第二章 金属材料组织与性能的控制(新增)

曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜 热引起的.
结晶只有在T0以下的实际 结晶温度下才能进行。
过冷：液态金属在理论结晶温度以下开始 结晶的现象称过冷。
过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的 差T称过冷度 T= T0 –T1
过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大， 过冷度越大。
纯金属都有一个理论结晶温度 T0(熔点或平衡结晶温度)。在该 温度下, 液体和晶体处于动平衡 状态。
相图和多元相图。
Cu 成分（wt %Ni） Ni
Cu-Ni合金相图
二、二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Pb-Sn 为例] 1. 配制不同成分的Pb-Sn合金。 2. 测出各合金的冷却曲线,找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）. 3.建立坐标系（纵坐标：温度，横坐标：成分），作成分垂线,将临
1、组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存
在的物质。
2、合金系是指由两个或两个以 上元素按不同比例配制的一系
列不同成分的合金。多数情况
L
温度（℃）
下组元是指组成合金的元素。
但对于既不发生分解、又不发
生任何反应的化合物也可看作
组元,
如Fe-C合金中的Fe3C。 根据组元数, 分为二元相图、三元
聚时散，称为晶坯。在T0以下, 经一段时间后(即孕育 期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。 晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个 晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。
2、晶核的形成方式 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核（自发晶核）。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核（外来晶核）。 非均匀形核更为普遍。
二元相图的表示方法
• 平衡条件下的温度－成分坐标系：
二元相图采用两个坐标轴, 纵坐标用来表示温度,横坐 标用来表示成分。令A和B 代表合金的两个组元,则横 坐标的一端代表纯组元A, 另一端代表纯组元B,任何 一个由A,B二组元组成的合 金,其成分都可以在横坐标 上找到相应的一点---坐标 系中的点称表象点.
金为例说明。
当液态金属自
L
高温冷却到 t1 温度时，开始
结晶出成分为
1的固溶体，
其Ni含量高于
合金平均成分
这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变 或匀晶反应。
随温度下降， 固溶体重量增 加，液相重量 减少。同时， 液相成分沿液 相线变化，固 相成分沿固相 线变化。
成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3 时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时
自由能（G）：物质中能够自动向 外界释放出其多余的或能够对 外作功的这一部分能量。
理论结晶温度（Ｔ0 ）：结晶速度 与溶解速度相等时所对应的温 度(Ｆ液=Ｆ晶）。
结晶驱动力△Ｆ＝Ｆ液－Ｆ晶
§2-1-2 纯金属的结晶过程
1、结晶的基本过程 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成. 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时
一、相图分析
相图由两条线构成，上 面是液相线，下面是固 相线。
相图被两条线分为三个 相区，液相线以上为液 相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之间 为两相共存的两相区 （L+ ）。
L
液相线 L
+
固相线
Cu
成分（wt%Ni）
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Ni
二、合金的结晶过程
除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合
2.1 纯金属的结晶 结晶的概念 物质由液态转变为固态的
过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的
过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一
个相的过程称为相变。因 而结晶过程是相变过程。
玻璃制品 水晶
§2-1-1 冷却曲线和过冷现象
冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关系 曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对 应的温度称实际结晶温度T1。
三、影响晶核的形成和成长速率的因素
过冷度 影响因素
液体中的不熔杂质 表面细晶粒层
四、金属铸锭的组织
柱状晶粒层 中心等轴晶粒层
细晶组织机械性能较粗晶好。
铸造时细化晶粒的主要方法
1、增加冷却速度: 例如：由砂型铸造改为金 属模铸造，可以提高铸件的力学性能。
2、变质处理: 例如铸铁和铝硅合金（前者加 Si-Fe合金，后者加NaF+NaCl混合盐)
3、晶核的长大方式
晶核的长大方式有两种， 即均匀长大和树枝状 长大。
实际金属结晶主要以树 枝状长大.因晶核棱 角处的散热条件好， 生长快，先形成一次 轴，一次轴又会产生 二次轴…，树枝间最 后被填充。
树枝状长大的实际观察
2020/6/19
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶
冰
金
的
属
树
的
枝
树
晶
枝
晶
金 属 的 树 枝 晶
8
二、结晶时晶核的形 成和成长过程
结晶过程：晶核的形 成和成长（晶核分 自发晶核与外来晶 核）。
成长方式：枝晶成长。
缺陷的形成：在枝晶成长过程中，由于液体的流动，枝轴本身 的重力作用和彼此间的碰撞，以及杂质元素的影响等种种原因， 会使某些枝轴发生偏斜或折断，以致造成晶粒中的嵌镶块、亚 晶界、位错等。
3、物理方法: 振动、搅拌等
2.2 二元合金相图 一、相图的意义及几个名词的涵义
合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. 相图:是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明
图解。又称状态图或平衡图。 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，
是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。
固溶体的成分又变 回到合金成分3上 来。
液固相线不仅是相 区分界线, 也是结晶 时两相的成分变化 线；匀晶转变是变 温转变。
三、二元相图的 杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的
成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。
现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：
界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。 4. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。
相图中,结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。
§2-2-2 匀晶相图
两组元在液态和固 态下均无限互溶时 所构成的相图称二 元匀晶相图。
以Cu-Ni合金为例 进行分析。
Cu-Ni合金相图