山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学材料的凝固材料的凝固第三节 纯金属的结晶第四节 合金的结晶第五节 铁碳合金相图山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学第三节第三节 纯金属的结晶纯金属的结晶l一. 冷却曲线与过冷度l二. 结晶的一般过程山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l物质由液态转变为固态的过程称为凝固。l物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。l物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。玻璃制品水晶山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l一、结晶与凝固的区别凝固：LS S可以是非晶态或晶态结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过 程.一次结晶：LS晶态二次结晶：SS晶态山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学二、冷却曲线与过冷二、冷却曲线与过冷l最常用的是热分析法。山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l二、冷却曲线与过冷l1、冷却曲线l金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。l曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的.纯金属的冷却曲线山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l2、过冷与过冷度l纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。l结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。雾凇山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。l理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度T= T0 T1l过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学T0T1T液体和晶体自由能随温度变化结晶驱动力 F0， 而不是过冷度T结晶必要条件 固态自由能低于液态，有过 冷度。山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学二、结晶的一般过程二、结晶的一般过程l1、结晶的基本过程l结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.l液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l2、晶核的形成方式l形核有两种方式，即自发形核和非自发形核。l由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核。l以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核。非自发形核更为普遍。自发形核山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l3、晶核的长大方式l晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。均匀长大树枝状长大山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。正温度梯度山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l实际金属结晶主要以树枝状长大.l这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。负温度梯度山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学树枝状长大的实际观察*晶轴晶轴晶核形成后会长大，但各方向速度不一样，会晶核形成后会长大，但各方向速度不一样，会 形成晶轴，晶轴有一次晶轴，两次晶轴等，呈树枝状长形成晶轴，晶轴有一次晶轴，两次晶轴等，呈树枝状长 大。大。山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学树枝状结晶树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大 ，一般说，同一成分的金属晶粒越细，其强度，一般说，同一成分的金属晶粒越细，其强度 越高，硬度也越高，塑性韧性也越好。晶核越越高，硬度也越高，塑性韧性也越好。晶核越 多，晶粒越细。多，晶粒越细。细化铸态金属晶粒的主要途径：细化铸态金属晶粒的主要途径：1.1.加快冷却速度，以增加晶核；加快冷却速度，以增加晶核；2.2.变质处理，以增加外来晶核变质处理，以增加外来晶核3.3.振动或搅拌振动或搅拌另外，还可用热处理，或压力加工的方法另外，还可用热处理，或压力加工的方法 细化固态金属的晶粒。细化固态金属的晶粒。l4、金属晶粒的大小与控制山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学第四节第四节 合金的结晶合金的结晶l一、二元相图的建立l二、二元相图的基本类型与分析l 1、二元匀晶相图l 2、二元共晶相图l 3、二元包晶相图l 4、二元共析相图l三、相图与合金性能之间的关系山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。l组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。l多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元, 如Fe-C合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相图L成分（wt %Ni）温度（）CuNi山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.l相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。l根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图三元相图山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l二元相图的建立步骤为：以Cu-Ni合金(白铜)为例l1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。l2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。l3. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。l相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。一、二元相图的建立一、二元相图的建立山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学二、二元相图的基本类型与分析二、二元相图的基本类型与分析l两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。l以Cu-Ni合金为例进行分析。Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图1、二元匀晶相图山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。l相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。 LL + 成分（wt%Ni）温度（）CuNi液相线固相线山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l 合金的结晶过程l除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。l当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分LL+山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程 工程材料学工程材料学l随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。山山 东东 农农 业业 大大 学学 机机 电电 学学 院院机械电子工程机械电子工程