《工程材料及成形技术》教案 第2章：金属材料的结晶与二元相图 2.1纯金属的结品 2.1.1结品的条件 (一)基本概念 ·物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 ·●物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 ·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。 (二)冷却曲线 ·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品温度T。 ·曲线上水平阶段是由于结品时放出结晶潜热引起的。 (三)过冷与过冷度 ·纯金属都有一个理论结晶温度T(熔点或平衡结品温度)。在该温度下，液体和 晶体处于动平衡状态 ·结品只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。 ●液态金属在理论结品温度以下开始结品的现象称过冷 ·理论结晶温度与实际结晶温度的差△T称过冷度 △T=T0-T1 ·过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。 ·自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定 状态。 ·在一定温度条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量） 降低的过程才能自发进行。 ·△F是液态金属结晶的动力。 ·△T是结晶的必要条件。 2.1.2结晶的过程 (一)结晶的基本过程 ·结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。 ●液态金属中存在若原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为品胚。在 T0以下，经一段时间后（即孕育期，一些大尺寸的品坯将会长大，称为品核。 1/19
1 / 19 《工程材料及成形技术》教案 第 2 章：金属材料的结晶与二元相图 2.1 纯金属的结晶 2.1.1 结晶的条件 （一）基本概念 ⚫ 物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 ⚫ 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 ⚫ 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。 （二）冷却曲线 ⚫ 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。 ⚫ 曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。 （三）过冷与过冷度 ⚫ 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。 ⚫ 结晶只有在 T0 以下的实际结晶温度下才能进行。 ⚫ 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。 ⚫ 理论结晶温度与实际结晶温度的差 T 称过冷度 T= T0 –T1 ⚫ 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。 ⚫ 自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定 状态。 ⚫ 在一定温度条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量） 降低的过程才能自发进行。 ⚫ ΔF 是液态金属结晶的动力。 ⚫ T 是结晶的必要条件。 2.1.2 结晶的过程 （一）结晶的基本过程 ⚫ 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。 ⚫ 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，称为晶胚。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
●品核形成后便向各方向生长，同时又有新的品核产生。 ·晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。 ·每个品核最终长成一个晶粒，两品粒接触后形成晶界 (二)晶核的形成方式 ·形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 ·自发形核一一依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结品核心。 ·非自发形核一一依附与金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核 ·金属结晶过程中晶核的形成 ·主要是以非自发形核方式为主 (三)晶核的长大方式 ·晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。 ·晶核的长大方式有两种，即平面长大和树枝状长大。 ●在正温度梯度下，品体生长以平面状态向前推进。 ·在负温度梯度下，在品核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一次轴产生 二次轴，树枝间最后被填充。 ●实际金属结品主要以树枝状长大， 2.13同素异构转变 (一)概念 ·物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变，同素异构转变属于 固态相变。 (二)铁的同素异构转变 ·铁在态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为： 8-Fer immcy-Ferua-Fe ●8-Fe、a-Fe为体心立方结构bcc,Y-fe为面心立方结构(fc)都是Fe的同素异 构体。 (三)固态转变的特点 ·形核一般在某些特定部位发生（如品界、品内缺陷、特定品面等）。 ·由于固态下扩散困难，因而过冷顿向大。 ●固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。 ●例如Y-Fe转变为a-Fe时，铁的体积会膨胀约1%。它可引起钢淬火时产 生应力，严重时会导致工件变形和开裂。 2.14细化铸态金属晶粒的措递 2/19
2 / 19 ⚫ 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。 （二）晶核的形成方式 ⚫ 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 ⚫ 自发形核——依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结晶核心。 ⚫ 非自发形核——依附与金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核。 ⚫ 金属结晶过程中晶核的形成 ⚫ 主要是以非自发形核方式为主 （三）晶核的长大方式 ⚫ 晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。 ⚫ 晶核的长大方式有两种，即平面长大和树枝状长大。 ⚫ 在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。 ⚫ 在负温度梯度下，在晶核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一次轴产生 二次轴，树枝间最后被填充。 ⚫ 实际金属结晶主要以树枝状长大 。 2.1.3 同素异构转变 （一）概念 ⚫ 物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于 固态相变。 （二）铁的同素异构转变 ⚫ 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为： 1394 912 C C Fe Fe Fe ⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯→ − − − ⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯ ⚫ -Fe、 -Fe 为体心立方结构(bcc)，-Fe 为面心立方结构(fcc)都是 Fe 的同素异 构体。 （三）固态转变的特点 ⚫ 形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。 ⚫ 由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 ⚫ 固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。 ⚫ 例如 γ -Fe 转变为α - Fe 时，铁的体积会膨胀约 1％。它可引起钢淬火时产 生应力， 严重时会导致工件变形和开裂。 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施
(1)晶粒度 ●表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生 产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。 ●标准品粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的品粒大小 与标准图对照来评级」 (2)决定品粒度的因素 ·晶粒的大小取决于品核的形成速度和长大速度。 ●单位时间、单位体积内形成的品核数目叫形核率(N) ●单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。 ●N/G比值越大，品粒越细小。 ●凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。 (3)控制晶粒度的方法 ●控制过冷度：随过冷度增加，NG值增加，品粒变细 ·变质处理（又称孕有处理）：即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细 化品粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。 ·振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能 量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝品破碎，使品核数目显著增加 2.1.5金属的铸锭 ·在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成 形则得到铸件。 ·俦锭（件）的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响， (1)铸锭的组织结构 ●表层细品区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表 面形成一层很细的等轴晶粒区。 ●柱状品区：由于模壁温度升高，结品放出潜热，使细品区前沿液体的过冷度减 小，形核困难。加上模壁的定向散热，使己有的晶体沿着与散热相反的方向生 长而形成柱状晶区。 ·中心粗等轴晶区：由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状 晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以 非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶品粒。 ●定向结晶 a)为了获得柱状品结构，可采用的方法， b)具有细长柱状品的铝镍钻永磁合金即是用这种方法生产的。 3/19
3 / 19 （1）晶粒度 ⚫ 表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生 产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。 ⚫ 标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过 100 倍显微镜下的晶粒大小 与标准图对照来评级。 （2）决定晶粒度的因素 ⚫ 晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。 ⚫ 单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。 ⚫ 单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。 ⚫ N/G 比值越大，晶粒越细小。 ⚫ 凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。 （3）控制晶粒度的方法 ⚫ 控制过冷度：随过冷度增加，N/G 值增加，晶粒变细。 ⚫ 变质处理（又称孕育处理）：即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细 化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。 ⚫ 振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能 量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。 2.1.5 金属的铸锭 ⚫ 在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成 形则得到铸件。 ⚫ 铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。 （1）铸锭的组织结构 ⚫ 表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表 面形成一层很细的等轴晶粒区。 ⚫ 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减 小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生 长而形成柱状晶区。 ⚫ 中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状 晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度 T1 以下时，在杂质作用下以 非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。 ⚫ 定向结晶 a) 为了获得柱状晶结构，可采用的方法。 b) 具有细长柱状晶的铝镍钴永磁合金即是用这种方法生产的
(2)俦造缺陷 ·铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等， 它们对性能是有害的。 ●缩孔 )缩孔是由于液态金属结品时体积收缩且补缩不足造成的。 b)可通过改变结晶的冷却条件和加冒口等控制。 ©)钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。 ·缩松 )缩松是由于液态金属结晶时体积收缩且得不到补缩而造成的。 b)可通过改变结晶的冷却条件和加目口等控制。 c)钢锭出现缩松使得力学性能下降。 偏析： a)合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。 b)铸锭（件）在结晶时，由于各部位结品先后顺序不同，合金中的低熔点元 素偏聚于最终结品区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。 )适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。 ·气孔 )气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而 存留于铸锭（件）中的气泡。 b)铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气孔需要切除。 c)俦件中出现气孔则只能报废。 (3)单品的制取 ·单晶是电子元件和激光元件的重要原料。金属单晶也开始应用于某些特殊场合 如喷气发动机叶片等。 ·根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时只存在一个晶核，要严格防 止另外形核。 ●单晶制备方法 a)尖端形核法 1将原料放入一个尖底的园柱形坩埚中加热熔化。 ⅱ然后让坩埚缓慢地向冷却区下降，底部尖端的液体首先达到过冷状 态，开始形核。 ⅲ，恰当控制各种因素，就可能形成一个晶核。 V.随着坩埚的继续缓慢下降，品体不断长大而获得单品 b)垂直提拉法 4/19
4 / 19 （2）铸造缺陷 ⚫ 铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等， 它们对性能是有害的。 ⚫ 缩孔: a) 缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。 b) 可通过改变结晶的冷却条件和加冒口等控制。 c) 钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。 ⚫ 缩松: a) 缩松是由于液态金属结晶时体积收缩且得不到补缩而造成的。 b) 可通过改变结晶的冷却条件和加冒口等控制。 c) 钢锭出现缩松使得力学性能下降。 ⚫ 偏析： a) 合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。 b) 铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元 素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。 c) 适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。 ⚫ 气孔: a) 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而 存留于铸锭(件)中的气泡。 b) 铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合, 张开的气孔需要切除。 c) 铸件中出现气孔则只能报废。 （3）单晶的制取 ⚫ 单晶是电子元件和激光元件的重要原料。金属单晶也开始应用于某些特殊场合 如喷气发动机叶片等。 ⚫ 根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时只存在一个晶核，要严格防 止另外形核。 ⚫ 单晶制备方法 a) 尖端形核法 i. 将原料放入一个尖底的园柱形坩埚中加热熔化。 ii. 然后让坩埚缓慢地向冷却区下降,底部尖端的液体首先达到过冷状 态，开始形核。 iii. 恰当控制各种因素，就可能形成一个晶核。 iv. 随着坩埚的继续缓慢下降，晶体不断长大而获得单晶。 b) 垂直提拉法
1.先将坩埚中原料加热熔化，并使其温度保持在稍高于材料的熔点之 上。 ⅱ将籽晶夹在籽晶杆上。然后让籽晶与熔体接触。 ⅲ.将籽品一面转动一面缓慢地拉出，即长成一个单品。 v.这种方法广泛地用于制取电子工业中应用的单品硅。 2.2合金的结晶 2.2.1二元合金相图 ·合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。 ·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。 ·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。 ●组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 ·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。 ·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。 ·根据组元数，分为二元相图、三元相图和多元相图。 ·几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法 2.2.2二元合金相图类型与结晶分析 (一)二元匀品相图 ●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。以C-N 合金为例进行分析。 (1)相图的构成 ·相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。 ·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α固溶 体区，两条线之间为两相共存的两相区(L+α) (2)合金的结晶过程 ·除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以I合金为例说明。 ·当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为α1的固溶体，其N 含量高于合金平均成分。 ·这种从液相中结品出单一固相的转变称为匀品转变或匀品反应 ●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， 51/19
5 / 19 i. 先将坩埚中原料加热熔化，并使其温度保持在稍高于材料的熔点之 上。 ii. 将籽晶夹在籽晶杆上。然后让籽晶与熔体接触。 iii. 将籽晶一面转动一面缓慢地拉出，即长成一个单晶。 iv. 这种方法广泛地用于制取电子工业中应用的单晶硅。 2.2 合金的结晶 2.2.1 二元合金相图 ⚫ 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。 ⚫ 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。 ⚫ 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。 ⚫ 组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 ⚫ 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。 ⚫ 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。 ⚫ 根据组元数，分为二元相图、三元相图和多元相图。 ⚫ 几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。 2.2.2 二元合金相图类型与结晶分析 （一）二元匀晶相图 ⚫ 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。以 Cu-Ni 合金为例进行分析。 （1）相图的构成 ⚫ 相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。 ⚫ 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+ ）。 （2）合金的结晶过程 ⚫ 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合金为例说明。 ⚫ 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。 ⚫ 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。 ⚫ 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