金屬凝固結(jié)晶與相圖介紹

金屬凝固結(jié)晶與相圖介紹★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(guò)程分析，杠桿定律的應(yīng)用，以及利用與區(qū)分相組分和組織組分這兩種填寫(xiě)相圖的方法等）；3.熟練地掌握鐵碳合金相圖(包括默畫(huà)鐵碳合金相圖、掌握α、Ｆｅ3Ｃ、γ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(yǔ)言文字分析典型合金尤其是鋼的平衡結(jié)晶過(guò)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(duì)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)。第2頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天★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(guò)程稱為凝固，物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過(guò)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。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。第3頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1材料的制備過(guò)程2.1.1凝固與結(jié)晶的條件

2.1.2

金屬材料的制備

1.金屬的冶煉

2.純金屬的結(jié)晶規(guī)律第4頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1.1凝固與結(jié)晶的條件1.凝固與結(jié)晶的概念2.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。（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(duì)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。第5頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1材料的制備過(guò)程2.1.2

金屬材料的制備1.金屬的冶煉金屬材料制備過(guò)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→零件第6頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1材料的制備過(guò)程1.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。第7頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1材料的制備過(guò)程(2)煉鋼方法：轉(zhuǎn)爐煉鋼法：鋼水吹氧，周期30~40min，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：模鑄法、連續(xù)鑄鋼法。（4）鋼的爐外精煉方法：

真空精煉法、惰性氣體稀釋法、噴粉精煉法第8頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2

純金屬的結(jié)晶規(guī)律

（1）.充分條件：液態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（結(jié)構(gòu)起伏）第9頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2

純金屬的結(jié)晶規(guī)律(2).必要條件：過(guò)冷與過(guò)冷度（ΔT）第10頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天不同冷速下的冷卻曲線示意圖

（圖2-3）第11頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天自由能與溫度的關(guān)系曲線

（圖2-4）第12頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2

純金屬的結(jié)晶規(guī)律(3).結(jié)晶的普遍規(guī)律——形成晶核與晶核不斷長(zhǎng)大的連續(xù)過(guò)程第13頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天單晶體與多晶體示意圖

（圖2-6）第14頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.純質(zhì)材料結(jié)晶的普遍規(guī)律（1）形核的方式①自發(fā)形核②非自發(fā)形核（2）晶核長(zhǎng)大的方式①平面方式長(zhǎng)大②樹(shù)枝晶方式長(zhǎng)大第15頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.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）非自發(fā)形核示意圖第16頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）晶核長(zhǎng)大規(guī)律

①平面方式長(zhǎng)大第17頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）晶核長(zhǎng)大規(guī)律

②以樹(shù)枝晶方式長(zhǎng)大為主第18頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天

金屬銻錠的組織示意圖第19頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天預(yù)習(xí)準(zhǔn)備

“2.3鐵碳合金相圖分析”內(nèi)容的課堂討論

參見(jiàn)“學(xué)習(xí)指導(dǎo)”P(pán)16~17中的課堂討論（鐵碳合金相圖）提綱進(jìn)行充分準(zhǔn)備。第20頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2二元相圖的基本類型

2.2.1

相圖的建立相圖的定義：相圖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(jiǎn)明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。平衡

是指在一定條件下合金系中參與相變過(guò)程的各相的成分和相對(duì)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)間而改變。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)晶過(guò)程，一般可以認(rèn)為是平衡的結(jié)晶過(guò)程。第21頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2二元相圖的基本類型

2.2.1

相圖的建立1.相圖的表示方法

?純質(zhì)材料?二元合金2.相圖的建立

?原理?步驟第22頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天TP273.16K氣相液相固相臨界點(diǎn)609Pa水的相圖水的三相點(diǎn)：第23頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2.1相圖的建立

幾種不同配比的銅鎳合金第24頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天用熱分析法建立Cu-Ni相圖（a）冷卻曲線（b）測(cè)定的相圖第25頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2.2勻晶相圖（學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)）1.

相圖分析

?特性點(diǎn)?特性線?基本相?相區(qū)2.

典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程分析

1).文字說(shuō)明2).冷卻曲線描述

3.

固溶體合金結(jié)晶規(guī)律

4.

杠桿定律及其應(yīng)用

1)推導(dǎo)2)主要內(nèi)容3)適用條件

5.

不平衡結(jié)晶—枝晶偏析

1)含義2)產(chǎn)生原因3)消除辦法第26頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.勻晶相圖分析第27頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天Cu-Ni合金的顯微組織示意圖第28頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.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(guò)程中，兩平衡相的成分和相對(duì)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(duì)百分含量。第29頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.杠桿定律

及應(yīng)用僅適用于兩相區(qū)，用來(lái)求兩個(gè)平衡相的化學(xué)成分和相對(duì)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。第30頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.不平衡結(jié)晶——枝晶偏析（a）不平衡結(jié)晶；（b）不平衡結(jié)晶的組織第31頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.不平衡結(jié)晶——枝晶偏析第32頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.不平衡結(jié)晶——枝晶偏析Cu-Ni合金枝晶偏析示意圖

第33頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2.3共晶相圖（學(xué)習(xí)的重點(diǎn)）1.

相圖分析（1）共晶相圖的形成（2）相圖分析

①.特性點(diǎn)、線②.基本相③.相區(qū)第34頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.相圖分析

（1）共晶相圖的形成第35頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.相圖分析

（2）相圖分析第36頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程分析（1）有限固溶體合金Ⅰ（2）共晶成分的合金Ⅱ（3）亞共晶成分合金Ⅲ（4）過(guò)共晶成分合金Ⅳ第37頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（1）有限固溶體合金Ⅰ

圖2*-110%Sn有限固溶體合金的冷卻曲線及組織第38頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（1）有限固溶體合金Ⅰ杠桿定律的應(yīng)用在室溫下，計(jì)算相百分含量.第39頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（1）有限固溶體合金Ⅰ①平衡結(jié)晶過(guò)程分析

?文字說(shuō)明?冷卻曲線描繪②反應(yīng)性質(zhì)勻晶反應(yīng)+二次析出反應(yīng)③組織特征α+βⅡ或（β+αⅡ）④杠桿定律的應(yīng)用

?計(jì)算相組分的相對(duì)百分含量

?計(jì)算組織組分的相對(duì)百分含量第40頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）共晶成分的合金Ⅱ共晶合金的冷卻曲線及室溫下的組織第41頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）共晶成分的合金Ⅱ第42頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）共晶成分的合金Ⅱ①平衡結(jié)晶過(guò)程分析

?文字說(shuō)明?冷卻曲線描繪②反應(yīng)性質(zhì)共晶反應(yīng)+二次析出反應(yīng)③組織特征（α+β），共晶體，共晶組織④杠桿定律的應(yīng)用第43頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（3）亞共晶成分合金Ⅲ

圖4*亞共晶合金的冷卻曲線及組織第44頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（3）亞共晶成分合金Ⅲ初晶的截取位置及相應(yīng)的組織形貌第45頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（3）亞共晶成分合金Ⅲ①平衡結(jié)晶過(guò)程分析

?文字說(shuō)明?冷卻曲線描繪②反應(yīng)性質(zhì)勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出反應(yīng)③組織特征α+（α+β）+βⅡ④杠桿定律的應(yīng)用第46頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（4）過(guò)共晶成分的合金①平衡結(jié)晶過(guò)程分析

?文字說(shuō)明?冷卻曲線描繪②反應(yīng)性質(zhì)勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出反應(yīng)③組織特征β+（α+β）+αⅡ④杠桿定律的應(yīng)用

第47頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（4）過(guò)共晶成分的合金

過(guò)共晶合金的冷卻曲線及組織第48頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.兩種填寫(xiě)相圖的方法圖2-12標(biāo)明組織組分的鉛-錫合金相圖第49頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.兩種填寫(xiě)相圖的方法圖2-11以相組分形式填寫(xiě)相圖的方法第50頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.包晶相圖的特征第51頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.包晶相圖的特征第52頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.具有穩(wěn)定化合物的相圖第53頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天6.具有共析反應(yīng)的相圖第54頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天7.二元合金相圖與性能之間的關(guān)系合金的性能取決于它的成分和組織,相圖則可反映不同成分的合金在室溫時(shí)的平衡組織。因此,具有平衡組織的合金的性能與相圖之間存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

第55頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天7.二元合金相圖與性能之間的關(guān)系圖2-16合金的性能與相圖的關(guān)系第56頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）合金的工藝性能與相圖

的關(guān)系

第57頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3鐵碳合金相圖分析第58頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3鐵碳合金相圖分析

抗拉強(qiáng)度極限

σb

延伸率

δ

斷面收縮率

ψ

沖擊韌性

ak

J/m2硬度

Fe180～230MPa30%～50%

70%～80%

1.6×106～2×106

50～80HBFe3C30MPa

00

0800HB

第59頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3鐵碳合金相圖分析鐵碳合金中的相：液相L、δ相、α相、γ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點(diǎn)為共析點(diǎn)

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(kāi)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

第60頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3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[ω(C)≤0.0218%]鋼[0.0218%<ω(C)≤2.11%

亞共析鋼

0.0218%<ω(C)<0.77%

共析鋼

ω(C)=0.77%

過(guò)共析鋼

0.77%<ω(C)≤2.11%白口鑄鐵[2.11%<ω(C)<6.69%]

亞共晶白口鑄鐵

2.11%<ω(C)<4.3%

共晶白口鑄鐵

ω(C)=4.3%

過(guò)共晶白口鑄鐵

4.3%<ω(C)<6.69%第61頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3鐵碳合金相圖分析第62頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.碳含量對(duì)組織和性能的影響第63頁(yè),共67頁(yè)，2024年2月