第三章 金属与合金的结晶

• 单位截面积内晶粒的平均直径来表示，分 为10级。
• 细化晶粒能使材料的强度、硬度，塑性、 韧性等均得到提高——细晶强化。
细化晶粒的常用方法
• 提高过冷度
– 增加形核率；
• 采用变质处理
– 加入变质剂，增 加形核率，降低 长大速率；
• 结晶时附加振动
– 使枝晶破碎，增 加形核率。
金属的同素异构转变
– – – –
– – – –
是固态下的相变。 有一定的转变温度； 转变在恒温下进行； 需要有过冷度转变才能 进行； 要产生结晶潜热； 也是一个形核与长大的 过程； 转变发生在固态，因此 需要有较大过冷度； 密度改变→晶体体积改 变→相变应力。
第二节 合金的结晶
合金的结晶
• 与纯金属结晶的差异：
– 温度：纯金属——恒温 合金——变温 – 相：纯金属——一个液相→一个固相 合金——一个液相→多个固相
• 合金Ⅰ（wSn<19%）：
温度： T0→T1 T1→T2 T2→T3 T3→T4 组织转变： L L+α α α+βⅡ
• 利用固溶体溶解度随温度下降的这种性质，由于 固态下原子扩散能力有限，析出的二次相不易长 大，可以采用工艺方法，使第二相呈片状，颗粒 状或弥散点状分布在基体上，以提高材料的硬度 和强度——沉淀硬化/析出强化 precipitation strength。 • 如果析出的是脆性相并沿晶界呈网状分布，就会 使合金的塑性大大降低。 • 第二相呈弥散点状分布时，质点间的距离最小， 阻碍位错运动的作用最大，使材料的强度和硬度 提高，因而其硬化的效果最好——弥散强化 dispersion strengthening。
– 自由能差：
ΔG=GS-GL<0
GS：固相自由能； GL：液相自由能。
G( T ) H ( T ) T S( T )
• 晶核的形成——结晶的物质条件：
– 自发形核：过冷条件下，液态金属内自行产生晶核。 – 非自发形核：在液态金属中，依附于杂质（细小的高 熔点物质）而生成的晶核。
和相相对量 是确定的。 • 平衡状态下， 两种成分将 通过原子的 扩散实现成 分的均匀。
• 利用杠杆定律确定两相区中液、固两相在温度t时 的成分及相相对量：
– 杠杆支点为合金原始成分（合金线）与温度线的交点； – 杠杆两端点a、b在成分坐标上的投影x1和x2即为温度t 时液、固相的成分（wL=x1、wα=x2）； – 温度t时合金中液、固两相的相相对量：
,C
,C wN wC w w 或 ,C C M 1 ,C ,C
• 在温度略低于183℃时，C合金的成分为wc% （19%<wc%<61.9%），组织组分为 α+（α+β）。 α和（α+β）的组织相对量为：
ห้องสมุดไป่ตู้
• 固相线 solidus curve：
二元匀晶相图
• 匀晶反应 Isomorphous reaction：
– 合金组元在液相和固 相下均能无限互溶， 结晶时只析出单相固 溶体的反应。
• 匀晶反应→匀晶相图 Isomorphous phase diagram
• 两个单相区：L、α • 一个两相区：L+α • 液相线：acb • 固相线：adb
ΔT=T0-Tn
• 过冷度随金属的本性和纯度的不同以及冷 却速度的差异可以在很大的范围内变化：
– 金属不同，过冷度 的大小不同； – 金属的纯度越高， 则过冷度越大。 – 冷却速度越大，则 过冷度越大，即实 际结晶温度越低。
结晶的能量条件
• 结晶的必要条件：
– 过冷度：ΔT＞0
• 结晶的充分条件：
• 一些金属，在固态下随 温度或压力的改变,还会 发生晶体结构变化，即 由一种晶格转变为另一 种晶格的变化，称为同 素异构转变 allotropic transformation。
• 由同素异构转变得到的 不同晶格的晶体称为同 素异构体 isomer。
• 金属的同素异构转变过程是一个重结晶过程。
• 特点：
液相： L mL m bc x x 2 100% ab x2 x1 m m
固相：
ac x x1 100% ab x2 x1
枝晶偏析 dendritic segregatio
• 实际生产中，由于冷却 速度较快，结晶时合金 各相成分来不及充分扩 散达到均匀化，先析出 晶轴部分含高熔点物质 较多，后析出的晶粒外 层含低熔点物质较多， 这种树枝状晶粒内的成 分不均匀现象称为枝晶 偏析/成分偏析。
• 晶核的长大：
– 晶粒呈平面状长大（纯金属，且过冷度很小） – 晶粒呈树枝状长大（生产中常见）——枝晶
• 散热方向
金属结晶后的晶粒大小
• •
N 单位体积中的晶粒数目： ZV 0.9 G
3 4
N 单位面积中的晶粒数目：ZV 1.1 G
1
2
– N——形核率 – G——长大速率
• 结晶过程：
温度变化→组织转变 T0→T1： L T1→T2： L+α T2→T3： α
• 结晶过程中，液相L和固相α的成分和相相对量并 不确定，而是随温度的改变而变化：
– 剩余液相成分沿液相线变化： L1→L2→L3 – 已经结晶的固相成分沿固相线变化： • 温度一定时， 两相的成分 α1→α2→α3
组织转变
L L+β （α+β）+β （ α+β）+β+αⅡ
• 亮白色卵形为β 固溶体，黑白相 间分布的为（α+β）共晶体，初晶 β 内的黑色小颗粒为α Ⅱ固溶体。
合金的相组分与组织组分
• 平衡状态下，合金中相组分和组织组分的相对量 同样可以用杠杆定律来确定。 • 注意：
– 杠杆定律只适用于两相区或两种组织组成区。
• 若室温下C合金的成分为wc%（wc%<19%），相 组分为α+β。α和β的相相对量为：
,C
m ,C wG wC mC wG wF m ,C mC wC wF wG wF
,C
,C wG wC w w 或 ,C C F 1 ,C ,C
• 若室温下C合金的成分为wc%(19%<wc%<61.9%)， 相组分为α+β。α和β的相相对量为：
,C
m ,C wG wC mC wG wF m ,C mC wC wF wG wF
,C
,C wG wC w w 或 ,C C F 1 ,C ,C
• 理论结晶温度T0：
– 纯金属液体在平衡条件 下结晶的温度。
• 平衡条件：
– 无限缓慢的冷却条件即 可视为平衡条件。
• 过冷度（degree of supercooling）：
– 金属的实际结晶温度（true crystallization temperature）与理论结晶温度 （crystallization point）之差：
• 若室温下C合金的成分为wc%（wc%<19%），组 织组分为 α+βⅡ。α和βⅡ的组织相对量为：
,C
Ⅱ ,C
m ,C wG wC mC wG wF mⅡ ,C mC wC wF wG wF
,C wG wC 或 Ⅱ ,C wC wF Ⅱ ,C 1 ,C
• 相图是研究合金结晶过程的重要工具。
– 利用相图，可以清楚地了解不同成分的合金在 不同温度下的相组成和组织组成情况，以及在 温度转变时可能发生的转变等。
• 用途：
– 冶炼 – 铸造 – 锻压 – 焊接 – 热处理
二元合金相图
• 二元合金相图的建立
• 配制二元合金系； • 测出各种合金的冷却曲 线，找出其特征点（转 折点或平台）； • 画出温度—成分（质量 分数）坐标系，标出每 种合金的特征点温度； • 将相同意义的点连接成 光滑曲线（相界线， Phase boundary）； • 在各相区里填写相应的 “相”名称。
纯金属的冷却曲线分析
• 冷却过程中，当液态金属的温度到达结晶温度 时，由于结晶潜热的释放补偿了散失到周围环 境的热量，所以在冷却曲线上出现了平台。 • 平台延续的时间就是结晶过 程所用的时间； • 平台所对应的温度就是结晶 温度 crystallization temperature。 • 结晶潜热（crystallization latent heat）： – 金属结晶时从液相转变为固相放出的热量。
• 合金Ⅲ（亚共晶合金） 19%< wSn<61.9%
• 黑色树枝状为初晶α 固溶体，黑白相间 分布的为（α +β ）共晶体，初晶α 内的白 色小颗粒为β Ⅱ固溶体。
结晶过程分析
• 合金Ⅳ（过共晶合金） 61.9%<wSn<97.5%
• 温度变化
T0→T1 T1→T2 T2→T2' T2'→T3
• 组织组分为 α+（α+β） +βⅡ ——不能用杠杆定 律计算组织相对量。
• 在温度略低于183℃时，C合金的成分为wc% （19%<wc%<61.9%），相组分为α+β。α和β的相 相对量为：
,C
m ,C wN wC mC wN wM m ,C mC wC wM wN wM
合金相图 alloy phase diagram
• 表示金属的相结构和状 态随成分（质量分数） 和温度的情况发生变化 的示意图，称为合金相 图，简称相图。 • 由于合金相图是在平衡 状态下建立的，所以也 称为平衡状态图。
• 平衡状态 equilibrium state：
结晶时过冷度趋近于0，即加热/冷却速度极为缓慢的过 程。