金屬結晶過程

1、金屬結晶過程第1頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四1.純金屬的結晶條件2.純金屬的結晶過程3.同素異構轉(zhuǎn)變4.細化鑄態(tài)金屬晶粒的措施2.1 純金屬的結晶第2頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四1.純金屬的結晶條件晶體液體結晶結晶： 液體 - 晶體凝固： 液體 - 固體（晶體 或 非晶體）第3頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四冷卻曲線tTT0Tn理論結晶溫度開始結晶溫度T過冷度T= T0 - Tn純金屬結晶的條件就是應當有一定的過冷度（克服界面能）第4頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四冷卻速度越大，則過

2、冷度越大。第5頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四2.純金屬的結晶過程液態(tài)金屬形核晶核長大完全結晶形核和晶核長大的過程第6頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四（1）形核過程兩種形核方式 自發(fā)形核 與 非自發(fā)形核自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結晶核心。非自發(fā)形核 是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。第7頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四（1）形核過程兩種形核方式 自發(fā)形核 與 非自發(fā)形核自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結晶核心。非自發(fā)形核 是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。第8頁，共7

3、2頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四（2）晶核長大過程兩種長大方式 平面生長 與 樹枝狀生長。平面生長第9頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四樹枝狀生長第10頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四4.細化鑄態(tài)金屬晶粒的措施晶粒度 表示晶粒大小，分8級（p111)。晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)（個/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直徑（m）2501771258862443122細晶強化 晶粒細化使金屬機械性能提高的現(xiàn)象比較： 細晶強化-強度、硬度、塑性、韌性 固溶強化-強度、硬度，塑性、韌性第11頁，共

4、72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四細化晶粒的措施1.提高過冷度2.變質(zhì)處理3.振動結晶第12頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四（1）提高過冷度形核率N 、長大速度G 與 過冷度T 的關系TG，NGN第13頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四（2）變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細化晶粒和改善組織的工藝措施。在鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋼水中加入鈦、釩、鋁，鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣、硅鈣鋇合金，都可使晶粒細化。 變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大。（3）振動結晶振動的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細化。機

5、械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。（4）電磁攪拌 將正在結晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感應現(xiàn)象，液態(tài)金屬會翻滾起來，沖斷正在結晶的樹枝狀晶體的晶，增加結晶核心，從而可細化晶粒。第14頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四3同素異構轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下晶體結構隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。純鐵的同素異構轉(zhuǎn)變-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912 C-Fe，fcc-Fe，bcc912 C第15頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四純鐵的冷卻曲線TFe，bcc-Fe，bcc-Fe，fccCooling c

6、urve770鐵磁性第16頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四五金屬鑄錠的組織特點細等軸晶區(qū) 液體金屬注入錠模時，由于錠模溫度不高，傳熱快，外層金屬受到激冷，過冷度大，生成大量的晶核。同時模壁也能起非自發(fā)晶核的作用。結果，在金屬的表層形成一層厚度不大、晶粒很細的細晶區(qū)。(1)細等軸晶區(qū)； (2)柱狀晶區(qū)； (3)粗等軸晶區(qū)鑄錠結構第17頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四五金屬鑄錠的組織特點柱狀晶區(qū) 細晶區(qū)形成的同時，錠模溫度升高，液體金屬的冷卻速度降低，過冷度減小， 生核速率降低，但此時長大速度受到的影響較小。結晶時，優(yōu)先長大方向（即一次晶軸方向）

7、與散熱最快方向（一般為往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液體內(nèi)部平行長大，結果形成柱狀晶區(qū)。(1)細等軸晶區(qū)； (2)柱狀晶區(qū)； (3)粗等軸晶區(qū)鑄錠結構第18頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四五金屬鑄錠的組織特點粗等軸晶區(qū) 隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，液體金屬的冷卻速度很快降低，過冷度大大減小，溫度差不斷降低，趨于均勻化；散熱逐漸失去方向性，所以在某個時候，剩余液體中被推來和漂浮來的、以及從柱狀晶上被沖下的二次晶枝的碎塊，可能成為晶核，向各個方向均勻長大，最后形成一個粗大的等軸晶區(qū)。(1)細等軸晶區(qū)； (2)柱狀晶區(qū)； (3)粗等軸晶區(qū)鑄錠結構第19頁，共72頁，202

8、2年，5月20日，13點36分，星期四單晶的制取 演示第20頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四第21頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四第22頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四第23頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四第24頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四2.2.1.二元合金的結晶2.2.2合金的性能與相圖的關系2.2.3鐵碳合金的結晶2.2 合金的結晶第25頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四1勻晶相圖2共晶相圖3包晶相圖4共析相圖2.2.1二元合金的結

9、晶第26頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四1勻晶相圖相圖（平衡圖、狀態(tài)圖）平衡條件下，合金的相狀態(tài)與溫度、成份間關系的圖形。 CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ 第27頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四銅-鎳合金勻晶相圖CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ 純銅熔點純鎳熔點液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)第28頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四勻晶合金的結晶過程abcd

10、T,CtLLL勻晶轉(zhuǎn)變 L 冷卻曲線CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ 勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個恒定的熔點，而是在液、固相線劃定的溫區(qū)內(nèi)進行結晶。第29頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四杠桿定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ 12acba1b1c1T1T21. 在兩相區(qū)內(nèi)，對應每一確定的溫度，兩相的成分是確定的。2. 隨著溫度的降低，兩相的成分分別沿液相線和固相線變化。杠桿定律：在兩相區(qū)內(nèi)，對應每一確定的

11、溫度T1，兩相質(zhì)量的比值是確定的。即QL/Q=b1c1/a1b1杠桿定律推論：在兩相區(qū)內(nèi)，對應溫度T1時兩相在合金b中的相對質(zhì)量各為QL/QH=b1c1/a1c1Q/QH=a1b1/a1c1=1- QL/QH第30頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四例：求30%Ni合金在1280 時相的相對量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ ac30a1b1c11280 C解：作成分線和溫度線如圖。6618根據(jù)杠桿定律推論， Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4答：所求合金在1280

12、時相的相對質(zhì)量為1/4。第31頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四2共晶相圖PbSnSn%T,C鉛-錫合金共晶相圖液相線L固相線 + L + L + 固溶線固溶線第32頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四共晶轉(zhuǎn)變分析PbSnT,CL + L + L + 共晶反應線表示從c點到e點范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反應。ce共晶點表示d點成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。dLd c + e第33頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四共晶反應要點PbSnT,CL + L + L + 183ced共晶轉(zhuǎn)變在恒溫下進

13、行。轉(zhuǎn)變結果是從一種液相中結晶出兩個不同的固相。存在一個確定的共晶點。在該點凝固溫度最低。成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。第34頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四X1合金結晶過程分析cefgX1T,CtLLLL+ 冷卻曲線 + 1234PbSnT,CL + L + L + 183ced第35頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四X1合金結晶特點T,CtLLLL+ 冷卻曲線 + 1.沒有共晶反應過程，而是經(jīng)過勻晶反應形成單相固相。2.要經(jīng)過脫溶反應，室溫 組織組成物為 + 組織組成物組織中，由一定的相構成的，具有一定形態(tài)特征的組成部分。第36頁

14、，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四X2合金結晶過程分析（共晶合金）X2T,CtL(+ )L(+ )LL(+ ) 共晶體冷卻曲線(+ )PbSnT,CL + L + L + 183ced第37頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四X3合金結晶過程分析（亞共晶合金）X3T,CtLL+ (+ )+ + 12(+ )+ PbSnT,CL + L + L + 183cedL+(+ )+第38頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四標注了組織組成物的相圖第39頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四3包晶相圖包晶轉(zhuǎn)變： Ld +

15、 c ePtAgAg%T,C鉑-銀合金包晶相圖L + L + L + cedfgT,CtLL + L + + 第40頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四4. 共析相圖共析轉(zhuǎn)變： ( + ) 共析體ABT,C + + + cedL + L第41頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四2.2.2 相圖與性能的關系合金的使用性能與相圖的關系 固溶體中溶質(zhì)濃度 強度、硬度 組織組成物的形態(tài)對強度影響很大。組織越細密，強度越高。第42頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四2. 合金的工藝性能與相圖的關系 鑄造性能液固相線距離愈小，結晶溫度范圍愈

16、小（如接近共晶成分的合金），則流動性好，不易形成分散縮孔。 鍛造、軋制性能單相固溶體合金，變形抗力小，變形均勻，不易開裂。第43頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四1鐵碳相圖2結晶過程3成分-組織-性能關系 4Fe-Fe3 C相圖的應用2.2.3鐵碳合金的結晶第44頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四1鐵碳相圖 (Fe-Fe3 C相圖)(1) Fe-Fe3 C相圖的組元 Fe Fe、-Fe (bcc) 和-Fe (fcc)強度、硬度低，韌性、塑性好。 Fe3 C 熔點高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。(2) Fe-Fe3 C相圖的相 Fe3 C （ C

17、em， Cm，滲碳體） 復雜晶體結構 液相 L 相 （高溫鐵素體 ） Fe（C）固溶體 相（A ，奧氏體） -Fe（C）固溶體 相 （F，鐵素體） -Fe（C）固溶體第45頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四一、鐵素體碳原子溶入-Fe中形成的間隙固溶體，稱做鐵素體。由于體心立方格的-Fe的晶體格間隙半徑只有0.036nm，而碳原子半徑為0.077nm，所以鐵素體對碳的溶解度很小。在727時最大固溶度為0.02%,而在室溫時固溶度幾乎降為零。鐵素體的力學性能與純鐵相近，其數(shù)值如下： 抗拉強度Rm 250Mpa，屈服強度RE 140Mpa斷后延伸率A11.3 40%-50%沖

18、擊韌性K 200 J/cm2布氏硬度HBS 80由此可見，鐵素體有優(yōu)良的塑性和韌性，但強度，硬度較低，在鐵碳合金中是軟韌相。鐵素體是912以下的平衡相，也稱做常溫相，在鐵碳相圖中用符號F表示。第46頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四二、奧氏體碳原子溶入-Fe中形成的間隙固溶體，稱做奧氏體。具有面心立方格的-Fe的間隙半徑為0.052nm，比-Fe的間隙稍大，在1148時碳原子在其中的最大固溶度為2.11%。隨著溫度的降低，碳在-Fe中的固溶度下降，在727時是0.77%。奧氏體是727以上的平衡相，也稱高溫相。在高溫下，面心立方格晶體的奧氏體具有極好是塑性，所以碳鋼具有

19、良好的軋、鍛等熱加工工藝性能。在鐵碳相圖中，奧氏體通常用符號A表示。第47頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四三、滲碳體滲碳體是鐵與碳原子結合形成的具有金屬性質(zhì)的復雜間隙化合物。它的晶體結構復雜，屬于復雜八面體結構，分子式為Fe3C，含碳量6.69%。滲碳體的硬度很高，HV800，但極脆，塑性和韌性幾乎是零，強度Rm=30Mpa左右。在鐵碳合金中，它是硬脆相，是碳鋼的主要強化相。滲碳體在碳鋼中的含量和形態(tài)對鋼的性能有很大影響。它在鐵碳合金中可以呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀和板狀形態(tài)存在。在高溫時，鋼和鑄鐵中的滲碳體在一定時間會發(fā)生下面的分解反應，析出石墨態(tài)的碳。Fe3C 3Fe+C

20、（石墨）第48頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四(3) 相圖中重要的點和線液相線ABCD固相線AHJECF包晶線 HJB，包晶點 J 共晶線 ECF，共晶點CL4.3(A2.11+Fe3C)高溫萊氏體,Le或Ld共析線 PSK，共析點SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光體, PES線：C在A中的固溶線PQ線：C在F中的固溶線第49頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四2鐵碳合金的平衡結晶過程Fe-C 合金分類工業(yè)純鐵 C % 0.0218 %鋼 0.0218 % C % 2.11 %亞共析鋼 0.77 %共析鋼 0.77 % 過共析鋼 0.77

21、%白口鑄鐵 2.11 % C % 6.69 %亞共晶白口鐵 4.3 % 共晶白口鐵 4.3 % 過共晶白口鐵 4.3 %類型亞共析鋼共析鋼過共析鋼鋼號204560T8T10T12碳質(zhì)量分數(shù)0.200.450.600.801.001.20幾種常見碳鋼第50頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四(1)工業(yè)純鐵 ( C % 0.0218 % )結晶過程室溫組織F + Fe3C (微量)500第51頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四(2)共析鋼 ( C % = 0.77 % )結晶過程室溫組織: 層片狀 P ( F + 共析 Fe3C )500 P中各相的相

22、對量：Fe3C % = ( 0.77 xF ) / ( 6.69 xF ) 0.77 / 6.69 = 12 %F % 1 12 % = 88 %珠光體強度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe3C 和 F 之間。第52頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四(3)亞共析鋼 ( C % = 0.4 % )結晶過程室溫組織: F + P，500各組織組成物的相對量：P % = ( 0.4 0.0218 ) / ( 0.77 0.0218 ) 51 %F % 1 51 % = 49 %各相的相對量：Fe3C % 0.4 / 6.69 = 6 %F % 1 6 % = 94 %第53頁，共

23、72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四(4)過共析鋼 ( C % = 1.2 % )結晶過程室溫組織:P + Fe3CII 400各組織組成物的相對量：Fe3CII % = ( 1.2 0.77 ) / ( 6.69 0.77 ) 7 %P % 1 7 % = 93 %各相的相對量：Fe3CII % 1.2 / 6.69 = 18 %F % 1 18 % = 82 %第54頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四(5)共晶白口鐵 ( C % = 4.3 % )結晶過程室溫組織: （低溫）萊氏體 Le （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C ）, 500萊氏體

24、 Le的性能：硬而脆第55頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四()亞共晶白口鐵 ( C % = 3 % )結晶過程室溫組織:Le+ P + Fe3CII 200第56頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四()過共晶白口鐵 ( C % = 3 % )結晶過程室溫組織:Le+ Fe3CI 500第57頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四標注了組織組成物的相圖第58頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四3鐵碳合金的成分-組織-性能關系含碳量與相的相對量關系：C %F %，F(xiàn)e3C %含碳量與組織關系：圖（a）和（b）

25、含碳量與性能關系HB：取決于相及相對量強度：C%=0.9% 時最大塑性、韌性：隨C%而第59頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四4鐵碳相圖的應用鋼鐵選材：相圖性能用途局限性 相圖反映的是平衡狀態(tài)，與實際情況有較大差異。鑄件選材和確定澆注溫度確定鍛造溫度( 在 A 區(qū)）制定熱處理工藝第60頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四復習 相與組織相：有一定的化學成分和晶體結構的均勻組成部分。合金中有兩類基本相 固溶體 和 化合物組織：材料內(nèi)部的微觀形貌，體現(xiàn)相的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布。金屬材料性能由組織決定，而組織由化學成分和工藝過程決定。過共析鋼 x400第

26、61頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四小結重點要求 一般要求 2. 勻晶相圖的分析方法。2. 杠桿定律及其應用。3. 合金相圖與性能的關系。1. 過冷度的概念，晶粒度的影響因素。1. 同素異構轉(zhuǎn)變。3. F、A、Cm、P、 Le的組織和性能特點。4. Fe-Fe3C相圖中共晶、共析區(qū)域分析。5. 鐵碳合金的成分、組織與性能之間的關系。第62頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四思考題1. 為什么要生產(chǎn)合金？與純金屬相比，合金有哪些優(yōu)越性？2. 固溶體中，溶質(zhì)元素含量增加時，其晶體結構和性能會發(fā)生什么變化？3. 試比較共晶反應和共析反應的異同點。4.

27、為什么鑄造合金常選用接近共晶成分的合金，而壓力加工的合金常選用單相固溶體成分的合金? 第63頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四作 業(yè) 2P 9 13week4, Sep 212. 1),2),4),11)3. 1),2),5)4. 1),2),6),7)5. 3),4)第64頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四作 業(yè) 2aP 9 13week5, Sep 282. 13)3. 12),13)4. 8),9) 5. 6)作 業(yè) 2bP 9 13week7, Oct 122. 14) 17)3. 14) 17)4. 10) 13) 第65頁，共72頁，

28、2022年，5月20日，13點36分，星期四作業(yè)1 參考答案 P 32. 1) 同非金屬相比，金屬的主要特性是2) 晶體與非晶體結構上的最根本的區(qū)別是4) -Fe的一個晶胞原子數(shù)為3. 1)晶體中的位錯屬于：a. 體缺陷 b. 面缺陷c. 線缺陷d. 點缺陷( P7 ) 熱和電的良導體 正的電阻溫度系數(shù) 不透明、有金屬光澤 塑性高、強韌性好晶體內(nèi)原子排列是有規(guī)則、周期性的。4第66頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四作業(yè)1 參考答案 P 44. 2)-Fe、Al、Cu、Ni、V、Mg、Zn的晶體結構 體心立方： -Fe、V 面心立方： Al、Cu、Ni 密排六方： Mg、

29、Zn6) 實際金屬晶體中存在：a. 點缺陷：點、線、面缺陷，引起晶格畸變。b. 面缺陷：c. 線缺陷（位錯）：7) 固溶強化：固溶強化原因：8) 間隙固溶體：形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象溶質(zhì)原子引起晶格畸變，使變形抗力增加。間隙相：晶格類型與溶劑相同晶格類型與任一組元都不相同使電阻率和強度增加。使塑性、強度增加。在冷變形時，使強度增加、塑性降低。第67頁，共72頁，2022年，5月20日，13點36分，星期四作業(yè)2 參考答案 P 9-102. 1) 結晶過程是依靠兩個密切聯(lián)系的基本過程來實現(xiàn)的，它們是：2) 當對金屬液體進行變質(zhì)處理時，變質(zhì)劑的作用是形核和晶核長大4) 過冷度是指為：增加晶核數(shù)量，或阻礙晶粒長大。理論結晶溫度 - 開始結晶溫度其表示符號為：T11) 固溶體的強度和硬度比溶劑：高3. 1) 凡是由液體凝固成固體的過程都是結晶過程。（ ）No2) 室溫下，金屬晶粒越細，則強度越高、塑性越低。（ ）No5) 晶粒度級數(shù)數(shù)值越大，晶粒越細。（ ）Y