工程材料与成形工艺基础 第三章 凝固与二元合金相图ppt课件.ppt

《工程材料与成形工艺基础 第三章 凝固与二元合金相图ppt课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第三章凝固与二元合金相图第三章凝固与二元合金相图本章重点：铁碳合金相图及其应用。本章难点：铁碳合金相图的分析学习目标：本章通过学习金属和合金结晶的基本理论和基本规律，熟悉铁碳合金成分、组织和温度之间的关系，能够应用铁碳相图分析和推断铁碳合金的性能，为制定加工工艺提供必要的理论基础。主要内容金属的结晶合金的结晶—二元合金相图铁碳合金相图合金相图的应用第一节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，称之为结晶。金属材料（除粉末冶金材料外）都需要经过熔炼和浇注

2、，也就是说都要经历一个结晶的过程。结晶过程中形成的组织不仅影响其铸态性能，而且也影响材料随后的加工性能和力学性能，因此，研究并控制金属材料的结晶过程，对改善材料的组织和力学性能都有重要的意义。大多数工程用的金属材料都是合金，其结晶过程较纯金属要复杂的多。二元合金相图是描述合金结晶过程最重要的图解，它反映不同成分合金在不同温度下的组成相及相平衡关系，是研究合金液态结晶（凝固）以及固态结晶（固态相变）过程、确定合金组织组成、推断合金性能的有力工具。一、结晶的热力学条件金属的温度-时间曲线金属自由能与温度的关系自由能温度由上述两图可以

3、看出，金属在平衡结晶温度（又称理论结晶温度Tm是并不会结晶，只有冷却到明显低于理论结晶温度后，才会开始结晶，并释放出潜热，使温度回升到接近理论结晶温度。从自由能—温度关系曲线上也可以看出在理论的结晶温度，液相和固相的自由能相等，处于两相平衡状态，液、固两相可以共存。高于温度Tm时，液相比固相的自由能低，金属处于液相是稳定的。而低于温度Tm时，金属的稳定状态为固相。因此，金属要结晶，就必须处于理论结晶温度以下。此时，液、固两相之间有一自由能差△G，这个能量差就是金属液体结晶的驱动力。实际结晶温度与理论温度之间的差称为金属结晶时的过

4、冷度。即△T=Tm-Ts，可以说一定的过冷度是金属结晶的必要条件。二、结晶过程凝固的过程包括形核和长大两个过程。形核的方式：自发形核和非自发形核。后者是金属形核的主要方式。晶核一旦形成便开始长大，形成所谓的“树枝晶”。如下图所示。晶体长大示意图铸锭组织铸锭结构示意图1---细晶区2---柱状晶区3---等轴晶区三、晶粒大小及其控制金属结晶后形成多晶体结构。晶粒的大小是金属组织的重要评定指标之一，它直接影响金属的性能。细小的晶粒，可以使金属获得更高的强度和硬度，与此同时还可以提高金属的韧性，是提高金属强度和韧性非常重要的方法，这种

5、工艺方法称为细晶强化。在实际生产中，一般通过增大过冷度，也就是增大冷却速度、进行变质处理和附加振动等工艺方法来获取细小的晶粒。第二节合金的结晶一、二元合金相图的建立1.相图的建立以热分析法为例说明如何测绘Cu—Ni相图，其步骤如下：（1） 按质量分数先配制一系列具有代表性成分不同的Cu—Ni合金。（2）  测出上述所配合金及纯Cu、纯Ni的冷却曲线。（3） 求出各冷却曲线上的临界点。纯Cu、纯Ni的冷却曲线上有一平台，表示其在恒温下凝固。合金的冷却曲线上没有平台，而为二次转折，温度较高的折点表示凝固的开始温度，而温度低的转折点对

6、应凝固的终结温度。（4）将各临界点分别投到对应的合金成分、温度坐标中，每个临界点在二元相图中对应一个点。（5）连接各相同意义的临界点(开始点或终了点)就得到了Cu—Ni合金的二元相图。图3-6铜---镍二元合金相图2.相图的分析由液相直接结晶出单相固溶体的过程称为匀晶相变。完全具有匀晶转变的相图称为匀晶相图。它是两组元在液态和固态都能无限相互溶解的二元合金系相图。在相图中，由凝固开始温度连接起来的线成为液相线。由凝固终了温度连接起来的线成为固相线。相图中由相界线划分出来的区域称为相区，表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。在二元

7、合金系中有单相区、两相区、三相区。单相区内，T和成分都可变。双相区内T和成分只有一个可以独立变化。若三相共存T和成分都不变，属恒温转变。如图3-6所示的Cu—Ni相图，它由一条液相线和一条固相线组成，在液相线以上区域，合金处于液态，称为液相区(用L表示)；在固相线以下区域，合金处于固态，称为固溶体区(用α表示)；在两个单相区之间，合金处于液、固两相平衡区，即结晶区间，(用L+α表示)。Cu-Ni合金结晶过程示意图3.合金的结晶过程二、共晶相图及共析相图1.共晶相图组成共晶相图的两组元，其相互作用的特点是:液态下两组元能无限互溶，

8、固态下只能部分互溶(形成有限固溶体或化合物)，甚至有时完全不溶，并具有共晶转变。所谓共晶转变是在一条条件下(温度、成分)，由均匀液体中同时结晶出两种不同固相的转变。所得到两固相的混合物称为共晶组织(体)。具有共晶转变的相图称为共晶相图。属于二元共晶相图的合金有：