金属结晶过程.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,2.1,纯,金属的结晶,2.2,合金的结晶,2.3,金属的塑性加工,2.4,钢的热处理,2.5,钢的合金化,2.6 表面技术,第2章 金属材料的 组织与性能控制,1,1.,纯金属的结晶条件,2.,纯金属的结晶过程,3.,同素异构转变,4.,细化铸态金属晶粒的措施,2.1 纯金属的结晶,2,1.纯金属的结晶条件,晶体,液体,结晶,结晶：,液体-晶体,凝固：,液体-固体（晶体 或 非晶体）,3,冷却曲线,t,T,T,0,T,n,理论结晶温度,开始结晶温度,T,过冷度,T=,T,0,-T,n,纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度,（,克服界面能）,4,冷却速度越大，则过冷度越大。,5,2.纯金属的结晶过程,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,形核,和,晶核长大,的过程,6,（1）形核过程,两种形核方式,自发形核,与,非自发形核,自发形核,由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。,非自发形核,是依附于外来杂质上生成的晶核。,7,（1）形核过程,两种形核方式,自发形核,与,非自发形核,自发形核,由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。,非自发形核,是依附于外来杂质上生成的晶核。,8,（2）晶核长大过程,两种长大方式,平面生长,与,树枝状生长,。,平面生长,9,树枝状生长,10,4.细化铸态金属晶粒的措施,晶粒度,表示晶粒大小，分8级,（,p111),。,细晶强化,晶粒细化使金属机械性能提高的现象,比较：细晶强化,-强度、硬度、塑性、韧性,固溶强化,-强度、硬度,，塑性、韧性,11,细化晶粒的措施,1.提高过冷度,2.变质处理,3.振动结晶,12,（1）提高过冷度,形核率,N,、,长大速度,G,与 过冷度,T,的关系,T,G，N,G,N,13,（2）变质处理,在液体金属中加入,变质剂,(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。,在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，都可使晶粒细化。,变质剂的作用,：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。,（3）振动结晶,振动的作用,：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。,机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。,（,4,）,电磁搅拌,将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶，增加结晶核心，从而可细化晶粒。,14,3同素异构转变,金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。,纯铁的同素异构转变,-,Fe，bcc,-,Fe，fcc,-,Fe，bcc,1394,C,912,C,-,Fe，fcc,-,Fe，bcc,912,C,15,纯铁的冷却曲线,T,t,1538,1394,912,-,Fe，bcc,-,Fe，bcc,-,Fe，fcc,Cooling curve,770,铁磁性,16,五金属铸锭的组织特点,细等轴晶区,液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。,(1),细等轴晶区；,(2),柱状晶区；,(3),粗等轴晶区,铸锭结构,17,五金属铸锭的组织特点,柱状晶区,细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，但此时长大速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。,(1),细等轴晶区；,(2),柱状晶区；,(3),粗等轴晶区,铸锭结构,18,五金属铸锭的组织特点,粗等轴晶区,随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区。,(1),细等轴晶区；,(2),柱状晶区；,(3),粗等轴晶区,铸锭结构,19,单晶的制取,演示,20,21,22,23,24,2.2.1.二元合金,的,结晶,2.2.2合金,的,性能与相图的关系,2.2.3铁碳合金的结晶,2.2,合金,的结晶,25,1匀晶相图,2共晶相图,3包晶相图,4共析相图,2.2.1二元合金,的,结晶,26,1匀晶相图,相图,（平衡图、状态图）,平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,27,铜-镍合金匀晶相图,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,液固两相区,28,匀晶合金的结晶过程,a,b,c,d,T,C,t,L,L,L,匀晶转变,L,冷却曲线,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。,29,杠杆定律,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,1,2,a,c,b,a1,b1,c1,T,1,T,2,1.在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。,2.随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。,杠杆定律,：,在两相区内，对应每一确定的温度,T1，,两相质量的比值是确定的。即,Q,L,/Q,=b,1,c,1,/a,1,b,1,杠杆定律推论：,在两相区内，对应温度,T1,时两相在合金,b,中的相对质量各为,Q,L,/Q,H,=b,1,c,1,/a,1,c,1,Q,/Q,H,=a,1,b,1,/a,1,c,1,=1-,Q,L,/Q,H,30,例：求30%,Ni,合金在1280,时相的相对量,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,a,c,30,a1,b1,c1,1280,C,解：作成分线和温度线如图。,66,18,根据杠杆定律推论，,Q,/,Q,H,=a,1,b,1,/a,1,c,1,=12/48=1/4,答：所求,合金在,1280,时相的相对质量为1/4。,31,2共晶相图,Pb,Sn,Sn%,T,C,铅-锡合金共晶相图,液相线,L,固相线,+,L,+,L,+,固溶线,固溶线,32,共晶转变分析,Pb,Sn,T,C,L,+,L,+,L,+,共晶反应线,表示从,c,点到,e,点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。,c,e,共晶点,表示,d,点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。,d,L,d,c,+,e,33,共晶反应要点,Pb,Sn,T,C,L,+,L,+,L,+,183,c,e,d,共晶转变在恒温下进行。,转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。,存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。,成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。,34,X,1,合金结晶过程分析,c,e,f,g,X,1,T,C,t,L,L,L,L,+,冷却曲线,+,1,2,3,4,Pb,Sn,T,C,L,+,L,+,L,+,183,c,e,d,35,X,1,合金结晶特点,T,C,t,L,L,L,L,+,冷却曲线,+,1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相,固相。,2.要经过脱溶反应，室温,组织组成物,为,+,组织组成物,组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。,36,X,2,合金结晶过程分析,（,共晶合金,）,X,2,T,C,t,L,(+),L,(+),L,L,(+),共晶体,冷却曲线,(+),Pb,Sn,T,C,L,+,L,+,L,+,183,c,e,d,37,X,3,合金结晶过程分析（,亚共晶合金,）,X,3,T,C,t,L,L,+,(+),+,+,1,2,(+),+,Pb,Sn,T,C,L,+,L,+,L,+,183,c,e,d,L,+,(+),+,38,标注了组织组成物的相图,39,3包晶相图,包晶转变,：,L,d,+,c,e,Pt,Ag,Ag%,T,C,铂-银合金包晶相图,L,+,L,+,L,+,c,e,d,f,g,T,C,t,L,L,+,L,+,+,40,4.共析相图,共析转变,：,(+),共析体,A,B,T,C,+,+,+,c,e,d,L,+,L,41,2.2.2 相图与性能的关系,合金的使用性能与相图的关系,固溶体中溶质浓度 强度、硬度,组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。,42,2.合金的工艺性能与相图的关系,铸造性能,液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。,锻造、轧制性能,单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。,43,1铁碳相图,2结晶过程,3成分-组织-性能关系,4,Fe-Fe,3,C,相图的应用,2.2.3铁碳合金,的,结晶,44,1铁碳相图(,Fe-Fe,3,C,相图),(1),Fe-Fe,3,C,相图的组元,Fe,Fe、-Fe(bcc),和,-Fe(fcc),强度、硬度低，韧性、塑性好。,Fe,3,C,熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,(2),Fe-Fe,3,C,相图的相,Fe,3,C（Cem，Cm，,渗碳体）复杂晶体结构,液相,L,相（高温铁素体）,Fe（C）,固溶体,相（,A，,奥氏体）,-Fe（C）,固溶体,相（,F，,铁素体）,-Fe（C）,固溶体,45,一、铁素体,碳原子溶入,-Fe,中形成的间隙固溶体，称做铁素体。,由于体心立方格的,-Fe,的晶体格间隙半径只有,0.036nm,，而碳原子半径为,0.077nm,，所以铁素体对碳的溶解度很小。在,727,时最大固溶度为,0.02%,而在室温时固溶度几乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：,抗拉强度,R,m,250Mpa,，,屈服强度,R,E,140Mpa,断后延伸率,A,11.3,40%-50%,冲击韧性,K,200 J/cm2,布氏硬度,HBS 80,由此可见，铁素体有优良的塑性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧相。铁素体是,912,以下的平衡相，也称做常温相，在铁碳相图中用符号,F,表示。,46,二、奥氏体,碳原子溶入,-Fe,中形成的间隙固溶体，称做奥氏体,。,具有面心立方格的,-Fe,的间隙半径为,0.052nm,，比,-Fe,的间隙稍大，在,1148,时碳原子在其中的最大固溶度为,2.11%,。随着温度的降低，碳在,-Fe,中的固溶度下降，在,727,时是,0.77%,。,奥氏体是,727,以上的平衡相，也称高温相,。,在高温下，面心立方格晶体的奥氏体具有极好是塑性，所以碳钢具有良好的轧、锻等热加工工艺性能。在铁碳相图中，奥氏体通常用符号,A,表示。,47,三、渗碳体,渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物。,它的晶体结构复杂，属于复杂八面体结构，分子式为,Fe,3,C,，含碳量,6.69%,。,渗碳体的硬度很高，,HV800,，但极脆，塑性和韧性几乎是零，强度,Rm=30Mpa,左右。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能有很大影响。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在。,在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生下面的分解反应，析出石墨态的碳。,Fe,3,C 3Fe+C,（石墨）,48,(3)相图中重要的点和线,液相线,ABCD,固相线,AHJECF,包晶线,HJB，,包晶点,J,共晶线,ECF，,共晶点,C,L,4.3,(,A,2.11,+,Fe,3,C),高温莱氏体,Le,或,Ld,共析线,PSK,，,共析点,S,A,0.77,(,F,0.02,+,Fe,3,C),珠光体,P,ES,线：,C,在,A,中的固溶线,PQ,线：,C,在,F,中的固溶线,49,2铁碳合金的平衡结晶过程,Fe-C,合金分类,工业纯铁,C%0.0218%,钢 0.0218%,C%2.11%,亚共析钢 0.77%共析钢 0.77%过共析钢 0.77%,白口铸铁 2.11%,C%6.69%,亚共晶白口铁 4.3%共晶白口铁 4.3%过共晶白口铁 4.3%,几种常见碳钢,50,(1)工业纯铁,(,C%0.0218%),结晶过程,室温组织,F,+,Fe,3,C,(,微量),500,51,(2)共析钢,(,C%=,0.77%,),结晶过程,室温组织,:,层片状,P,(,F,+,共析,Fe,3,C,),500,P,中各相的相对量：,Fe,3,C%=(0.77,x,F,),/(6.69,x,F,),0.77,/6.69=12%,F,%,1,12%=88%,珠光体,强度较高，塑性、韧性和硬度介于,Fe,3,C,和,F,之间。,52,(3)亚共析钢,(,C%,=,0.4%,),结晶过程,室温组织,:,F,+,P，,500,各组织组成物的相对量：,P%=(0.4,0.0218,),/(0.77,0.0218,)51%F,%,1,51%=49%,各相的相对量：,Fe,3,C%,0.4,/6.69=6%F,%,1,6,%=94%,53,(4)过共析钢,(,C%,=,1.2%,),结晶过程,室温组织:,P,+,Fe,3,C,II,4,00,各组织组成物的相对量：,Fe,3,C,II,%=(1.2,0.77,),/(6.69,0.77,)7%P,%,1,7%=93%,各相的相对量：,Fe,3,C,II,%,1.2,/6.69=18%F,%,1,18,%=82%,54,(5)共晶白口铁,(,C%,=,4.3%,),结晶过程,室温组织:（低温）,莱氏体,Le,（,P,+,Fe,3,C,II,+,共晶,Fe,3,C,）,5,00,莱氏体,Le,的性能：,硬而脆,55,()亚共晶白口铁,(,C%,=,3%,),结晶过程,室温组织:,Le,+,P,+,Fe,3,C,II,2,00,56,()过共晶白口铁,(,C%,=,3%,),结晶过程,室温组织:,Le,+,Fe,3,C,I,5,00,57,标注了组织组成物的相图,58,3铁碳合金的成分-组织-性能关系,含碳量与相的相对量关系,：,C,%F,%，Fe,3,C,%,含碳量与组织关系：,图（,a）,和（,b）,含碳量与性能关系,HB：,取决于相及相对量,强度：,C%=0.9%,时最大,塑性、韧性：随,C%,而,59,4铁碳相图的应用,钢铁选材,：,相图,性能用途,局限性,相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。,铸件选材和确定浇注温度,确定锻造温度(,在,A,区）,制定热处理工艺,60,复习 相,与,组织,相：,有一定的,化学成分,和,晶体结构,的均匀组成部分。,合金中有两类基本相,固溶体 和 化合物,组织：,材料内部的微观形貌，体现相的形态、数量、大小和分布。,金属材料性能由组织决定，,而组织由化学成分和工艺过程决定。,过共析钢,x,400,61,小结,重点要求,一般要求,2.匀晶相图的分析方法。,2.杠杆定律及其应用。,3.合金相图与性能的关系。,1.过冷度的概念，晶粒度的影响因素。,1.同素异构转变。,3.,F、A、Cm、P、Le,的组织和性能特点。,4.,Fe-Fe,3,C,相图中共晶、共析区域分析。,5.铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系。,62,思考题,1.,为什么要生产合金？与纯金属相比，合金有哪些优越性？,2.,固溶体中，溶质元素含量增加时，其晶体结构和性能会发生什么变化？,3.,试比较共晶反应和共析反应的异同点。,4,.为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金?,63,作 业 2,P 9 13week4,Sep 21,2.,1),2),4),11),3.,1),2),5),4.,1),2),6),7),5.,3),4),64,作 业 2,a,P 9 13week5,Sep 28,2.,13),3.,12),13,),4.,8),9),5.,6),作 业 2,b,P 9 13week7,Oct 12,2.,14),17),3.,14),17),4.,10),13),65,作业1 参考答案,P 3,2.,1)同非金属相比，金属的主要特性是,2)晶体与非晶体结构上的最根本的区别是,4),-Fe,的一个晶胞原子数为,3.,1)晶体中的位错属于：,a.,体缺陷,b.,面缺陷,c.,线缺陷,d.,点缺陷,(,P7,),热和电的良导体,正的电阻温度系数,不透明、有金属光泽,塑性高、强韧性好,晶体内原子排列是有规则、周期性的。,4,66,作业1 参考答案,P 4,4.,2),-Fe、,Al、Cu、Ni、,V、,Mg、Zn,的晶体结构,体心立方：,-Fe、V,面心立方：,Al、Cu、Ni,密排六方：,Mg、Zn,6)实际金属晶体中存在：,a.,点缺陷：,点、线、面缺陷，引起晶格畸变。,b.,面缺陷：,c.,线缺陷（位错）：,7)固溶强化,：,固溶强化原因,：,8)间隙固溶体：,形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象,溶质,原子引起晶格畸变，使变形抗力增加。,间隙相：,晶格类型与溶剂相同,晶格类型与任一组元都不相同,使电阻率和强度增加。,使塑性、强度增加。,在冷变形时，使强度增加、塑性降低。,67,作业2 参考答案,P 9-10,2.,1)结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，它们是：,2)当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是,形核,和,晶核长大,4),过冷度是指为,：,增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。,理论结晶温度-开始结晶温度,其表示符号为：,T,11)固溶体的强度和硬度比溶剂：,高,3.,1)凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（）,No,2)室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（）,No,5)晶粒度级数数值越大，晶粒越细。（）,Yes,68,6)固溶体的晶体结构,：,a.,与溶剂相同,b.,与溶质相同,c.,为其它晶格类型,7)间隙相的性能特点是：,a.,熔点高、硬度低,b.,硬度高、熔点低,c.,硬度高、熔点高,2)为细化晶粒，可采用：,a.,快速浇注,b.,加,变质剂,c.,以砂型代金属型,4.,1),金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将,：,a.,越高,b.,越低,c.,越接近理论结晶温度,作业2 参考答案,P 11-13,a.,提高过冷度,b.,变质处理,c.,振动结晶,4)如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小,：,(1),金属型与砂型浇注,(2),变质处理与不变质处理,(3),铸成薄件与厚件,(4),浇注时振动与不振动,5.,3)在实际应用中，细晶粒,金属材料往往具有较好的常温力学性能，,细化晶粒提高金属材料使用性能的措施有哪些？,69,4.,8)在发生,L,(,+),共晶反应,时，三相的成分,：,a.,相同,b.,确定,c.,不定,9)共析成分的合金在共析反应,(,+),刚结束,时，其组成相为：,a.+,+,b.,+,c.,(,+),作业2,a,参考答案,P 9-12,2.,13)共晶反应式为：,共晶反应的特点是：,L,(,+),在恒温下进行,3.,12)平衡结晶获得的质量分数为20%,Ni,的,Cu-Ni,合金比质量分数为40%,Ni,的,Cu-Ni,合金的硬度和强度要高。（）,No,13)一个合金的室温组织,为,+,+,(,+)，,它由三相组成,。（）,No,70,作业2,a,参考答案,P 13,(1)两相的化学成分：,5.,6)将20,kg,纯铜和30,kg,纯镍熔化后慢冷至,T,1,温度,，,此时：,w,L,(Ni),=,50%,w,(Ni),=,80%,(2)两相的质量比：,Q,L,/,Q,=,(80-60)/(60-50)=2,(3)各相的质量分数：,w,(L),=,2/(2+1)=2/3,w,(),=,1/3,(4)各相的质量：,Q,L,=,502/3=33.3（kg),Q,=,50-33.3=16.7（kg),w,(Ni)=30/(20+30),=,60%,71,The End,of 2.1&2.2,72,