屬晶粒大小的表示方法： 1、用單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目來表示，數(shù)目越多，晶粒越細(xì)小。 2、以單位截面上晶粒數(shù)目或晶粒的平均直徑來表示。細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。工業(yè)生產(chǎn)中細(xì)化晶粒的方法：工業(yè)生產(chǎn)中細(xì)化晶粒的方法： 1、增加過冷度 液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)的形核率 N、長(zhǎng)大速率 G與過冷度T 之間的關(guān)系如教材中圖3-3所示。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 增加過冷度，就是要提高金屬凝固時(shí)的冷卻速度。但在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于大鑄錠、大鑄件，過高的冷卻速度往往導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生裂紋而報(bào)廢。因此，對(duì)于大型鑄

6、件則需要用其它方法來細(xì)化晶粒。 2、變質(zhì)處理 在液態(tài)金屬結(jié)晶前加入一些細(xì)小的難熔質(zhì)點(diǎn)（變質(zhì)劑），以增加形核率或降低長(zhǎng)大速率，從而細(xì)化晶粒的方法，稱為變質(zhì)處理。 例如，往鋁液中加鈦、硼；往鋼水中加入鈦、鋯、鋁等；往鑄鐵水中加入硅鐵、硅鈣合金，都能使晶粒細(xì)化，從而提高金屬的力學(xué)性能。 3、附加振動(dòng) 金屬結(jié)晶時(shí)，對(duì)金屬液附加機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁振動(dòng)等措施，使生長(zhǎng)中的枝晶破碎，而破碎的枝晶尖端又可起晶核作用，增加了形核率N，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 四、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶由一種晶

7、格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的變化，稱為金屬的同素格類型的變化，稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。異構(gòu)轉(zhuǎn)變。圖3-4為純鐵的冷卻曲線，它表示了純鐵的結(jié)晶和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程。 由于純鐵能夠發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)中才有可能對(duì)鋼和鑄鐵進(jìn)行各種熱處理，以改變其組織和性能。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程相似，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)重結(jié)晶過程。它遵循液態(tài)金屬結(jié)晶的一般規(guī)律。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)： 1、由于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下發(fā)生的，原子擴(kuò)散比在液態(tài)中困難得多，這使同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變具有較大的過冷度； 2、由于轉(zhuǎn)變時(shí)晶體結(jié)構(gòu)的致密度改變引起晶體體積的變化,從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。 金屬的同素異

8、構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼在淬火時(shí)引起應(yīng)力、導(dǎo)致工件變形和開裂的重要因素。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 第二節(jié) 合金的結(jié)晶 合金與純金屬結(jié)晶時(shí)的不同點(diǎn)：1、合金的結(jié)晶不一定在恒溫下進(jìn)行；2、合金在不同的溫度范圍內(nèi)會(huì)存有不同數(shù)量的相，且各相的 成分有時(shí)也會(huì)變化；3、同一合金系，因成分不同，其組織也不同，即便是同一成 分的合金，其組織也會(huì)隨溫度的不同而發(fā)生變化。一、二元合金相圖的基本知識(shí)一、二元合金相圖的基本知識(shí)合金相圖在平衡條件下，合金的成分、溫度與組織之間關(guān)系的簡(jiǎn)明圖表，又稱為合金平衡圖或合金狀態(tài)圖。 合金相圖的用途：a、研究合金的組織形成和變化規(guī)律的有效工具；b、作為制定冶煉、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的重要依

9、據(jù)。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 用熱分析法建立Cu-Ni二元合金相圖的方法和步驟：(1) 配制一系列成分不同的Cu-Ni合金。配制的合金越多，測(cè)得的相圖越準(zhǔn)確，我們選定六種不同成分的Cu-Ni合金，見表3-1。表3-1 Cu-Ni 合金的成分和臨界點(diǎn) 合金編號(hào) 合 金 化 學(xué) 成 分 合 金 的 臨 界 點(diǎn) Cu 100Ni 100開始結(jié)晶溫度 / C結(jié)晶終了溫度 / C100010831083802011751130604012601195406013401270208014101360010014551455 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 (2)用熱分析法測(cè)出所配合金的冷卻曲線，如圖3 - 5a所示。

10、(3) 由冷卻曲線上的折點(diǎn)與水平線段找出各合金的臨界點(diǎn)(合金的結(jié)晶開始及終了溫度) ，見表3-1所列。(4)將以上找出的臨界點(diǎn)畫到以溫度為縱坐標(biāo)、合金成分為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)圖中相應(yīng)合金的成分線上，然后連接各相同意義的臨界點(diǎn)，所得的線稱為相界線。這樣就獲得了Cu-Ni合金相圖，如圖3-5b所示。圖3-5 用熱分析法測(cè)定Cu-Ni合金相圖a)冷卻曲線 b)相圖 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 二、二元合金的結(jié)晶過程(一) 二元?jiǎng)蚓鄨D凡是兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無(wú)限互溶，即在固態(tài)下能形成無(wú)限固溶體時(shí)，此二元合金相圖屬于勻晶相圖。具有這類相圖的合金系有Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr、W-Mo等。1

11、、相圖分析圖3-6a所示為Cu-Ni合金相圖。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 2、合金的結(jié)晶過程分析 銅和鎳二組元在固態(tài)下能完全互相溶解，并能以任何比例形成單相固溶體。 現(xiàn)以wNi= 40的Cu-Ni合金為例，分析其平衡結(jié)晶過程及其組織，如圖3-6b所示。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 3枝晶偏析 在實(shí)際生產(chǎn)中，冷卻速度比較快，而且固態(tài)下原子擴(kuò)散又很困難，致使固溶體內(nèi)部的原子擴(kuò)散來不及充分進(jìn)行，結(jié)果在每個(gè)晶粒內(nèi)，先結(jié)晶的固溶體含高熔點(diǎn)組元 (如Cu-Ni合金中的Ni) 較多，后結(jié)晶的固溶體內(nèi)含低熔點(diǎn)組元 (如Cu-Ni合金中的Cu) 較多。這種在一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，叫枝晶偏析。枝晶偏析會(huì)嚴(yán)重影響

12、合金的力學(xué)性能和耐蝕性，故應(yīng)設(shè)法消除消除枝晶偏析的方法： 將鑄件加熱到固相線以下100200的溫度，保溫較長(zhǎng)時(shí)間，然后緩慢冷卻，使原子充分?jǐn)U散，從而達(dá)到成分均勻的目的。這種處理方法稱為均勻化退火。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 (二) 二元共晶相圖 共晶轉(zhuǎn)變指一定成分的液相在一定的溫度下，同時(shí)結(jié)晶出兩種不同固相的轉(zhuǎn)變。 由共晶轉(zhuǎn)變獲得的兩相混合物稱為共晶組織或共晶體。 二元共晶相圖凡是二元合金中兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)下有限溶解，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的相圖屬于共晶相圖。 具有這類相圖的合金系有Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Zn-Sn、Cu-Ag等。 下面以Pb-Sn合金相圖為例進(jìn)行分析。 機(jī)械制造

13、基礎(chǔ) 第三章 1相圖分析 A點(diǎn)Pb的熔點(diǎn) ( 327.5 ) ； B點(diǎn)Sn的熔點(diǎn) ( 231.9 ) ； AEB線液相線； AMENB線固相線； 相是Sn溶于Pb中形成的有限固溶體，MF線為Sn在Pb中的溶解度曲線； 相是Pb溶于Sn中形成的有限固溶體，NG線是Pb在Sn中的溶解度曲線。MEN線為三相平衡線，又稱共晶線。共晶溫度為183，在該溫度下，E點(diǎn)成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩種不同的固相M和N 。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 E 點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)，溫度為183，Sn 的含量為61. .9，成分在E 點(diǎn)的合金稱為共晶合金，E 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱為共晶溫度。成分在 ME 之間的合金稱為亞共晶合金，成分在 EN

14、之間的合金稱為過共晶合金。 2典型合金的結(jié)晶過程分析 (1)sn 19的合金( 如圖3-7a中的合金I)。合金I冷卻到1點(diǎn)時(shí)結(jié)晶出固溶體，直到溫度降低到2點(diǎn)時(shí)，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗喙倘荏w。溫度在2點(diǎn)至3點(diǎn)之間，固溶體不發(fā)生任何變化。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 當(dāng)溫度冷卻到3點(diǎn)以下時(shí),多余的Sn就以固溶體的形式從固溶體中析出，這種由固溶體中析出的固溶體，稱為次生固溶體，用表示。該合金的最后平衡組織為+ 。 (2) 共晶合金 (sn = 61. .9，圖3-7a中的合金) 。該合金冷卻到183時(shí)，同時(shí)結(jié)晶出和兩種固溶體，即發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，直到液相完全消失。繼續(xù)冷卻時(shí)，從和中將分別析出和 。由于數(shù)量較少，不改變

15、共晶組織的基本形貌，室溫織織仍可視為 + 。該合金的結(jié)晶過程如圖3-9所示。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 (3) 亞共晶合金 (19Sn61. .9) 。如圖3-7a中的合金。當(dāng)合金冷卻到1點(diǎn)溫度時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出固溶體。溫度在12點(diǎn)之間，溫度的降低，固溶體的量不斷增多，其成分不斷沿AM 線變化；剩余液相的量不斷減少，其成分不斷沿AE線變化。溫度降到2點(diǎn)時(shí)，剩余液相的成分達(dá)到共晶點(diǎn)成分，在共晶溫度 (183) 下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，同時(shí)結(jié)晶出+共晶體，直到液相全部消失為止。 所有Pb-Sn亞共晶合金的結(jié)晶過程與合金相似，其顯微組織均由初晶、次生和共晶體 + 組成。所不同的是，合金成分越接近共晶成分，組

16、織中共晶體 + 的量越多，而初晶的量越少。 (4) 過共晶合金(61. .9Sn 97. .5)。過共晶合金的平衡結(jié)晶過程及組織與亞共晶成分的合金相類似，所不同的是先結(jié)晶出來的固相是固溶體，結(jié)晶后的顯微組織為初晶、次生 和共晶體 + 組成。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 小小 結(jié)結(jié) 過冷是金屬結(jié)晶的必要條件，金屬的結(jié)晶過程包括形核和長(zhǎng)大兩個(gè)階段。冷卻速度越快，過冷度越大，晶核的數(shù)量越多，晶粒越細(xì)小，金屬的力學(xué)性能越高。 同素異晶轉(zhuǎn)變是金屬的一個(gè)重要性能。凡是具有同素異晶轉(zhuǎn)變的金屬及其合金，都可以用熱處理的方法改變其性能。 枝晶偏析嚴(yán)重影響了合金的力學(xué)性能和耐蝕性，可采用加熱并保溫的方法予以消除。 合金相圖又稱為合金平衡圖或合金狀態(tài)圖。利用合金相圖, 可以了解不同成分的合金在不同溫度時(shí)的組織狀態(tài)，以及當(dāng)溫度改變時(shí)可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變，是制訂金屬冶煉、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的理論基礎(chǔ)。 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章 機(jī)械制造基礎(chǔ) 第三章習(xí) 題3-1 解釋下列名詞 結(jié)晶 過冷現(xiàn)象 過冷度 變質(zhì)處理 晶核 同素異晶轉(zhuǎn)變 枝晶偏析 共晶轉(zhuǎn)變