Ch3材料的凝固与结晶组织.ppt

第三章 材料的凝固与结晶组织,3.1 基本概念3.2 纯金属的结晶3.3 合金的结晶与相图3.4 铸态组织与冶金缺陷,3.1 基本概念,一、凝固与结晶的概念,1.凝固：物质由液态转化为固态的过程。,2.结晶：物质由一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为 另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。（1）一次结晶（2）二次结晶,二、晶态,1.晶态结构（1）晶态是原子在三维空间中有规则地周期性重复排列的物质。（2）非晶态是一种短程有序、长程无序的混合结构。,非晶态硒 硒鼓静电成像、图书馆、超市物品中用非晶态软磁材料条带（传感器标签）。,3.1 基本概念,2.晶态物理性能（1）有各向异性；（2）有固定的熔点；（3）在一定条件下有规则的几何外形。,当液态金属原子来不及按它的常规结晶，在它还处于不整齐、杂乱无章的状态时就被“冻结”了，称为非晶态金属。它具有类似玻璃的某些结构特征，故称为金属玻璃。,3.1 基本概念,金属和玻璃的最大区别是：金属从液态冷却凝固的过程中有确定的凝固点，原子按一定的规律排列，形成晶体；而玻璃从液态到固态的转变是连续的，没有明确的分界线，即没有固定的凝固点。,金属玻璃的原子排列是无序的，没有特殊的薄弱环节，其强度比一般金属材料高得多，而且塑性、韧性好；其没有金属那样的晶粒边界，腐蚀剂无空可钻，耐蚀性特别好。,3.2 纯金属的结晶,一、结晶条件,二、结晶过程,三、结晶晶粒大小及控制,四、晶体的同素异构,一、结晶条件,自由能G,T,Tm,Tn,GL,G,GS,温度T,纯金属在液态和固态的自由能-温度曲线,3.2 纯金属的结晶,Tm-理论结晶温度 Tn-实际结晶温度 过冷度 T=Tm Tn G-结晶驱动力,二、结晶过程,3.2 纯金属的结晶,金属结晶过程视频,结晶过程flash,液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程实现的。,二、结晶过程,1.晶核的形成（1）自发形核（2）非自发形核,3.2 纯金属的结晶,二、结晶过程,2.晶体的长大（1）平面长大（2）树枝状长大,3.2 纯金属的结晶,平面长大：冷速极小时产生，实际金属很少见。,二、结晶过程,3.2 纯金属的结晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,三、结晶晶粒大小及控制,1.晶粒度：表示晶粒的大小，晶粒度等级数值越大晶粒越细。,3.2 纯金属的结晶,三、结晶晶粒大小及控制,晶粒的大小对金属性能的影响：（1）常温下，晶粒越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。（2）高温下工作的金属晶粒过于细小反而不好，晶粒大小适中即可。（3）对于用来制造电机和变压器的硅钢片来说，晶粒粗大反而好。是因为晶粒越粗大，磁滞损耗小，效能就高。,3.2 纯金属的结晶,细晶强化：晶粒细化使金属力学性能提高的现象。,晶粒尺寸越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。,（1）细晶强化：强、硬度 塑、韧性,（2）固溶强化：强、硬度 塑、韧性,（3）形变强化：强、硬度 塑、韧性,（4）弥散强化：强、硬度 塑、韧性,三、结晶晶粒大小及控制,3.2 纯金属的结晶,G,N,过冷度T,2.晶粒大小的控制,晶粒的大小取决于形核率 N、长大速度G的相对大小，即 的大小。（1）控制过冷度 V冷TN晶粒细小（2）变质处理（3）振动处理,形核率N长大速度G,3.2 纯金属的结晶,三、结晶晶粒大小及控制,3.2 纯金属的结晶,三、结晶晶粒大小及控制,Al-Si合金,3.2 纯金属的结晶,三、结晶晶粒大小及控制,铸铁,变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。,四、晶体的同素异构,固态金属在不同温度和压力下呈不同类型的晶体结构的现象，称为同素异构转变。Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构性。,3.2 纯金属的结晶,锡：也有同素异构性，灰锡、白锡、脆锡。怕冷、怕热。（1）怕冷：13，白锡，块状-Sn，塑性好，表壳、酒壶等（100，锡箔，可以0.04mm）；13，灰锡，-Sn，慢慢崩裂（33，暗灰色锡，明显碎裂成粉末）。（2）怕热：161，脆锡，斜方锡,马口铁：马口铁的锡镀层与低碳钢基体材料结合紧密，在经受机械变形时不会脱落或产生裂纹，因此马口铁同时具有钢的强度，可加工性、可焊性和锡的耐腐蚀性（特别是耐食品的浸蚀）、无毒、可涂漆和美观装饰性，广泛用于食品和饮料的包装。,四、晶体的同素异构,3.2 纯金属的结晶,SiO2也有同素异构转变。因为不同结构晶体的密度不同，所以同素异构转变中总伴有体积变化，会引起很大的内应力，常常导致陶瓷产品在烧结过程中开裂。,3.2 纯金属的结晶,四、晶体的同素异构,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,二、二元合金相图,（一）匀晶相图,（二）共晶相图,（三）共析相图,3.3 合金的结晶与相图,1.合金 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。,一、合金相结构,3.相 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。,2.组元 组成合金的最基本独立物质。,4.组织 用肉眼或显微镜所观察到的材料的内部微观形貌。,合金中的基本相结构：固溶体和金属间化合物,A(B)AxBy,相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。,鸡蛋,蛋白、蛋黄,工业纯铁,单相铁素体,共析碳钢,铁素体相、渗碳体相,普通陶瓷,晶相、玻璃相、气相,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,（一）固溶体 溶质原子溶入金属溶剂中所组成的固态合金,1.固溶体类型,（1）按溶质在金属溶剂晶格中的位置,（2）按溶质原子在金属溶剂中的溶解度 有限固溶体、无限固溶体,置换固溶体 12Cr18Ni9,间隙固溶体 铁素体、奥氏体,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,糖在水中的饱和度：100 时，为80%；90 时，为70%。,2.固溶体的性能,固溶强化 由于外来原子（溶质原子）溶入溶剂基体中形成固溶体而其强度、硬度升高的现象。,溶质原子溶入 晶格畸变 位错运动阻力上升 金属塑性变形困难 强度、硬度升高。,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,（二）金属间化合物 合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物，称为中间相。其熔点高、硬度高、脆性大。1.正常价化合物 2.电子化合物 3.间隙相和间隙化合物（1）当 rc/rMe 0.59 时，其晶体结构复杂，称为间隙化合物，如Cr23C6、Cr7C3、Fe3C 等。,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,间隙相 VC,间隙化合物 Fe3C,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,3.3 合金的结晶与相图,一、合金相结构,穿甲弹：既坚硬，动量又大，穿透力极强，能摧毁坦克、装甲车。穿甲弹芯密度影响穿甲深度，增大弹芯材料密度就是增加弹芯动量、动能。W与钢中的C结合，生成极硬的WC，70HRC或2000HV。W密度大，19.25g/cm3。,（一）匀晶相图,Cu-Ni、Cu-Ag、Au-Ag,3.3 合金的结晶与相图,二、二元合金相图,匀晶结晶有下列特点：（1）与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树枝状长大。（2）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。（3）在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。（4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。（5）固溶体结晶时成分是变化的（成分偏析,均匀化退火）。,3.3 合金的结晶与相图,二、二元合金相图,（二）共晶相图,E-共晶点 AEB-液相线 ACENB-固相线 三个单相区（L、）三个两相区（L+、L+、+）一条三相共存线（L+,水平线CEN）,3.3 合金的结晶与相图,二、二元合金相图,问：焊锡的成份？,（二）共晶相图,3.3 合金的结晶与相图,二、二元合金相图,共晶组织,层片状(Al-CuAl2定向凝固),条棒状（Sb-MnSb横截面）,螺旋状（Zn-Mg）,）,（三）共析相图,由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相，此两相混合物称为共析体。共析产物比共晶产物细密得多。如珠光体（P）。,3.3 合金的结晶与相图,二、二元合金相图,1+2,（三）共析相图,3.3 合金的结晶与相图,二、二元合金相图,珠光体,铸件 凝固后在铸造状态（或还要经过热处理）下使用的金属件。铸锭 凝固后还要经历塑性变形的金属件。,3.4 铸态组织与冶金缺陷,一、典型三晶区组织,3.4 铸态组织与冶金缺陷,一、典型三晶区组织,3.4 铸态组织与冶金缺陷,柱状晶粒区（1）分枝少，晶质细密；（2）晶粒粗大，各向异性，横向性能差；（3）柱状晶交界处有夹杂和气体，热加工时易开裂。获得：大的温度梯度，单向散热，定向凝固。,3.4 铸态组织与冶金缺陷,一、典型三晶区组织,等轴晶粒区（1）晶界面积大，杂质分布分散；（2）各晶粒位向不同，性能均匀，没有方向性；（3）枝晶彼此嵌入，没有脆弱面。（4）缺点是枝晶发达，树枝晶间液相凝固收缩留下很多 分散孔洞(显微缩松)，因此凝固后金属组织不够致密。获得：较低的浇注温度；孕育处理；机械振动、电磁搅拌。,二、冶金缺陷,（1）缩孔（2）疏松（3）气泡（4）裂纹（5）偏析,3.4 铸态组织与冶金缺陷,3.4 铸态组织与冶金缺陷,二、冶金缺陷,裂纹,3.4 铸态组织与冶金缺陷,二、冶金缺陷,第三章 复习,1.结晶/一次（二次）结晶/同素异构转变（-Fe、-Fe）2.T、G，建立新表面需要的能量3.形核、长大、树枝晶、晶粒度、晶粒大小的控制方法4.固溶体（间隙、置换）、化合物（碳化物）5.固溶强化、碳化物强化（P43，表3-3）6.结晶过程中的成分变化、成分偏析（与流动性的关系、与液固两相温差的关系）、均匀化退火（扩散退火）7.共晶（点、组织）、焊锡成分、共析组织、珠光体8.典型三晶区,第三章 作业,一、选择题（115）,二、判断题 学号尾数为0、1的同学做（110）题；学号尾数为2、3的同学做（1120）题；学号尾数为4、5的同学做（2130）题；学号尾数为6、7的同学做（3140）题；学号尾数为8的同学做（4150）题；学号尾数为9的同学做（5160）题。,三、问答题（14）,