第3章金属的结晶与二元合金相图讲义.ppt

第3章 金属的结晶与二元合金相图 ;3.1 金属的结晶及其控制 重点：如何控制晶粒的大小，即 细化晶粒的途径。 难点：结晶的必要和充分条件；;3.1.1 结晶的概念;2）从金属学观点： 结晶则是指物质的原子从近程有序结构向远程有序结构过度的过程。;3、结晶的条件;定义：金属的实际结晶温度（T1）低于理论结晶温度(T0)的现象。 即在T0以下金属仍处于液态。 作用： 过冷 → 自由能下降（ΔG ↓） → 产生驱动力。; T1 T0 T（℃）;2、充分条件： 过冷度ΔT = T0 – T1 ;3.1.2 结晶的过程;1、形核 1）定义 液体中最初形成分的一些作为结晶中心的稳定的微小晶体（晶核）的过程。 ;2）形核的方式 ;均匀形核;;非均匀形核示意图;2、晶粒长大;结晶前沿;3.1.3 晶粒的大小及控制;晶粒大小对纯铁的机械性能的影响 ; 2、晶粒大小的控制 1）决定晶粒度的因素 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核的数目。 长大速度（G）：晶核在单位时间内生长的长度。;N/G↑ → 晶粒愈细小;2）控制晶粒度的方法 ;;冷却速度对金属晶粒度的影响;当冷却速度 102~4℃/s → 微晶合金、纳晶合金。 微晶合金的特点： ① 具有高强度、高硬度、良好的韧性；; ② 较高的耐磨性、耐蚀性及抗氧化、抗辐射性、稳定性好等优良性能。 ③ 还具有良好的物理性能：高电阻率，较高的超导，高的矫顽力。;当冷却速度 106~8℃/s → 非晶态材料。 非晶态合金的特点： ① 很高的强度、硬度、刚度； ② 具有良好的韧性和塑性；; ③ 无晶体缺陷，因此具有很高的耐蚀性，及高电阻率，高导磁率，低磁损和低声波衰率。 ;（2）变质处理 是指在液态金属结晶前，加入一些细小高溶点的物质，促使非自发形核的方法。 易实现、效果明显、最常用。 ;孕育处理;钢中加入Ti、V、Al； 铸铁中加入Si、Ca； 铝中加入Ti、锆。 （3）振动，搅拌方法： 破碎作用 → 提高形核率。;电磁搅拌细化晶粒示意图;3.2 二元合金相图的建立 及其意义 重点：应用相图说明合金的组织和性能。 难点：相图分析、合金的结晶过程。; 合金相图（平衡相图）： 是用图解的方法表示不同成分、温度下合金中相的平衡关系，即 “成分-温度-相”三者关系 ;作用： 1、根据相图可以了解不同成分合金在温度变化时的相变及组织形成规律。 2、由相图可知一定成分的合金，在一定温度下的相和组织。;3.2 二元相图的建立 ;wNi%;wNi%;wNi%;wNi%;wNi%;wNi%;汇总;3.3 二元相图的基本类型 及应用 重点：应用相图说明合金的组织和性能。 难点：相图分析、结晶过程。;一、匀晶相图 二、共晶相图 三、包晶相图 四、共析相图 五、其它相图;3.3.1 匀晶相图 定义： 是指两组元在液态和固态均能无限互溶时形成的相图。 例如、Cu-Ni。 ;L+α;1、相图分析（Cu-Ni相图） 1）组元：Cu、Ni； 2）特征点： A—纯组元Cu的熔点（1083℃） B—纯组元Ni的熔点（1452℃）;3）特征线： AB上凹线—液相线 AB下凹线—固相线 4）特征区： L、ɑ 和（ L + ɑ ）;2、合金的结晶过程;1）匀晶转变：从液相 L 中均匀析出单相固溶体 ɑ 的过程。 2）在两相区： 随着温度的下降，固溶体相不断增多，液相不断减少；;固溶体相的成分沿固相线变化； 液相的成分沿液相线变化。 3）室温组织：单相固溶体 ɑ 。;液相线;3、杠杆定律;;在两相区，两相的质量比可以用杠杆定律求得，即： QL / Qα = bc/ab 即QL / Qα恰好与它们的杠杆臂成反比关系。 杠杆定律只适用于两相区。; 4、非平衡结晶与枝晶偏析 在实际生产中，由于冷却速度较快，固溶体中原子扩散不充分。 先结晶部分含高熔点组元较多，后结晶部分含低熔点组元较多。 一个晶粒内部化学成分不均匀的现象叫晶内偏析，或 枝晶偏析。;晶内偏析 → 塑性、韧性显著下降 可通过扩散退火消除。;3.3.2 共晶相图 定义 当二个组元在液态下无限互溶，而在固态时有限互溶，并有共晶反应发生时形成的相图。 例如、Pb-Sn共晶相图。;;1、相图分析 （Pb-Sn相图） 1）组元：Sn、Pb； ɑ —是Sn溶于Pb中的置换固溶体； β—是Pb溶于Sn中的置换固溶体。;2）特征点（7个点）;a、b点——分别为组元Pb和Sn的熔点； m、n点——分别是固溶体ɑ 、β的最大溶解度点；;f、g点 — 分别是固溶体ɑ 、β在室温下的溶解度点。 e 点 — 为共晶点，e点对应的温度称为共晶温