第二篇金属材料组织与性能的控制.docx

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第二篇金属材料组织与性能的控制

第二篇金属材料组织和性能的控制

第一章金属的结晶（crystallize）

1.1.本章内容

（1）

（1）          金属结晶的基本概念；

（2）

（2）          金属的结晶过程；

（3）（3）          晶粒度；

（4）（4）        铸锭的结构。

2.2.本章重点

（1）

（1）          过冷度的概念，过冷度对结晶过程的影响规律；

（2）

（2）        结晶的基本过程；

（3）（3）        获得细晶粒的方法。

3.3.本章学时安排

计划2学时。

4.4.本章作业

P8，（五）3、4、5

§1-1金属结晶的概念

一、一、       结晶的概念：

钢材经过冶炼、注锭、轧制、锻造、机加工和热处理等工艺过程。

1．1．结晶：

生产上将金属的凝固（solidify，solidification）叫做结晶。

2．2．近程有序：

在液体金属内部，在短距离的小范围内，原子做近似于固态结构的规则排列，即存在近程有序的原子集团。

3．3．长程有序：

金属由液态转变为固态的凝固过程，实质是就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程。

4．4．结晶过程：

金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过程。

5．5．一次结晶：

金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶。

6．6．二次结晶：

金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称之为二次结晶。

二、结晶的条件：

金属必须达到一定的过冷度。

①交点对应温度T0处，液态和固态自由能相等，液态和固态长期共存，处于动平衡状态。

②T0为理论结晶温度或熔点，液态金属要结晶，就必须处于T0温度以下，即金属必须过冷（over-cooling，supercooling；指液态金属实际冷却到结晶温度以下而暂不结晶的现象）

③过冷度（degreeofsupercooling；理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn的差）对应的自由能差ΔF是使液体结晶的动力。

④只有当过冷度达到一定的大小，使ΔF大于建立晶体界面所需的表面能A时，结晶过程才能进行。

三、过冷度和冷却曲线。

1.过冷度可以由冷却曲线测定，平台处放出结晶潜热，平衡向外界散热。

2.过冷度的大小与金属的本性和液态金属的冷却速度有关。

冷却速度愈大，则金属的实际结晶温度愈低，因而过冷度愈大。

§1-2金属的结晶过程（自学讨论）

一、一、       结晶的过程：

1．1．晶核的生成。

2．2．晶核的长大。

二、二、       晶核的生成

1．1．自发生核：

（1）

（1）   自发晶核：

从液体结构内部自发长出的结晶核心。

（2）

（2）   生核速率与过冷度的关系。

图3-7

2．2．非自发生核

（1）

（1）   非自发晶核：

依附于杂质而生成的晶核。

（2）

（2）   “结构相似、尺寸相当”的原则

三、晶核的长大

1．二维晶核长大机制：

长大速度与过冷度的关系图3-9

2.单原子扩散式长大机制

长程无序→短程有序（小集团）→稳定→晶胚→晶核→长大

晶格、晶胞、晶胚、晶核、晶粒之间的异同点

四、晶体的长大方式：

1．平面长大方式：

表面向前平行推移（过冷度较小的情况下）较纯金属晶体

2.树枝状长大方式：

当过冷度较大，特别是存在有杂质时，金属晶体往往以树枝状的形式长大。

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§1-3晶粒的大小

一、一、             晶粒度（grainsize）的概念

1．1．晶粒度：

晶粒的大小，用单位面积上的晶粒数量或晶粒的平均线长度（直径）表示。

2．2．晶粒度与生核速率和长大速率G的关系见图3-14

Zs=1.1

Zv—金属单位体积中晶粒的总数目

Zs—金属单位面积中晶粒的总数目

3．3．晶粒度与金属强度塑性、韧性的关系。

一般情况下，晶粒愈小，则金属的强度、塑性、韧性愈好。

二、晶粒度的控制：

控制晶核形成和长大的因素

因为晶粒的N和G值J及N/G取决于过冷度，所以晶粒度由过冷度决定图3-14

1．1．提高金属的过冷度：

（1）提高金属液体的冷却速度

1①   金属型代替砂型

2②   增大金属型厚度

3③   降低金属型的预热温度

4④   减少涂料层的厚度

以上全是铸造生产。

（2）提高金属液体的过冷能力

1①   浇注时，提高金属熔化温度，减少非自发核心。

2②   较低浇注温度，减慢铸型温度升高速度、增大金属液冷却速度。

3③   慢速浇注，使铸型温度升高不致太快，另外由于凝固慢，晶核生成多，或新晶核被冲碎而增多，结果都能获得较细的晶粒。

2、进行变质处理（modification）：

变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂（modificator），以细化晶粒和改善组织。

变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。

例如：

钢水中加入钛、钡、铝等。

可使晶粒细化。

3、3、振动和搅拌。

§1-4铸锭的结构

一、一、       铸锭结构的形成：

三个晶区

1、1、细晶区：

金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。

2、2、柱状晶（columnarcrystal）区：

结晶过程进行的方式主要是，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热量最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的反方向的晶核、向液体平行长大。

3、3、等轴晶区：

过冷度减少，温差降低，均匀化、散热失去方向性

二、二、       铸锭结构的特性：

1、1、柱状晶由外向里顺序结晶，晶质致密，但柱状晶接触面为弱面。

2.等轴晶无弱面、性能较好。

例：

1、熔点高和杂质多的金属，不希望生成柱状晶。

2、低不含易熔杂质、塑性好的金属，柱状晶可热加工。

三、三、       铸锭的缺陷：

1、1、缩孔：

2、2、疏松：

缩松。

3、3、气孔：

思考讨论问题

一、什么叫结晶？

近程有序，长程有序结晶过程一次结晶二次结晶的概念？

一、一、       结晶的条件是什么？

金属必须过冷，处于理论结晶温度以下，什么叫过冷度。

二、二、       晶粒包括哪两个过程？

全核方式和晶核长大机制以及晶体长大方式是什么？

三、三、       晶粒度的概念？

晶粒度与全核速率和长大速率G的关系？

铸锭结构包括哪几部分？

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第二章二元合金（binaryalloy，twocomponentalloy）相图

1.1.本章内容

（1）合金相图的建立；

（2）匀晶相图；

（3）共晶相图；

（4）包晶相图；

（5）其它相图；

（6）合金的性能与相图的关系。

2.2.本章重点

（1）

（1）        匀晶转变过程及特点；

（2）

（2）        杠杆定律及其应用；

（3）（3）        共晶转变过程及特点，共晶相图中典型合金的结晶过程。

3.3.本章学时

计划4学时。

4.4.本章作业

P18，（五）3、4、7

§2-1合金相图的建立

合金：

一种金属元素同另一种或几种其它元素、通过熔化或其它方法结合在一起

所形成的具有金属特性的物质。

组元（component，constituent）：

组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。

（元素或稳定的化合物）。

二元合金：

由两个组元组成的合金。

一、相图概述

1、1、合金系：

两组元按不同比例可配制成一系列成分的合金，这些合金的集合称为含金系。

2、2、相图（phasediagram）：

是表明含金系中各种合金相的平衡条件以及相与相之间关系的一种简明示图，也称平衡图或状态图。

3、3、平衡：

是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和相对重量不再变化所达到的一种状态。

平衡的结晶条件：

无限缓慢

相变：

固态相变——固→固；结晶和凝固——液→固

举例：

二元合金相图Cu-Ni相图

二、相图建立方法：

热分析法

以铜——镍合金为例：

1、1、配制系列成分的铜镍合金。

合金Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。

见图5-7

2、2、测出各合金冷却曲线、找出该曲线上临界点（转折点或平台）温度。

3、3、画出温度——成分坐标系，在各合金成分垂线上的标出临界点温度。

4、4、将具有相同意义的点连接成线，并标明各区域内存在的相。

几种基本的二元相图：

1①   匀晶相图、②共晶相图、③包晶相图、④共析相图。

达到目的：

1①   预测给定成分的合金在一定的温度下将有哪些相存在。

2②   确定有每个相存在的化学成分。

3③   计算所存在各相的数量。

§2-2匀晶（uniformgrain）相图

匀晶相图：

两组元在液态无限互溶、在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应的

合金系、构成匀晶相图。

例如：

Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag合金相图等。

一、相图分析：

AB上凸线：

液相线；AB下凹线：

固相线

AB上凸线以上为液相；AB下凹线以下为固相（solidphase）→单相区

AB上凸线与AB下凹线之间为固液两相区→L＋α双相区

L——液相（liquidphase）（Cu-Ni液溶体）

α——固相（Cu-Ni无限固溶体）

二、二、       合金的结晶过程：

结晶过程示意图5—8见投影胶片。

1、结晶过程：

（1）

（1）   在1点温度以上、合金为液相L。

（2）

（2）   缓慢冷却至1—2温度之间时、合金发生匀晶反应、从液相中逐渐结晶出固溶体。

（3）（3）            2点温度以下，合金全部结晶为固溶体。

2、结晶特点：

（1）包括生核和长大两个过程，呈树技状长大。

（2）温度范围内结晶。

（变温结晶过程）。

（3）两相区内，温度一定。

两相成分则确定，相对重量一定。

（4）两相区内，温度变化，两相成分变化。

（讲解确定相成分方法和相成分变化规律）。

（5）固溶体结晶时，其成分是变化的。

3.成分偏析：

（1）宏观偏析：

固相成份随固相线不断变化。

即含Ni量下降。

（2）微观偏析（枝晶偏析）：

先结晶的树枝晶（dendrite）轴含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶枝干含低溶点组元较多。

结果造成在一个晶粒之内化学成分的分布不均。

这种观象称为枝晶偏析。

（3）扩散退失：

把合金加热到高温（低于固相线100%℃左右），并进行长时间保温，使原子充分扩散、获得成分均匀的固溶体。

这种处理称扩散退火。

三、杠杆定律（leverrule，leverprinciple）：

用于确定合金在某一温度时各相的相对重量。

设合金总重量为QI、Ni%=b%。

T1时：

L＋α、L相Ni%=a%相Ni%=c%

QI中Ni的总重量QNi=QLNi＋QαNi

即：

QI×b%=QL×a%＋Qα×c%

∵QI=QL＋Qα∴（QL＋Qα）×b%=QL×a%＋Qα×c%

QL/Qα=（c-a）/（b-a）=bc/ab,（可与力学杠杆定律比较：

QL×ab=Qα×bc

合金中液相L和固相α的相对重量为：

L%=bc/ac；α%=ab/ac

§2-3共晶相图

共晶相图：

两组元在液态无限互溶、在固态有限互溶、冷却时发生共晶反应的合金系构成的相图。

例如：

Pb－Sn、Al－Si、Ag－Cu合金相图等。

一、相图分析：

以Pb－Su合金相图为例：

（一个点、三个相、五条线、七个相区）

1.一个点：

d点——共晶点

2.三个相：

L相：

pb与Sn形成的液溶体。

α相：

Sn溶在Pb中的有限固溶体

β相：

Pb溶在Sn中的有限固溶体。

3.五条线

adb：

液相线、acdeb：

固相线

cde：

共晶反应线

cf：

Sn在Pb中的溶解度曲线（或α相固溶线）

eg：

Pb在Sn中的溶解度曲线（或β相固溶线）

４、七个相区：

三个单相区：

Ｌ、α、β

三个双相区：

L＋α、L＋β、α＋β

一个三相区：

L＋α+β（水平线cde）

5、共晶反应（eutecticreaction）：

由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应、称之，

６、二次结晶（脱溶转变）：

温度降低、固溶解度下降。

α→βⅡ、β→αⅡ

７、合金种类：

共晶合金：

d点６１%Sn

共晶型合金亚共晶合金：

C—d点19.2%—61.9%Sn

合金过共晶合金：

d—e点61.9%—97.5%Sn

（hypereutecticalloy）

端部固溶体合金α固溶体：

C点以左＜19.2%Sn

β固溶体：

e点以右＞97.5%Sn.

二、典型合金的结晶过程分析：

１、合金Ⅰ：

固溶体

（１）平衡结晶过程：

１→２匀晶反应

３→４脱溶转变α→α＋βⅡ二次相。

（２）相和组织：

指在室温状态下

组织组成物：

指合金组织中那些具有确定本质、一定形成机制和特殊形态的组成部分。

组织成物可以是单相或者是两相混合物。

相：

f点成分的α相和g点成分的β相。

组织：

α＋βⅡ、α和βⅡ组织组成物。

（３）两相和组织组成物相对重量：

（室温下）

①相：

α%=4g/fg×100%

β%=f4/fg×100%

②组织组成物相对重量：

与相相对重量相同。

２、合金Ⅱ：

共晶合金

（１）结晶过程：

1→1‘共晶反应，LD→αc＋βe

1’→2脱溶转变，α→α＋βⅡ，β→β＋αⅡ

（由于αⅡ和βⅡ与α和β连在一起、共晶体（α＋β）的形态和成分不发生变化。

因此，在写组织和计算组织时、可不能考虑由共晶体（α＋β）析出的αⅡ和βⅡ）

（２）相和组织：

相：

α、β相

组织：

（α＋β）

（３）相对重量：

（室温下）

①相：

α%=2g/fg×100%;β%=f2/fg×100%

2②   组织：

（α＋β）%=100%

３、合金Ⅲ：

亚共晶合金

（１）结晶过程：

（２）相和组织：

相：

α和β；组织：

α＋（α＋β）＋βⅡ

（3）相对重量：

①相：

α和β

α%=3g/fg×100%;β%=f3/fg×100%

②组织组成物：

利用两次杠杆定律α、（α＋β）、βⅡ

ⅰa.共晶反应前：

αc%=2d/cd×100%,Ld%=c2/cd×100%

（α＋β）%=Ld%=c2/cd×100%

ⅱb.室温时：

βⅡ占αf+βⅡ的百分数=fc’/fg×100%

αf:

αf%=c’g/fg×100%

当αc冷却到室温时为αf+βⅡ,即:

αc=αf+βⅡ

室温时：

α%=c’g/fg×2d/cd×100%

βⅡ%=fc’/fg×2d/cd×100%

（α＋β）%=Ld%=c2/cd×100%

4.合金Ⅳ：

过共晶成分：

（1）平衡结晶过程：

与亚共晶合金类似。

（2）相和组织：

相：

α和β

组织：

β＋（α＋β）＋αⅡ

（3）（3）相对重量：

与亚共晶合金类似。

三、标注组织的共晶相图：

P63、图5—18

图1：

A与B室温不能形成固溶体、为两个纯组元

图2：

B可溶于A形成α

A不溶于B不形成β

§2-4包晶相图

包晶相图：

两组元在液态无限互溶、在固态有限互溶；冷却时发生包晶反应的

合金系所构成的相图。

例如：

Pt（铂）－Ag、Ag－Sn、Sn－Sb（弟）合金相图等。

一、相图分析：

以Pt－Ag为例：

adb：

液相线，aceb：

固相线。

ced：

包晶反应线。

cf：

Ag在α中的溶解度线。

eg：

Pt在β中的溶解度线。

e：

包晶点。

包晶反应（peritecticreaction）：

由一种液相与一种固相在恒温下相互作用而转变为另一种固相的反应。

LD＋αC→βE

二、典型合金的结晶过程：

1、合金Ⅰ：

包晶成分

（1）平衡结晶过程：

2→2‘：

包晶反应：

L＋α→β

2‘→3：

脱溶转变：

β→αⅡ＋β

（2）相和组织：

室温

相：

α和β

组织：

β＋αⅡ

2、合金Ⅱ：

L→L＋α→α＋β→β＋αⅡ＋α＋βⅡ

包晶偏析：

包晶后的β固溶体中，原α处Pt含量较高，而原L区含Pt量较低，这种观象称之。

§2-5其它相图

一、共析相图

d点：

共析成分

（αc＋βe）：

共析体（eutectoid）。

共析反应：

由一种固相转变成完全不同的两种相关的固相的反应。

γd→αc＋βe

机械混合物：

两种相按一定比例和形态机械地混合在一起。

二、含有稳定化合物的相图：

以Mg－Si合金相图为例：

组元：

Mg、Mg2Si、Si

相图可分解为两个共晶相图分析。

Mg－Mg2Si相图和Mg2Si和Si相图。

§2-6合金的性能与相图的关系

一、合金的使用性能与相图的关系：

图5—24

1、合金的使用性能与合金成分的关系曲线的形状：

图5—24

第2排、第3排图。

（1）固溶体（即发生匀晶反应的合金）性能一成分曲线呈透镜状（凹凸透镜）。

（2）两相组织含金的性能一成分曲线呈直线关系变化。

2、合金的使用性能与相图（组织）的关系：

对组织较敏感的某些性能如强度等、与组成相或组织组成物的形态有很大关系。

如：

组织组成物越细密（共析合金P）、强度越高。

形成化合物时，性能一成分曲线出现极值。

3、由“1”和“2”得出图5—24合金使用性能和相图形状的关系。

二、合金的工艺性能与相图的关系：

1、1、合金的铸造性能与相图的关系：

（1）纯组元和共晶成分的合金的流动性好、缩孔集中、铸造性能好。

（2）相图中液相线和固相线之间的距离越小、流动性好、铸造性能好。

因为：

间隙大时，形成枝晶偏析的倾向性大，同时先结晶的树枝晶阻碍未结晶液体的流动、降低其溶动性、增多分散缩孔

2、2、合金的锻造性能与相图的关系：

（1）单相合金的可锻性好。

其单相组织变形均匀，不易开裂。

（2）双相合金的可锻性差。

二元合金相图的总结

1、1、相图中每点都代表某一成分的合金在某一定温度的状态。

2、2、两个单相区之间必定有一个两相区，并由这两个相构成。

两相的成分由水平线与两相区边界线的交点来确定。

两相相对重量由杠杆定律求出。

3、3、两个两相区之间必定是以单相区或三相区（水平线）隔开。

4、4、水平线必定是三相平衡，水平线上有三个相的成分点。

相接触法则：

相接触的相区之间的相数差为1。

5、5、各种反应：

反应式

（1）匀晶反应：

L→α

（2）共晶反应：

L→α＋β

（3）包晶反应：

L＋α→β

（4）共析反应：

α→（β1＋β2）

（5）脱溶转变：

α→βⅡ；β→αⅡ

（6）同素异构转变：

α→β

6、分析二元相图步骤：

（1）看有没有稳定的化合物、若有、将相图分成几部分。

（2）找出单相区、据相接触法则、确定各相区。

（3）找出三相水平线、确定转变类型。

分析合金结晶过程。

第二篇金属材料组织和性能的控制

第三章铁碳合金相图

1.1.本章内容

（1）

（1）        铁碳相图（组元、组织、相、相图等）；

（2）

（2）        典型铁碳合金的平衡结晶过程；

（3）（3）        铁碳合金的成分——组织——性能类系；

（4）（4）        Fe—Fe3C相图的应用和局限性。

2.2.本章重点

（1）

（1）        默画铁碳相图，重要的点、线，区的意义；

（2）

（2）        铁碳合金中各种相、组织的本质、特征；

（3）（3）        用铁碳相图分析典型铁碳合金的平衡结晶过程；

（4）（4）        用杠杆定律计算任何成分和温度的相和组织组成物的百分含量。

3.3.本章学时

计划3学时。

4.4.本章作业

P23，（五）2、3、4、5、8

§3-1铁碳相图

研究铁碳合金的成分，组织、性能之间的关系。

1、1、铁和碳可以形成一系列化合物、如Fe3C、Fe2C、FeC等。

2、2、Fe—C相图包括Fe－Fe3C、Fe3C－Fe2C、Fe2C－FeC、FeC－C等四个相图。

3、3、Fe3C的碳含量为6.69%、碳含量超过6.69%的铁碳合金脆性大，没有使用价值，因此，只研究Fe－C相图的Fe－Fe3C部分。

4、4、Fe－Fe3C相图主要包括包晶相图、共晶相图、共析相图组成。

一、一、       铁碳合金的组元：

1、1、Fe：

Fe是过渡族元素、熔点或凝固点是1538℃。

纯Fe（pureiron）冷却曲线

L1538℃→δ-Fe（bcc）1394℃→γ-Fe（fcc）912℃→α-Fe（bcc）

同素异构转变（allotropictransformation）：

金属在固态下发生的晶格类型的转变，称之。

α－Fe：

温度低于912℃的Fe的晶格为体心立方、称α－Fe

γ－Fe：

温度在912－1394℃的晶格为面心立方、称γ－Fe

δ－Fe：

温度在1394－1538℃的晶格为体心立方、称δ－Fe

2、2、Fe3C（cementite）：

Fe3C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物。

Fe3C（Cm）

二、二、       铁碳合金中的相：

Fe-Fe3C相图中存在五种相

1.液相：

是Fe与C的液溶体

2.δ相：

又称高温铁素体，是碳在δ－Fe中的间隙固溶体、呈bcc。

3.α相：

也称铁素体，用F或α表示，是C在α－Fe中的间隙溶体、呈bcc

4：

γ相：

常称奥氏体（austenite），用A或γ表示，是C在γ－Fe中的间隙溶体、呈fcc

5：

Fe3C相：

是化合物相、有Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ三种，分别呈条状，

网状、片状、粒状形态。

三、三、       相图中重要的点和线：

1、三个重要的点

（1）J点：

包晶点、发生包晶反应HJB为包晶反应线。

LB+δH→AJ；即：

L0.53+δ0.09→A0.17

（2）C点：

共晶点、ECF为共晶反应线。

Lc→AE+Fe3C;即：

L4.3→A2.11+Fe3C（莱氏体ledeburite;Le）

（3）S点：

共析点，PSK为共析反应线，也称A1线。

AS→FP+Fe3C即：

A0.77→F0.0218+Fe3C（珠光体pearlite）

2、三条重要的特性线：

（1）GS线：

A向F转变的开始线、称A3

A→F

fccbcc

（2）ES线：

C在A中的溶解度变化曲线，称Acm线

A→A＋Fe3CⅡ，Fe3CⅡ网状分布在A晶界上。

（1）

（1）   PQ线：

C在F中的溶解度变化曲线。

0.0218%C→0.0008%C

F→F＋Fe3CⅢ，Fe3CⅢ呈短杆状，量极少，可忽略。

四、画铁碳相图的步骤：

1、1、纯Fe的转变点：

一个熔点和两个同素异构转变点。

注意温度（A—1538℃、N—1394℃、G—912℃）

2、2、画三条水平线。

注意由温度确度水平线高低位置、由水平线起始点的成分数值确定水平线长短位置。

3、3、写各点的符号（字母）并连线。

分三个相图形式连线。

4、4