第三章 金属的相变和相图

一、概述 二、合金相图的建立 三、匀晶相图
能的关系 五、 铁碳合金相图的应用 第四节 金属的凝固组织
四、共晶相图 五、共析相图 六、其他类型的二元系合金相图
第一节、金属铸锭宏观组织 第二节、铸锭中的缺陷
七、二元合金相图的规律及合金性能
第一节 纯金属的相变
一、液态金属的结构及结晶 1、液态金属结构
固态金属内部原子在很长的行程内呈规则排列。且以一定的 平衡间距为中心长时间地作热震动。固态金属的这种结构称作长 程有序。
图3-2 Cu-Ni合金相图
第二节 二元合金相图
用热分析法测定Cu-Ni合金相图
第二节 二元合金相图
3.2.2 二元合金相图的意义
建立和利用合金相图，可以知道各种成分的合金在不同温度 下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。
不同合金系的合金，在固态下具有不同的显微组织，对于同 一合金系的合金，由于合金的成分不同，以及所处的温度不同， 在固态下也会形成不同的显微组织。
第二节 二元合金相图
图中各开始结晶温度连成的相界线称为液相线，各终了结晶温 度连成的相界线称为固相线。
相图的区别
纯金属相图—用一条表示温度的纵坐标把其在不同温度下的组织 状态表示出来，如图3-14a纯铜的冷却曲线及相图。 二元合金相图—以温度为纵坐标、以合金成分为横坐标的平面图。
图3-1 纯铜的冷却曲线及相图
第一节 纯金属的相变
2、冷却曲线的测定
纯金属的结晶是在一个恒定的 温度下进行，这个温度就是纯金属 的熔点，又称作是结晶温度。
采用热分析实验方法，测定金 属结晶过程中的温度变化，绘制成 如右图所示的纯金属冷却曲线。
该曲线分为三个明显的阶段。 其中平台对应的温度就是纯金属的 结晶温度。
第一节 纯金属的相变
2、结晶晶粒大小及控制
结晶后的晶粒大小及其控制金属结 晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。 晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的 平均面积或平均直径来表示。
晶粒的大小是形核率N和长大速度 的函数，影响形核率和长大速度的重要 因素是冷却速度和难熔杂质。
第一节 纯金属的相变
结晶后的晶粒大小及其控制金 属结晶后，获得由大量晶粒组成的 多晶体。晶粒的大小可用晶粒度来 表示， 晶粒的大小是形核率N和长大速度的 函数，影响形核率和长大速度的重 要因素是冷却速度和难熔杂质。
机械制造基础（上）
Mechanical Engineering Materials
第3章 金属的相变和相图
本章目录
第一节 纯金属的相变 一、 液态金属的结构及结晶
第三节 铁碳合金相图 一、铁碳合金的组元及基本相
二、纯金属的相变 三、晶体的同素异构 第二节 二元合金相图
二、Fe-Fe3C相图 三、 典型合金的结晶过程及组织 四、 含碳量与铁碳合金组织及性
基本的二元合金相图有匀晶相图、共晶相图和共析相图等， 其中两组元在液态和固态都能够无限互溶时构成的相图称为均晶 相图。Cu-Au、Au-Ag、Cu-Ni等合金都形成这类相图。在匀晶相图 中，结晶时都是由液相结晶出单相固溶体，这种结晶过程称为匀 晶转变。下面就以Cu-Ni合金相图为例，对匀晶相图进行分析。 1、相图分析 点——图中tA =1083℃为纯铜的熔点；tB=1455℃为纯镍的熔点。 线——tA L3 L2 L1tB为液相线，代表各种成分的Cu-Ni合金在冷 却过程中开始结晶、或在加热过程中熔化终了的温度； tAα3α2α1tB为固相线，代表各种成分的合金冷却过程中结晶终 了、或在加热过程中开始熔化的温度。 相区——液相线与固相线把整个相图分为三个不同相区。在液相 线以上是单相的液相区，合金处于液体状态，以“L”表示；固相 线以下是单相的固溶体区，合金处于固体状态，为Cu与Ni组成的 无限固溶体，以“α”表示；在液相线与固相线之间是液相+固相 的两相共存区，即结晶区，以“L+α”表示。
f CP12
第二节 二元合金相图
3、相平衡和相律 （1）相平衡 是指各相的化学热力学平衡。包括有： A 机械平衡：合力为0 B 热平衡：温差消失 C 化学平衡：各相的化学势相等，各组元浓度不再变化 当同时达到三种平衡称作是化学热力学平衡。 按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：
f CP2
3、结晶的条件
纯金属液体在无限缓慢冷却条件（平衡条件）下结晶时，所 得到的结晶温度称为理论结晶温度（Tm ）。实际生产中，冷却速 度较大，液态金属将在低于Tm的某一温度（Tn）下开始结晶。金 属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。理论 结晶温度与实际结晶温度之差(ΔT=Tm—Tn)叫做过冷度。
第一节 纯金属的相变
➢结晶是一个自发过程，但必 须具备一定条件，即需要驱动 力。 ➢理论结晶温度T0与实际结晶 温度Tn之差称为过冷度，即 ΔT=T0—Tn。 ➢只有当驱动力达到一定程度 时，液态金属才能开始结晶。 可见结晶的必要充分条件是液 态金属具有一定的过冷度。
第一节 纯金属的相变
4、纯铁的结晶
第一节 纯金属的相变
（2）变质处理 变质处理就是在浇注之前向液态金属中加入某种被称作是变
质剂的元素或化合物，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用在 于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。 （3）振动和搅拌 对结晶过程中的液态金属输入一定频率的振动波，形成的对流会 使成长中的树枝晶臂折断，增大了晶核数目，从而显著提高形核 率，细化晶粒。
金属始终在过冷情况下结晶，但是同一种金属结晶时的过冷 度不是恒定值，他与冷却速度有关。结晶时的冷却速度越大，过 冷度越大，则金属的实际结晶温度越低。
物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。凝固后的物质 可以是晶体，也可以是非晶体。通常而言，若凝固后的物质为晶 体，则这种凝固成为结晶。
结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要驱动力。 自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高的能量状态趋向较 低的能量状态。
第一节 纯金属的相变
晶粒大小对金属的机械性能有很大的影响，在常温下，金属的 晶粒度越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好.工程上 通过使金属材料的晶粒细化而提高金属的力学性能。通常把通过细 化晶粒来提高材料性能的方法称为细晶强化。
细化晶粒的方法主要有如下几种： （1）控制过冷度
形核率N与长大速度G一般都随过冷度ΔT的增大而增大，但是 形核率N增长率高于长大速度G的增长率。所以增加过冷度可以提高 N/G值,有利于细晶强化。
第一节 纯金属的相变
（2）晶核的长大：一旦晶核形成，晶核就继续长大而形成晶粒。晶体 的长大过程可以看作是液相中的原子向晶核表面迁移、液—固相界面 向液相不断推进的过程。界面的推进速度与界面处液相的过冷程度有 关。长大的方式有两种：一种是平面状态生长；另一种是树枝状态生 长（最常见的方式）。
第一节 纯金属的相变
第二节 二元合金相图
纯金属结晶后只能得到单相晶体，合金在结晶之后其组织可以由单 独的一个固溶体或一个中间相组成，也可以是两个固溶体、两个中间相 组成。由于各种组成相又因为相对数量、形状、尺寸和分布不同，形成 各种不同的组织，具有不同组织的合金，其性能是不同的。即使组元确 定后，结晶后所获得的相的性质、数目及其相对含量也会随温度和成分 改变而改变，即以不同状态存在。合金相图正是用来压就存在状态与合 金成分及温度之间的变化规律。 一、概述 1.组元：构成材料的最简单最基本、可以独立存在的物质。在一个给定 的系统中，组元就是构成系统的各种化学元素或者化合物。
1、纯金属的结晶 研究表明，液体金属的结晶由两个基本过程组成：生出细微的
晶体核心（形核）和晶体长大（长大）。 （1）形核：在过冷液体中形成固态晶核，有两种形核方式：一 种是均匀形核，又称为均质形核；另一种称为非均匀形核，又称 为非自发形核（也称杂质形核）。
第一节 纯金属的相变
均匀形核是纯净的过冷液态金属依靠自身原子的规则排列形成 晶核的过程。它形成的具体过程是液态金属过冷到某一温度时， 其内部尺寸较大的近程有序原子集团达到某一临界尺寸后成为晶 核。 事实上，对于原子数目较少、尺寸较小的原子集团，在周围液 体原子碰撞下，时聚时散，处于不稳定状态，难以形成起到晶核 作用。唯有原子数目较多、尺寸较大的原子集团，不仅不易被冲 散，还能吸收周围液体中的原子兵长大，起到景和作用。能起景 和作用而尺寸最小的原子集团称为临界晶核。 临界晶核溶化后的液态结构从长程来说是无序的，而在短程范 围内却存在不稳定的但接近于有序的原子集团。由于液体中原子 热运动较为强烈，在平衡位置停留较短，股这种有序排列的原子 集团此消彼长，即结构起伏或称相起伏。
在非晶态结构中，原子排列没有规律周期性，原子排列从总 体上是无规则的，但是，近邻的原子排列是有一定的规律的这就 是短程有序。
短程有序结构总是处于“时聚时散，此起彼伏”的变化中， 这种结构不稳定的现象称为结构起伏，他是产生晶核的基础。其 中尺寸较大的短程有序排列的原子集团（称为晶胚）可能称为晶 核，因此金属结晶的实质就是短程有序的液态结构到长程有序排 列的固态结构的过程。
f CP1
f CP12
第二节 二元合金相图
相率给出了平衡状态下体系中存在的相数、组元数、温度及 压力间的关系，对分析和研究相图有重要作用。 1）利用相率可以确定系统中可能存在的最多平衡相数。 2）利用相率可以解释纯金属和二元合金结晶时候的一些差别。
相率也有如下局限性： 1）只适用于热力学平衡状态 2）只能表示体系中组元和相的数目，不能指明组元和相的类型
常见的震动方法有：机械振动、超声波震动、电磁搅拌。
第一节 纯金属的相变
金属铸锭的组织特点： （1）表层细晶区； （2）柱状晶区； （3）中心等轴晶区。
第一节 纯金属的相变
三、晶体的同素异构
金属的晶格在不同温度和压力下呈现不同类型的现象称为同素 异构转变。金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，与液态金 属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。