金属材料概论第三章ppt课件

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1、第三章 材料的凝固与结晶组织1一、概述一、概述二、纯金属结晶二、纯金属结晶三、合金的结晶与相图三、合金的结晶与相图四、铸件组织与冶金缺陷四、铸件组织与冶金缺陷一、概述学习内容:2第一节第一节 概述概述凝固凝固：金属由液态：金属由液态固态的过程固态的过程形成的固态物形成的固态物质为质为晶体晶体、非晶体非晶体转变转变一次结晶一次结晶：物质从：物质从液态液态转变为转变为固体固体晶态的过程晶态的过程二次结晶二次结晶：物质从一种：物质从一种固体晶态固体晶态过渡为过渡为另一种另一种固体晶固体晶态态的转变过程的转变过程结晶结晶：金属由：金属由液态液态固态固态的过程的过程原子由原子由不规不规则的排列则的排列转

2、变到转变到有规则的排列有规则的排列，凝固后的固态，凝固后的固态物质通常是物质通常是晶体晶体转变转变(一一)概念概念第一节 概述凝固：金属由液态 固态的过程3(二二)学习的意义：学习的意义：形状、大小和分布形状、大小和分布极大的影极大的影响着金属的响着金属的工艺性能工艺性能和和使用性能使用性能液态金属经过结晶得到的组织液态金属经过结晶得到的组织铸态组织铸态组织掌握结晶过程的基本规律掌握结晶过程的基本规律为研究其它相变奠定基础为研究其它相变奠定基础液相液相向向固相固相的转变的转变是一个相变过程是一个相变过程研究和控制金属的结晶过程研究和控制金属的结晶过程提高金属提高金属使用性能使用性能和和工艺性能

3、工艺性能的一个重要手段的一个重要手段(二)学习的意义：形状、大小和分布 极大的影响着金属的工4第二节第二节 纯金属结晶纯金属结晶一、结晶条件一、结晶条件把纯金属置于坩埚内加热成均匀熔体把纯金属置于坩埚内加热成均匀熔体使其缓慢冷却使其缓慢冷却在冷却过程中，每隔一定时间测定温度变化在冷却过程中，每隔一定时间测定温度变化直至结晶完毕后冷却到室温直至结晶完毕后冷却到室温冷却曲线冷却曲线：将温度随时间变化的关系绘制成曲线：将温度随时间变化的关系绘制成曲线温温度度T时间时间T TT TmmT Tn n第二节 纯金属结晶一、结晶条件把纯金属置于坩埚内加热成均匀5理论结晶温度（理论结晶温度（Tm）金属的金属的

4、熔化熔化和和结晶结晶应在同一温度下进行，该温度称为应在同一温度下进行，该温度称为平衡结晶温度（理论结晶温度）平衡结晶温度（理论结晶温度）液体中金属原子结晶到晶体上的速度液体中金属原子结晶到晶体上的速度晶体上的原子溶解入液体中的速度晶体上的原子溶解入液体中的速度晶体与液体处于平衡状态晶体与液体处于平衡状态理论结晶温度（Tm）金属的熔化和结晶应在同一温度下进行，该6（一）结晶过程的（一）结晶过程的宏观现象宏观现象过冷现象过冷现象结晶潜热结晶潜热液态金属冷却到液态金属冷却到理论结晶理论结晶温度温度Tm（熔点）时（熔点）时未未开始结晶；开始结晶；1、过冷现象、过冷现象T Tmm温温度度T时间时间（一）

5、结晶过程的宏观现象过冷现象液态金属冷却到理论结晶1、7冷却到冷却到Tm 之下之下Tn(实际结晶温度实际结晶温度)液态金属开始结晶液态金属开始结晶过冷度过冷度T金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度与理论结晶温度Tm 之差：之差：T越大，越大，Tn越低！越低！温温度度T时间时间T TT TmmT Tn nT T冷却到Tm 之下Tn(实际结晶温度)液态金属开始结晶8影响过冷度的因素影响过冷度的因素金属的本性：金属不同金属的本性：金属不同T的大小不同的大小不同金属的纯度：纯度金属的纯度：纯度(杂质越少杂质越少)T冷却速度：冷却速度：v冷却冷却Tv冷却冷却T实际结晶实际结晶温度越低温度

6、越低过冷是金属结晶的必要条件；过冷是金属结晶的必要条件；不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论结晶温度进不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论结晶温度进行结晶行结晶即对于一定的金属，过冷度有一最小值，若即对于一定的金属，过冷度有一最小值，若过冷度小于该值，结晶过程就不能进行！过冷度小于该值，结晶过程就不能进行！影响过冷度的因素金属的本性：金属不同 T 的大小不同9当液体金属缓慢冷至理论当液体金属缓慢冷至理论凝固温度凝固温度Tm时时,并未开始并未开始凝凝固固,当温度降至熔点以下某当温度降至熔点以下某一个温度一个温度Tn时开始结晶时开始结晶;温温度度T时间时间T TT TmmT Tn n随后温度迅速回

7、升，一直回升至随后温度迅速回升，一直回升至接近熔点接近熔点，温度不，温度不再上升，也不下降。出现恒温结晶阶段，即曲线上再上升，也不下降。出现恒温结晶阶段，即曲线上出现出现“平台平台”；结晶终止后，温度继续均匀下降！结晶终止后，温度继续均匀下降！当液体金属缓慢冷至理论 温度T时间TTmTn随后温度102 2 结晶潜热结晶潜热相变潜热相变潜热：1mol物质从一个物质从一个相相转变为转变为另一个另一个相相时，伴时，伴随着随着放出放出或或吸收的热量吸收的热量熔化潜热熔化潜热：金属熔化时从：金属熔化时从固相固相液相液相吸收的热量吸收的热量转变转变结晶潜热结晶潜热：金属结晶时从：金属结晶时从液相液相固相固

8、相放出的热量放出的热量转变转变结晶过程中，释放的结晶潜热结晶过程中，释放的结晶潜热散失的热量散失的热量温度温度回升回升，甚至已结晶的局部区域，甚至已结晶的局部区域重熔重熔温温度度T时间时间T TT TmmT Tn n2 结晶潜热相变潜热：1mol 物质从一个相转变为另一个相11TTn：结晶潜热结晶潜热释放释放结晶过程结束，结晶潜热释放结晶过程结束，结晶潜热释放完毕，冷却曲线继续下降完毕，冷却曲线继续下降补偿补偿散失到周散失到周围环境的热量围环境的热量冷却曲线上出现冷却曲线上出现平台平台t就是结晶过程所用的时间就是结晶过程所用的时间1点：结晶过程的开始点：结晶过程的开始2点：结晶过程的结束点：结

9、晶过程的结束温温度度T时间时间T TT TmmtT Tn n12TTn：结晶潜热释放结晶过程结束，结晶潜热释放完毕，冷122图图：Tn，尺寸较大的原子团簇，尺寸较大的原子团簇开始变的稳定开始变的稳定成为结晶成为结晶核心核心晶核晶核二、结晶过程：二、结晶过程：晶体形核晶体形核长大过程长大过程1 1、举例：小块金属结晶微观过程、举例：小块金属结晶微观过程、举例：小块金属结晶微观过程、举例：小块金属结晶微观过程1图图：Tm，液态金属中的原子团，液态金属中的原子团簇极不稳定簇极不稳定不能成为结不能成为结晶核心晶核心122图：Tn，尺寸较大的原子团簇二、结晶过程：晶体形核 133图：图：晶核按各自方向吸

10、收液体中的金属原子晶核按各自方向吸收液体中的金属原子逐渐长大逐渐长大同时，液态中不断产生新的晶核同时，液态中不断产生新的晶核也逐渐长大也逐渐长大3不断发展不断发展4、5图：图：相邻晶体相互接触相邻晶体相互接触液体金属耗尽液体金属耗尽金属结束金属结束4 53图：晶核按各自方向吸收液体中的金属原子 逐渐长大同时，14对结晶过程的描述，揭示了一个十分重要的规律：对结晶过程的描述，揭示了一个十分重要的规律：金属的结晶与其他有机物一样，都是形核与长大的过金属的结晶与其他有机物一样，都是形核与长大的过程，而且程，而且两者交错重叠两者交错重叠进行。进行。结晶终止获得多晶粒的组织，其中一个晶粒是由一结晶终止获

11、得多晶粒的组织，其中一个晶粒是由一颗晶核形成的，由于各个晶核随机生成，所以各个颗晶核形成的，由于各个晶核随机生成，所以各个晶粒的晶粒的位向各不相同位向各不相同。如果在结晶过程中只有一颗晶核并长大，而不出如果在结晶过程中只有一颗晶核并长大，而不出现第二颗晶核那么由这一颗晶核长大的金属，现第二颗晶核那么由这一颗晶核长大的金属，就是就是一块金属单晶体一块金属单晶体。对结晶过程的描述，揭示了一个十分重要的规律：总之：金属的结晶15均质形核均质形核：由熔液：由熔液自发形成自发形成新晶核，液体中出现新新晶核，液体中出现新相相晶核的几率晶核的几率是是相同相同的的自发形核自发形核异质形核异质形核：新相优先出现

12、新相优先出现于液相中的某些区域的于液相中的某些区域的形核方式形核方式非自发形核非自发形核杂质（未熔杂质（未熔质点）质点）2 2 2 2、形核和长大、形核和长大、形核和长大、形核和长大形核形核：均质形核：由熔液自发形成新晶核，液体中出现新异质形核：新相优16一定过冷度下，晶粒长大过程中保持规则外形；一定过冷度下，晶粒长大过程中保持规则外形；长大到互相接触时，规则外形被破坏；长大到互相接触时，规则外形被破坏；长大结束后长大结束后,液态金属完全消失，成为多边形的晶粒液态金属完全消失，成为多边形的晶粒长大：长大：长大过程实质长大过程实质：液体中金属原子向晶核：液体中金属原子向晶核表面迁移表面迁移过程过

13、程晶体生长最常见的方式：晶体生长最常见的方式：树枝状结晶树枝状结晶枝晶枝晶长大条件长大条件：过冷度：过冷度一定过冷度下，晶粒长大过程中保持规则外形；长大：长大过程实质173 3、枝晶长大过程、枝晶长大过程、枝晶长大过程、枝晶长大过程1）形成的晶核具有规则外型；）形成的晶核具有规则外型；2）棱角处长出数枝晶细长的）棱角处长出数枝晶细长的树干树干3）树干与周围过冷液体的）树干与周围过冷液体的界面不稳定，出现凸出界面不稳定，出现凸出尖端，长大成为新的尖端，长大成为新的晶枝晶枝树枝晶生长示意图树枝晶生长示意图一次晶轴一次晶轴二次晶枝二次晶枝/晶轴晶轴3、枝晶长大过程1）形成的晶核具有规则外型；3）树干

14、与周围过184）二次晶枝发展到一定程度后，在其上面长出）二次晶枝发展到一定程度后，在其上面长出三三次晶枝次晶枝所有枝晶严密和缝对接起来（液态金属所有枝晶严密和缝对接起来（液态金属完全消失）完全消失）形成一个个形成一个个多边形晶粒多边形晶粒树枝晶生长示意图树枝晶生长示意图4）二次晶枝发展到一定程度后，在其上面长出三 树枝晶19由树枝状长成晶粒由树枝状长成晶粒由树枝状长成晶粒20Al77Sr23(wt.%)Al90Sr10(wt.%)Al 77Sr23(wt.%)Al 90Sr10(wt.%)21结晶初期生成的微小晶粒与结晶初期生成的微小晶粒与液相间的平衡温度液相间的平衡温度低于低于大晶大晶体与液

15、相间的平衡温度体与液相间的平衡温度小小晶体的熔点晶体的熔点 GG的增长率的增长率的增长率的增长率形核率N长大速度GGN过冷度TN,G 增大速率不同；292 2、变质处理变质处理液液体体金金属属中中的的杂杂质质（结结构构与与金金属属的的相相似似），在在结结晶晶过程中起到了过程中起到了晶核晶核的作用，促使成核率大大的作用，促使成核率大大，细细化化了了晶晶粒粒。因因此此常常有有意意地地往往其其中中加加一一定定量量的的难难熔熔金属或合金金属或合金(Ti,B,Zr)，来，来细化晶粒细化晶粒的处理。的处理。3 3、振动处理振动处理液态金属中输入一定频率的振动波，形成的对流使成液态金属中输入一定频率的振动波

16、，形成的对流使成长中的数枝晶臂长中的数枝晶臂折断折断增大晶核数目增大晶核数目提高提高形核率形核率，细化晶粒，细化晶粒常用的方法：常用的方法：电磁搅拌电磁搅拌，机械振动等，机械振动等2、变质处理3、振动处理液态金属中输入一定频率的振动波，形成30MacroetchedtestsamplesofcommercialpurityAl(left:unrefined;right:refinedbyAl-5Ti-1Bmasteralloy)纯纯Al50 mmAl-5Ti-1BMacroetched test samples of co311magnet2crucible3transformer磁场搅拌装置

17、磁场搅拌装置123BNS1 magnet 123BNS32-Fe-Fe-Fe1394912体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方四、金属的同素异构性四、金属的同素异构性铁具有典型的同素异构转变铁具有典型的同素异构转变TmFe=1535同素异构转变同素异构转变:固态金属随固态金属随温度变化温度变化而发生而发生晶格改变晶格改变的的现象，称为同素异构转变。现象，称为同素异构转变。金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，是金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，是通过金属原子的通过金属原子的重新排列重新排列来完成的，故称其为再结晶来完成的，故称其为再结晶故称为故称为二次结晶二次结晶或

18、或重结晶重结晶！-Fe -Fe 33第三节第三节 合金的结晶与相合金的结晶与相图图学习内容：学习内容：学习内容：学习内容：合金合金的应用比纯金属广泛得多的应用比纯金属广泛得多的应用比纯金属广泛得多的应用比纯金属广泛得多 因为合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯因为合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯因为合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯因为合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多；某些合金还具有特殊的电、磁、耐金属高许多；某些合金还具有特殊的电、磁、耐金属高许多；某些合金还具有特殊的电、磁、耐金属高许多；某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能。热、耐蚀等物理、化

19、学性能。热、耐蚀等物理、化学性能。热、耐蚀等物理、化学性能。一一一一概念概念概念概念二二二二合金相结构合金相结构合金相结构合金相结构三三三三二元合金相图二元合金相图二元合金相图二元合金相图第三节 合金的结晶与相图学习内容：合金的应用比纯金属广泛得34一一 概概 念念11合金合金合金合金：两种或两种以上两种或两种以上两种或两种以上两种或两种以上的的的的金属金属金属金属，或，或，或，或金属与非金属金属与非金属金属与非金属金属与非金属，经，经，经，经熔炼或烧结、或采用其它方法组合而成的具有熔炼或烧结、或采用其它方法组合而成的具有熔炼或烧结、或采用其它方法组合而成的具有熔炼或烧结、或采用其它方法组合而

20、成的具有金属特性的物质金属特性的物质金属特性的物质金属特性的物质。22组元组元组元组元：组成合金：组成合金：组成合金：组成合金最基本的、独立的最基本的、独立的最基本的、独立的最基本的、独立的物质，简称为物质，简称为物质，简称为物质，简称为元元元元。一般指组成合金的一般指组成合金的一般指组成合金的一般指组成合金的元素元素元素元素，或，或，或，或稳定的化合物稳定的化合物稳定的化合物稳定的化合物。例如：例如：例如：例如：黄铜黄铜黄铜黄铜的组元是的组元是的组元是的组元是铜和锌铜和锌铜和锌铜和锌；碳钢碳钢碳钢碳钢的组元是的组元是的组元是的组元是铁和碳铁和碳铁和碳铁和碳，或是或是或是或是铁铁铁铁和和和和金

21、属化合物金属化合物金属化合物金属化合物FeFe3 3CC一 概 念1 合金：两种或两种以上的金属，或金属与非35黄铜黄铜:Cu与与Zn的合金的合金。Zn的含量越高，其强度也较高，的含量越高，其强度也较高，塑性稍低。工业中采用的黄铜含塑性稍低。工业中采用的黄铜含Zn量不超过量不超过45%，含，含Zn量再高将会产生脆性，使合金性能变坏。量再高将会产生脆性，使合金性能变坏。青铜青铜:Cu和和Sn的的合金合金。为了改善合金的工艺性能和机。为了改善合金的工艺性能和机械性能，大部分青铜内还加入其它合金元素，如铅、锌、械性能，大部分青铜内还加入其它合金元素，如铅、锌、磷等。由于锡是一种稀缺元素，所以工业上还

22、使用许多磷等。由于锡是一种稀缺元素，所以工业上还使用许多不含锡的无锡青铜，它们不仅价格便宜，还具有所需要不含锡的无锡青铜，它们不仅价格便宜，还具有所需要的特种性能。的特种性能。白铜白铜:Cu和和Ni的合金。的合金。紫铜紫铜:纯铜纯铜，表面形成氧化铜膜后呈紫色，表面形成氧化铜膜后呈紫色黄铜:Cu与Zn的合金。Zn的含量越高，其强度也较高，塑性稍3633合金系合金系合金系合金系：由给定的组元可以以：由给定的组元可以以：由给定的组元可以以：由给定的组元可以以不同的比例配制不同的比例配制不同的比例配制不同的比例配制成不成不成不成不同的合金，这一系列合金就构成一个合金同的合金，这一系列合金就构成一个合金同的合金，这一系列合金就构成一个合金同的合金，这一系列合金就构成一个合金系统，简称合金系系统，简称合金系系统，简称合金系系统，简称合金系例如：例如：例如：例如：AlAl5050NiNi5050,Al,Al9090NiNi1010 at.%at.%/wt.%wt.%二元合金二元合金二元合金二元合金：由：由：由：由两个组元两个组元两个组元两个组元组组组组成的合金。例如：铁碳合金、成的合金。例如：铁碳合金、成的合金。例如：铁碳合金、成的合金。例如：铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金铜镍合金、铝铜合金铜镍合金、铝铜合金铜镍合金、铝铜合金3 合金系：由给定的组元可以以不同的比例配制成不例如：Al37