金属的结晶与凝固

2.2 同素异晶转变
纯铁在固态冷却 过程中发生两次晶 体结构的转变。 由于纯铁能够发 生同素异晶转变， 生产中才有可能使 用热处理等方法， 来改变钢的组织和 性能。所以它具有 重要的实际意义。
2.2 同素异晶转变
-Fe为体心立方晶体结构，-Fe为高温体心 立方晶体结构，-Fe为面心立方晶体结构。都 是铁的同素异晶体。
2.5 合金元素存在形式
形成铁基间隙固溶体 ①对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体 间隙。 ②对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体 或四面体间隙。 ③间隙原子的溶解度，随间隙原子尺寸的减小而 增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加。 形成合金渗碳体 ①合金渗碳体（碳化物）、氮化物和碳、氮化物 间隙化合物相，是钢中的基本强化相。
2.4 合金元素
铬Cr
提高淬透性，也增加耐蚀性和抗氧化能力。 在钢中主要存在于M23C6中，也溶于M6C和MC型碳化 物中。淬火加热时，Cr几乎全部溶于奥氏体中，主 要提高淬透性。
钒V
细化晶粒，提高回火稳定性和热硬性。 在钢中主要以VC存在，也溶于其他类型碳化物。 淬火加热时，VC部分溶于奥氏体中，未溶部分阻碍 奥氏体晶粒长大，溶解部分使马氏体回火稳定性提 高；回火时析出弥散VC产生二次硬化，提高热硬性 和耐磨性。因此高速钢耐磨钢中含V量较多。
2.1 结晶过程
晶核长大是具有方向性的渐进过程。一般沿过 冷度大的方向生长，直到液相消耗完毕。 在正温度梯度下，晶核长大以平面状态推进， 称为均匀长大。在负温度梯度下，由于晶核棱角 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…，称为树枝状长大。
2.1 结晶过程
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
2.4 碳钢中杂质
磷P
是有害杂质元素。一般控制在0.045%以下。 可全部固溶入α- 铁素体中，使钢在常温下硬度 提高，但剧烈地降低钢 的韧性和塑性，特别是 低温韧性，称冷脆性。 可提高钢在大气中的 抗腐蚀性能。 可改善钢的切削加工 性能。
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2.4 碳钢中杂质
氮N
是有害杂质气体元素。 室温下N在α-铁素体中溶解度很低。钢中的过 饱和N，在常温放置过程中以FeN、Fe4N氮化物的 形式析出，使钢变脆, 称时效脆化。 可以与V、Ti、Nb等元素 形成稳定的氮化物，使N固 定，消除时效倾向。 有细化晶粒和提高表面硬 度、疲劳强度的作用。
2 凝固与结晶
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。 金属材料的固态一般均 为多晶体，所以金属自液 态的凝固过程也称为结晶 过程。 物质由一个相转变为另 一个相的过程称为相变。 因此，结晶过程也是相变 过程。
2.1 结晶过程
纯金属在结晶时的转变温度， 称为熔点。当温度高于它时，金 属以液体状态存在。低于它时以 固体状态存在。 在熔点温度时，液体与固体同 时存在，这时液体的结晶速度与 固体的熔化速度相同，是动 态平衡状态。 液态金属冷却到熔点时是 不能结晶成晶体的，只有冷 到低于熔点的温度时，有一 定的过冷度时才能结晶。
2.4 合金元素
合金元素： 特别添加到钢中 为了保证获得所要 求的组织结构、物 理、化学和机械性 能的化学元素。 Mn、Si、Cr、V、 Ti、W等。
2.4 合金元素
2.4 合金元素
碳C
主要强化元素，随着碳含量的增高，淬火回火后 的硬度和热硬性都增高。 若碳和碳化物形成元素满足碳化物分子式中的定 比关系，可以获得最大的二次硬化效应。 C%=0.033%W+0.063%Mo+0.20%V+0.060%Cr 若碳含量很高，碳化物总量增多，碳化物不均匀 性增加；淬火后残余奥氏体量增多，需多次回火； 使固相线温度降低，淬火温度下降。 对W-Mo系，增加碳含量将使钢的抗弯强度和韧性 明显下降。
2.4 碳钢中杂质
硫S
是有害杂质元素。应控制 在0.045%以下。 S常以和Fe形成的FeS形式 存在，并易于Fe在晶界上形 成低熔点共晶(985℃)。 当在1150～1200℃热加工 时，FeS的熔化导致开裂， 称为热脆性。 Mn可消除S的有害作用： FeS+Mn→Fe+MnS MnS熔点高(1600℃)。
2.1 结晶过程
中心粗等轴晶区： 由于结晶潜热的不断 放出，散热速度不断减 慢，导致柱状晶停止生 长。当芯部液体全部冷 却到实际结晶温度以下 时，在杂质作用下以异 质形核方式形成许多尺 寸较大的等轴晶粒。 铸造缺陷： 常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点 等，它们对性能是有害的.
2.2 同素异晶转变
物质在固态下，晶体结构随温度变化而改变的 现象称为同素异晶转变。它属于固态相变。 多数金属结晶后的晶体结构保持不变，但有些 金属如铁、锰、钴、钛、锡等，在固态下就会随 温度变化，而由一种晶格转变为另一种晶格。 同素异晶转变的特点： ①形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶 内缺陷、特定晶面等）。 ②由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 ③伴随着体积的变化，易造成很大内应力。
2.5 合金元素存在形式
形成合金渗碳体 ②过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化 物的强度（或稳定性）按下列规律递减： Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe ③Ⅳ、Ⅴ族金属的碳化物与氮化物具有简单的点 阵结构，如TiC、VC、TiN、TaC等。 ④Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ金属的碳化物与氮化物具有复杂的 点阵结构，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、 Fe)6C等。 ⑤在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最 不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干合金元素 的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C等。
溶化 结晶
T1
T0
2.1 结晶过程
自发形核：液态金属中的原子排列不规则，但 也存在着一些原子排列规则的极小原子团，时聚 时散，称为晶坯。在实际结晶温度下，经孕育期 时间后，有些晶坯开始稳定并长大，形成晶核。 异质形核：更为普遍的是液体中存在的高熔点 固态杂质形成的晶核。 晶核形成后便向各个方 向生长，同时又有新的晶 核生成。直到液体完全消 失。每个晶核最终长成一 个晶粒，晶粒相接触后形 成晶界。
-Fe
-Fe
2.3 碳钢中杂质
2.3 碳钢中杂质
2.3 碳钢中杂质
杂质：碳钢在冶炼和加工过程中，由原材料、 冶炼方法、工艺操作等原因，而残留或带入钢中 的其他金属和非金属元素以及化合物等。
锰Mn
在碳钢中的含量一般小于0.8%, 是有益元素。 可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。 主要作用： ①溶于铁素体, 起固溶强化作用； ②使硫的有害作用减弱； ③MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发 生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。
2.4 碳钢中杂质
氧O
是有害杂质气体元素。 在钢中以氧化物的形 式存在，形成硅酸盐 2MnO•SiO2、MnO•SiO2或 复合氧化物MgO•Al2O3、 MnO•Al2O3，它们与基体 结合力弱，不易变形， 易成为疲劳裂纹源。
2.4 碳钢中杂质
氢H
是有害杂质气体元素。 常温下氢在钢中的溶解 度也很低。当氢在钢中以 原子态溶解时，与应力共 同作用将降低韧性，引起 氢脆。 当氢在缺陷处以分子态 析出时，会产生很高的内 压，形成微裂纹，其内壁 为白色，称白点。
2.4 碳钢中杂质
硅Si
在碳钢中的含量一般小于0.5%，是有益元素。 可固溶，也可形成SiO2夹杂物。主要作用为： ①溶于铁素体, 起固溶强化作用； ②增加钢液的流动性； ③对强度、硬度提高显著； ④夹杂物SiO2将使钢的疲劳强度、塑性下降。 ⑤能升高扩散激活能，降低扩散系数。原因是 由于Si虽提高C的活度，但同时降低了Fe原子的 活动性，即增加了Fe在固溶体中的结合能。
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
2.1 结晶过程
铸锭（件）的组织： 液态金属被浇注到锭模中 便得到铸锭，而注入到铸型 模具中成型则得到铸件。 铸锭（件）的宏观组织通 常由三个区域组成。
2.1 结晶过程
表层细晶区： 浇注时，由于冷模壁产 生很大的过冷度及异质形 核作用，使表面形成一层 很细的等轴晶粒区。 柱状晶区： 由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区 前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的 定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向 生长而形成柱状晶区。
雾 松
2.1 结晶过程
冷却曲线：金属结晶时温 度与时间的关系曲线。 T0--理论结晶温度 T1--实际结晶温度 T--过冷度 曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的。 过冷度的大小与冷却速度 有关，冷却速度越快，过冷 度越大。
纯金属的冷却曲线
2.1 结晶过程
液态和固态金属，在不 同温度下自由能的变化， 总是朝着能量降低的方向 进行。低于熔点时液态能 比固态高，因而结晶。 结晶过程是金属原子重 新排列的过程，包括晶核 的形成和长大。
2.4 合金元素
钨W
提高热硬性、回火稳定性、改善韧性。 共晶碳化物M6C在淬火加热时大量未溶，阻碍奥氏 体晶粒长大，改善韧性。固溶在奥氏体中的7～8%W ，淬火后提高回火稳定性；回火时析出W2C，产生弥 散硬化，提高热硬性。
钼Mo
作用与钨相同，1%Mo可取代1.5%W。 钼使共晶碳化物由鱼骨状变成细鸟巢状，减小碳 化物的不均匀性；热硬性略低；脱碳倾向大；钼系 钢的抗弯强度和韧性远高于钨系。
2.5 合金元素存在形式
形成铁基置换固溶体 ①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固 溶体。其中Ni、Co和Mn形成以γ -Fe为基的无限固 溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。 ②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如 α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。 ③Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固 溶体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。
2.5 合金元素存在形式
形成金属间化合物 ①金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电 子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅 指电子化合物。 ②在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高温合 金中较为重要的金属间化合物是： σ(Cr46Fe54)、η(TiFe2)、χ(Cr21Mo17Fe62)、 μ(Co7Mo6)、 P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、 Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、δ(TiAl3)、γ(TiAl)、 NiAl、NiTi、FeAl、α2(Ti3Al)等。
2.4 合金元素
钴Co
提高回火稳定性和热硬性。降低韧性、增大脱碳 倾向。 淬火加热时溶于奥氏体中，提高马氏体的回火稳 定性。Co与W和Mo原子间结合力强，可减轻W和Mo原 子扩散速率，减慢合金碳化物析出和聚集长大，增 加热硬性。
稀土元素
提高钢在900-1150℃间的热塑性。 加入稀土元素降低硫在晶界的偏聚，从而提高热 塑性。
2.5 合金元素存在形式
形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相 ①钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、 Al2O3、Cr2O3、MgO〃Al2O3、MnO〃Al2O3、MnS、 FeS、2MnO〃SiO2、CaO〃SiO2等。 非金属夹杂物一般都是有害的。 ②AlN和一些稀土氧化物弥散质点，可用来强化 钢或其它有色金属合金。 ③在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些 金属或合金形成非晶体相结构。钢中非晶体相的作 用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据。