第三章 材料的凝固与结晶组织

3-3 Si、C、N、Cr、Mn、B等元素在α-Fe中各形成哪些固溶体？ 答：C、N、B形成间隙固溶体，Si、Cr、Mn形成置换型固溶体。
3-7为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金？为什么需进行压力加工的合金常选用单相 固溶体成分的合金？ 答：因为近共晶成分合金的熔点低，铸造性能好（如流动性好，形成缩孔和疏松倾向下等）。 因为单相固溶体强度低，塑性好，有利于压力加工。 3-8为什么钢锭希望减少柱状晶区，而铜锭、铝锭往往希望扩大柱状晶区？
思考题：什么是合金、组织、相图？
匀晶相图：两组元在液态、固态均无限互溶的二元合金相图。 P44-46 匀晶相图分析:熔点、相区(单相区和两相区)、线(液相线和固相线)。
匀晶相图结晶过程分析：
匀晶转变特点 1)包含形核和长大（树枝晶方式生长）过程； 2)在一个温度区间内完成； 3)液、固相成分分别沿液、固相线变化； 4)液相和固相质量分数用杠杆定律计算； 5)实际生产存在成分偏析或枝晶偏析(实际生产
结晶晶粒大小及控制P38 晶粒度：晶粒大小的尺度。 晶粒度等级分八级，一级最粗，八级最细。 显微镜下100倍晶粒大小与标准图对照评级 决定晶粒度因素： 形核率N：单位时间、单位体积内形成的晶核数目。 晶核生长速度G：单位时间内晶核生长的长度。 研究表明，N/G比值越大，晶粒越细小。 晶粒度对材料性能影响(或为什么晶粒越细小,常温下金属强度硬度越高塑性越
金属化合物：合金元素间发生反应形成的新相。P42 特性：具有较高熔点、硬度和脆性。 分类： 正常价化合物：严格服从原子价规律的化合物。如Mg2Si。 电子化合物：按照一定电子浓度形成的化合物，如Cu3Sn。
金属键结合,具有金属特性,可导电，是许多有色金属强化相。
间隙相和间隙化合物：由过渡族金属元素与C、N、B、H等原子半径 小的非金属元素结合形成的化合物。是钢铁材料常用强化相。 间隙相: rX/rM0.59,晶体结构简单,如Fe2N/ W2C/TiC/VC等； 间隙化合物:rX/rM0.59,晶体结构复杂,如Fe3C/M3C/M7C3/M6C等。
2.如果其它条件相同，试比较在下述铸造条件下所得铸件晶粒的大小，并简单说明 理由。a)金属型浇注与砂型浇注；b)高温浇注与低温浇注；c)铸成薄壁件与铸成厚 壁件；d)浇注时采用振动与不采用振动；e)厚大铸件的表面部分与中心部分。
晶体同素异构P40 同素异构(或多晶型):同种金属在不同温度和压力下，具有不同晶体结构。 同素异构转变：由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的转变。
第一节 概述:凝固、结晶P35
凝固：物质从液态转变为固态过程。凝固物质为晶体或非晶体。 结晶：凝固物质是晶体的凝固过程。 金属凝固后一般都是晶体，故其凝固过程就是结晶过程。 凝固物质为非晶体的凝固过程不能称为结晶，因为非晶体是由于温度下降粘 度增大所致，其液、固结构相同。
结晶条件
第二节 纯金属结晶 P36
思考题：铸锭或铸件中常见的5种冶金缺陷指哪些？ (缩孔、疏松、气泡、裂纹和偏析)
本章作业 P53-54：3-1，3-2，3-3，3-7，3-8 作业参考答案：
3-1试分析纯金属冷却曲线上出现“平台”的原因。 答：凝固释放的潜热与散热达到平衡。
3-2如果其它条件相同，试比较下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小：（1）金属型浇注 与砂型浇注；（2）高温浇注与低温浇注；（3）铸成薄壁件与铸成厚壁件；（4）浇注时采 用振动与不采用振动；（5）厚大铸件的表面部分与中心部分。 答：1）金属型浇注获得的铸件晶粒小；2）低温浇注获得的铸件晶粒小；3）铸成薄壁件获 得的铸件晶粒小；4）采用振动获得的铸件晶粒小；5）厚大铸件的表面部分获得的铸件晶 粒小。
冶金缺陷
缩孔与疏松：凝固时体积收 缩、得不到液态金属补充形成 的尺寸较大的集中孔洞(缩孔)和 尺寸较小的分散缩孔(疏松)。 气泡、裂纹：凝固时气体析出聚集 或液态金属与铸型等反应产生的气体 形成的气泡；凝固产生的内应力超过 金属的强度极限时产生的裂纹。P53
偏析：指成分分布不均匀现象。 显微或微观偏析：树枝晶内枝干间偏析（如枝晶偏析和晶界偏析）； 区域或宏观偏析：铸锭中一个区域与另一个区域间或柱状晶内枝 晶主轴方向产生的偏析。
心部等轴晶区：随着柱状晶生长，凝固潜热释放，散热减慢，内部温度逐渐均匀， 每个晶粒在各方向上生长接近一致，故形成等轴晶。 等轴晶区性能特点：优点：晶粒生长时彼此交叉，枝杈间搭接牢固，晶粒彼此 咬合，裂纹不易扩展，不存在明显脆弱界面；性能具有伪各向同性特点；缺点：显 微缩孔多，组织不致密，但内孔未氧化，热加工时可焊合，对性能影响不大。
冷却速度较快,因固相中原子扩散困难,导致先结晶枝晶 轴富含高熔点组元,后结晶枝晶间富含低熔点组元,造成 一个枝晶或一个晶粒范围内成分不均匀现象。)
枝晶偏析对性能影响：降低合金 塑性、韧性、耐蚀性和压力加工性 能。 均匀化退火:将铸件加热到固相线 以下100-200℃长时间保温消除或减 轻枝晶偏析的热处理工艺。
平衡结晶温度Tm：金属熔化和结晶的理论临界温度。 实际结晶温度Tn：金属冷却时开始结晶的实际温度。 过冷：纯金属实际结晶温度低于理论结晶温度现象。 过冷度T：平衡结晶温度与实际结晶温度的差值。 冷却时水平平台产生原因：散热与凝固释放的潜热处于平衡状态。 影响过冷度因素：金属本性、纯度及冷却速度。纯度越高，过冷度越大；冷却 速度越大，过冷度越大。
思考题：1.典型铸锭由表至里由哪三个晶区组成？2.简述表面细晶区形成机制。3.为什么钢 锭希望减小柱状晶区，而铜锭和铝锭往往希望扩大柱状晶区？(钢锭塑性相对较差，发达柱状晶容易导致热轧开裂造
成废品，因而限制柱状晶；发达柱状晶可使铜锭和铝锭获得较致密的铸锭，同时因其塑性相对较好，柱状晶不会引起热轧开裂)
变质处理:浇注前向液态金属中加入变质剂使晶粒细化和组织改善。 变质剂加入后增加了异质形核的核心，使形核率增大，从而达到细化 晶粒的目的。如铝合金中加钛、锆、钒等可细化晶粒。 振动处理：结晶时向液态金属输入一定频率振动波，使树枝晶臂折 断破碎，增加晶核数目，提高形核率，使晶粒细化。 常用方法包括机械振动、超声波振动和电磁搅拌等，如钢连铸技 术中使用的电磁搅拌技术。 思考题：1.控制晶粒度主要方法有哪些？并简单说明该方法细化晶粒机制。
思考题：1.什么是匀晶相图？2.用杠杆定律计算匀晶合金平衡凝固过程中相及组织组成物相 对量；并画出匀晶合金平衡凝固到室温时的组织示意图。
二元共晶相图：两组元液态无限互溶、固态有限互溶，并发生共 晶转变形成共晶组织的二元相图。P47 共晶相图分析 相区:单相区、两相区和三相区。 重要线：液相线、固相线、溶解度线 和共晶线。 共晶反应：一定成分的一个液相在一 定温度下反应生成成分一定的两个新 固相反应，即：L→α +β 。 共晶反应是恒温反应，发生共晶反 应的温度称为共晶温度，共晶反应产 物称为共晶体或共晶组织。 共晶：E点成分合金 亚共晶合金:M和E点成分之间合金 过共晶合金:E和N点成分之间合金
第三节 合金的结晶与相图
ຫໍສະໝຸດ Baidu
P40
3.1合金相结构 相：合金中具有同一化学成分、聚集状态和结构，且以界面相互分 开的各个均匀组成部分。分固溶体和金属化合物两类。 固溶体：溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相。P41 分类： 溶质原子位置:置换固溶体(溶质原子置换溶剂原子、占据溶剂晶格结点)和间 隙固溶体(溶质原子进入金属溶剂晶格间隙。溶质原子半径较小，如C、N、B和H原子)； 溶解度:无限固溶体(两组元固态时无限互溶)和有限固溶体(两组元固态部分互溶)。 固溶强化:溶质原子溶入基体形成固溶体,使材料强度硬度升高现象。 固溶强化机制：溶质溶剂原子半径不同→溶质原子溶入基体→基体发生晶格
思考题：凝固的热力学条件是什么？结晶的驱动力是什么？
结晶过程P37:形核和长大 形核方式: 均匀形核：液体中排列规则的原 子团形成晶核。 非均匀形核：以液体中存在的固 态质点为核心形核。非均匀形核 更普遍。
晶核生长方式：平 面生长和树枝状生长。 实际金属结晶主要以 树枝状生长方式长大。
思考题：形核有哪两种方式？实际金属结晶中主要是哪种形核方式？晶核生长有哪两种方 式？实际金属结晶中晶核主要以哪种方式生长？
思考题：1.什么是平衡结晶温度？ 2.什么是实际结晶温度？ 3.什么是过冷？什么是过冷度？ 4.纯金属凝固时冷却曲线上产生水平平台原因是什么？
凝固热力学条件：吉布斯自由能小于等于零，即Δ G≤0。 液态和固态吉布斯自由能随温度变化速率不同→产生交点→交 点处固相与液相G相同，对应温度即理论结晶温度Tm→T＜Tm时，Gs ＜GL，发生凝固；T＞Tm时，Gs＞GL，发生熔化。 结晶驱动力：吉布斯自由能差，不是过冷度。 Δ T与Δ G关系：Δ T越大,Δ G越大,结晶驱动力越大,结晶速度越快。
畸变→使位错运动阻力上升→金属滑移变形变得困难→因而其强度硬度升高。
思考题：1.什么是同素异构转变？2.什么是固溶体、间隙固溶体、置换型固溶体、有限固 溶体和无限固溶体？3.什么是固溶强化？解释固溶强化机制。4.Si、C、N、Mn、Cr和B等 元素在αFe中分别形成哪种固溶体？(C、N和 B间隙型固溶体，Mn、Cr和Si置换型固溶体)
第三章材料的凝固与结晶组织(4学时)
凝固与结晶区别；纯金属结晶条件及结晶过程(过冷度、热力学分析、 形核及生长方式)，晶粒大小及控制(晶粒度、影响晶粒尺寸因素、细晶强化机制及细 化晶粒方法)；同素异构转变；合金相结构(固溶体分类及固溶强化机制；金属化
合物分类、性能特点及弥散强化机制）
相图基本概念；匀晶、共晶和共析相图；铸锭三晶区；冶金缺陷
好?)
常温下，晶粒越细小，晶界越多，因晶界处晶格畸变提高塑性变 形抗力，使金属强度硬度提高。同时，细晶粒金属晶粒数目多，变 形可均匀分布在许多晶粒上，使其塑性好。
思考题：1.形核率与晶核生长速率对晶粒尺寸有何影响？ （） 2.为什么常温下晶粒越细小金属的强度硬度越高，塑性越好？
控制晶粒度方法 P39 提高过冷度：Δ T↑→N、G 和N/G均增大→细 化晶粒。铸造生产中，提高铸型吸热能力和 导热性能、降低浇注温度、慢浇注等均可达 到细化晶粒目的。
思考题：1.什么是二元共晶相图？什么是共晶反应？什么是共晶组织？ 2.请根据共晶相图单相区的相标注出相图中两相区的相。 3.为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金？为什么压力加工合金常选用单相固溶体成分 的合金？ （）
共晶、亚共晶和过共晶结晶过程分析：
共析相图P50 共析反应：一定温度下，由一定成分的一 个固相分解为两个一定成分新固相的反应 （→β 1+β 2）。
共析反应特点(与共晶反应相比):1)一个固相 转变为两个新固相;2)共析组织比共晶组织细 小(因为共析反应原子扩散困难，过冷度大，形核率高 )。
思考题：什么是共析反应？与共晶反应相比，共析反应有哪些特点？
典型三晶区
第四节 铸态组织与冶金缺陷P51 P51
表层细晶区：模壁激冷，过冷度大+模壁非均匀形核→形核率 大→晶核向各方向生长相遇停止生长→紧贴模壁形成等轴细晶区。 特点：晶粒细小，组织致密，力学性能好。但表层细晶区很 薄，实用意义不大。 中间柱状晶区：模壁温度升高，冷却速度下降，导致细晶区前 沿液态金属形核率下降甚至不能形核→液固界面细晶区中某些小 晶粒继续长大→垂直模壁方向散热最快，小晶粒沿与散热方向相 反的方向择优生长→形成柱状晶组织。 特点：柱状晶晶粒间界面较平直，气泡、缩孔很少，组织较 致密。柱状晶性能为各向异性。
弥散强化:合金中形成的化合物,使合金强度硬度升高,塑性和韧性下降现象。 影响弥散强化效果因素：化合物形态、数量、大小和分布。通常化合物数
量越多、尺寸越小、分布越均匀，弥散强化效果越好。 思考题：什么是正常价化合物、电子化合物、间隙相和间隙化合物、弥散强化？
3.2 二元合金相图P44 基本概念： 合金：由两种或两种以上金属元素，或金属与非金属组成的具有 金属特性物质。 组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部微观形貌。 相图：材料中平衡相与成分、温度间关系图解。下面介绍简单的 二元相图匀晶相图、共晶相图和共析相图。