金属结晶过程

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
单晶的制取
•演示
2.2 合金的结晶
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
2.2.1 二元合金的结晶
1．匀晶相图 2．共晶相图 3．包晶相图 4．共析相图
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。
T,C
L
1500
1455
1400
1300
L+
1200
1100
1000 1083
Cu 20
40 60 Ni%
Ni 80 100
铜-镍合金匀晶相图
液相线
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083 熔点
壁也能起非自发晶核的
作用。结果，在金属的 (1)细等轴晶区； (2)柱状
ຫໍສະໝຸດ Baidu
表层形成一层厚度不大 晶区； (3)粗等轴晶区
、晶粒很细的细晶区。
铸锭结构
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
抗拉强度Rm 屈服强度RE
250Mpa， 140Mpa
断后延伸率A11.3 40%-50%
冲击韧性αK 200 J/cm2
• 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。
布氏硬度HBS 80
晶粒平均直径 250 177 125 88 62 44 31 22 比（较μm：）细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑ 固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓
细化晶粒的措施
1. 提高过冷度 2. 变质处理 3. 振动结晶
G，N
（1）提高过冷度 N
G T
形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系
t
Ni%
杠杆定律
T,C
L
1500
1400 1300
a1 1 b1L+ c1
1200
1100a 1000
1083
2
杠杆定律：在两相区内，对
应每12.一在随确两着定相 温的温区 度度内 的T， 降1，对 低两应 ， 相质每两量一相的确 的比定 成值的 分是确温 分定度 别的， 沿。两 液即
Q相L/的线Q成 和=分 固b是 相1c确 线1/定 变a1的 化b。1
二、奥氏体
• 碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体，称 做奥氏体。具有面心立方格的γ-Fe的间隙 半径为0.052nm，比α-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γ-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。
1．铁碳相图 (Fe-Fe3 C相图)
(1) Fe-Fe3 C相图的组元
● Fe —— α–Fe、δ-Fe (bcc) 和γ-Fe (fcc) 强度、硬度低，韧性、塑性好。
● Fe3 C —— 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。
(2) Fe-Fe3 C相图的相
● 液相 L ● δ相 （高温铁素体 ）—— δ–Fe（C）固溶体 ● γ相（A ，奥氏体）—— γ-Fe（C）固溶体 ● α相 （F，铁素体） —— α-Fe（C）固溶体
f4
Pb X1
+
g
Sn
+ Ⅱ
冷却曲线 t Ⅱ
X1合金结晶特点
L
1.没有共晶反应过程，
T,C
而是经过匀晶反应形成 单相固相。
L
L+
L
2.要经过脱溶反应， 室温 组织组成物为
+ Ⅱ
+ Ⅱ
冷却曲线 t Ⅱ
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。
X2合金结晶过程分析
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。
（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。
145c5
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 T1 对质量各为
T2 QL/QH=b1c1/a1 c1
Cu
20 b 40 60
NQi /QH=a1b1/a1
80 100
c1
Ni%
=1- QL/QH
例：求30%Ni合金在1280 时相的相对量
解：作成分线和
T,C
L
1500
1400 1300
3．包晶相图
包晶转变： Ld + c e
铂-银合金包晶相图
T,C
T,C
L
L+
c e
L
d L+
L+ L+
+
f
Pt
Ag%
+ Ⅱ
g
Ag
t
4. 共析相图
共析转变： ( + ) 共析体
L
T,C
L+
+
c
d
+
e
+
A
B
2.2.2 相图与性能的关系
1. 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。
•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。
Fe3C → 3Fe+C（石墨）
(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
L4.3(A2.11+Fe3C)
高温莱氏体,Le或Ld
共析线 PSK，共析点S
● 铸造性能
2. 合金的工艺性能与相图的关系
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。
2.2.3 铁碳合金的结晶
1．铁碳相图 2．结晶过程 3．成分-组织-性能关系 4．Fe-Fe3 C相图的应用
（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。
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 1394 C
912 C
-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc
A0.77(F0.02+Fe3C)
珠光体, P
ES线：C在A中的固溶线
PQ线：C在F中的固溶线
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
类型
常见
钢号
碳钢 碳质量分数／％
912 C
-Fe，fcc
-Fe，bcc
纯铁的冷却曲线
T 1538
1394
}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
Cooling curve t
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
• 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。
T,C
183
L
L+
L+
c
d
e
+
Pb
Sn
X1合金结晶过程分析
L
T,C
T,C
1
L
2
L
L+
L
L+
L+
183 c
d
e
{
3
（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
树枝状生长
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)。
晶粒度
1 2345 678
单位面积晶粒数 16 32 64 128 256 512 1024 2048
（细个/晶m强m化2） —— 晶粒细化使金属机械性能提高的现象
液相区 L
1455
L+
纯镍 熔点
固相线
Cu
固相区
20
液固两相区
40 60 Ni%
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
L
T,C
T,C
L
1500
1455
L
1400 1300
c
a
L+
匀晶转变 L
1200d
1100 1000 1083
b
L
C匀u 晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的N熔i 点，
而是2在0液、固4相0线划6定0的温区80内进行10结0 晶。 冷却曲线
● Fe3 C （ Cem， Cm，渗碳体）—— 复杂晶体结构
一、铁素体
• 碳原子溶入α-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体 。由于体心立方格的α-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：
铅-锡合金共晶相图
T,C
L
L+
L+
+
液相线 固相线
固溶线 固溶线
Pb
Sn
Sn%
共晶转变分析
共晶反应线
表示从c点到e点
T,C
范围的合金，在 该温度上都要发
L
L+
L+
c
d e
生不同程度上的 共晶反应。
+
共晶点 表示d点成分的合
Pb
Sn 金冷却到此温度
+ Ld c e
上发生完全的共 晶转变。
共晶反应要点
凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体
晶体
冷却曲线
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
T
过冷度
T= T0 - Tn
T0
理论结晶温度
}T
Tn
开始结晶温度
t
冷却速度越大，则过冷度越大。
2. 纯金属的结晶过程 形核和晶核长大的过程
液态金属
形核
晶核长大
完全结晶
（1）形核过程
a1 b1L+ c1
1200
1100a 1000
1083
1455 c 1280 C
温度线如图。
根据杠杆定律推 论， Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4 答：所求合金在
1280 时相的
Cu
18 20
30 40
66 60 80
Ni 相对质量为1/4。
100
Ni%
2．共晶相图
第2章 金属材料的 组织与性能控制
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
2.1 纯金属的结晶
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
1. 纯金属的结晶条件
结晶： 液体 --> 晶体
（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
——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。
振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。
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
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
L
（共晶合金）
T,C
183
L
L+
L+
c
d
e
+
T,C
(+ )
L L
L(+ ) 共晶体
(+ )
(+ )
Pb
X2
Sn 冷却曲线 t
X3合金结晶过程分析 （亚共晶合金）
T,C
183
Pb
T,C
L
L+
c
d
+
X3
L+
e
1 L L+(+ )+ 2 L+ (+ )+
(+ )+ + Ⅱ
Sn
t
标注了组织组成物的相图
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Fe3C，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。