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1、物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是液-固相变过程。,第三章 金属与合金的结晶,结晶的重要性： 结晶之后得到的金属材料显微组织称为结晶组织、凝固组织(铸态组织)。结晶组织决定着材料的使用性能和加工工艺性能。掌握结晶规律可以帮助我们有效地控制金属的凝固条件，从而获得性能优良的金属材料。,第一节 纯金属的结晶,冷却曲线与过冷度 结晶的一般过程 金属结晶后晶粒大小 同素异构转变,一、纯金属冷却曲线与过冷 测定：,冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T
2、1。 曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。,过冷现象与过冷度 纯金属都有一个理论结晶温度T0，在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。 理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度，是结晶的必要条件。 T= T0 T1 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。,二、纯金属结晶的过程,结晶的基本过程 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成. 形核长大同时进行,形核：液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。 长大晶核形成后便向各方
3、向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。,晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。 在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。,正温度梯度,水晶,实际金属结晶主要以树枝状长大. 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。,负温度梯度,树枝状长大的实际观察,树枝状结晶,三、金属结晶后晶粒的大小 晶粒度：单位体积内晶粒数目。为测量方便，常以单位界面内晶粒数目 对金属材料的影响： 细晶强化。通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的
4、方法称为细晶强化。 物理化学性能。如：硅钢片中晶粒愈大磁滞损耗愈少；耐蚀不锈钢中晶粒愈大耐腐蚀性愈好。 影响和控制：形核率N和长大速率G,（一）提高过冷度 结晶时的过冷度主要取决与液体的冷却速度，因此，结晶时冷却速度越大，得到的晶粒也越小。 对大铸件或厚薄差别大的铸件，冷速过快 变形、开裂 只适用于小铸件，简单件,（二）孕育与变质处理 孕育处理：作为非均匀成核的晶核(人工晶核)，从而通过增加成核率来细化晶粒。如：向钢中加 Ti、Zr、B、Al；向铸铁中加Si、Ca等。 变质处理：作为长大率的阻碍物，通过降低长大速度来细化晶粒。如：在铝硅合金中加入一些钠盐的变质处理就是通过钠来降低硅的长大速度来
5、细化硅的晶粒。,（三）附加振动和搅拌 在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒 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枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。,铝硅合金在不同处理条件下的晶粒形态,气轮机转子的宏观组织(纵截面),四、金属的同素异晶转变 物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于固态相变。 铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：,纯铁的同素异构转变,-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)，-
6、Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。,固态转变的特点 重结晶过程 形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）； 转变时也需要过冷度； 由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大； 固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。,第二节 合金的结晶,合金结晶的基本规律与纯金属的结晶基本相同，也是在一定过冷度下形核和长大来完成结晶的。 结晶过程更复杂，得到的组织可以是单相或是多相，既可是纯固溶体也可是化合物或两相组成的机械混合物 结晶过程是在一个温度区间完成的 用相图来表述合金的结晶及冷却的相变状况,2.1 冷却曲线与相图,测定方法 配制不同成分的合金试样，如纯铜；70%Cu+3
7、0%Ni；50%Cu+50%Ni；30%Cu+70%Ni；纯Ni。 用热分析法测定各组试样合金的冷却曲线 确定其相变临界点； 将各临界点绘在温度合金成分坐标图上； 将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu-Ni合金相图。,相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。,相图是表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。,2.2 二元匀晶相图 两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图， 结晶时只结晶出单相固溶体组织， 以Cu-Ni合金为例进
8、行分析。,（一）相图分析 相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。 相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。,（二）合金的结晶过程 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以k合金为例说明。 当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶，t2时析出成分为2的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分，,随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，固相成分沿固相线变化；液相成分沿液相线变化。,这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。,（三）杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠
9、杆定律求出两平衡相的相对重量。 现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律： 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t 的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。,则 mL + m =m mL x1 + m x2 =xm 解方程组得,式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。, 确定两平衡相的相对重量 设合金的重量为m，液相重量为mL，固相重量为m。,因此两相的相对重量百分比为：,上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相
10、的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 杠杆定律只适用于两相区。 例（如图）,（三）枝晶偏析 不同温度下结晶出来的相成分是不同的，温度高时结晶出来的相含熔点高的镍元素多，温度低时结晶的相含镍少。 合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。,在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏
11、析。 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。 生产上常将铸件加热到固相线以下100-200长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火（均匀化退火）。,Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织,平衡组织,枝晶偏析组织,三、二元共晶相图 当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。 以 Pb-Sn 相图为例进行分析。,（一） 相图分析 相： L、三种相, 是溶质Sn在 Pb中的固溶体， 是溶质Pb在Sn中的固溶体。 相区： 三
12、个单相区： L、； 三个两相区： L+、L+、+ ； 水平线CED是三相平衡的共存线。, 线： 液相线AEB， 固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。 固溶线: 溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。,共晶线：水平线CED叫做共晶线。 共晶反应： 在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。 LE (C + D),共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。,具有共晶
13、成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共,晶点以右的合金称过共晶合金。 凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。,（1）含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。,（二）合金的结晶过程分析,温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相 相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。,H,由 析出的二次 用 表示。 随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变
14、化， 的重量增加。 室温下、的相对重量百分比为： 由于二次相析出温度较低，一般十分细小。,合金室温组织为 + 。,成分大于 D点合金结晶过程与合金相似，室温组织为 + 。,（2）共晶合金(合金)的结晶过程 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共晶反应：LE (C+D) 。,共晶组织形态黑色白色,层片状(Al-CuAl2定向凝固),条棒状(Sb-MnSb横截面),螺旋状（Zn-Mg）,Pb-Sn共晶组织,共晶组织形态,在共晶转变过程中，L、 、 三相共存, 三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。 共晶组织中的相称共晶相.共晶转变结束时， 和 相的相对重量百分比为：,共晶结束
15、后，随温度下降， 和 的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶 中析出 ，从共晶 中析出 ，由于共晶组织细， 与共晶结合， 与共晶 结合，共晶合金的室温组织仍为 (+) 共晶体。(特点),（3）亚共晶合金(合金)的结晶过程 合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到C点，液相成分变化到E点, 此时两相的相对重量为：,在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应： L ( + ) ，转变为共晶组织，共晶体的质量分数与转变前的液相相等, 即QE =QL 反应结束后，在共晶温度下、 两相的相对重量百分比为：,温度继续下降，将从一次 和共晶 中析出，从共晶 中析出。其室温组织为+ (+)
16、+ 。,（4）过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似，不同的是一次相为 , 二次相为 室温组织为+(+)+。,（三）合金的相组分与组织组分,（1）合金的相组分 合金的相组分是指构成合金的基本固相（固溶体与化合物）,（2）合金的组织组分 组织组分又称组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。和, 和,共晶体(+)都是组织组成物。（不同的相区其组织组分是不同的）,相与相之间的差别主要在结构和成分上。 组织组分之间的差别主要在形态、分布和数量上。如 、 和共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组组分。,Pb-Sn亚共晶组织,组织组成物在相图上的标注,四、相图与合金性能之间的
17、关系 （一）相图与合金力学性能、物理性能的关系 两相混合的合金：性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如： 混= Q + Q HB混=HB Q +HBQ (Q 、Q为两相相对重量),单相固溶体的合金： 性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，、HB增加，塑性下降。,（二）相图与铸造性能的关系 固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾向大, 树枝晶发达, 流动性降低, 补缩能力下降, 分散缩孔增加。 共晶合金结晶温度低，流动性好，缩孔集中， 偏析小， 铸造性能好。,（1）单相区的确定 a.液相线以上的区域为液相区 b.靠着纯组元的封闭区域是以该组元为基的单相固溶体区 c.相图中除代表两组元的
18、垂直线以外，若出现另一条垂直线，该线即代表形成一定成分的化合物。如果该化合物具有固定熔点，就是稳定化合物。分析相图时，可将其视为纯组元。以它把现图分为几个单独部分来分析 d.当图中出现水平线时，一条水平线必然连着3个单相区，这3个单相区分别处于水平线的两端或中间。,补充：二元合金相图读图法,（一）相区分析的规律,（2）两相区的确定 a.两个单相区之间，必夹有一个两相区，根据杠杆定律，该两相区必定由相邻相区的两个相所组成 b.两相区中如遇到固溶线倾斜的情况，会发生二次相的析出。,（3）三相水平线分析 在二元相图中，水平线是三相平衡线。,（二）相区接触法则,两个单相区之间，必有一个由这两个相所组成的两相区，两个单相区不能以一条线分开；两个两相区以单相区或三相区（水平线）隔开。 （在二元合金状态图中，相邻相区的相数相差为1，点接触的情况除外）,