金屬材料與熱處理 第2版 課件 第三單元 金屬的結(jié)晶

第三單元金屬的結(jié)晶凝固結(jié)晶金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程。結(jié)晶是指從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的晶體狀態(tài)的過(guò)程。5

金屬的結(jié)晶物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之為結(jié)晶。金屬及其合金都是晶體，所以它們的凝固過(guò)程就是結(jié)晶。凝固過(guò)程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。凝固是相變過(guò)程，可為其它相變的研究提供基礎(chǔ)。金屬冶煉、鑄造、焊接工藝過(guò)程就是結(jié)晶過(guò)程。平衡結(jié)晶溫度或理論結(jié)晶溫度金屬熔點(diǎn)通常把金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過(guò)程稱為一次結(jié)晶。而把金屬?gòu)囊环N固體晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶格的過(guò)程稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。

同素異晶轉(zhuǎn)變模塊一純金屬的結(jié)晶一、熱分析試驗(yàn)方法熱分析試驗(yàn)方法過(guò)冷結(jié)晶潛熱1.冷卻曲線信息量很大呦2過(guò)冷現(xiàn)象（1）過(guò)冷：金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于其理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。（2）過(guò)冷度：金屬材料的理論結(jié)晶溫度(Tm)與其實(shí)際結(jié)晶溫度T0之差△T=Tm-T0(3)過(guò)冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過(guò)冷度越大。二、結(jié)晶過(guò)程1.結(jié)晶的基本過(guò)程形核－長(zhǎng)大晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。形核長(zhǎng)大形成多晶體兩個(gè)過(guò)程重疊交織2.晶核的形成均勻形核12

非均勻形核自發(fā)形核(均勻形核)：在液態(tài)金屬中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集團(tuán)。當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度以下時(shí)，短程有序的原子集團(tuán)變得穩(wěn)定，不再消失，成為結(jié)晶核心。這個(gè)過(guò)程叫自發(fā)形核。均勻形核非自發(fā)形核（非均勻形核）：實(shí)際金屬內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì)。當(dāng)液態(tài)金屬降到一定溫度后，有些雜質(zhì)可附著金屬原子，成為結(jié)晶核心，這個(gè)過(guò)程叫非自發(fā)形核。非均勻形核實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。這是由于存在負(fù)溫度梯度，冷卻速度較快時(shí)，晶體的棱角和棱邊的散熱條件比面上的優(yōu)越，因而長(zhǎng)大較快，成為伸入到液體中的晶枝。優(yōu)先形成的晶枝稱一次晶軸，先形成一次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)生二次軸…，樹(shù)枝間最后被填充。實(shí)際金屬結(jié)晶時(shí)，晶體多以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大方式長(zhǎng)大。3.樹(shù)枝狀長(zhǎng)大合金的結(jié)晶理論與純金屬相同。合金的結(jié)晶不是在恒溫下進(jìn)行的，有一定的結(jié)晶溫度范圍。在結(jié)晶過(guò)程中不只有一個(gè)固相和液相，而是在不同范圍內(nèi)有不同的相，各相成分也發(fā)生變化。模塊二晶粒大小及控制

一、細(xì)晶強(qiáng)化金屬結(jié)晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個(gè)晶粒是由一個(gè)晶核長(zhǎng)成的晶體，實(shí)際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆粒狀。在一般情況下,晶粒越小,則金屬的強(qiáng)度,塑性和韌性越好。工程上使晶粒細(xì)化,是提高金屬力學(xué)性能的重要途徑之一。這種方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。1.增加過(guò)冷度

一定體積的液態(tài)金屬中，若形核率N(單位時(shí)間單位體積形成的晶核數(shù),個(gè)/m3·s)越大，則結(jié)晶后的晶粒越多，晶粒就越細(xì)?。痪w長(zhǎng)大速度G(單位時(shí)間晶體長(zhǎng)大的長(zhǎng)度,m/s)越快，則晶粒越粗。

二、細(xì)化晶粒的措施隨著過(guò)冷度的增加,形核速率和長(zhǎng)大速度均會(huì)增大。但前者的增大更快，因而比值N/G也增大,結(jié)果使晶粒細(xì)化。增大過(guò)冷度的主要辦法是提高液態(tài)金屬的冷卻速度，采用冷卻能力較強(qiáng)的模子。實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用降低鑄型溫度、采用蓄熱大和散熱快的金屬鑄型、局部加冷鐵以及采用水冷鑄型等。這種方法只適合于小件或薄件，對(duì)于大型工件，如冷卻速度過(guò)大，會(huì)使結(jié)晶時(shí)的內(nèi)應(yīng)力加大，導(dǎo)致工件的變形甚至開(kāi)裂。2.變質(zhì)處理變質(zhì)處理就是在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，以增加晶核的數(shù)量或者阻礙晶核的長(zhǎng)大，以細(xì)化晶粒和改善組織。例如，在鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋼水中加入鈦、釩、鋁等。

氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子的宏觀組織(縱截面)細(xì)晶的熔模鑄件(上)普通鑄件(下)鑄鐵變質(zhì)處理前后的組織變質(zhì)處理前變質(zhì)處理后變質(zhì)處理使組織細(xì)化。變質(zhì)劑為硅鐵或硅鈣合金。3.振動(dòng)

在金屬結(jié)晶的過(guò)程中采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)等方法，可以破碎正在生長(zhǎng)中的樹(shù)枝狀晶體，形成更多的結(jié)晶核心，獲得細(xì)小的晶粒。

4.電磁攪拌將正在結(jié)晶的金屬置于一個(gè)交變電磁場(chǎng)中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會(huì)翻滾起來(lái)，沖斷正在結(jié)晶的樹(shù)枝狀晶體的晶枝，增加結(jié)晶核心，從而可細(xì)化晶粒。鑄錠三晶區(qū)12

鑄錠缺陷模塊三金屬鑄錠的組織工業(yè)上應(yīng)用的金屬零部件一般由兩種途徑獲得：一種是將液態(tài)金屬澆注到一定形狀與尺寸的鑄型中直接凝固而成，稱為鑄件（Casting）。另一種是通過(guò)液態(tài)金屬澆注成方或圓的鑄錠（Ingotcasting），然后再通過(guò)熱軋或鍛壓，最終可能通過(guò)切削加工和熱處理，甚至焊接來(lái)獲得零部件的幾何尺寸和性能。金屬結(jié)晶后的組織統(tǒng)稱為鑄態(tài)組織。對(duì)于鑄件來(lái)說(shuō)，鑄態(tài)組織和缺陷直接影響它的力學(xué)性能。對(duì)于鑄錠來(lái)說(shuō)，鑄態(tài)組織和缺陷直接影響它的加工性能，也有可能影響到最終零部件的力學(xué)性能。金屬鑄錠的組織和質(zhì)量，不僅在鑄造生產(chǎn)中，而且對(duì)幾乎所有的金屬零部件都是重要的。一、鑄錠三晶區(qū)2006200720082009中間柱狀晶粒層表面細(xì)晶粒層中心等軸晶粒層40⑴表層細(xì)晶區(qū)：澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過(guò)冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。⑵柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過(guò)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相反的方向生長(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。⑶中心粗等軸晶區(qū):由于結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導(dǎo)致柱狀晶生長(zhǎng)停止，當(dāng)心部液體全部冷至實(shí)際結(jié)晶溫度T1以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。金屬鑄錠的三個(gè)晶區(qū)的形成44表層細(xì)晶粒層

柱狀晶粒層中心等軸晶粒區(qū)液體金屬澆入鑄模后，由于模壁溫度較低，表層

金屬劇烈冷卻，過(guò)冷度大，且模壁的異質(zhì)形核作用，故鑄錠表層形成細(xì)晶粒層。柱狀晶粒區(qū)成長(zhǎng)到一定厚度時(shí)，散熱的方向性已不明顯，內(nèi)部液體處于均勻冷卻狀態(tài)，晶核在不同方向的成長(zhǎng)速度相同，因此在鑄錠的中心便形成粗大的等軸晶粒區(qū)。表層細(xì)晶粒層形成后，鑄錠的冷卻速度下降，晶核的形成速率不如成長(zhǎng)率大，各晶粒成長(zhǎng)較快。由于沿垂直于模壁方向散熱較快，故晶粒編沿這一方向長(zhǎng)大，形成柱狀晶粒層。鑄錠表層細(xì)晶區(qū)的組織致密，力學(xué)性能好，但該區(qū)很薄，對(duì)鑄錠性能影響不大。柱狀晶區(qū)的組織比中心粗大等軸晶區(qū)致密，其塑性較差，呈現(xiàn)各向異性，在鍛造和軋制時(shí)容易開(kāi)裂。因此，對(duì)塑性較差、熔點(diǎn)高的金屬不希望產(chǎn)生柱狀晶區(qū)。中心粗大等軸晶區(qū)組織疏松，雜質(zhì)較多，力學(xué)性能較低。定向凝固（Directionalsolidification）是指在熔模鑄造型腔中建立特定的溫度梯度，使金屬熔液散熱方向單一并垂直于生長(zhǎng)中的固-液界面，從而使金屬沿與散熱相反的方向結(jié)晶，獲得單向生長(zhǎng)的柱狀晶體。定向凝固技術(shù)最突出的成就是在渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片中的應(yīng)用，定向凝固高溫合金渦輪葉片消除了對(duì)空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應(yīng)力軸方向，從而改善了合金的使用性能。提高發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和可靠性，并延長(zhǎng)了使用壽命。定向凝固方法有下降功率法和快速逐步凝固法。定向凝固技術(shù)圖定向結(jié)晶裝置原理圖二、鑄造缺陷鑄造缺陷的類型較多，常見(jiàn)的有縮孔、氣孔、疏松、偏析、夾渣、白點(diǎn)等，它們對(duì)性能是有害的。1.縮孔縮孔是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)體積收縮且補(bǔ)縮不足造成的?？赏ㄟ^(guò)改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等來(lái)進(jìn)行控制。鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除。集中縮孔形成過(guò)程示意圖502.偏析合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。鑄錠(件)在結(jié)晶時(shí),由于各部位結(jié)晶先后順序不同，合金中的低熔點(diǎn)元素偏聚于最終結(jié)晶區(qū)，造成宏觀上的成分不均勻，稱宏觀偏析。適當(dāng)控制澆注溫度和結(jié)晶速度可減輕宏觀偏析。硫在鋼錠中偏析的模擬結(jié)果3．氣孔金屬在熔融狀態(tài)時(shí)能溶解大量的氣體，如氮?dú)?、氧氣、氫氣等，在冷卻過(guò)程中，由于溶解度隨溫度的降低而下降，特別是在金屬結(jié)晶時(shí)，由于氣體溶解度的劇烈下降而析出大量的氣體。當(dāng)金屬完全凝固，而氣體不能逸出時(shí)，在鑄錠或件內(nèi)部形成了氣孔（Castingporosity）。氣孔一般是圓形的，表面較光滑。氣孔對(duì)鑄件的危害很大，它不僅減少鑄件有效截面積，而且造成局部應(yīng)力集中，成為材料斷裂的裂紋源，可以使金屬力學(xué)性能降低，甚至造成鑄件報(bào)廢。對(duì)要求承受液壓和氣壓的鑄件，若含有氣孔，能明顯降低其致密性。鑄錠內(nèi)部的氣孔在壓力加工時(shí)一般可以焊合，但靠近鑄錠表層的皮下氣孔，則可能由于表皮破裂而氧化，在壓力加工時(shí)不能焊合，應(yīng)在壓力加工前車去，否則易在表面形成裂紋。模塊四合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶不是在恒溫下進(jìn)行的，有一定的結(jié)晶溫度范圍。在結(jié)晶過(guò)程中不只有一個(gè)固相和液相，而是在不同范圍內(nèi)有不同的相，各相成分也發(fā)生變化。用單一的冷卻曲線難以說(shuō)明合金的結(jié)晶過(guò)程，就必須借助于合金相圖這一重要工具。由地圖引出相圖我家在哪里？合金的成分？合金的狀態(tài)？合金的組成相？合金相圖又稱合金狀態(tài)圖或平衡圖，是表示在平衡（極其緩慢加熱或冷卻）條件下，合金系中各種合金狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖形。合金的相變？相圖是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。根據(jù)組元數(shù),分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。2.二元合金相圖的建立目前，合金狀態(tài)圖主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，且測(cè)定合金狀態(tài)圖的方法很多，但應(yīng)用最多的是熱分析法。以Cu—Ni合金相圖測(cè)定為例，說(shuō)明熱分析法的應(yīng)用及步驟：（1）配制不同成分的合金試樣，如Ⅰ純銅；Ⅱ80%Cu+20%Ni;Ⅲ60%Cu+40%Ni；合金Ⅳ40%Cu+60%Ni；合金Ⅴ：20%Cu+80%Ni;合金Ⅵ純Ni。（2）測(cè)定各組試樣合金的冷卻曲線并確定其相變臨界點(diǎn)；（3）將各臨界點(diǎn)繪在溫度—合金成分坐標(biāo)圖上；（4）將圖中具有相同含義的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，即得到Cu、Ni合金相圖。LL+αα

用熱分析法測(cè)定Cu－Ni相圖相圖由兩條線構(gòu)成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個(gè)相區(qū)，液相線以上為液相區(qū)L，固相線以下為固溶體區(qū)，兩條線之間為兩相共存的兩相區(qū)（L+）。

LL+

成分（wt%Ni）溫度（℃）CuNi液相線固相線二、二元?jiǎng)蚓鄨D合金的兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無(wú)限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖稱為二元?jiǎng)蚓鄨D。二元?jiǎng)蚓鄨D是最簡(jiǎn)單二元相圖，Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、W-Mo及Fe-Ni等合金都具有這類相圖?，F(xiàn)以Cu-Ni合金為例分析相圖簡(jiǎn)單二元相圖。

Cu-Ni合金相圖1.相圖構(gòu)成相圖由兩條線構(gòu)成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個(gè)相區(qū)，液相線以上為液相區(qū)L，固相線以下為固溶體區(qū)，兩條線之間為兩相共存的兩相區(qū)（L+）。

2.合金的結(jié)晶過(guò)程合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻條件下才能得到成分均勻的固溶體。由于實(shí)際生產(chǎn)中，合金冷卻速度快，原子擴(kuò)散不充分。擴(kuò)散過(guò)程總是落后于結(jié)晶過(guò)程，合金結(jié)晶是在非平衡的條件下進(jìn)行的。使先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點(diǎn)元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點(diǎn)元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。3.枝晶偏析在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象,

稱作枝晶偏析。枝晶偏析的消除不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析會(huì)影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長(zhǎng)時(shí)間保溫，以使原子充分?jǐn)U散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作均勻化或擴(kuò)散退火。三、二元共晶相圖當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶,并發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱作共晶相圖。以Pb-Sn相圖為例進(jìn)行分析。1．相圖分析共晶相圖中有三個(gè)單相區(qū)：液相區(qū)L，固相α和β相區(qū)；三個(gè)兩相區(qū)：L+α區(qū)，L+β區(qū)，α+β區(qū)；一個(gè)三相共存點(diǎn)：C點(diǎn)。AB在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變稱作共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。。

在共晶線對(duì)應(yīng)的溫度下（183℃），E點(diǎn)成分的合金同時(shí)結(jié)晶出C點(diǎn)成分的

固溶體和D點(diǎn)成分的

固溶體，形成這兩個(gè)相的機(jī)械混合物：LE?(

C+D)共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機(jī)械混合物稱共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點(diǎn)稱共晶點(diǎn)。具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點(diǎn)以左的合金稱亞共晶合金，位于共晶點(diǎn)以右的合金稱過(guò)共晶合金。Pb-Sn共晶組織2.Pb-Sn合金的結(jié)晶過(guò)程共晶合金結(jié)晶過(guò)程亞共晶合金結(jié)晶過(guò)程過(guò)共晶合金的結(jié)晶過(guò)程3.相組分和組織組分不同成分的Pb-Sn合金具有不同的顯微組織，其中α、αⅡ、β、βⅡ及共晶組織（α＋β）各具有一定的組織特征，是組成顯微組織的獨(dú)立部分，并在顯微鏡下可以明顯區(qū)分，稱之為組織組分。成分位于F點(diǎn)至G點(diǎn)之間的Pb-S