第二章 金属材料的凝固与固态相变ppt课件.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ΔT表示。ΔT=T0—Tn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。⑴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核，形成的结晶核心叫做自

2、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⑵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/m3·s),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,形核速率和长大速度均会增大。当过冷度进一步增大时，成核速率增大更快，

3、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)3/4Zs=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

4、，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+α相区）。以Ⅰ点成分的Cu—Ni合金（Ni的质量分数为b%）为例分析结晶过程。（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

5、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+Qα=1QLX+QαX′=K求解方程得：QL=X’K/X’X;Qα=KX/X’X;KX×QL=X’K×Qα式中，QL为液相的相对质量；Qα为α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

6、线，合金系有三种相，相图中有三个单相区（L、α、β）；三个两相区（L+α、L+β、α+β）；一条三相(L+α+β)共存线（水平线dce）。dce为共晶线（c点为共晶点）。Lc→αd+βe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α相的固溶线。温度降低，固溶体的溶解度下降。从固态α相中析出的β相称为二次β，常写作βⅡ,即α→βⅡ。TC(2)合金Ⅰ的平衡结晶过程1)共晶合金(合金Ⅰ)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α和β两相组成。冷却到1点温度后,发生共晶反应全部转变为共晶体(α+β)。从共晶温度冷却至室温时,共晶体中

7、的α析出βⅡ,β中析出αⅡ。但共晶体的形态和成分不发生变化。2)亚共晶合金(合金Ⅱ)的结晶过程1点,Lα;1点2点,Lα;2点2’点,Lc→(αd+βe);此时,合金转变为α+(αd+βe)2’点3点,α→βⅡ;合金的室温组织:α+ βⅡ+(α+β),合金的组成相:α和β。过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似，室温组织为β+αⅡ+(α+β)。合金的组成相为α和β。k点以左合金的结晶过程为：12点,