金屬凝固、結(jié)晶與相圖介紹

1、第二章第二章 材料的制備與相圖材料的制備與相圖Chapter2 Materials Preparation and Phase Diagram 2.1 材料的制備過程材料的制備過程 2.2 二元相圖的基本類型二元相圖的基本類型 2.3 典型二元相圖的應(yīng)用典型二元相圖的應(yīng)用Fe-C相圖分析相圖分析 2.4 凝固與結(jié)晶理論的應(yīng)用凝固與結(jié)晶理論的應(yīng)用 2.5 材料的非晶態(tài)材料的非晶態(tài)本章學(xué)習(xí)要求1. 明確金屬結(jié)晶的充分、必要條件，結(jié)晶的一般規(guī)律以及影響金屬結(jié)晶后晶粒大小的途徑與方法；2. 熟悉勻晶、共晶（包括共析）這兩類基本形式的二元合金相圖（其中包括相圖分析，典型合金的平衡結(jié)晶過程分析，杠桿定律的

2、應(yīng)用，以及利用與區(qū)分相組分和組織組分這兩種填寫相圖的方法等）；3. 熟練地掌握鐵碳合金相圖( 包括默畫鐵碳合金相圖、掌握、3、等基本相，熟知相圖中重要點(diǎn)、線的含義, 能以冷卻曲線及語言文字分析典型合金尤其是鋼的平衡結(jié)晶過程，正確利用杠桿定律計(jì)算室溫下鋼的相組分、組織組分的相對百分含量以及掌握鐵碳合金的成分一組織一性能之間關(guān)系)。本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)過程稱為凝固，物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱作結(jié)晶，而相圖則是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間相互關(guān)系和變化規(guī)律的有力工具。本章在確定工程材料結(jié)晶的一般規(guī)律，剖析金屬結(jié)晶的充分、必要條件、結(jié)晶規(guī)律及控制結(jié)晶后晶粒大小的途徑、方法，介紹

3、勻晶、共晶型兩類基本形式相圖分析方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論了鐵碳合金相圖。鐵碳合金相圖是本課程的第一個(gè)重點(diǎn)章節(jié)，因?yàn)殍F碳合金相圖鐵碳合金相圖是本課程的第一個(gè)重點(diǎn)章節(jié)，因?yàn)殍F碳合金相圖是研究鋼鐵材料的成分、相和組織的變化規(guī)律以及與性能之間是研究鋼鐵材料的成分、相和組織的變化規(guī)律以及與性能之間關(guān)系的重要理論基礎(chǔ)與有力工具。關(guān)系的重要理論基礎(chǔ)與有力工具。 此外，金屬結(jié)晶的條件、結(jié)晶的一般規(guī)律及控制結(jié)晶后晶粒大小的途徑與方法等亦應(yīng)十分明確。 2.1 材料的制備過程材料的制備過程 2.1.1凝固與結(jié)晶的條件凝固與結(jié)晶的條件 2.1.2 金屬材料的制備金屬材料的制備 1. 金屬的冶煉金屬的冶煉 2. 純金屬的

4、結(jié)晶規(guī)律純金屬的結(jié)晶規(guī)律2.1.1 凝固與結(jié)晶的條件凝固與結(jié)晶的條件1. 凝固與結(jié)晶的概念凝固與結(jié)晶的概念2. 凝固與結(jié)晶的條件凝固與結(jié)晶的條件主要取決于熔融液體的粘度和冷卻速度。主要取決于熔融液體的粘度和冷卻速度。（1）內(nèi)因粘度是材料內(nèi)部結(jié)合鍵性質(zhì)和結(jié)構(gòu)情況的宏觀表征，其大小表示了液體中發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)的難易程度。（2）外部因素冷卻速度。冷速越大，則在單位時(shí)間內(nèi)逸散的熱量越多，熔體溫度降得越低，這直接關(guān)系其中原子或分子的擴(kuò)散能力。冷速107oC/s ，可抑制金屬熔體重原子擴(kuò)散，制得非晶合金。2.1 材料的制備過程材料的制備過程2.1.2 金屬材料的制備金屬材料的制備1. 金屬的冶煉金屬的冶煉金屬

5、材料制備過程： 熱軋 型材 加工 零件 鑄錠 熱鍛機(jī)加工零件冶煉 鑄造 鑄件 機(jī)加工 零件2.1 材料的制備過程材料的制備過程1. 金屬的冶煉金屬的冶煉(1) 金屬冶煉方法：火法冶煉、濕法冶煉、電冶煉?；鸱ㄒ睙挘焊邷叵逻M(jìn)行，鋼鐵、有色金屬。 分：熔煉、吹煉、精煉。濕法冶煉：接近于常溫進(jìn)行，在溶液中進(jìn)行。電冶煉：電熱熔煉、電解。2.1 材料的制備過程材料的制備過程(2) 煉鋼方法：煉鋼方法：轉(zhuǎn)爐煉鋼法：鋼水吹氧，周期3040min，成本低電弧爐煉鋼法：廢鋼，合金鋼和高質(zhì)量鋼種。平爐煉鋼法：以煤氣為燃料 (3) 鋼液澆注方法：鋼液澆注方法：模鑄法、連續(xù)鑄鋼法。（4）鋼的爐外精煉方法：）鋼的爐外精煉

6、方法： 真空精煉法、惰性氣體稀釋法、噴粉精煉法2 純金屬的結(jié)晶規(guī)律純金屬的結(jié)晶規(guī)律 （1）. 充分條件：充分條件：液態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（結(jié)構(gòu)起伏）液態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（結(jié)構(gòu)起伏）2 純金屬的結(jié)晶規(guī)律純金屬的結(jié)晶規(guī)律(2). 必要條件必要條件： 過冷與過冷度（過冷與過冷度（T）不同冷速下的冷卻曲線示意圖不同冷速下的冷卻曲線示意圖（圖（圖2-3）自由能與溫度的關(guān)系曲線自由能與溫度的關(guān)系曲線（圖（圖2-4）2 純金屬的結(jié)晶規(guī)律純金屬的結(jié)晶規(guī)律(3). 結(jié)晶的普遍規(guī)律結(jié)晶的普遍規(guī)律形成晶核與晶形成晶核與晶核不斷長大的連續(xù)過程核不斷長大的連續(xù)過程單晶體與多晶體示意圖單晶體與多晶體示意圖（圖（圖2-6）3. 純質(zhì)

7、材料結(jié)晶的普遍規(guī)律純質(zhì)材料結(jié)晶的普遍規(guī)律（1）形核的方式 自發(fā)形核 非自發(fā)形核（2）晶核長大的方式 平面方式長大 樹枝晶方式長大 3. 純質(zhì)材料結(jié)晶的普遍規(guī)律純質(zhì)材料結(jié)晶的普遍規(guī)律（1）形核規(guī)律（以自發(fā)形核為主）形核規(guī)律（以自發(fā)形核為主）非自發(fā)形核示意圖非自發(fā)形核示意圖（2）晶核長大規(guī)律）晶核長大規(guī)律 平面方式長大平面方式長大（2）晶核長大規(guī)律）晶核長大規(guī)律 以樹枝晶方式長大為主以樹枝晶方式長大為主 金屬銻錠的組織示意圖金屬銻錠的組織示意圖預(yù)習(xí)預(yù)習(xí)準(zhǔn)備準(zhǔn)備 “2.3 鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖分析” 內(nèi)容的課堂討論內(nèi)容的課堂討論 參見參見“學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)指導(dǎo)”P1617中的中的 課堂討論（鐵碳

8、合金相圖）提綱課堂討論（鐵碳合金相圖）提綱 進(jìn)行充分準(zhǔn)備。進(jìn)行充分準(zhǔn)備。2.2 2.2 二元相圖的基本類型二元相圖的基本類型2.2.1 相圖的建立相圖的建立相圖的定義：相圖的定義：相圖相圖是表明合金系中各種合金相的平衡條件和是表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關(guān)系的一種簡明示圖，也稱為平相與相之間關(guān)系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。衡圖或狀態(tài)圖。 平衡平衡 是指在一定條件下合金系中參與相變過程是指在一定條件下合金系中參與相變過程的各相的成分和相對重量不再變化所達(dá)到一的各相的成分和相對重量不再變化所達(dá)到一種狀態(tài)。此時(shí)合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時(shí)間種狀態(tài)。此時(shí)合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時(shí)間

9、而改變。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)而改變。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)晶過程，一般可以認(rèn)為是平衡的結(jié)晶過程。晶過程，一般可以認(rèn)為是平衡的結(jié)晶過程。 2.2 2.2 二元相圖的基本類型二元相圖的基本類型2.2.1 相圖的建立相圖的建立1. 相圖的表示方法相圖的表示方法 純質(zhì)材料純質(zhì)材料 二元合金二元合金2. 相圖的建立相圖的建立 原理原理 步驟步驟TP273.16 K氣相氣相液相液相固相固相臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)609Pa水的相圖水的相圖水的三相點(diǎn)：水的三相點(diǎn)：K.T162733 2.2.1 2.2.1 相圖的建立相圖的建立 幾種不同配比的銅鎳合金用熱分析法建立用熱分析法建立Cu-NiCu-Ni相圖

10、相圖（a）冷卻曲線 （b）測定的相圖2.2.2 勻晶相圖（學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)）1. 相圖分析相圖分析 特性點(diǎn)特性點(diǎn) 特性線特性線 基本相基本相 相區(qū)相區(qū)2. 典型合金的平衡結(jié)晶過程分析典型合金的平衡結(jié)晶過程分析 1).文字說明文字說明 2).冷卻曲線描述冷卻曲線描述 3. 固溶體合金結(jié)晶規(guī)律固溶體合金結(jié)晶規(guī)律 4. 杠桿定律及其應(yīng)用杠桿定律及其應(yīng)用 1)推導(dǎo)推導(dǎo) 2)主要內(nèi)容主要內(nèi)容 3)適用條件適用條件 5. 不平衡結(jié)晶不平衡結(jié)晶枝晶偏析枝晶偏析 1)含義含義 2)產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 3)消除辦法消除辦法 2. 勻晶相圖分析勻晶相圖分析Cu-NiCu-Ni合金的顯微組織示意圖合金的顯微組織示意圖3.

11、固溶體合金的平衡結(jié)晶規(guī)律固溶體合金的平衡結(jié)晶規(guī)律（1）變溫結(jié)晶（2）在結(jié)晶過程中，兩平衡相的成分和相對百分含量是不斷變化的。液相的成分沿著液相線變化，固相的成分沿著固相線變化；此間的任一溫度瞬時(shí)，都可應(yīng)用杠桿定律計(jì)算液固兩相的相對百分含量。4. 杠桿定律杠桿定律 及應(yīng)用及應(yīng)用僅適用于兩相區(qū)，用來求兩個(gè)平衡相的化學(xué)成分和相對百分含量。注意支點(diǎn)的位置，一般是合金的成分點(diǎn)；兩個(gè)端點(diǎn)一定處在兩相區(qū)和單相交界處。5.不平衡結(jié)晶不平衡結(jié)晶枝晶偏析枝晶偏析（a）不平衡結(jié)晶； （b）不平衡結(jié)晶的組織5.不平衡結(jié)晶不平衡結(jié)晶枝晶偏析枝晶偏析5.不平衡結(jié)晶不平衡結(jié)晶枝晶偏析枝晶偏析Cu-Ni合金枝晶偏析示意圖 2

12、.2.3 共晶相圖（學(xué)習(xí)的重點(diǎn)）共晶相圖（學(xué)習(xí)的重點(diǎn)）1. 相圖分析相圖分析（1）共晶相圖的形成）共晶相圖的形成（2）相圖分析）相圖分析 .特性點(diǎn)、線 .基本相 .相區(qū)1.1.相圖分析相圖分析（1 1）共晶相圖的形成）共晶相圖的形成1.1.相圖分析相圖分析（2）相圖分析）相圖分析2.2.典型合金的平衡結(jié)晶過程典型合金的平衡結(jié)晶過程分析分析（1 1）有限固溶體合金）有限固溶體合金（2 2）共晶成分的合金）共晶成分的合金（3 3）亞共晶成分合金）亞共晶成分合金（4 4）過共晶成分合金）過共晶成分合金（1）有限固溶體合金有限固溶體合金 圖2*-1 10%Sn有限固溶體合金的冷卻曲線及組織（1）有限固

13、溶體合金有限固溶體合金杠桿定律的應(yīng)用杠桿定律的應(yīng)用在室溫下，計(jì)算相百分在室溫下，計(jì)算相百分含量含量.（1）有限固溶體合金有限固溶體合金平衡結(jié)晶過程分析平衡結(jié)晶過程分析 文字說明文字說明 冷卻曲線描繪冷卻曲線描繪反應(yīng)性質(zhì)反應(yīng)性質(zhì) 勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng) + + 二次析出反應(yīng)二次析出反應(yīng)組織特征組織特征 + 或（或（+）杠桿定律的應(yīng)用杠桿定律的應(yīng)用 計(jì)算相組分的相對百分含量計(jì)算相組分的相對百分含量 計(jì)算組織組分的相對百分含量計(jì)算組織組分的相對百分含量（2 2）共晶成分的合金）共晶成分的合金共晶合金的冷卻曲線及室溫下的組織（2 2）共晶成分的合金）共晶成分的合金（2 2）共晶成分的合金）共晶成分的合金平衡

14、結(jié)晶過程分析平衡結(jié)晶過程分析 文字說明文字說明 冷卻曲線描繪冷卻曲線描繪反應(yīng)性質(zhì)反應(yīng)性質(zhì) 共晶反應(yīng)共晶反應(yīng) + 二次析出反應(yīng)二次析出反應(yīng)組織特征組織特征 （+），共晶體，共晶組織），共晶體，共晶組織杠桿定律的應(yīng)用杠桿定律的應(yīng)用（3）亞共晶成分合金）亞共晶成分合金 圖圖4* 亞共晶合金的冷卻曲線及組織亞共晶合金的冷卻曲線及組織（3）亞共晶成分合金）亞共晶成分合金初晶的截取位置及相應(yīng)的組織形貌初晶的截取位置及相應(yīng)的組織形貌（3）亞共晶成分合金）亞共晶成分合金平衡結(jié)晶過程分析平衡結(jié)晶過程分析 文字說明文字說明 冷卻曲線描繪冷卻曲線描繪反應(yīng)性質(zhì)反應(yīng)性質(zhì) 勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng) + 共晶反應(yīng)共晶反應(yīng) + 二次

15、析二次析出反應(yīng)出反應(yīng)組織特征組織特征 +（+）+ 杠桿定律的應(yīng)用杠桿定律的應(yīng)用（4 4）過共晶成分的合金）過共晶成分的合金平衡結(jié)晶過程分析平衡結(jié)晶過程分析 文字說明文字說明 冷卻曲線描繪冷卻曲線描繪反應(yīng)性質(zhì)反應(yīng)性質(zhì) 勻晶反應(yīng) + 共晶反應(yīng) + 二次析出反應(yīng)組織特征組織特征 +（+）+杠桿定律的應(yīng)用杠桿定律的應(yīng)用（4 4）過共晶成分的合金）過共晶成分的合金 過共晶合金的冷卻曲線及組織過共晶合金的冷卻曲線及組織3. 3. 兩種填寫相圖的方法兩種填寫相圖的方法圖圖2-12 標(biāo)明組織組分的鉛標(biāo)明組織組分的鉛-錫合金相圖錫合金相圖3. 3. 兩種填寫相圖的方法兩種填寫相圖的方法圖圖2-11 以相組分形式

16、填寫相圖的方法以相組分形式填寫相圖的方法4. 4. 包晶相圖的特征包晶相圖的特征4. 4. 包晶相圖的特征包晶相圖的特征5. 5. 具有穩(wěn)定化合物的相圖具有穩(wěn)定化合物的相圖6. 6. 具有共析反應(yīng)的相圖具有共析反應(yīng)的相圖7. 7. 二元合金相圖與性能二元合金相圖與性能之間的關(guān)系之間的關(guān)系合金的性能取決于它的成分和組織合金的性能取決于它的成分和組織, , 相圖則可相圖則可反映不同成分的合金在室溫時(shí)的平衡組織。因反映不同成分的合金在室溫時(shí)的平衡組織。因此此, , 具有平衡組織的合金的性能與相圖之間存具有平衡組織的合金的性能與相圖之間存在著一定的對應(yīng)關(guān)系。在著一定的對應(yīng)關(guān)系。 7. 7. 二元合金相

17、圖與性能二元合金相圖與性能之間的關(guān)系之間的關(guān)系圖圖2-16 合金的性能與相圖的關(guān)系合金的性能與相圖的關(guān)系（2）合金的工藝性能與相圖）合金的工藝性能與相圖 的關(guān)系的關(guān)系2.3 2.3 鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖分析2.3 2.3 鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖分析抗拉強(qiáng)度極限 b 延伸率 斷面收縮率 沖擊韌性 ak J/m2硬度 Fe180230MPa30%50% 70%80%1.61062106 5080HBFe3C30MPa 0 0 0 800 HB 2.3 2.3 鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖分析鐵碳合金中的相：液相L、相、相、相、Fe3C相 相圖中重要的點(diǎn)：J為包晶點(diǎn)、 C點(diǎn)為共晶點(diǎn)、S

18、點(diǎn)為共析點(diǎn) 相圖中重要的線相圖中重要的線: : 水平線HJB為包晶反應(yīng)線。碳含量0.09%0.53% 水平線ECF為共晶反應(yīng)線。碳含量在2.11%6.69% 水平線PSK為共析反應(yīng)線。碳含量0.0218%6.69% GS線自A中開始析出F的臨界溫度線, 通常稱A3線。 ES線是碳在A中的固溶線, 通常稱Acm線 PQ線是碳在F中固溶線。 Fe3CIII 2.3 2.3 鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖分析根據(jù)Fe-Fe3C相圖, 鐵碳合金可分為三類：工業(yè)純鐵(C)0.0218% 鋼0.0218%(C)2.11% 亞共析鋼 0.0218%(C)0.77% 共析鋼 (C) = 0.77% 過共析鋼 0.77%(C)2.11% 白口鑄鐵2.11%(C)6.69% 亞共晶白口鑄鐵 2.11%(C)4.3% 共晶白口鑄鐵 (C) = 4.3% 過共晶白口鑄鐵 4.3%(C)1012K/s, 合金 108K/s非晶合金組成：金屬-金屬 金屬-類金屬(B Si P Ge) 鋯鋁鎂銅體系 2. 非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特性結(jié)構(gòu)長程無序和短程有序熱力學(xué)亞穩(wěn)定性2.5 2.5 材料的非晶態(tài)材料的非晶態(tài)2.4.1 2.4.1 材料的非晶態(tài)特性材料的非晶態(tài)特性 1