机械工程材料第2版 作者 王章忠 主编 第三章.pptVIP

第一节 概 述 在一定的条件下，物质的三态可以互相转化。通常把物质从液态转化为固态的过程统称为凝固。由于材料不同，甚至冷却条件不同，凝固后得到的固态物质可能是晶体，也可能是非晶体。 如果凝固后的固态物质是晶体，这种凝固过程就是结晶。 若凝固后的物质不是晶体，而是非晶体，那就不能称之为结晶，只能称为凝固。 第二节 纯金属结晶 通常采用热分析法研究结晶：把纯金属置于坩埚内加热成均匀液体，而后使其缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测定一次温度，直至结晶完毕后冷却到室温。将温度随时间变化的关系绘制成曲线，称为冷却曲线，如图3-1所示。 结 晶 条 件   大量实验证明，金属的结晶过程是形核与长大的过程，形核与长大既紧密联系又相互区别。小块金属结晶过程如图3-3所示。 结 晶 过 程   实际金属结晶之后，获得由大量晶粒组成的多晶体。每个晶粒基本上可视为单晶体，一般尺寸为10-2～10-1mm，但也有大至几个或十几个毫米的。 晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。金属结晶时每个晶粒都是由一个晶核长大而成，其晶粒度取决于形核率N和长大速度G的相对大小。 结晶晶粒大小及控制   形核率N与长大速度G一般都随过冷度ΔT 的增大而增大，但两者的增长速率不同，形核率的增长率高于长大速度的增长率，如图3-5所示。故增加过冷度可提高 N/G 值，有利于晶粒细化。提高液态金属的冷却速度，可增大过冷度，有效地提高形核率。 结晶晶粒大小及控制   结晶晶粒大小及控制   变质处理就是在浇注前向液态金属中加入某种元素或化合物（称为变质剂），以细化晶粒和改善组织。变质剂加入液态金属后，符合非自发晶核的条件，大大增加晶核的数目。例如，在铝合金中加入钛、锆、钒，可使晶粒细化；在铸铁中加入硅铁、硅钙合金，能使组织中的石墨细化。 结晶晶粒大小及控制   若对结晶过程中的液态金属输入一定频率的振动波，形成的对流使成长中的树枝晶臂折断，增大了晶核数目，从而显著提高形核率，细化晶粒。常用的振动方法有机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。特别是在钢的连铸中，电磁搅拌已成为控制凝固组织的重要技术手段。 结晶晶粒大小及控制   在确定的条件下，一种元素物质只有一种晶体结构。但某些金属元素（常见的如铁、钛、锰、锡）和非金属元素（常见的如铁）在不同温度和压力下，具有不同类型的晶体结构，称为同素异构（或多晶型）。 第三节 合金的结晶和相图 由于纯金属力学性能较低，所以除了要求导电性高的电器材料外，工业上很少使用纯金属，而多是使用合金。所谓合金，就是由两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成的具有金属特性的物质。组成合金的最基本的独立物质称为组元，组元可以是元素或稳定化合物。工业上广泛使用的碳钢和铸铁，就是由铁和碳两种组元组成的二元合金。合金的优良性能是由合金各组成相的结构及其形态所决定的。 合金中的相是指合金中具有同一化学成分、同一聚集状态、同一结构且以界面互相分开的各个均匀的组成部分。物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相构成合金的组织，组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的内部微观形貌。 合金相结构   根据合金元素之间的相互作用及相的结构特点不同，合金中的相结构可分成两大类：一类是固溶体，其晶体结构与组成合金的一个金属组元的结构相同；另一类是金属化合物（中间相），其晶体结构与组元的结构不同。 合金相结构   溶质原子溶入金属溶剂中所组成的固态合金相称为固溶体。固溶体的点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只引起晶格参数的改变和晶格畸变。工业上所使用的金属材料，绝大部分是以固溶体为基体的，有的甚至完全由固溶体所组成。例如碳钢和合金钢，其基体相均为固溶体，且含量占组织中的绝大部分。 合金相结构   除了固溶体外，合金中另一类相就是金属化合物。金属化合物是合金组元之间发生相互作用而形成的一种新相，又称为中间相，其晶格类型和特性不同 于其中任一组元。像碳钢中的渗碳体（Fe3C）、黄铜中的β相（CuZn）、铝合金中的CuAl2，都是金属化合物。这种化合物可以用分子式来表示，除了离子键和共价键外，金属键也在不同程度上参与作用，致使其具有一定程度的金属性质（例如导电性），因此称之为金属化合物。 （一）相图的建立 相图亦称状态图或平衡图，用来表示材料中平衡相与成分、温度之间的关系，是研制新材料，制定合金的熔炼、铸造、压力加工和热处理工艺以及进行金相