金属材料与热处理 电子课件模块三.ppt

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1、模块三金属的结晶学习重点及难点1.了解结晶的条件及结晶特点；2.知道细晶强化原理及影响因素与措施；3.初步学会应用二元合金相图；4.熟悉基本二元合金相图，掌握二元合金相图分析方法；5.能用杠杆定律计算和分析典型合金的相和组织的相对含量。课题一纯金属的结晶1.纯金属的结晶现象金属结晶冷却曲线测试装置示意图1）结晶平台2）过冷度纯金属结晶的冷却曲线示意图a)理论结晶曲线b)实际结晶曲线2.纯金属的结晶过程a)液态金属b)形核c)、d)形核与长大e)固态金属金属结晶的过程示意图3.形核条件1）过冷度（必要条件）固态与液态金属的自由能随温度变化示意图

2、由“物理化学”相关知识可知：系统自由能小于零时即过冷度不为零是自发的过程。2）结构条件（结构起伏）a)瞬时1b)瞬时2液态金属中的结构起伏现象3）能量条件（能量起伏）在一定温度下，系统自由能是一定的，但系统中各个微小体积所具有的自由能并不相等，有的高于平均值，有的低于平均值，而且各个微小体积所具有的能量大小随时都在变化，这种能量短暂偏离其平均能量的现象叫能量起伏。因此，液态金属中存在的这种能量起伏提供了这部分的能量。4.形核方式1）自发形核（均质形核）液态金属本身液态金属的温度低于T0时，尺寸比较大的原子集团逐渐趋于稳定而成为结晶核心。2）非

3、自发形核（异质形核）通常液态金属总是存在着各种固态杂质微粒，某些外来的固体小质点也可做为核心进行结晶。依靠外来微粒做为晶核。注：金属以非自发形核为主要形核方式，因为其需要的能量起伏小。（计算）5.晶粒长大b)两种固-液界面示意图a)光滑界面b)粗糙界面a)1)金属通常是粗糙界面2)晶粒形态通常是树枝晶，例如雪花、冰花的形状。6.晶粒大小的控制1）晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒越细小，金属材料的强度、硬度、塑性和韧性越高。(1)晶粒细化，增加了晶界，位错移动变得困难，因此强度提高，从而硬度也提高；(2)塑性提高是因为晶粒细小了使其塑性变形量可

4、分配给更多的晶粒，从而可使金属承受更大的塑性变形量；(3)韧性提高是因为晶粒细小了，裂纹扩展的路程变长了，消耗的功就变大了，即冲击能量就提高了，韧性便提高了。(4)细晶强化是改善材料力学性能的重要手段之一。2）影响晶粒大小的因素过冷度对晶粒大小的影响示意图形核率N和长大速度GN/G越大，晶粒越细小。3）细化晶粒的措施（1）提高过冷度。实际生产中金属型代替砂型，也可增加金属型壁厚，也可局部加冷铁，以及采用水冷铸型等。此措施只适用于小型或薄壁铸件（2）变质处理：在液态金属中加入变质剂，在金属液中形成大量的固体质点，起非自发形核的作用，促进形核，抑

5、制长大，从而达到细化晶粒。适于较大的厚壁铸件。（3）附加震动、搅拌。一方面可以破碎树枝状晶体，形成更多的结晶核心，使晶核数目显著增加；另一方面也可靠外部输入的能量来促进形核。思考题纯金属结晶时出现哪些现象？包括哪些过程？金属形核的方式有几种？通常金属结晶时形核的主要方式是哪一种？晶粒的形态如何？试述金属结晶的条件。影响晶粒大小的因素有哪些？如何影响晶粒大小？晶粒大小对金属力学性能如何影响？试述细晶强化的原理及其措施。课题二合金的结晶合金的结晶同纯金属一样遵循形核和长大的规律，但因合金至少有两个组元，结晶时除了温度，还受到化学成分及组元间的相互

6、作用不同等的影响，了解结晶过程组织以掌握组织、成分、性能关系则必须利用相图。合金相图又称合金状态图或合金平衡图是指在平衡条件下，合金状态成分和温度之间关系的图形。1.二元合金相图的基本知识1）相图概念相图是利用图解方法表示合金的状态与温度、成分间的关系，表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成分下的各相关系的图解，又称为状态图或平衡图。即说明不同成分、不同温度的合金在加热及冷却中的相变。生产中：可利用相图制定铸造、锻压、焊接及热处理工艺。2）二元相图的表示方法二元合金相图的坐标表示如图中A、B两点表示组成合金的两组元，C点的成分为A的质量分数为

7、40%，B的质量分数为60%。D点表示合金的成分同C点，温度为900℃。3）二元合金相图的测定方法a)冷却曲线b)相图Cu-Ni合金相图的测绘2.基本的二元合金相图及典型合金的结晶1）匀晶相图Cu-Ni合金的结晶示意图a)相图b)冷却曲线及组织示意图（1）相图分析（以Cu-Ni为例）点：线：区：简单的相率：A点1083℃为纯铜的熔点，B点1452℃为纯镍的熔点。A1B为合金开始结晶温度曲线，即液相线。A2B为合金结晶终了温度曲线，即固相线。①单相区在液相线A1B以上为液相区，在固相线A2B以下为均匀的单相固溶体；②双相区液相线与固相线之间为液

8、相和固相共存的两相区。组元数不同的合金中最多存在的相，以及最多相区在相图中的特征；二元合金相图中两相区中相组成。（2）固溶体平衡结晶过程及其组织图3-15Cu-Ni