金属材料的凝固与固态相变.ppt

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1、第二章第二章金属材料的凝固与固态相变金属材料的凝固与固态相变2.1金属的结晶金属的结晶1.结晶的概念结晶的概念 金属从液态转变为晶态固体的过程称为结晶。通常把金属从液金属从液态转变为晶态固体的过程称为结晶。通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为态转变为固体晶态的过程称为一次结晶一次结晶。而把金属从一种固体晶态。而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶二次结晶或重结晶。理论结晶温度理论结晶温度T T0 0或熔点是固态和液态的能量相等的温度。或熔点是固态和液态的能量相等的温度。理理论论结结晶晶温温度度T T0 0与与开开始始结结晶晶温温度

2、度T Tn n之之差差叫叫做做过过冷度，用冷度，用TT表示。表示。T=T T=T0 0TTn n 冷却速度越大，则开冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度始结晶温度越低，过冷度也就越大。也就越大。过冷是结晶的必要条过冷是结晶的必要条件件 2.2.金属的结晶过程金属的结晶过程 液态金属结晶是由液态金属结晶是由形核形核和和长大长大两个密切联系的基本过程来实现两个密切联系的基本过程来实现的。的。晶核的形成晶核的形成 1 1）自自发发形形核核 从从液液态态内内部部由由金金属属本本身身原原子子自自发发长长出出结结晶晶核核心心的的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。过程叫做自发形核，形成的结晶

3、核心叫做自发晶核。2 2）非自发形核）非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。形成的结晶核心叫做非自发晶核。图图2-5 2-5 金属结晶示意图金属结晶示意图 晶体的长大晶体的长大 1 1）平平面面长长大大。在在冷冷却却速速度度较较小小的的情情况况下下，纯纯金金属属晶晶体体主主要要以以其表面向前平行推移的方式长大。其表面向前平行推移的方式长大。2 2）树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶）树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，体与

4、液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以这时金属晶体往往以树枝状树枝状的形状长大。的形状长大。树枝状长大树枝状长大3.影响形核和长大的因素影响形核和长大的因素成核速率成核速率N N 为为单位时间单位体单位时间单位体积形成的晶核数（个积形成的晶核数（个/m3s),长大长大速度速度G为为单单位时间晶体长大的长度位时间晶体长大的长度（m/s)。（1）过冷度的影响）过冷度的影响随着过冷度的增加随着过冷度的增加,形核速率形核速率和长大速度均会增大。当过冷度进和长大速度均会增大。当过冷度进一步增大时，成核速率增大更快，一步增大时，成核速率增大更快，因而比值因而比值N/G也增大

5、也增大,结果使晶粒细结果使晶粒细化。化。（2）难熔杂质的影响）难熔杂质的影响增加晶核的数量，使晶粒细化。增加晶核的数量，使晶粒细化。4.晶粒大小及控制晶粒大小及控制（1）晶粒度的概念）晶粒度的概念晶粒度是晶粒大小的确量度。用单位体积中晶粒的数目晶粒度是晶粒大小的确量度。用单位体积中晶粒的数目Zv或单或单位面积上晶粒的数目位面积上晶粒的数目Zs表示，也可以用晶粒的平均线长度（直表示，也可以用晶粒的平均线长度（直径）来表示。径）来表示。Zv=0.9(N/G)3/4Zs=1.1(N/G)1/2在一般情况下在一般情况下,形核速率越大形核速率越大,长大速度越小，晶粒越小长大速度越小，晶粒越小,则则金属的

6、强度金属的强度,塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化,是提高金属是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化细晶强化。（2）晶粒大小的控制）晶粒大小的控制1）增大过冷度）增大过冷度2）变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒）变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。和改善组织。5.5.同素异构转变同素异构转变 金金属属在在固固态态下下随随温温度度的的改改变变，由由一一种种晶晶格格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。铁的铁的同素异构转变是同

7、素异构转变是钢铁材料能够钢铁材料能够进行热处理改性的内因和依据进行热处理改性的内因和依据。同素异构转变是在固态下完成的，同素异构转变是在固态下完成的，也是通过形核、长大来完成的。称为重也是通过形核、长大来完成的。称为重结晶。结晶。2.2 2.2 合金的凝固合金的凝固2.2.1 2.2.1 二元合金相图与凝固二元合金相图与凝固 相图相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为的一种简明示图，也称为平衡图平衡图或或状态图状态图。1.1.匀晶相图匀晶相图 （1 1）相图分析）相图分析 AlAl1 1B B线线为为液液相

8、相线线，AaAa1 1B B为为固固相相线线，图图中中有有两两个个单单相相区区和和一一个个双双相相区（区（L+L+相区）。相区）。以以点成分的点成分的CuCuNiNi合金（合金（NiNi的质量分数的质量分数为为b%b%）为例分析结晶过）为例分析结晶过程。程。（2 2）平衡平衡结结晶晶过过程分析程分析 1 1）结晶过程包括生核与长大，但固溶体更趋向于树枝状长大。）结晶过程包括生核与长大，但固溶体更趋向于树枝状长大。2 2）结结晶晶是是在在一一个个温温度度区区间间内内进进行行的的。在在两两相相区区内内，液液相相的的成成分分沿沿液液相相线线朝朝低低温温方方向向变变化化，固固相相的的成成分分沿沿固固相

9、相线线朝朝低低温温方方向向变变化化。当温度一定时，两相的成分是确定的。当温度一定时，两相的成分是确定的。3 3）获得）获得成分均匀的成分均匀的固溶体。固溶体。（3 3）杠杆定律）杠杆定律 当当温温度度一一定定时时，两两相相的的成成分分是是确定的确定的,根据质量守恒根据质量守恒,有有:Q QL L+Q Q=1=1 Q QL LX+QX+QX=KX=K 求解方程得：求解方程得：Q QL L=X=XK/XX;K/XX;Q Q=KX/XX;=KX/XX;KXQ KXQL L=X=XKQKQ 式式中中，Q QL L为为液液相相的的相相对对质质量量；Q Q为为相相的的相相对对质质量量；运运用用杠杠杆杆定定

10、律律时时要要注注意意，它它只只适适用用于于相相图图中中的的两相区。两相区。（5 5）枝晶偏析）枝晶偏析 固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。分进行，则形成成分不均匀的固溶体。2.2.共晶相图共晶相图 (1)(1)相图分析相图分析 在共晶合金相图中，共晶合金相图中，acbacb为液相线，为液相线，adcebadceb为固相线，合金系有为固相线，合金系有三种相，相图中有三个单相区（三种相，相图中有三个单相区（L L、）；三个两相区（）；三个两相区（L+L+、L+L+、+）；一条三相）；一条三相

11、(L+)(L+)共存线（水平线共存线（水平线dcedce）。）。dce dce为共晶线（为共晶线（c c点为共晶点）。点为共晶点）。Lc Lc d d+e e 共晶反应所生成的两相机械共晶反应所生成的两相机械混合物叫共晶体。成分在混合物叫共晶体。成分在dede之间之间的合金平衡结晶时都会发生共晶的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。反应。df df线为线为相的固溶线。温相的固溶线。温度降低，固溶体的溶解度下降。度降低，固溶体的溶解度下降。从固态从固态相中析出的相中析出的相称为相称为二次二次，常写作，常写作,即即 。TC (2)(2)合金合金的平衡结晶过程的平衡结晶过程 1)1)共晶合金共晶合金(合

12、金合金)的的结晶过程结晶过程共晶合金共晶合金组织的形态组织的形态 合金的室温组织全部为共晶体；合金的室温组织全部为共晶体；由由和和两相组成。两相组成。冷却到冷却到1 1点温度后点温度后,发生共晶反发生共晶反应全部转变为共晶体应全部转变为共晶体(+)(+)。从共晶温度冷却至室温时从共晶温度冷却至室温时,共晶共晶体中的体中的 析出析出 ,中析出中析出 。但共晶体的形态和成分不发。但共晶体的形态和成分不发生变化。生变化。2)2)亚共晶合金亚共晶合金(合金合金)的的结晶过程结晶过程 1 1点点,L ;,L ;1 1点点 2 2点点,L ;,L ;2 2点点 2 2点点,Lc(d+e);此时此时,合金转

13、变为合金转变为+(d+e)2 2点点 3 3点点,;合金的室温组织合金的室温组织:+(+),+(+),合金的组成相合金的组成相:和和。过共晶合金的结晶过程与亚过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似，室温组织为共晶合金相似，室温组织为+(+)+(+)。合金的组成相。合金的组成相为为和和。k k点以左合金的结晶过程为：点以左合金的结晶过程为：12点点,L;23点点,;34点点,;室温室温组织为组织为+IIII。3)k3)k点以左和点以左和h h点以右的合金的结晶过程点以右的合金的结晶过程 3.3.包晶相图及其他相图包晶相图及其他相图 （1 1）包晶相图）包晶相图 铁碳铁碳合金合金相图的包晶部分相图的

14、包晶部分中中合金合金I的结晶过程的结晶过程：合金冷却到合金冷却到AB时结晶出时结晶出固溶体固溶体,相成分沿相成分沿AH线变线变化化,L相成分沿相成分沿AB线变化。线变化。合金冷到合金冷到HJB温度时温度时,相相的成分到达的成分到达H点点,L相的成分相的成分到达到达B点而发生包晶反应：点而发生包晶反应：LB+H H A AJ J 反应结束后反应结束后,形成形成J点成分点成分的的A A固溶体。固溶体。TJ （2 2）及其他相图）及其他相图 由由一一种种固固相相转转变变成成完完全全不不同同的的两两种种相相互互关关联联的的固固相相，此此两两相相混混合物称为共析体。共析产物比共晶产物细密得多。合物称为共

15、析体。共析产物比共晶产物细密得多。2.2.2 2.2.2 合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系 1.1.合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系 溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电阻越大。合金的强度、硬度越高，电阻越大。两相组织合金的力学和物理性能与成分两相组织合金的力学和物理性能与成分呈直线关系变化。呈直线关系变化。2.2.合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系铸造性能：铸造性能：纯组元和共晶成分的合金的流动纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。性最好，缩孔集中，铸造性能好。锻造性

16、能：锻造性能：单相合金的锻造性能好。单相组单相合金的锻造性能好。单相组织时变形抗力小，变形均匀，因而变形能力织时变形抗力小，变形均匀，因而变形能力大。双相组织的合金变形能力差些，特别是大。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相时。组织中存在有较多的化合物相时。2.2.3 2.2.3 铸锭铸锭(件件)的凝固的凝固 把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做铸造。铸造。1.1.铸锭（件）结晶组织铸锭（件）结晶组织 最最典典型型的的铸铸造造结结构构，整整个个铸铸锭锭明明显显地地分分为为三三个个各各具具特征的晶区。

17、特征的晶区。细细等等轴轴晶晶区区 在在铸铸锭锭的的表表层层形形成成的的一一层层厚厚度度不不大大、晶粒很细的区域。晶粒很细的区域。柱状晶区柱状晶区 粗等轴晶区粗等轴晶区 2.3 2.3 铁碳合金铁碳合金 2.3.1 Fe-Fe2.3.1 Fe-Fe3 3C C相图相图 1.1.铁碳合金的相结构与性能铁碳合金的相结构与性能（1 1）铁素体（）铁素体（F F或或）碳在碳在FeFe中的间隙固中的间隙固溶体，体心立方晶格。溶体，体心立方晶格。铁素体的性能特点是强铁素体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。度低、硬度低、塑性好。（2 2）奥氏体（）奥氏体（A A或或）碳在碳在FeFe中的间隙固溶体，面心立方

18、中的间隙固溶体，面心立方晶格。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形。晶格。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形。（3 3）渗碳体（）渗碳体（FeFe3 3C C）化合物相，有条状、网状、片状、粒状等化合物相，有条状、网状、片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。渗碳体硬度高形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。渗碳体硬度高（800HBW800HBW），塑性差，脆性大。），塑性差，脆性大。2.2.相图分析相图分析五个单相区、七个两相区和三个三相区。五个单相区、七个两相区和三个三相区。相图中重要的相图中重要的点和线点和线C点为点为共晶共晶点点，ECF为共为共晶线晶线S点为点为共析

19、共析点点，PSK为共为共析线析线GS线线ES线线 相图中重要的点和线相图中重要的点和线 C C点为共晶点，点为共晶点，ECFECF为共晶线。为共晶线。合金在平衡结晶过程中冷却到合金在平衡结晶过程中冷却到11481148时，时，C C点成分的点成分的L L发生共晶反应，生成发生共晶反应，生成E E点成分的点成分的A A和和FeFe3 3C C。，成分在此线的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。成分在此线的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。共晶反应的产物是奥氏体与共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称渗碳体的共晶混合物，称莱氏体莱氏体，以符号以符号LdLd表示。在显微镜下莱氏

20、表示。在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状体的形态是：块状或粒状A A（室温（室温时转变成珠光体）分布在渗碳体时转变成珠光体）分布在渗碳体基体上。基体上。S S点为共析点点为共析点,PSK,PSK为共析线为共析线.合金在平衡结晶过程中冷却到合金在平衡结晶过程中冷却到727727时，时，S S点成分的点成分的A A发生共析反应，成分在发生共析反应，成分在PSKPSK的铁碳合金，在平的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。衡结晶过程中均发生共析反应。PSKPSK线亦称线亦称A1A1线。线。共共析析反反应应产产物物是是铁铁素素体体与与渗渗碳碳体体的的共共析析混混合合物物，称称珠珠光光体体，以以符

21、符号号P P表表示示。在显微镜下珠光体的形态呈片状。在显微镜下珠光体的形态呈片状。珠珠光光体体的的强强度度很很高高，塑塑性性、韧韧性性和和硬硬度度介介于于渗渗碳碳体体和和铁铁素素体体之之间间，其其力力学学性能如下：性能如下：抗抗拉拉强强度度（b b）770 770 伸长率伸长率()20%()20%30%30%冲冲击击韧韧度度 (k k)3103105 54104105 5 J/mJ/m2 2 硬度（硬度（HBHB）180 180 GSGS线线 是是合合金金冷冷却却时时自自A A中中开开始始析析出出F F的的临临界温度线，通常称界温度线，通常称A A3 3线。线。ESES线线 碳碳在在A A中中

22、的的固固溶溶线线，通通常常叫叫做做A Acmcm线线。A FeA Fe3 3C C。HJB HJB为包晶线为包晶线 成分成分在此线的铁碳合金在平在此线的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包衡结晶过程中均发生包晶反应。晶反应。PQPQ线线 碳在碳在F F中的固溶中的固溶线。线。F FeF Fe3 3C C 。2.3.2铁碳合金在平衡状态下的相变铁碳合金在平衡状态下的相变 根据根据FeFeFeFe3 3C C相图，铁碳合金可分为三类：相图，铁碳合金可分为三类：1)1)工业纯铁工业纯铁 wc 0.0218%0.0218%2)2)钢钢0.0218%0.0218%wc 2.11%2.11%3)3)白口白口铸

23、铁铸铁2.11%2.11%wc 6.69%6.69%工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F F），呈白色状。由于其强），呈白色状。由于其强度低、硬度低、不宜用作结构材料。度低、硬度低、不宜用作结构材料。1.1.钢的平衡结晶过程钢的平衡结晶过程 (1)(1)共析钢共析钢 wc=0.77%=0.77%共析钢的室温组织组成物全部是共析钢的室温组织组成物全部是P P，而组成相为，而组成相为F F和和FeFe3 3C C，它们，它们的质量分数为：的质量分数为：2.2.亚共析钢亚共析钢0.0218%0.0218%wc 0.77%1.0%1.0%时，奥氏体几乎时，奥氏体几乎只形成

24、片状马氏体（针状马氏体）只形成片状马氏体（针状马氏体）。片状马氏体内部的亚结构主要。片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。因此，片状马氏体又称是孪晶。因此，片状马氏体又称为孪晶马氏体。为孪晶马氏体。板条马氏体板条马氏体片状马氏体片状马氏体 2.2.马氏体的力学性能马氏体的力学性能 马马氏氏体体的的硬硬度度主主要要取取决决于于马马氏氏体体的的含含碳碳量量，通通常常情情况况是是随随含含碳碳量的量的增加而升高增加而升高。马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。在相同屈服强度马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。在相同屈服强度条件下，板条（位错）型马氏体比片状（孪晶）型马氏体的韧性好条件下，板条（位错）

25、型马氏体比片状（孪晶）型马氏体的韧性好得多。得多。3.3.马马氏氏体体转转变变的的主主要要特特点点 无无扩扩散散性性 转转变变前前后后没没有化学成分的改变。有化学成分的改变。转转变变是是在在一一个个温温度度范范围围内内进进行行的的 马马氏氏体体转转变变是是在在MsMsMfMf的温度范围内进行的。的温度范围内进行的。转变不完全转变不完全 仍会保留仍会保留一定的奥氏体，这称之为残余一定的奥氏体，这称之为残余（留）奥氏体，常用（留）奥氏体，常用ArAr表示。表示。3.3.贝氏体转变贝氏体转变 贝氏体转变是过冷奥氏体在贝氏体转变是过冷奥氏体在“鼻子鼻子”温度至温度至MsMs点范围内进行的点范围内进行的

26、转变，又称为中温转变。贝氏体是碳化物（渗碳体）分布在碳过饱转变，又称为中温转变。贝氏体是碳化物（渗碳体）分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。和的铁素体基体上的两相混合物。上上贝贝氏氏体体 共共析析钢钢上上贝贝氏氏体体大大约约在在550550（“鼻鼻子子”温温度度）至至350350之间形成。光学显微镜观察，典型上贝氏体组织形态呈羽毛状。之间形成。光学显微镜观察，典型上贝氏体组织形态呈羽毛状。下贝氏体下贝氏体 共析钢下贝氏体大约在共析钢下贝氏体大约在350350至至MsMs之间形成。光学之间形成。光学显微镜观察，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状。显微镜观察，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状。(3)3)贝氏体的力学性能贝氏体的力学性能 上贝氏体的强度和韧性均差。下贝氏体不仅强度高，而且韧性上贝氏体的强度和韧性均差。下贝氏体不仅强度高，而且韧性也好，表现为具有较好的综合力学性能，是一种很有应用价值的组也好，表现为具有较好的综合力学性能，是一种很有应用价值的组织。织。冰花冰花