第2章 金属材料的凝固与固态相变

t
冷却速度越大，则过冷度越大。 冷却速度越大，则过冷度越大。
2.1.2 金属的结晶 金属的结晶过程：形核、长大。 1．金属的结晶过程：形核、长大。 当液态金属过冷到一定温度时， 当液态金属过冷到一定温度时，一些尺寸 较大的原子集团开始变得稳定， 较大的原子集团开始变得稳定，而成为结 晶核心，称为晶核。 晶核心，称为晶核。形成的晶核按各自方 向吸附周围原子自由长大，在长大的同时， 向吸附周围原子自由长大，在长大的同时， 又有新晶核出现长大。 又有新晶核出现长大。
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。 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
δ-Fe ⇔ γ-Fe ⇔ α-Feຫໍສະໝຸດ 912 °Cγ-Fe
α-Fe
纯铁的冷却曲线
T
1538 1394 912
770 铁磁性
}δ-Fe
}γ-Fe
3．晶粒大小及控制 晶粒度：是晶粒大小的量度， ⑴晶粒度：是晶粒大小的量度，用单位体积 中晶粒的数目或单位面积上晶粒的数目表示， 中晶粒的数目或单位面积上晶粒的数目表示， 也可以用晶粒的平均线长度或直径表示。 也可以用晶粒的平均线长度或直径表示。影 响晶粒度的主要因素是形核率和长大速度。 响晶粒度的主要因素是形核率和长大速度。 形核率愈大，则结晶后的晶粒愈多， 形核率愈大，则结晶后的晶粒愈多，晶粒就 愈细小。若形核率不变， 愈细小。若形核率不变，晶核的长大速度愈 则结晶所需的时间愈长， 小，则结晶所需的时间愈长，能生成的核心 就愈多，晶粒就愈细。 就愈多，晶粒就愈细。 晶粒愈小，金属的强度、塑性和韧性愈好。 晶粒愈小，金属的强度、塑性和韧性愈好。 细化晶粒是提高金属性能的重要途径之一。 细化晶粒是提高金属性能的重要途径之一。
⑵细化铸态金属晶粒的措施 增大过冷度：过冷度愈大， ①增大过冷度：过冷度愈大，形核率和长大速度 愈大，但形核率的增加速度更大，晶粒就愈细。 愈大，但形核率的增加速度更大，晶粒就愈细。 提高液态金属的冷却速度是增大过冷度的主要方 提高液态金属的过冷能力（如高温融化、 法。提高液态金属的过冷能力（如高温融化、低 温浇注）也是增大过冷度的有效方法。 温浇注）也是增大过冷度的有效方法。 变质处理：向液态金属中加入某些变质剂， ②变质处理：向液态金属中加入某些变质剂，以 细化晶粒和改善组织，达到提高材料性能的目的。 细化晶粒和改善组织，达到提高材料性能的目的。 变质剂的作用：一种是直接增加形核核心， 变质剂的作用：一种是直接增加形核核心，称为 孕育剂，相应处理称为孕育处理。 孕育剂，相应处理称为孕育处理。如在铁水中加 入硅铁、硅钙合金都能细化晶粒。 入硅铁、硅钙合金都能细化晶粒。另一种不能提 供结晶核心，但能改变晶核的生长条件， 供结晶核心，但能改变晶核的生长条件，强烈地 阻碍晶核的长大，细化组织。 阻碍晶核的长大，细化组织。 振动搅拌。 ③振动搅拌。
晶核长大过程 长大方式 ——树枝状生长 树枝状生长
2．影响形核和长大的因素 金属的结晶过程是晶核不断形成、 金属的结晶过程是晶核不断形成、长大的 过程。在单位时间内， 过程。在单位时间内，单位体积中所产生 的晶核数称为形核率N 的晶核数称为形核率N，单位时间内晶核长 大的平均速度为G 显然， 大的平均速度为G。显然，结晶后的晶粒大 小必然与形核率和长大速度有关， 小必然与形核率和长大速度有关，而影响 形核率和长大速度的重要因素是冷却速度 或过冷度）和难熔杂质。 （或过冷度）和难熔杂质。
纯金属的结晶过程
形核和晶核长大的过程 形核和晶核长大的过程
液态金属 形核 晶核长大 完全结晶
晶核的形成有两种方式，一种是自发形核（均 晶核的形成有两种方式，一种是自发形核（ 质形核）， ），即晶体核心是从液体结构内部自发 质形核），即晶体核心是从液体结构内部自发 长出的。另一种是非自发形核（异质形核）， 长出的。另一种是非自发形核（异质形核）， 晶核是依附于外来杂质而生成的。 晶核是依附于外来杂质而生成的。自发形核和 非自发形核是同时存在的， 非自发形核是同时存在的，在实际金属和合金 中，非自发形核比自发形核更重要，往往起优 非自发形核比自发形核更重要， 先和主导的作用。 先和主导的作用。 晶核的长大方式通常是树枝状长大， 晶核的长大方式通常是树枝状长大，即枝晶长 因为晶核的棱角具有较好的散热条件， 大。因为晶核的棱角具有较好的散热条件，而 且缺陷多，易于固定转移来的原子， 且缺陷多，易于固定转移来的原子，再加上枝 晶结构表面积大， 晶结构表面积大，便于从周围液体获得生长所 需的原子。 需的原子。
第2章 金属材料的凝固与固态相变 金属材料的凝固与 材料的凝固
§2.1 纯金属的结晶
2.1.1广义结晶 2.1.1广义结晶 物质从液态转化成固态的过程称为凝固。 物质从液态转化成固态的过程称为凝固。 液态物质内部的原子，在短距离的小范围内， 液态物质内部的原子，在短距离的小范围内， 呈现出近似于固态结构的规则排列， 呈现出近似于固态结构的规则排列，即短程 有序的原子集团，是不稳定的， 有序的原子集团，是不稳定的，瞬间出现又 瞬间消失。 瞬间消失。结晶实质上是原子由近程有序转 变为长程有序状态的过程。 变为长程有序状态的过程。
}
α-Fe
t
§2.2 合金的凝固
2.2.1 二元合金相图与凝固 相图（平衡图或状态图） 相图（平衡图或状态图）是表明合金系中不 同成分的合金在不同温度下所存在的相以及 相与相之间关系的图形。 相与相之间关系的图形。从相图中可以知道 某一个成分合金在某一个温度下具有哪些相、 某一个成分合金在某一个温度下具有哪些相、 它们的平衡关系以及由它们所构成的组织， 它们的平衡关系以及由它们所构成的组织， 从而了解合金系的成分、组织与性能的关系。 从而了解合金系的成分、组织与性能的关系。 相图是通过热分析实验法建立的。 相图是通过热分析实验法建立的。
1．匀晶相图 两组元在液态和固态均能无限互溶所构 成的相图称为二元匀晶相图。 Cu-Ni、 成的相图称为二元匀晶相图。如：Cu-Ni、 Cu-Au、Au-Ag、Fe-Ni、 Mo。 Cu-Au、Au-Ag、Fe-Ni、W-Mo。 平衡结晶过程： ⑴平衡结晶过程：合金的结晶过程是在 一个温度范围内完成的。 一个温度范围内完成的。
纯金属的结晶条件 结晶： --> 结晶： 液体 --> 晶体 凝固： --> 固体（ 非晶体） 凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体） 液体 晶体
纯金属结晶的条件就 是应当有一定的过冷 克服界面能） 度（克服界面能）
冷却曲线
过冷度 ∆T= T0 - Tn
T T0 Tn
}∆T ∆
理论结晶温度 开始结晶温度
匀晶转变 L α
L
1455
α
L
L
α
Ni
α 冷却曲线 t α
匀晶合金与纯金属不同， 匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔 而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。 点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。
⑵杠杆定律：在合金的结晶过程中，液、 杠杆定律：在合金的结晶过程中， 固两相的相对量是在变化的， 固两相的相对量是在变化的，在某一温度 下液、 下液、固两相的相对量可用杠杆定律来计 算。 设一合金的含B量为K 质量为1 设一合金的含B量为K，质量为1。在某温度 下液相的相对量为L% 固相的相对量为α% L%， α%。 下液相的相对量为L%，固相的相对量为α%。 已知液相的含B量为X 固相的含B量为X 已知液相的含B量为XL，固相的含B量为Xα。 根据质量守恒定律得下列方程： 根据质量守恒定律得下列方程：
⑴过冷度 在结晶过程中晶核形成和长大的驱动力与ΔT成正比， ΔT成正比 在结晶过程中晶核形成和长大的驱动力与ΔT成正比， 而晶核形成和长大所需的必要条件——原子迁移能力 而晶核形成和长大所需的必要条件——原子迁移能力 或扩散能力）则与ΔT成反比。两种因素的综合结果， ΔT成反比 （或扩散能力）则与ΔT成反比。两种因素的综合结果， 使形核率和长大速度与ΔT的关系出现了一个极大值。 ΔT的关系出现了一个极大值 使形核率和长大速度与ΔT的关系出现了一个极大值。 在实际工业生产中，液态金属一般达不到极值时的ΔT ΔT， 在实际工业生产中，液态金属一般达不到极值时的ΔT， 所以ΔT愈大，形核率和长大速度就愈大。但是， ΔT愈大 所以ΔT愈大，形核率和长大速度就愈大。但是，当ΔT 较小时，长大速度的增加成度快于形核率； ΔT较大 较小时，长大速度的增加成度快于形核率；当ΔT较大 则形核率的增大程度快于长大速度。 时，则形核率的增大程度快于长大速度。 ⑵难熔杂质 高熔点的杂质， 高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结构与金属的晶体 结构有某些相似时，将强烈地促进非自发形核， 结构有某些相似时，将强烈地促进非自发形核，大大提 高形核率。 高形核率。
L%+α%=1 ① L%· +α%· L%·XL+α%·Xα=K ② ①×X L%· +α%· ①×XL得：L%·XL+α%·XL= XL ③ ②-③得：α%（Xα- XL）=K-XL α%（ =Kα%=（ ∴α%=（K-XL）/（Xα- XL） L%· +α%· ①×Xα得：L%·Xα+α%·Xα= Xα ④ L%（ ④-②得：L%（Xα- XL）= Xα- K L%=（ ∴L%=（Xα- K）/（Xα- XL） 液、固两相的相对量的关系如同力学中的杠 杆定律，故此而得名。 杆定律，故此而得名。
α
Ni
液相线
铜-镍合金匀晶相图
液相区
T,°C 1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083 纯铜 熔点 Cu 固相区 20
L
1455 L+ α
纯镍 熔点
α
100
固相线 Ni
40
60 Ni%
80
液固两相区
匀晶合金的结晶过程 T,°C T,°C 1500 1400 c 1300 1200d 1100 1000 1083 Cu 20 40 60 Ni% 80 100 L a L+ α b