机械工程材料第2版 教学课件 作者 王章忠 主编 第三章.ppt

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1、第一节概述第二节纯金属结晶第三节合金的结晶与相图第四节铸态组织与冶金缺陷第三章材料的凝固与结晶组织在一定的条件下，物质的三态可以互相转化。通常把物质从液态转化为固态的过程统称为凝固。由于材料不同，甚至冷却条件不同，凝固后得到的固态物质可能是晶体，也可能是非晶体。如果凝固后的固态物质是晶体，这种凝固过程就是结晶。若凝固后的物质不是晶体，而是非晶体，那就不能称之为结晶，只能称为凝固。第一节概述第二节纯金属结晶通常采用热分析法研究结晶：把纯金属置于坩埚内加热成均匀液体，而后使其缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测定一次温度，直至结晶完毕后冷却到室温。将温度随时间变化的关系绘制成

2、曲线，称为冷却曲线，如图3-1所示。一、结晶条件结晶条件图3-1纯金属结晶时的冷却曲线大量实验证明，金属的结晶过程是形核与长大的过程，形核与长大既紧密联系又相互区别。小块金属结晶过程如图3-3所示。二、结晶过程结晶过程图3-3纯金属结晶过程示意图实际金属结晶之后，获得由大量晶粒组成的多晶体。每个晶粒基本上可视为单晶体，一般尺寸为10-2～10-1mm，但也有大至几个或十几个毫米的。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。金属结晶时每个晶粒都是由一个晶核长大而成，其晶粒度取决于形核率N和长大速度G的相对大小。三、结晶晶粒大小及控制结晶晶粒大小及控制

3、形核率N与长大速度G一般都随过冷度ΔT的增大而增大，但两者的增长速率不同，形核率的增长率高于长大速度的增长率，如图3-5所示。故增加过冷度可提高N/G值，有利于晶粒细化。提高液态金属的冷却速度，可增大过冷度，有效地提高形核率。（一）控制过冷度结晶晶粒大小及控制（一）控制过冷度图3-5金属结晶时形核率及长大速度结晶晶粒大小及控制变质处理就是在浇注前向液态金属中加入某种元素或化合物（称为变质剂），以细化晶粒和改善组织。变质剂加入液态金属后，符合非自发晶核的条件，大大增加晶核的数目。例如，在铝合金中加入钛、锆、钒，可使晶粒细化；在铸铁中加入硅铁、硅钙合金，能使组织中的石墨细化。

4、（二）变质处理结晶晶粒大小及控制若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。常用的振动方法有机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。特别是在钢的连铸中，电磁搅拌已成为控制凝固组织的重要技术手段。（三）振动处理结晶晶粒大小及控制在确定的条件下，一种元素物质只有一种晶体结构。但某些金属元素（常见的如铁、钛、锰、锡）和非金属元素（常见的如铁）在不同温度和压力下，具有不同类型的晶体结构，称为同素异构（或多晶型）。（四）晶体的同素异构由于纯金属力学性能较低，所以除了要求导电性高的电器材料外，工业上很少使用纯

5、金属，而多是使用合金。所谓合金，就是由两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成的具有金属特性的物质。组成合金的最基本的独立物质称为组元，组元可以是元素或稳定化合物。工业上广泛使用的碳钢和铸铁，就是由铁和碳两种组元组成的二元合金。合金的优良性能是由合金各组成相的结构及其形态所决定的。第三节合金的结晶和相图合金中的相是指合金中具有同一化学成分、同一聚集状态、同一结构且以界面互相分开的各个均匀的组成部分。物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相构成合金的组织，组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的内部微观形貌。一、合金相结构合金相结

6、构根据合金元素之间的相互作用及相的结构特点不同，合金中的相结构可分成两大类：一类是固溶体，其晶体结构与组成合金的一个金属组元的结构相同；另一类是金属化合物（中间相），其晶体结构与组元的结构不同。合金相结构溶质原子溶入金属溶剂中所组成的固态合金相称为固溶体。固溶体的点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只引起晶格参数的改变和晶格畸变。工业上所使用的金属材料，绝大部分是以固溶体为基体的，有的甚至完全由固溶体所组成。例如碳钢和合金钢，其基体相均为固溶体，且含量占组织中的绝大部分。（一）固溶体合金相结构除了固溶体外，合金中另一类相就是金属化合物。金属化合物是合金组元之间发生相互作用而形

7、成的一种新相，又称为中间相，其晶格类型和特性不同于其中任一组元。像碳钢中的渗碳体（Fe3C）、黄铜中的β相（CuZn）、铝合金中的CuAl2，都是金属化合物。这种化合物可以用分子式来表示，除了离子键和共价键外，金属键也在不同程度上参与作用，致使其具有一定程度的金属性质（例如导电性），因此称之为金属化合物。（二）金属化合物（一）相图的建立相图亦称状态图或平衡图，用来表示材料中平衡相与成分、温度之间的关系，是研制新材料，制定合金的熔炼、铸造、压力加工和热处理工艺以及进行金相分析的重要依据。最常用的是二元