机械工程材料 第3版 教学课件 作者 王运炎课件第三章 金属与合金的结晶.ppt

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1、第三章金属与合金的结晶第一节纯金属的结晶第二节合金的结晶第一节纯金属的结晶金属与合金自液态冷却转变为固态的过程，是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程，这一过程称为结晶过程。纯金属都有一个固定的熔点（或结晶温度），因此纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下进行的。金属的结晶温度可用热分析等实验方法来测定。图3-1热分析装置示意图1－电炉2－坩锅3－液态金属4－热电偶一、纯金属的冷却曲线和过冷现象将纯金属加热熔化成液体，然后让液态金属缓慢冷却下来，在冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，然后将记录下来的数据绘制在温度—时间坐标中，得到如图3-2所示的

2、纯金属冷却曲线。图3-2纯金属冷却曲线的绘制纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下（即平衡条件下）结晶的温度，称为理论结晶温度，用T0表示，如图3-3a所示。但在实际生产中，液态金属将在理论结晶温度以下某一温度Tn才开始结晶，如图3-3b所示。金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象，称为过冷现象。理论与实际结晶温度的差ΔT，为过冷度，过冷度ΔT＝T0－Tn。图3-3纯金属的冷却曲线二、纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经历的这段时间内发生的。它是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。图3-4纯金属的结晶过程示意图实验证明，液态金属中，总是存在着许多类似于晶体中

3、原子有规则排列的小集团。在理论结晶温度以上，这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当低于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。树枝状晶体，简称枝晶。图3-5树枝状长大示意图图3-6锑锭表面的树枝状晶体三、金属结晶后的晶粒大小金属晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示。数目越多，晶体越小。实验表明，晶粒大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大的影响。如金属的强度、硬度、塑性和韧性等都随晶粒细化而提高。结晶后晶粒大小与形核率N和晶核的长大速率G两个因素有关。图3-7形核率N和长大速率G与过冷度ΔT的关系工业生产中，为了细化铸件的晶粒，以

4、改善其性能，常采用以下方法：（一）增加过冷度但对于大铸锭或大铸件，要获得大的过冷度不易办到，更不易使整个体积均匀冷却，冷却速度过大往往导致铸件开裂而报废。（二）变质处理在液态金属结晶前，介入一些细小的编变质剂。（三）附加振动金属结晶时，如对液态金属加机械振动、超声波振动、电磁振动等。图3-8纯铁的冷却曲线四、金属的同素异晶转变金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异晶转变。由同素异晶转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异晶体。图3-8为纯铁的冷却曲线。可知纯铁能够发生同素异晶转变。生产中，有可能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织与性能。图3

5、-9纯铜的冷却曲线及相图第二节合金的结晶合金相图又称合金平衡图或合金状态图。它表示在平衡状态下，合金的组成相（或组织状态）和温度、成分之间关系的图解。一、二元合金相图的基本知识（一）二元合金相图的表示方法纯金属可以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。图3-10是Cu—Ni合金相图。纵坐标表示温度，横坐标表示合金成分。横坐标从左到右表示合金成分的变化。M表示ωNi（30％）＋ωCu（70%）的合金在950℃时，其组织为单相固溶体。二元合金组成相的变化不仅与温度有关，而且还与合金成分有关。必须增加一个表示合金成分的横坐标。所以二元合金的相图，是一个以温度为纵

6、坐标、合金成分为横坐标的平面图形。图3-10Cu—Ni合金相图图3-11用热分析法测定Cu—Ni合金相图（二）二元合金相图的测定方法合金相图都是用实验方法测定的。以Cu—Ni二元合金系为例，说明应用热分析法测定其相变点及绘制相图的方法。1.配制一系列成分不同的Cu—Ni合金。2.用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如图3-11a所示。图3-11用热分析法测定Cu—Ni合金相图3.找出图中各冷却曲线上的相变点。4.将各个合金的相变点分别标注在温度-成分坐标图中相应的合金线上。5.连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线。这样就获得了Cu—Ni合金相图，如图3-11b所示。图

7、3-12Cu—Ni合金相图及结晶过程分析二、二元匀晶相图凡是在二元合金系中，两组元在液态和固态下以任何比例均可相互溶解，即在固态下能形成无限固溶体时，其相图属匀晶相图。以Cu—Ni合金相图为例，对匀晶相图进行分析。（一）相图分析（二）杠杆定律在两相区内，由于合金正处在结晶过程中，随着结晶过程的进行，合金中各相的成分和相的相对量都在不断地发生变化。杠杆定律就是确定两相区内两个组成相（平衡相）以及相的成分和相的相对量的重要法则。1、两平衡相及其成分的确定如图3-13a所示水平线两端与液相线及固相