第三章金属与合金的结晶概述.pptVIP

第三章 金属与合金的结晶 结晶过程 crystallization 金属与合金由液态转变为固态的过程。 是原子从不规则排列的液态转变为规则排列的晶态的过程。 第一节 纯金属的结晶 纯金属的结晶——热分析法 纯金属的冷却曲线分析 冷却过程中，当液态金属的温度到达结晶温度时，由于结晶潜热的释放补偿了散失到周围环境的热量，所以在冷却曲线上出现了平台。 过冷度随金属的本性和纯度的不同以及冷却速度的差异可以在很大的范围内变化： 结晶的能量条件 结晶的必要条件： 过冷度：ΔT＞0 结晶的充分条件： 自由能差： ΔG=GS-GL0 GS：固相自由能； GL：液相自由能。 晶核的形成——结晶的物质条件： 自发形核：过冷条件下，液态金属内自行产生晶核。 非自发形核：在液态金属中，依附于杂质（细小的高熔点物质）而生成的晶核。 晶核的长大： 晶粒呈平面状长大（纯金属，且过冷度很小） 晶粒呈树枝状长大（生产中常见）——枝晶 金属结晶后的晶粒大小 单位体积中的晶粒数目： 单位面积中的晶粒数目： N——形核率 G——长大速率 细化晶粒能使材料的强度、硬度，塑性、韧性等均得到提高——细晶强化。 细化晶粒的常用方法 提高过冷度 增加形核率； 采用变质处理 加入变质剂，增加形核率，降低长大速率； 结晶时附加振动 使枝晶破碎，增加形核率。 金属的同素异构转变 一些金属，在固态下随温度或压力的改变,还会发生晶体结构变化，即由一种晶格转变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变 allotropic transformation。 由同素异构转变得到的不同晶格的晶体称为同素异构体 isomer。 特点： 是固态下的相变。 有一定的转变温度； 转变在恒温下进行； 需要有过冷度转变才能进行； 要产生结晶潜热； 也是一个形核与长大的过程； 转变发生在固态，因此需要有较大过冷度； 密度改变→晶体体积改变→相变应力。 第二节 合金的结晶 合金的结晶 与纯金属结晶的差异： 温度：纯金属——恒温 合金——变温 相：纯金属——一个液相→一个固相 合金——一个液相→多个固相 合金相图 alloy phase diagram 表示金属的相结构和状态随成分（质量分数）和温度的情况发生变化的示意图，称为合金相图，简称相图。 由于合金相图是在平衡状态下建立的，所以也称为平衡状态图。 相图是研究合金结晶过程的重要工具。 利用相图，可以清楚地了解不同成分的合金在不同温度下的相组成和组织组成情况，以及在温度转变时可能发生的转变等。 用途： 冶炼 铸造 锻压 焊接 热处理 二元合金相图 配制二元合金系； 测出各种合金的冷却曲线，找出其特征点（转折点或平台）； 画出温度—成分（质量分数）坐标系，标出每种合金的特征点温度； 将相同意义的点连接成光滑曲线（相界线，Phase boundary）； 在各相区里填写相应的“相”名称。 上相变点 upper Phase change point： 合金开始结晶温度。 下相变点 sub Phase change point： 合金结晶终了温度。 液相线 liquidus curve： 合金系中各合金开始结晶温度连成的相界线。 固相线 solidus curve： 合金系中各合金结晶终了温度连成的相界线。 二元匀晶相图 匀晶反应 Isomorphous reaction： 合金组元在液相和固相下均能无限互溶，结晶时只析出单相固溶体的反应。 匀晶反应→匀晶相图 Isomorphous phase diagram 结晶过程中，液相L和固相α的成分和相相对量并不确定，而是随温度的改变而变化： 剩余液相成分沿液相线变化： L1→L2→L3 已经结晶的固相成分沿固相线变化： α1→α2→α3 利用杠杆定律确定两相区中液、固两相在温度t时的成分及相相对量： 杠杆支点为合金原始成分（合金线）与温度线的交点； 杠杆两端点a、b在成分坐标上的投影x1和x2即为温度t时液、固相的成分（wL=x1、wα=x2）； 温度t时合金中液、固两相的相相对量： 枝晶偏析 dendritic segregatio 实际生产中，由于冷却速度较快，结晶时合金各相成分来不及充分扩散达到均匀化，先析出晶轴部分含高熔点物质较多，后析出的晶粒外层含低熔点物质较多，这种树枝状晶粒内的成分不均匀现象称为枝晶偏析/成分偏析。 枝晶偏析 dendritic segregatio 特点： 是晶粒内部的成分不均匀现象（晶内偏析）。 冷却速度越快，则原子扩散时间越少，偏析越大。 危害： 成分偏析会导致材料的力学性能、抗腐蚀能力和加工工艺性能下降。 二元共晶相图 共晶反应 eutectic re