第三章材料的凝固與結(jié)晶組織

1、第三章材料的凝與結(jié)晶組織（4學(xué)時(shí)）凝固與結(jié)晶區(qū)別；純金屬結(jié)晶條件及結(jié)晶過(guò)程（過(guò)冷度、熱力學(xué)分析、形核及生長(zhǎng)方式）,晶粒大小及控制（晶粒度、影響晶粒尺寸因素、細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制及細(xì)化晶粒方法）；同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；合金相結(jié)構(gòu)（固溶體分類及固溶強(qiáng)化機(jī)制；金屬化 合物分類、性能特點(diǎn)及彌散強(qiáng)化機(jī)制）相圖基本概念；勻晶.共晶和共析相圖；鑄錠三晶區(qū)；冶金缺陷第一節(jié)概述:凝固、結(jié)晶P35凝固：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)過(guò)程。凝固物質(zhì)為晶體或非晶體。 結(jié)晶：凝固物質(zhì)是晶體的凝固過(guò)程。金屬凝固后一般都是晶體，故其凝固過(guò)程就是結(jié)晶過(guò)程。凝固物質(zhì)為非晶體的凝固過(guò)程不能稱為結(jié)晶，因?yàn)榉蔷w是由于溫度下降粘 度增大所致，其液、固結(jié)構(gòu)相同

2、。第二節(jié)純金屬結(jié)晶P36結(jié)晶條件A平衡結(jié)晶溫度Tm：金屬熔化和結(jié)晶的理論臨界溫度。A實(shí)際結(jié)晶溫度Tn：金屬冷卻時(shí)開(kāi)始結(jié)晶的實(shí)際溫度。A過(guò)冷：純金屬實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度現(xiàn)象。A過(guò)冷度AT：平衡結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值。A冷卻時(shí)水平平臺(tái)產(chǎn)生原因：散熱與凝固枷的潛熱處于平衡狀態(tài)。A影響過(guò)冷度因素：金屬本性、純度及冷卻速度。純度越高，過(guò)冷度越大；冷卻 速度越大，過(guò)冷度越大。思考題：1 什么是平衡結(jié)晶溫度？2 什么是實(shí)際結(jié)晶溫度？3什么是過(guò)冷？什么是過(guò)冷度？4 純金屬凝固時(shí)冷卻曲線上產(chǎn)生水平平臺(tái)原因是什么?A凝固熱力學(xué)條件：吉布斯自由能小于等于零，即AGWO。IllIIIIII液態(tài)和固態(tài)吉布

3、斯自由能隨溫度變化速率不同一產(chǎn)生交點(diǎn)一交 點(diǎn)處固相與液相G相同，對(duì)應(yīng)溫度即理論結(jié)晶溫度Tm-T<Tm時(shí)，Gs <GL,發(fā)生凝固；T>Tm時(shí)，Gs>GL,發(fā)生熔化。A結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力：吉布斯自由能差，不是過(guò)冷度。>A T與 G關(guān)系：A T越尢 G越尢結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越大，結(jié)晶速度越快。思考題：凝固的熱力學(xué)條件是什么？結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力是什么?結(jié)晶過(guò)程P37:形核和長(zhǎng)大A形核方式：v均勻形核：液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核。/非均勻形核：以液體中存在的固態(tài)質(zhì)點(diǎn)為核心形核。非均勻形核更普遍。非均勻形核示意圖Oz o形成晶核O<0全部結(jié)晶A晶核生長(zhǎng)方式：平|面生長(zhǎng)和樹(shù)枝獲生k o &

4、#39;庁與" 實(shí)際金屬結(jié)晶主要以卜啟面 樹(shù)枝狀生長(zhǎng)方式長(zhǎng)大。".、非密集面平而生長(zhǎng)結(jié)羸邁程示意圖思考題：形核有哪兩種方式？實(shí)際金屬結(jié)晶中主要是哪種形核方式？晶核生長(zhǎng)有哪兩種方 式？實(shí)際金屬結(jié)晶中晶核主要以哪種方式生長(zhǎng)？結(jié)晶晶粒大小及控制P38A晶粒度：晶粒大小的尺度。乞晶粒度等級(jí)分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)。顯微鏡下100倍晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照評(píng)級(jí)IfA決定晶粒度因素：I形核率N：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目：晶核生長(zhǎng)速度G：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度。研究表明，N/G比值越大，晶粒越細(xì)小。1=1A晶粒度對(duì)材料性自總影卩向（或?yàn)槭裁淳ЯＴ郊?xì)小，常溫下金屬?gòu)?qiáng)度硬度越高塑性

5、越 好?）III常溫下，晶粒越細(xì)小，晶界越多，因晶界處晶格畸變提高塑性變 形抗力，使金屬?gòu)?qiáng)度硬度提高。同時(shí)，細(xì)晶粒金屬晶粒數(shù)目多，變 形可均勻分布在許多晶粒上，使其塑性好。思考題：1 形核率與晶核生長(zhǎng)速率對(duì)晶粒尺寸有何影響？（） 2為什么常溫下晶粒越細(xì)小金屬的強(qiáng)度硬度越高，塑性越好?控制晶粒度方法P39/提高過(guò)冷度：A TT-N、G和N/G均增大細(xì) 化晶粒。鑄造生產(chǎn)中，提高鑄型吸熱能力和 導(dǎo)熱性能.降低澆注溫度、慢澆注等均可達(dá) 到細(xì)化晶粒目的。AT形核率N 長(zhǎng)大速度/變質(zhì)處理:澆注前向液態(tài)金屬中加入變質(zhì)劑使晶粒細(xì)化和組織改善。 變質(zhì)劑加入后增加了異質(zhì)形核的核心，使形核率增大，從而達(dá)到細(xì)化 晶粒

6、的目的。如鋁合金中加鈦、錯(cuò)、飢等可細(xì)化晶粒。振動(dòng)處理：結(jié)晶時(shí)向液態(tài)金屬輸入一定頻率振動(dòng)波，使樹(shù)枝晶臂折 斷破碎，增加晶核數(shù)目，提咼形核率，使晶粒細(xì)化。常用方法包括機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)和電磁攪拌等，如鋼連鑄技 術(shù)中使用的電磁攪拌技術(shù)。思考題：1 控制晶粒度主要方法有哪些？并簡(jiǎn)單說(shuō)明該方法細(xì)化晶粒機(jī)制。2如果其它條件相同，試比較在下述鑄造條件下所得鑄件晶粒的大小，并簡(jiǎn)單說(shuō)明 理由。R金屬型澆注與砂型澆注；b）高溫澆注與低溫澆注；c）鑄成薄壁件與鑄成厚 壁件；d）澆注時(shí)采用振動(dòng)與不采用振動(dòng)；e）厚大鑄件的表面部分與中心部分。晶體同素異構(gòu)P40/同素異構(gòu)（或多晶型）:同種金屬在不同溫度和壓力下，具有不

7、同晶體結(jié)構(gòu)。 /同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。 例："e聖v_Fe聖邑小第三節(jié)合金的結(jié)晶與相圖P4031合金相結(jié)構(gòu) ffl：合金中具有同一化學(xué)成分、聚集狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，且以界面相互分開(kāi)的各個(gè)均勻組成部分。分固溶體和金屬化合物兩類。固溶體：溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑中所組成的合金相。P41A分類：溶質(zhì)原子位置：置換固V容體（溶質(zhì)原子置換溶劑原子、占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)）和間 隙固溶體（溶質(zhì)原子進(jìn)入金屬溶劑晶格間隙。溶質(zhì)原子半徑較小，如C、N、B和H原子）；溶解度:固溶強(qiáng)化:溶質(zhì)原子溶入基體形成固溶體,使材料強(qiáng)度硬度升高現(xiàn)象。A固溶強(qiáng)化機(jī)制：溶質(zhì)溶1畸變f使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力上升f金

8、屬滑移變形變得困難f思考題：1 什么是同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變？ 2什么是固溶體、間隙固溶體、置換型固溶體、有限固? 3什么是固溶強(qiáng)化？解釋固溶強(qiáng)化機(jī)制。4Si、C、N、Mn、Cr和B等元素在aFe中分別形成哪種固溶體 ? （C、N和B間隙型固溶體，Mn. Cr和Si置換型固溶體）金屬化合物：合金元素間發(fā)生反應(yīng)形成的新相。P42特性：具有較高熔點(diǎn)、硬度和脆性。分類：/正常價(jià)化合物：嚴(yán)格服從原子價(jià)規(guī)律的化合物。 女0Mg2Si o /電子化合物：按照一定電子濃度形成的化合物， 如 CigSn o金屬鍵結(jié)合,具有金屬特性，可導(dǎo)電，是許多有色金屬?gòu)?qiáng)化相。/間隙相和冋隙化合物：由過(guò)渡族金屬元素與c、N、B、H等原

9、子半徑 小的非金屬元素結(jié)合形成的化合物。是鋼鐵材料常用強(qiáng)化相。間隙相：氐知<°59,晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如Fe?N/W/C/TiC/VC等；-鐵原子 -破克子0. 451$wi碳原子Fe3C的品格O筑原子間隙相(VC)的結(jié)構(gòu)間慷化合®:rx/rM>0.59,晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如FM/MQMQgc等色鐵碳合金中的FgCA彌散強(qiáng)化：合金中形成的化合物,使合金強(qiáng)度硬度升高，塑性和韌性下降現(xiàn)象。A影響彌散強(qiáng)化效果因素：化合物形態(tài)、數(shù)量、大小和分布。通常化合物數(shù) 量越多、尺寸越小、分布越均勻，彌散強(qiáng)化效果越好。思考題：什么是正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙相和間隙化合物、彌散強(qiáng)化?3

10、.2二元合金相圖P44基本概念:/合金：由兩種或兩種以上金屬元素，或金屬與非金屬組成的具有 金屬特性物質(zhì)。/組織：用肉眼或顯微鏡觀察到的材料內(nèi)部微觀形貌。/相圖：材料中平衡相與成分、溫度間關(guān)系圖解。下面介紹簡(jiǎn)單的 二兀相圖勻晶相圖、共晶相圖和共析相圖。思考題：什么是合金、組織、相圖?.勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固態(tài)均無(wú)限互溶的二元合金相圖。P44-46 A勻晶相圖分析:熔點(diǎn)、相區(qū)（單相區(qū)和兩相區(qū)）、線（液相線和固相線）。 溫度溫聶Bb A勻晶相圖結(jié)晶過(guò)程分析:熔點(diǎn)bL+A»勻晶轉(zhuǎn)變特點(diǎn)1）包含形核和咯大（樹(shù)枝晶方式生長(zhǎng)）過(guò)程;2）在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)完成；3）液、固相成分分別沿液、固相線變

11、化;4）沛相和因相質(zhì)量分?jǐn)?shù)川杠桿宗逢計(jì)復(fù),i壯ICU圖合金平衡結(jié)晶過(guò)程時(shí)間N/ I I人a I “ I LI I y八14|rr v I鄉(xiāng)5）實(shí)際生產(chǎn)存在成分偏析或枝晶偏析（實(shí)際生產(chǎn) 冷卻速度較快，因固相中原子擴(kuò)散困難，導(dǎo)致先結(jié)晶枝晶 軸富含高熔點(diǎn)組元，后結(jié)晶枝晶間富含低熔點(diǎn)組元，造成 一個(gè)枝晶或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻現(xiàn)象。）A枝晶偏析對(duì)性能影響：降低合金 塑性、韌性、耐蝕性和壓力加工性 能。A均勻化退火:將鑄件加熱到固相線 以下100-200°C長(zhǎng)時(shí)間保溫消除或減 輕枝晶偏析的熱處理工藝。思考題：1什么是勻晶相圖？ 2用杠桿定律計(jì)算勻晶合金平衡凝固過(guò)程中相及組織組成物相二元共晶相

12、圖：兩組元液態(tài)無(wú)限互溶、固態(tài)有限互溶，并發(fā)生共 晶轉(zhuǎn)變形成共晶組織的二兀相圖。P47/共晶相圖分析A相區(qū):單相區(qū)、兩相區(qū)和三相區(qū)。A重要線：液相線、固相線、溶解度線 和共晶線。嚴(yán)共晶反應(yīng)：一定成分的一個(gè)液相在一 定溫度下反應(yīng)生成成分一定的兩個(gè)新 固相反應(yīng)，即：La +B。共晶反應(yīng)是恒溫反應(yīng)，發(fā)生共晶反 應(yīng)的溫度稱為共晶溫度，共晶反應(yīng)產(chǎn) 物稱為共晶體或共晶組織。A共晶：E點(diǎn)成分合金亞共晶合金:M和E點(diǎn)成分之間合金 過(guò)共晶合金:E和N點(diǎn)成分之間合金思考題：1 什么是二元共晶相圖？什么是共晶反應(yīng)？什么是共晶組織？2 請(qǐng)根據(jù)共晶相圖單相區(qū)的相標(biāo)注出相圖中兩相區(qū)的相。3為什么鑄造合金常選用接近共晶成分的

13、合金？為什么壓力加工合金常選用單相固溶體成分 的合金？（）/共晶、亞共晶和過(guò)共晶結(jié)晶過(guò)程分析:3時(shí)間3時(shí)間()I.feo靠微組織晏晶合舍冷卻曲線， 及凝固過(guò)程示倉(cāng)圖Pb-Sn過(guò)共晶合金IY冷卻曲線及凝固過(guò)率示意圖曲線及凝固過(guò)程示意圖a + B2y+ B溫 度亞共晶合金的結(jié)晶矗時(shí)間盤(pán):V共晶反應(yīng)L-3 十B） r色1二次析出相:口和B a錄戕氓ot匚匕3 +閃， 7J（十）a3時(shí)間Q2切共析相圖P50IllA共析反應(yīng)：一定溫度下，由一定成分的一 個(gè)固相分解為兩個(gè)一定成分新固相的反應(yīng)（ap i+P 2）。A共析反應(yīng)特點(diǎn)（與共晶反應(yīng)相比）:1）-個(gè)固相 轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)新固相;2）共析組織比共晶組織細(xì)a力

14、、（因?yàn)楣参龇磻?yīng)原子擴(kuò)散困難，過(guò)冷度大，形核率高）。思考題：什么是共析反應(yīng)？與共晶反應(yīng)相比，共析反應(yīng)有哪些特點(diǎn)?典型三晶區(qū)P5蓼四節(jié)鑄態(tài)組織與冶金缺陷P51A表層細(xì)晶區(qū)：模壁激冷，過(guò)冷度大+模壁非均勻形核一形核率 大一晶核向各方向生長(zhǎng)相遇停止生長(zhǎng)一緊貼模壁形成等軸細(xì)晶區(qū)。特點(diǎn)：晶粒細(xì)小，組織致密，力學(xué)性能好。但表層細(xì)晶區(qū)很 薄，實(shí)用意義不大。A中間柱狀晶區(qū)：模壁溫度升高，冷卻速度下降，導(dǎo)致細(xì)晶區(qū)前 沿液態(tài)金屬形核率下降甚至不能形核一液固界面細(xì)晶區(qū)中某些小 晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大一垂直模壁方向散熱最快，小晶粒沿與散熱方向相 反的方向擇優(yōu)生長(zhǎng)一形成柱狀晶組織。特點(diǎn)：柱狀晶晶粒間界面較平直，氣泡、縮孔很少，組

15、織較 致密。柱狀晶性能為各向異性。A心部等軸晶區(qū)：隨著柱狀晶生長(zhǎng)，凝固潛熱釋放，散熱減慢，內(nèi)部溫度逐漸均勻: 每個(gè)晶粒在各方向上生長(zhǎng)接近一致，故形成等軸晶。等軸晶區(qū)性能特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：晶粒生長(zhǎng)時(shí)彼此交叉，枝杈間搭接牢固，晶粒彼此 咬合，裂紋不易擴(kuò)展，不存在明顯脆弱界面；性能具有偽各向同性特點(diǎn)；缺點(diǎn)：顯 微縮孔多，組織不致密，但內(nèi)孔未氧化，熱加工時(shí)可焊合，對(duì)性能影響不大。思考題：1.典型鑄錠由表至里由哪三個(gè)晶區(qū)組成？ 2簡(jiǎn)述表面細(xì)晶區(qū)形成機(jī)制。3為什么鋼 錠希望減小柱狀晶區(qū)，而銅錠和鋁錠往往希望擴(kuò)大柱狀晶區(qū)？（鋼錠塑性和對(duì)較差，發(fā)達(dá)柱狀晶容易導(dǎo)致熱軋開(kāi)裂造 成廢品，因而限制柱狀晶；發(fā)達(dá)柱狀晶可使銅錠

16、和鋁錠獲得較致密的鑄錠，同時(shí)因其塑性相對(duì)較好，柱狀晶不會(huì)引起熱軋開(kāi)裂）鋼中心疏松冶金缺陷A縮孔與疏松：凝固時(shí)體積收 縮、得不到液態(tài)金屬補(bǔ)充形成 的尺寸較大的集中孔洞（縮孔）和 尺寸較2、的分厳縮禮麻初OA氣泡、裂紋：凝固時(shí)氣體析出聚集 或液態(tài)金屬與鑄型等反應(yīng)產(chǎn)生的氣體 形成的氣泡；凝固產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過(guò) 金屬的強(qiáng)度極限時(shí)產(chǎn)生的裂紋。P53A偏析：指成分分布不均勻現(xiàn)象。顯微或微觀偏析：樹(shù)枝晶內(nèi)枝干間偏析（如枝晶偏析和晶界偏析）；區(qū)域或宏觀偏析：鑄錠中一個(gè)區(qū)域與另一個(gè)區(qū)域間或柱狀晶內(nèi)枝 晶主軸方向產(chǎn)生的偏析。思考題：鑄錠或鑄件中常見(jiàn)的5種冶金缺陷指哪些？（縮孔、疏松、氣泡.裂紋和偏析）本章作業(yè) P5

17、3-54： 3-1, 3-2, 3-3, 3-7, 3-8作業(yè)參考答案：31試分析純金屬冷卻曲線上出現(xiàn)“平臺(tái)”的原因。答：凝固釋放的潛熱與散熱達(dá)到平衡。32如果其它條件相同，試比較下列鑄造條件下，所得鑄件晶粒的大小：（1）金屬型澆注 與砂型澆注；（2）高溫澆注與低溫澆注；（3）鑄成薄壁件與鑄成厚壁件；（4）澆注時(shí)采 用振動(dòng)與不采用振動(dòng)；（5）厚大鑄件的表面部分與中心部分。答：1）金屬型澆注獲得的鑄件晶粒??；2）低溫澆注獲得的鑄件晶粒??；3）鑄成薄壁件獲得的鑄件晶粒??；4）采用振動(dòng)獲得的鑄件晶粒?。?）厚大鑄件的表面部分獲得的鑄件晶 粒小。33Si、C、N、6、Mn、等元素在aFe中各形成哪些固

18、溶體?答：C、N、B形成間隙固溶體，Si、Cr、Mn形成置換型固溶體。37為什么鑄造合金常選用接近共晶成分的合金？為什么需進(jìn)行壓力加工的合金常選用單相固溶體成分的合金?答：因?yàn)榻簿С煞趾辖鸬娜埸c(diǎn)低，鑄造性能好（如流動(dòng)性好，形成縮孔和疏松傾向下等） 因?yàn)閱蜗喙倘荏w強(qiáng)度低，塑性好，有利于壓力加工。38為什么鋼錠希望減少柱狀晶區(qū)，而銅錠.鋁錠往往希望擴(kuò)大柱狀晶區(qū)?答：鋼錠形成發(fā)達(dá)的柱狀晶區(qū)，因其塑性相對(duì)較差，在熱軋時(shí)可能導(dǎo)致開(kāi)裂而使產(chǎn)品報(bào)廢，而限制柱狀 晶，細(xì)化晶粒，可改善鑄件組織和提高鑄件性能。銅錠和鋁錠具有較好的塑性，擴(kuò)大柱狀晶區(qū)可獲得組織較致密的鑄錠，同時(shí)發(fā)達(dá)的柱狀晶在熱軋時(shí) 不會(huì)引起開(kāi)裂缺陷。P52第二章和第三章測(cè)試題1 過(guò)冷度是：a）平衡結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度差；拆平衡結(jié)晶溫度；c）實(shí)際結(jié)晶溫度。2半徑較小的溶質(zhì)原子如碳、氫、氮等溶入鐵中形成的固溶體是：a）置換型固溶體；b）間隙型固溶 體；c）間隙相。3三維尺寸均很小的缺陷是:a）面缺陷；b）線缺陷；c）點(diǎn)缺陷。4面缺陷的：a）二維尺寸很大，一維尺寸很小；b）三維尺寸很大；c）三維尺寸很小。5固態(tài)和液態(tài)均無(wú)限互溶的二元合金相圖是：a