工程材料及熱加工金屬及合金的結(jié)晶

工程材料及熱加工金屬及合金的結(jié)晶第1頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、金屬的結(jié)晶與同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變結(jié)晶：金屬由液體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的現(xiàn)象是指從原子不規(guī)則排列轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則排列的過(guò)程。1、金屬結(jié)晶的基本規(guī)律1.1冷卻曲線：液態(tài)金屬在冷卻時(shí)的溫度和時(shí)間的關(guān)系曲線。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到。第2頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第3頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.2結(jié)晶潛熱為什么冷卻曲線上出現(xiàn)了平臺(tái)？液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)釋放出熱量，稱此熱量為結(jié)晶潛熱。導(dǎo)致冷卻曲線上出現(xiàn)了平臺(tái)。（平衡）1.3結(jié)晶的溫度條件過(guò)冷現(xiàn)象：純金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于其熔點(diǎn)。過(guò)冷度：實(shí)際結(jié)晶溫度與熔點(diǎn)之間的差值。過(guò)冷是金屬結(jié)晶的必要條件。影響過(guò)冷度大小的因素：金屬的種類、冷卻速度第4頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、金屬的結(jié)晶過(guò)程金屬的結(jié)晶過(guò)程由晶核形成和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程組成。2.1形核液態(tài)金屬中原子團(tuán)尺寸各異，時(shí)聚時(shí)散，稱為晶胚。當(dāng)晶胚的尺寸大于某一臨界值時(shí)，晶胚就能自發(fā)地長(zhǎng)大而成為晶核。2.1.1形核方式①均勻形核:是指完全依靠液態(tài)金屬中的晶胚形核的過(guò)程。②非均勻形核:是指晶胚依附于液態(tài)金屬中的固態(tài)雜質(zhì)表面形核的過(guò)程。在實(shí)際的液態(tài)金屬中，總是或多或少地含有某些雜質(zhì)。所以實(shí)際金屬的結(jié)晶主要以非均勻形核方式進(jìn)行。2.1.2形核率指單位時(shí)間內(nèi)單位體積液體中形成晶核的數(shù)量。用N表示。第5頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2長(zhǎng)大結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行一方面要依靠新晶核連續(xù)不斷地產(chǎn)生，另一方面還要依靠巳有晶核的不斷長(zhǎng)大。2.2.1長(zhǎng)大方式樹枝狀長(zhǎng)大：如樹枝一樣先形成枝干，稱一次晶軸，然后再形成分枝，稱為二次晶軸，依此類推。2.2.2長(zhǎng)大速率指單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的線長(zhǎng)度。用G表示。第6頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第7頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、晶粒大小及控制3.1晶粒度定義：晶粒的大小稱為晶粒度。測(cè)定：通常用晶粒的平均面積或平均直徑來(lái)表示。生產(chǎn)中常用比較法來(lái)評(píng)定。（1～8級(jí)）意義：總希望越細(xì)越好。晶粒越細(xì)，材料的強(qiáng)度越高，塑性及韌性越好。第8頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第9頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2晶粒大小的控制晶粒的大小取決于形核率和長(zhǎng)大速率的相對(duì)大小，即N/G比值越大，晶粒越細(xì)小。可見，凡是能促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大的因素，都能細(xì)化晶粒。在工業(yè)生產(chǎn)中通常采用如下幾種方法：3.2.1控制過(guò)冷度⑴在通常金屬結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度范圍內(nèi)，過(guò)冷度越大，則N/G比值越大，因而晶粒越細(xì)小。⑵增加過(guò)冷度的方法是提高液態(tài)金屬的冷卻速度。例如：選用吸熱和導(dǎo)熱性較強(qiáng)的鑄型材料（用金屬型代替砂型）；采用水冷鑄型；降低澆注溫度等⑶只對(duì)小型或薄壁的鑄件有效。第10頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第11頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2.2變質(zhì)處理在澆注前往液態(tài)金屬中加入某些難熔的固態(tài)粉末（變質(zhì)劑），促進(jìn)非均勻形核來(lái)細(xì)化晶粒。例如在鋁和鋁合金以及鋼中加入鈦、鋯等。3.2.3振動(dòng)、攪拌對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可依靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。第12頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有些金屬如Fe、Mn、Ti、Co等具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型性。當(dāng)外部的溫度和壓強(qiáng)改變時(shí)，這些金屬會(huì)由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，稱之為多晶型轉(zhuǎn)變，又稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。例如：α-Fe--γ-Fe--δ-Fe912℃1394℃bcc fccbcc當(dāng)發(fā)生多晶型轉(zhuǎn)變時(shí)，材料的許多性能如密度、塑性、強(qiáng)度、磁性、導(dǎo)電性等將發(fā)生突變。多晶型轉(zhuǎn)變對(duì)于材料能否通過(guò)熱處理來(lái)改變其性能具有重要的意義。第13頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第14頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、合金的結(jié)晶—二元合金相圖1、相圖的意義及幾個(gè)名詞的涵義意義：合金結(jié)晶后的組織極為復(fù)雜，相圖可以準(zhǔn)確回答。組元：組成合金最基本的獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。合金系：相同的組元所組成的一系列合金。相圖（平衡圖、狀態(tài)圖）：

以溫度為縱坐標(biāo)，以成分為橫坐標(biāo)，表明合金系中的各個(gè)合金在不同的溫度下相組成和相平衡關(guān)系。根據(jù)相圖可以了解不同成分合金在溫度變化時(shí)的相變及組織形成規(guī)律。基本類型的二元相圖有：勻晶、共晶和包晶相圖。第15頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、二元合金相圖的建立建立相圖的方法有實(shí)驗(yàn)測(cè)定和理論計(jì)算兩種。但目前使用的相圖絕大部分都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法獲得的。例如熱分析法。以Cu-Ni合金為例來(lái)說(shuō)明相圖的建立方法及主要步驟：1.配制一系列成分的合金(例如，①30%Ni+70%Cu;②50%Ni+50%Cu;③70%Ni+30%Cu)；2.測(cè)出上述合金的冷卻曲線；3.根據(jù)各冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定合金的臨界點(diǎn)；4.將這些臨界點(diǎn)標(biāo)在相圖坐標(biāo)系中的相應(yīng)位置上，最后把各意義相同的臨界點(diǎn)聯(lián)起來(lái)。第16頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第17頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、勻晶相圖與合金組織勻晶相圖是指兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無(wú)限互溶時(shí)形成的相圖。例如Cu-Ni、Fe-Cr、Ag-Au。3.1.相圖分析勻晶相圖中，Cu、Ni代表二個(gè)組元。tA——純組元Cu的熔點(diǎn)；tB——純組元Ni的熔點(diǎn)；tAmtB線——液相線，在液相線以上為液相區(qū)，為均勻液體，用L表示；tAntB線——固相線，在固相線以下為固相區(qū)，為均勻固溶體，用α表示。在液相線與固相線之間為L(zhǎng)+α兩相區(qū)。第18頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第19頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.2.合金平衡結(jié)晶過(guò)程I合金結(jié)晶過(guò)程冷卻曲線如圖所示。當(dāng)合金從高溫緩慢冷卻至與液相線相交的t1溫度時(shí)，開始從液相L1中結(jié)晶出成分為α1的固溶體。隨著溫度的下降，固溶體相不斷增多，液相不斷減少，并且固溶體相的成分沿著固相線變化，液相的成分沿著液相線變化。當(dāng)冷卻至t2溫度時(shí)，固溶體α2和液相L2達(dá)到平衡。當(dāng)合金由t2冷至t3時(shí)，液相消失，結(jié)晶完畢，得到成分為α3的單相固溶體。當(dāng)合金繼續(xù)冷至室溫過(guò)程中，不再發(fā)生相和成分的變化。所以合金在室溫下的組織為單相α固溶體。第20頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第21頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.3合金非平衡結(jié)晶過(guò)程枝晶偏析：在實(shí)際生產(chǎn)條件下，一般冷卻速度都較快，固溶體中原子擴(kuò)散過(guò)程不能充分進(jìn)行。因此先結(jié)晶的枝晶主軸含高熔點(diǎn)組元較多，后結(jié)晶的分枝含低熔點(diǎn)組元較多。這種在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象叫枝晶偏析，或晶內(nèi)偏析(圖2-11)。危害：晶內(nèi)偏析的存在將使合金的塑性、韌性顯著下降。對(duì)策：因此通常把具有晶內(nèi)偏析的合金加熱到高溫進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫，使合金元素進(jìn)行充分的擴(kuò)散來(lái)消除枝晶偏析，稱這種處理為擴(kuò)散退火。第22頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第23頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、共晶相圖與合金組織二個(gè)組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，而在固態(tài)時(shí)有限互溶，并有共晶反應(yīng)發(fā)生時(shí)形成的相圖。例如Pb-Sn。4.1相圖分析α是Sn溶于Pb中的置換式固溶體。β是Pb溶于Sn中的置換式固溶體。A及B分別為組元Pb和Sn的熔點(diǎn)。M、N點(diǎn)分別是固溶體α、β的最大溶解度點(diǎn)。F、G點(diǎn)分別是固溶體α、β在室溫下的溶解度點(diǎn)。

而MF和NG則代表兩固溶體α和β的溶解度曲線。AEB為液相線，AMNB為固相線。第24頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一MEN一段水平線又稱共晶反應(yīng)線，E點(diǎn)為共晶點(diǎn)，E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱為共晶溫度，成分對(duì)應(yīng)于共晶點(diǎn)的合金稱為共晶合金，成分位于E以左，M點(diǎn)以右的合金稱為亞共晶合金，成分位于E點(diǎn)以右、N點(diǎn)以左的合金稱為過(guò)共晶合金。具有一定成分的液體（LE）在一定溫度（共晶溫度）下同時(shí)析出兩種成分的固溶體（αM+βN）稱為共晶反應(yīng)，即：LE→αM+βN

結(jié)晶產(chǎn)物為共晶體。共晶體的顯微組織特征是兩相交替分布，其形態(tài)與合金的特性及冷卻速度有關(guān)，通常呈片層狀。第25頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第26頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.2典型合金平衡結(jié)晶過(guò)程及組織4.2.1共晶合金當(dāng)合金緩慢冷卻到tE時(shí)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，LE→αM+βN轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為兩相機(jī)械混合物。這一轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵峦瓿?。室溫組織為100%的共晶體（混合物）。組織形貌呈片層狀。當(dāng)合金冷到E點(diǎn)溫度以下，由于固溶體的溶度超過(guò)了它的溶解度限度，將從α、β固溶體中開始析出第二相β、α固溶體，隨著溫度繼續(xù)降低β、α的析出量逐漸增多。這種從固溶體中析出的相，稱二次固溶體（以區(qū)分從液相中析出的固溶體），記為βII、αII。最終組織是（α+β）+（βII+αII）第27頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第28頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第29頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.2.2亞共晶合金以合金III為例。合金自1點(diǎn)開始結(jié)晶出α固溶體（先共晶體、初晶）。隨著溫度繼續(xù)降低，α相的濃度沿固相線變化，L相濃度沿液相線變化。當(dāng)合金冷卻到2點(diǎn)時(shí)，剩余液相的濃度已達(dá)到E點(diǎn)的成分，在恒溫下按共晶反應(yīng)形成共晶體。LE→αM+βN合金自2點(diǎn)溫度冷至室溫過(guò)程中自α固溶體中也會(huì)析出βII，故合金的室溫顯微組織為α+(α+β)+βII。其中，α、(α+β)、βII均稱為合金的組織組成物，是合金顯微組織的獨(dú)立部分。這種標(biāo)注方法闡明了合金的具體結(jié)晶過(guò)程，反映了相的析出順序。第30頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第31頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第32頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.2.3過(guò)共晶合金4.2.4含Sn量小于M點(diǎn)的合金以合金I為例。合金在1～2點(diǎn)間的結(jié)晶過(guò)程與勻晶相圖上的固溶體結(jié)