第二章 金属材料的凝固与固态相变精品PPT课件

（2）及其他相图
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。
⑵晶体的长大 1）平面长大。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以 其表面向前平行推移的方式长大。 2）树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶 体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度， 这时金属晶体往往以树枝状的形状长大。
树枝状长大
3.影响形核和长大的因素
成核速率N 为单位时间单位体
冷却到1点温度后, 发生共晶反 应全部转变为共晶体 (α+β) 。
从共晶温度冷却至室温时, 共晶 体中的 α析出 βⅡ , β 中析出 αⅡ 。但共晶体的形态和成分不发 生变化。
合金的室温组织全部为共晶体； 由α和β两相组成。
共晶合金 组织的形态
2)亚共晶合金 (合金Ⅱ)的结晶过程
1点, L α; 1点 2点, L α ; 2点 2’点, Lc → (αd+ βe); 此时, 合金转变为 α+ (αd+ βe) 2’点 3点, α →βⅡ; 合金的室温组织:
（1）晶粒度的概念 单 （晶位 直粒面径度积）是上来晶晶表粒粒示大的 。小数的目确Z量s表度示。，用也单可位以体用积晶中粒晶的粒平的均数线目长Z度v或 Zv=0.9(N/G)3/4 Zs=1.1(N/G)1/2 在一般情况下,形核速率越大,长大速度越小，晶粒越小, 则金 属的强度, 塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化, 是提高金属机 械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。
3）获得成分均匀的固溶体。
（3）杠杆定律
当温度一定时，两相的成分是 确定的,根据质量守恒,有:
QL+ Qα=1 QLX+ QαX′=K 求解方程得： QL=X’K/X’X;
Qα=KX/X’X; KX×QL= X’K×Qα 式中，QL为液相的相对质量； Qα为α相的相对质量；运用杠杆定 律时要注意，它只适用于相图中的 两相区。 （5）枝晶偏析
ΔT= T0—Tn 冷却速度越大，则 开始结晶温度越低，过 冷度也就越大。 过冷是结晶的必要 条件
2.金属的结晶过程
液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程来实现 的。
图2-5 金属结晶示意图
⑴晶核的形成 1）自发形核 从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的 过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。 2）非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核， 形成的结晶核心叫做非自发晶核。
（2）晶粒大小的控制 1）增大过冷度 2）变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒 和改善组织。
5. 同素异构转变
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格 转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
F e 1 3 ℃ 9 4 F e 9 ℃ 1 2 Fe
bcc
fcc
bcc
铁的同素异构转变是钢铁材料能够
积形成的晶核数（个/m3·s), 长大速 度G为单位时间晶体长大的长度 （m/s) 。 （1）过冷度的影响
随着过冷度的增加, 形核速率和 长大速度均会增大。当过冷度进一 步增大时，成核速率增大更快，因 而比值N/G也增大, 结果使晶粒细化。 （2）难熔杂质的影响
增加晶核的数量，使晶粒细化。
4.晶粒大小及控制
固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充 分进行，则形成成分不均匀的固溶体。
2 .共晶相图
(1)相图分析
在共晶合金相图中，acb为液相线，adceb为固相线，合金系有 三种相，相图中有三个单相区（L、α、β）；三个两相区（L+α、 L+β、α+β）；一条三相(L+α+β)共存线（水平线dce）。
α+ βⅡ + (α+β) , 合金的组成相:α和β。
过共晶合金的结晶过程与 亚共晶合金相似，室温组织为 β+ αⅡ + (α+β) 。合金的组 成相为α和β。
3)k点以左和h点以右的合金的结晶过程
k点以左合金的结晶过程为： 1 2点, L α; 2 3点, α; 3 4点, α βⅡ; 室温组织为α+ βII 。
dce为共晶线（ c点为共晶点）。
Lc →TC αd+ βe
共晶反应所生成的两相机械 混合物叫共晶体。成分在de之间 的合金平衡结晶时都会发生共晶 反应。
df线为α相的固溶线。温 度降低，固溶体的溶解度下降。 从固态α相中析出的β相称为 二次β，常写作βⅡ,即 α→βⅡ 。
(2)合金Ⅰ的平衡结晶过程 1)共晶合金(合金Ⅰ)的结晶过程
第二章 金属材料的凝固与固态相变
2.1 金属的结晶 1.结晶的概念
金属从液态转变为晶态固体的过程称为结晶。通常把金属从液 态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶态 转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。
理论结晶温度T0或熔点是固态和液态的能量相等的温度。
理论结晶温度T0与开 始结晶温度Tn之差叫做过 冷度，用ΔT表示。
进行热处理改性的内因和依据。
同素异构转变是在固态下完成的， 也是通过形核、长大来完成的。称为重 结晶。
2.2 合金的凝固
2.2.1 二元合金相图与凝固
相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系 的一种
Al1B 线 为 液 相 线 ， Aa1B 为 固 相 线 ， 图 中 有 两个单相区和一个双相 区（L+α相区）。
以Ⅰ点成分的Cu— Ni合金（Ni的质量分数 为b%）为例分析结晶过 程。
（2）平衡结晶过程分析
1）结晶过程包括生核与长大，但固溶体更趋向于树枝状长大。
2）结晶是在一个温度区间内进行的。在两相区内，液相的成分 沿液相线朝低温方向变化，固相的成分沿固相线朝低温方向变化。 当温度一定时，两相的成分是确定的。
3.包晶相图及其他相图
（1）包晶相图
铁碳合金相图的包晶部分 中合金I的结晶过程 ：
合金冷却到AB时结晶出 δ 固溶体, δ 相成分沿 AH线 变化, L相成分沿AB 线变化。
合金冷到HJB温度时, δ相 的成分到达H点, L相的成分到 达B点而发生包晶反应：
LB +δH
TJ
AJ
反应结束后, 形成J 点成分 的A 固溶体。