金属材料的凝固与相变课件

大家好大家好1大家好1工程学院工程学院田玉琬田玉琬 第二章金属材料的凝固与固态相变2工程学院第二章 金属材料的凝固与固态相变2第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶第二节第二节 合金的结晶合金的结晶第三节第三节 铁碳合金相图铁碳合金相图第四节第四节 凝固组织及其控制凝固组织及其控制3第一节 纯金属的结晶3第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶一、结晶一、结晶结晶：物体从液态凝固到的固态晶体的过程。本质：近程有序远程有序近程有序近程有序结晶结晶远程有序远程有序4第一节 纯金属的结晶一、结晶近程有序结晶远程有序4自由能自由能F温度温度TTFTn结晶温度和过冷度结晶温度和过冷度To理论结理论结晶温度晶温度液相液相固相固相过冷度：过冷度：T=T0 Tn5自由能温度TTFTn结晶温度和过冷度To理论结液相固相过To实际结晶曲线实际结晶曲线1.纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线时间温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线Tn6To实际结晶曲线1.纯金属结晶时的冷却曲线时间温度理论冷却曲二、纯金属的结晶二、纯金属的结晶结晶过程：形核+长大7二、纯金属的结晶71.晶核的生成：晶核的生成：自发生核自发生核 (同质形核同质形核)非自非自发形核形核(异质形核异质形核)自发生核：自发生核：晶核是从液体结构内部自发长出来的晶核是从液体结构内部自发长出来的 T200 T200，短程有序的原子团稳定成晶核，短程有序的原子团稳定成晶核非自发形核：非自发形核：晶核是依附外来杂质而生成的晶核是依附外来杂质而生成的 T 20 T 20，液体中的杂质、容器壁，液体中的杂质、容器壁实际金属和合金结晶中实际金属和合金结晶中,非自发形核比自发生核更非自发形核比自发生核更重要重要,往往起优先和主导作用往往起优先和主导作用!81.晶核的生成：自发生核(同质形核)非自发形核(异质形核树枝状长大树枝状长大典型生长方式典型生长方式 2.晶核的长大：晶核的长大：9树枝状长大典型生长方式 2.晶核的长大：91010形核率（形核率（N）:单位时间、单位体积产生的晶核数。单位时间、单位体积产生的晶核数。晶核的长大速率（晶核的长大速率（G）：单位时间内晶核长大的平均速度。）：单位时间内晶核长大的平均速度。3.影响形核和长大的因素：影响形核和长大的因素：过冷度过冷度难熔杂质：难熔杂质：高熔点的杂质，特高熔点的杂质，特别是当别是当杂质的晶体结结构与金杂质的晶体结结构与金属的晶体结构有某些相似时，属的晶体结构有某些相似时，将强烈地促使非自发形核，大将强烈地促使非自发形核，大大提高大提高形核率。形核率。（变质处理）（变质处理）11形核率（N）:单位时间、单位体积产生的晶核数。3.影4.晶粒大小控制晶粒大小控制形核率愈大，则结晶后的晶粒愈多，晶粒就愈小。形核率愈大，则结晶后的晶粒愈多，晶粒就愈小。晶核长大速度愈小，则结晶所需的时间愈长，能生成晶核长大速度愈小，则结晶所需的时间愈长，能生成的核心愈多，晶粒就愈细。的核心愈多，晶粒就愈细。增大过冷度：过冷度大，形核速率相对长大速率更大。增大过冷度：过冷度大，形核速率相对长大速率更大。变质处理：有意地向液态金属中加入某些变质剂，以变质处理：有意地向液态金属中加入某些变质剂，以细化晶粒和改善组织。细化晶粒和改善组织。124.晶粒大小控制形核率愈大，则结晶后的晶粒愈多，晶粒就愈小三、金属的同素异构三、金属的同素异构同素异构现象：外界条件变化，晶体结构变化。1000温度时间150050013941534912-Fe -Fe-Fe铁的冷却曲线同素异构转变实质上也是一种广义的结晶过程：也就是原子重新排列的过程,它也遵循生核与长大的基本规律。13三、金属的同素异构同素异构现象：外界条件变化，晶体结构变化。第二节第二节 合金的结晶合金的结晶一、相图一、相图合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。相图用来表示合金系中各合金在缓冷条件（接近热力相图用来表示合金系中各合金在缓冷条件（接近热力学平衡状态）下的结晶过程。学平衡状态）下的结晶过程。14第二节 合金的结晶一、相图14时间时间温度90 705030A温度B温度二、相图的建立二、相图的建立15时间温度90705030A温度B温度二、相图的建立15二、二元合金的相图的建立二、二元合金的相图的建立 1.二元相图：二元相图：存在两个组元时，含量是变量，常压下的结晶过程，则横存在两个组元时，含量是变量，常压下的结晶过程，则横座标用线段表示含量，纵座标表示温度。平面上按平衡状座标用线段表示含量，纵座标表示温度。平面上按平衡状态下存在的相来分隔。态下存在的相来分隔。相图用途：相图用途：由含量和温度预知平衡相由含量和温度预知平衡相含量一定，温度发生变化时其他含量一定，温度发生变化时其他平衡相变化的规律；平衡相变化的规律；估算平衡相的数量。估算平衡相的数量。预测材料的组织和性能！预测材料的组织和性能！16二、二元合金的相图的建立 1.二元相图：相图用途：由含量和abLSL:液相区液相区S:固相区固相区L+S:液固共存区液固共存区L +SAB温度两组元在液态和固态均两组元在液态和固态均能无限互溶能无限互溶-无限固溶无限固溶体。体。三、二元匀晶相图三、二元匀晶相图17abLSL:液相区S:固相区L+S:液固共存区LAB1：开始凝固，固体成分在对应固相线处：开始凝固，固体成分在对应固相线处12：温度下降，液体数量减少，固体数量增加，成分沿液相线：温度下降，液体数量减少，固体数量增加，成分沿液相线和固相线变化和固相线变化2：凝固完成，固体成分回到合金原始成分：凝固完成，固体成分回到合金原始成分2以下：固体冷却，无组织变化以下：固体冷却，无组织变化181：开始凝固，固体成分在对应固相线处18两相区杠杆定律两相区杠杆定律合金合金x在温度在温度T1由两相平衡并存，这时两相的成分和数量保由两相平衡并存，这时两相的成分和数量保持不变。过持不变。过x点作水平线交液相线和固相线于点作水平线交液相线和固相线于a、c点，在某点，在某一温度下液、固两相的相对量可用杠杆定律来计算一温度下液、固两相的相对量可用杠杆定律来计算设设mL和和m 分别为两相的数分别为两相的数量，量，由质量守恒定律可推由质量守恒定律可推导出：导出：ML +M=1ML c =M a注：杠杆定律适用所有两相平衡！注：杠杆定律适用所有两相平衡！19两相区杠杆定律合金x在温度T1由两相平衡并存，这时两相的1）与纯金属凝固一样，结晶过程包括形核和长大；结晶需要）与纯金属凝固一样，结晶过程包括形核和长大；结晶需要一定的过冷度才能开始。一定的过冷度才能开始。2）结晶在一温度范围内进行。只有在温度不断下降时固体量）结晶在一温度范围内进行。只有在温度不断下降时固体量才增加，温度不变，结晶数量维持平衡不变才增加，温度不变，结晶数量维持平衡不变可利用杠杆定律可利用杠杆定律计算两相相对量。计算两相相对量。3）结晶过程中液体和固体的成分分别沿液、固线不断变化。）结晶过程中液体和固体的成分分别沿液、固线不断变化。特点：特点：枝晶偏析：枝晶偏析：如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀，如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀，除晶粒细小外，固体中的成分会出现不均匀，树枝晶中成分除晶粒细小外，固体中的成分会出现不均匀，树枝晶中成分也不均匀，产生晶内偏析。也不均匀，产生晶内偏析。201）与纯金属凝固一样，结晶过程包括形核和长大；结晶需要一定的LABL+L+L+两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解。两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解。如如PbSn、AgCu等二元共晶相图。等二元共晶相图。四、二元共晶相图四、二元共晶相图21LABL+L+L+两组元在液态下无限互溶1）共晶成分（）共晶成分（E点点/c点）点）共晶反应：共晶反应：到达TE温度，发生共晶转变，L+，得到两固相的混合物，称为共晶体，一般呈层片分布。TE以下：固溶体的冷却，共晶体中的相和相成分分别沿CG线和DH线变化，并析出II和II。由固相中析出的固相称为次生相，由于次生相都相应地同相和连在一起，且数量较少，故不改变共晶体的形貌。221）共晶成分（E点/c点）22LABL+L+L+液相线液相线固相线固相线在在中的溶解线中的溶解线共晶线共晶线23LABL+L+L+液相线固相线在中的LABL+L+L+共晶合金亚共晶过共晶固溶体固溶体24LABL+L+L+共晶合金亚共晶过共晶固AB共晶时间温度25AB共晶时间温度25AB亚共晶时间温度过共晶26AB亚共晶时间温度过共晶26AB固溶体时间温度27AB固溶体时间温度27AB时间温度28AB时间温度28共析转变共析转变 +五、二元共析相图五、二元共析相图ABL29共析转变 +五、二元共析相图AB液相线：液相线：ac 和和 bc固相线：固相线：ad 和和 bpdf和和pg：固溶体：固溶体、的溶的溶解度随温度变化线解度随温度变化线dpc:为包晶转变线为包晶转变线包晶转变包晶转变 LC+d P 六、二元包晶相图六、二元包晶相图30液相线：ac 和 bc包晶转变 LC+d P七、铸锭（件）的凝固七、铸锭（件）的凝固1.细等轴晶区：细等轴晶区：锭模温度低，模壁异质形核，晶粒细小，取向随机；2.柱状晶区：柱状晶区：模具温度的升高，形核困难，散热方向垂直模壁，形成较粗且方向基本相同的长形晶粒区。3.中心等轴晶区：中心等轴晶区：液体对流，中心温度均匀，缓慢降至凝固点，向四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大。31七、铸锭（件）的凝固1.细等轴晶区：锭模温度低，模壁异质形力学性能：表层硬；柱状力学性能：表层硬；柱状区有方向性；中心疏松、区有方向性；中心疏松、多杂质。多杂质。铸锭缺陷：集中缩孔铸锭缺陷：集中缩孔最最后凝固部位。要控制部位，后凝固部位。要控制部位，便于切去。便于切去。32力学性能：表层硬；柱状区有方向性；中心疏松、多杂质。32第三节第三节 铁碳合金系相图铁碳合金系相图(FeFe3C)33第三节 铁碳合金系相图(FeFe3C)33 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线10006008001200时间16001500500700900110013001400-Fe -Fe-Fe铁素体铁素体F/：碳在碳在体心体心立方立方Fe的间隙固溶体。的间隙固溶体。高温铁素体高温铁素体：碳在高温碳在高温体心立方体心立方Fe中的固溶体。中的固溶体。奥氏体奥氏体A/：碳在碳在面心立面心立方方Fe中的固溶体。中的固溶体。奥氏体溶碳能力比铁素体大。铁素体是室温组织。一、铁碳合金相图基本相：液相、铁素体、奥氏体、渗碳体一、铁碳合金相图基本相：液相、铁素体、奥氏体、渗碳体34 纯铁的冷却曲线10006008001200时间16001奥氏体（austenite）：碳溶入-Fe中形成的固溶体，记作（或A）铁素体（ferrite）：碳溶入-Fe或-Fe中形成的固溶体，记作：（或F）及35奥氏体（austenite）：铁素体（ferrite）：35渗碳体渗碳体FeFe3 3C C含碳含碳6.69%6.69%，FeFe3 3C C硬度高，脆性大，塑性几乎为零。硬度高，脆性大，塑性几乎为零。强化作用。强化作用。FeFe3 3C C是一个亚稳相，是一个亚稳相，FeFe3 3C3Fe+C(C3Fe+C(石墨石墨)。碳在碳在-Fe-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以以FeFe3 3C C或石墨的形式存在。或石墨的形式存在。铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体36渗碳体Fe3C铸铁中的石墨钢中的渗碳体36 三个三相区三个三相区/水平线：水平线：HJB(L+)、ECF(L+Fe3C)、PSK(+Fe3C)1.相区相区 五个单相区：五个单相区：L、Fe3C 七个两相区七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C 二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析37 三个三相区/水平线：HJB(L+)、ECF(L+2.特征线特征线液相线液相线ABCD，固相线，固相线AHJECFD 包晶线包晶线 L+，共晶线，共晶线 L +Fe3C，共析线，共析线 A F+Fe3C382.特征线383.特征点特征点 JN +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+393.特征点JN+Fe3C+Fe3CL+工业纯铁工业纯铁4.铁碳合金的分类铁碳合金的分类40工业纯铁4.铁碳合金的分类40工业纯铁：C0.0218%亚共析钢：0.02180.77%C共析钢：0.77%C过共析钢：0.77%2.11%C亚共晶白口铸铁：2.114.3%C共晶白口铸铁：4.3%C过共晶白口铸铁：4.36.69%C室温相均为铁素体+渗碳体Fe3C41工业纯铁：C0.0218%41奥氏体组奥氏体组织织 高温铁素高温铁素体组织体组织铁素体铁素体组织组织F/渗渗碳碳体体组组织织 Cm三、铁碳合金的组织分析三、铁碳合金的组织分析42奥氏体组织 高温铁素体组织铁素体组织F/渗碳体组织 CL+L+L+Fe3C+Fe3C +Fe3C莱氏体莱氏体共晶相：共晶相：高温高温 +Fe3C，低温，低温+Fe3C共晶组织：共晶组织：高温莱氏体高温莱氏体Le，低温莱氏体，低温莱氏体Le43L+L+L+Fe3C+Fe3C+L+L+L+Fe3C+Fe3C +Fe3C珠光体珠光体共析相：共析相：+Fe3C共析组织：共析组织：珠光体珠光体 P44L+L+L+Fe3C+Fe3C+L+L+Le莱莱氏氏体体Le +奥氏体组奥氏体组织织 高温铁素体高温铁素体组织组织 铁素体组铁素体组织织 渗碳体组渗碳体组织织 Cm珠珠光光体体P45L+L+Le+奥氏体组织 高温铁素体组织 典型铁碳合金结晶过程分析典型铁碳合金结晶过程分析1工业纯铁工业纯铁 (0.01%C)2.共析钢共析钢 (0.77%C)3.亚共析钢亚共析钢 (0.40%C)4过共析钢过共析钢 (1.2%C)5共晶白口铁共晶白口铁 (4.3%C)6亚共晶白口铁亚共晶白口铁 (3.0%C)7过共晶白口铁过共晶白口铁 (5.0%C)46典型铁碳合金结晶过程分析1工业纯铁 1.工业纯铁工业纯铁(0.01%C)力学性能力学性能:强度、硬度低，塑强度、硬度低，塑性、韧性好。性、韧性好。相：相：+Fe3C组织：组织：F+Fe3C471.工业纯铁(0.01%C)力学性能:相：+2.共析钢共析钢(0.77%C)共析：共析：+Fe3C珠光体珠光体P相相转变:组织转变:L L+A A A+P P L L+Fe3C +Fe3C 相：相：+Fe3C组织：组织：P 珠光体珠光体482.共析钢(0.77%C)共析：+Fe3.亚共析钢亚共析钢 (0.45%C)组织：组织：LL+L+L+P+P相：相：LL+L+L+Fe3C+Fe3C相：相：+Fe3C组织：组织：+PF F F FP P P P室温下室温下P/F体积比？体积比？493.亚共析钢 (0.45%C)组织：L L+L+亚共析钢的组织都是亚共析钢的组织都是F+P铁素体和珠光体的相对量不同铁素体和珠光体的相对量不同0.02180.77%C：P随随C增加而增加而增加增加含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织50亚共析钢的组织都是F+P含0.45%C钢的组织含0.20%C4.过共析钢过共析钢 (1.2%C)组织：LL+Fe3C+Fe3CP+Fe3C相：LL+Fe3C+Fe3C+Fe3C相：相：+Fe3C组织：组织：P+Fe3C室温下室温下P/Fe3C体积比？体积比？514.过共析钢 (1.2%C)组织：L L+0.01%C铁素体0.77%C珠光体0.45%C铁素体+珠光体1.2%C铁素体+二次渗碳体500520.01%C铁素体0.77%C珠光体0.45%C铁素体+珠光共晶：共晶：L +Fe3CLe：奥氏体：奥氏体+渗碳体渗碳体Le：珠光体：珠光体+渗碳体渗碳体Fe3C 5.共晶白口铸铁共晶白口铸铁(4.3%C)组织：LL+LeLeLe+LeLe相：LL+Fe3C+Fe3C+Fe3C+Fe3C+53共晶：L +Fe3CFe3C5.共晶白口铸铁(4.相：相：+Fe3C+组织：组织：P、Fe3C、Le5.亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁(3.0%C)54相：+Fe3C+5.过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁(5.0%C)相：相：+Fe3C+组织：组织：Fe3C、Le555.过共晶白口铸铁(5.0%C)相：+Fe3C+相：液相相：液相L、铁素体、铁素体和和、奥氏体、奥氏体、渗碳体、渗碳体Fe3C组织：铁素体组织：铁素体F、奥氏体、奥氏体A、渗碳体、渗碳体Fe3C、珠光体、珠光体P、莱氏、莱氏体体Le和和Le +Fe3C +Fe3C 56相：液相L、铁素体和、奥氏体、渗碳体Fe3C+FFe3CB+FL+AA+L+LL+Fe3C+Fe3C+Fe3C+Fe3CF+Fe3C相：液相相：液相L、铁素体、铁素体和和、奥氏体、奥氏体、渗碳体、渗碳体Fe3C Fe3C57Fe3CB+FL+AA+L+LL+Fe3CFe3CAA+FL+AA+L+F ALL+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C+LeLeLe+Fe3CLe+Fe3CLeP+Fe3C+LeP+Fe3CP+FPF+Fe3C58Fe3CAA+FL+AA+L+FALL+Fe3CQA+Fe3CA+FL+AA+L+F ALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C+LeLdLd+Fe3CLd+Fe3CLdP+Fe3C+LdP+Fe3CP+FPF+Fe3C59QA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+F1.含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响 钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000渗碳体渗碳体四、四、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响601.含碳量对室温平衡组织的影响 钢铁素体亚共析钢过共析钢2.含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响亚共析钢：含碳量增加，亚共析钢：含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高，量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。塑性、韧性下降。过共析钢：过共析钢：含碳量增加，含碳量增加，Fe3C连续网状，钢变得硬连续网状，钢变得硬 而脆，强度下降。而脆，强度下降。白口铸铁：渗碳体为基体的白口铸铁：渗碳体为基体的 莱莱氏体，氏体，硬脆，切削加工难硬脆，切削加工难 很少应用很少应用612.含碳量对力学性能的影响61固溶强化：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。62固溶强化：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而