第二章 金属材料的凝固与固态相变.ppt
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1、第二章 金属材料的凝固与固态相变,2.1 金属的结晶 1.结晶的概念 金属从液态转变为晶态固体的过程称为结晶。通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。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二次结晶或重结晶。 理论结晶温度T0或熔点是固态和液态的能量相等的温度。,理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度,用T表示。 T= T0Tn 冷却速度越大,则开始结晶温度越低,过冷度也就越大。 过冷是结晶的必要条件,2.金属的结晶过程 液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程来实现的。,晶核的形成 1)自发形核 从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形
2、核,形成的结晶核心叫做自发晶核。 2)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。,图2-5 金属结晶示意图,晶体的长大 1)平面长大。在冷却速度较小的情况下,纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。,2)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,这时金属晶体往往以树枝状的形状长大。,树枝状长大,3.影响形核和长大的因素,成核速率N 为单位时间单位体积形成的晶核数(个/m3s), 长大速度G为单位时间晶体长大的长度(m/s) 。 (1)过冷度的影响 随着过冷度的增加, 形核速率和长大速
3、度均会增大。当过冷度进一步增大时,成核速率增大更快,因而比值N/G也增大, 结果使晶粒细化。 (2)难熔杂质的影响 增加晶核的数量,使晶粒细化。,4.晶粒大小及控制,(1)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Zv或单位面积上晶粒的数目Zs表示,也可以用晶粒的平均线长度(直径)来表示。 Zv=0.9(N/G)3/4 Zs=1.1(N/G)1/2 在一般情况下,形核速率越大,长大速度越小,晶粒越小, 则金属的强度, 塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化, 是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。 (2)晶粒大小的控制 1)增大过冷度 2)变质处理:在液体金属中
4、加入孕育剂或变质剂,以细化晶粒和改善组织。,5. 同素异构转变 金属在固态下随温度的改变,由一种晶格转变为另一种晶格的现象,称为同素异构转变。,铁的同素异构转变是钢铁材料能够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,也是通过形核、长大来完成的。称为重结晶。,2.2 合金的凝固 2.2.1 二元合金相图与凝固 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的一种简明示图,也称为平衡图或状态图。,1.匀晶相图,(1)相图分析 Al1B线为液相线,Aa1B为固相线,图中有两个单相区和一个双相区(L+相区)。 以点成分的CuNi合金(Ni的质量分数为b%)为例分析结晶过程。,
5、(2)平衡结晶过程分析 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。 2)结晶是在一个温度区间内进行的。在两相区内,液相的成分沿液相线朝低温方向变化,固相的成分沿固相线朝低温方向变化。 当温度一定时,两相的成分是确定的。 3)获得成分均匀的固溶体。,(3)杠杆定律 当温度一定时,两相的成分是确定的,根据质量守恒,有: QL+ Q=1 QLX+ QX=K 求解方程得: QL=XK/XX; Q=KX/XX; KXQL= XKQ 式中,QL为液相的相对质量;Q为相的相对质量;运用杠杆定律时要注意,它只适用于相图中的两相区。,(5)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
6、不能充分进行,则形成成分不均匀的固溶体。,2 .共晶相图 (1)相图分析 在共晶合金相图中,acb为液相线,adceb为固相线,合金系有三种相,相图中有三个单相区(L、);三个两相区(L+、L+、+);一条三相(L+)共存线(水平线dce)。 dce为共晶线( c点为共晶点)。 Lc d+ e,共晶反应所生成的两相机械混合物叫共晶体。成分在de之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。,df线为相的固溶线。温度降低,固溶体的溶解度下降。从固态相中析出的相称为二次,常写作,即 。,TC,(2)合金的平衡结晶过程 1)共晶合金(合金)的结晶过程,共晶合金 组织的形态,合金的室温组织全部为共晶体;由和两
7、相组成。,冷却到1点温度后, 发生共晶反应全部转变为共晶体 (+) 。 从共晶温度冷却至室温时, 共晶体中的 析出 , 中析出 。但共晶体的形态和成分不发生变化。,2)亚共晶合金 (合金)的结晶过程,1点, L ; 1点 2点, L ; 2点 2点, Lc (d+ e); 此时, 合金转变为 + (d+ e) 2点 3点, ; 合金的室温组织: + + (+) , 合金的组成相:和。,过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似,室温组织为+ + (+) 。合金的组成相为和。,k点以左合金的结晶过程为: 1 2点, L ; 2 3点, ; 3 4点, ; 室温组织为+ II 。,3)k点以左和h点以右
8、的合金的结晶过程,3.包晶相图及其他相图 (1)包晶相图,铁碳合金相图的包晶部分中合金I的结晶过程 : 合金冷却到AB时结晶出 固溶体, 相成分沿 AH线变化, L相成分沿AB 线变化。 合金冷到HJB温度时, 相的成分到达H点, L相的成分到达B点而发生包晶反应: LB +H AJ 反应结束后, 形成J 点成分的A 固溶体。,TJ,(2)及其他相图 由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相,此两相混合物称为共析体。共析产物比共晶产物细密得多。,2.2.2 合金的性能与相图的关系,1.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,则合金的强度、硬度越高,电阻越大。 两相组织合
9、金的力学和物理性能与成分呈直线关系变化。,2 .合金的工艺性能与相图的关系,铸造性能: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。 锻造性能: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。,2.2.3 铸锭(件)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铸造。,1.铸锭(件)结晶组织 最典型的铸造结构,整个铸锭明显地分为三个各具特征的晶区。 细等轴晶区 在铸锭的表层形成的一层厚度不大、晶粒很细的区域。 柱状晶区 粗等轴晶区,2.3 铁碳合金 2.3.1 Fe-Fe3C相图
10、1.铁碳合金的相结构与性能,(1)铁素体(F或) 碳在Fe中的间隙固溶体,体心立方晶格。铁素体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。,(2)奥氏体(A或) 碳在Fe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。 (3)渗碳体(Fe3C) 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(800HBW),塑性差,脆性大。,2.相图分析,五个单相区、七个两相区和三个三相区。,相图中重要的点和线 C点为共晶点,ECF为共晶线 S点为共析点,PSK为共析线 GS线 ES线,相图中重要的点和线, C点为共晶点,ECF为共晶线。合金在平衡结晶过
11、程中冷却到1148时,C点成分的L发生共晶反应,生成E点成分的A和Fe3C。 ,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渗碳体的共晶混合物,称莱氏体,以符号Ld表示。在显微镜下莱氏体的形态是:块状或粒状A(室温时转变成珠光体)分布在渗碳体基体上。, S点为共析点, PSK为共析线.合金在平衡结晶过程中冷却到727时,S点成分的A发生共析反应,成分在PSK的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。,共析反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物,称珠光体,以符号P表示。在显微镜下珠光体的形态呈片状。 珠光体的强度很高,塑性、韧性和硬度介于渗
12、碳体和铁素体之间,其力学性能如下: 抗拉强度(b) 770 伸长率 () 20%30% 冲击韧度 (k) 31054105 J/m2 硬度(HB) 180,GS线 是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线,通常称A3线。 ES线 碳在A中的固溶线,通常叫做Acm线。A Fe3C。 HJB为包晶线 成分在此线的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。 PQ线 碳在F中的固溶线。F Fe3C 。,2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变,根据FeFe3C相图,铁碳合金可分为三类: 1)工业纯铁wc 0.0218% 2)钢0.0218% wc 2.11% 3)白口铸铁2.11% wc 6.69%,工业
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