第四章 金属与合金的结晶

则单位体积内晶粒数Z ↑，晶粒越细小
南阳理工学院
工程材料
二、结晶的过程
4. 获得细晶粒的主要措施
提高冷却速度：
采用导热系数大的材料作铸型材料：
如：金属型铸造晶粒细小， 砂型铸造晶粒粗大
降低铸型温度: 降低铸型温度:
在金属铸型中通循环水冷却 减小铸型材料厚度
南阳理工学院
工程材料
二、结晶的过程
提高冷却速度：
结论： 结论：晶粒↓，强度↑硬度↑塑性↑韧性↑
热处理时变形、开裂倾向↓
南阳理工学院
工程材料
二、结晶的过程
影响金属结晶后晶粒大小的因素 Z=K（N/G）3/4
Z—单位体积内晶粒数目 K —系数，当晶粒为球状时，取0.9 N —结晶时形核率 G —晶粒长大的线速度
结论： 结论：形核率N ↑，晶粒长大的线速度G ↓
南阳理工学院
工程材料
三、二元合金相图
画出温度画出温度-成份坐标系，在相应成份垂 直线上标出临界点温度； 直线上标出临界点温度
将物理意义相 同的临界点连 接成线，即得 到Cn-Ni二元 Cn-Ni二元 合金相图； 合金相图
南阳理工学院
工程材料
三、二元合金相图
2.匀晶相图 2.匀晶相图
在二元合金系中，两组元在 液态下能相互溶解，在固态下形 成无限固溶体的合金状态图叫匀 晶相图。
南阳理工学院
工程材料
二、结晶的过程
枝晶长大示意图
南阳理工学院
工程材料
二、结晶的过程
3.影响金属结晶后晶粒大小的因素
晶粒大小对性能的影响
晶粒大小对纯铁力学性能的影响 晶粒平均直径 Rm（MPa） Rel（MPa） 70 25 2.0 1.6 184 216 268 270 34 45 58 66 A（%） 30.6 39.5 48.8 50.7 细晶强化
南阳理工学院
工程材料
第一节 纯金属的结晶
一、结晶的基本概念 二、结晶的过程 三、铸锭组织 四、同素异构转变 四、同素异构转变
南阳理工学院
工程材料
一、结晶的基本概念
凝固：
概念：
自然界中各类物质由液态转变成固态的过程。
1.凝固与结晶的概念
分类：
第一类凝固反应：凝固后固体是晶体，例如水， 这种凝固过程叫结晶 第二类凝固反应：凝固后固体是非晶体，例如玻璃
南阳理工学院
工程材料
一、合金的基本概念
2.组元
组元就是组成合金最基本的、能够独立存在的物质 组元就是组成合金最基本的、能够独立存在的物质。 例如：铜、锌是黄铜的组元； 铁与碳是铁碳合金的组元。 组元可是化学元素，也可是稳定的化合物（Fe 组元可是化学元素，也可是稳定的化合物（Fe3C）。 根据组元数的多少，可分为二元合金、三元合金等。
南阳理工学院
工程材料
二、合金的相结构
特征： 特征 保持溶剂的晶格类型。
分类：
根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置不同
间隙固溶体：溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶 间隙固溶体：溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶 质原子处于溶剂晶格的间隙位置中。 质原子处于溶剂晶格的间隙位置中。 置换固溶体：溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，溶 置换固溶体：溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，溶 质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子 质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子
2.纯铁的同素异构转变
纯铁液体 δ-Fe
体心 致密度 68%
γ-Fe
面心 74%
α-Fe
体心 68%
δ-Fe →γ-Fe →α-Fe
收缩 膨胀10%
南阳理工学院
工程材料
四、同素异构转变
注意： 注意：金属的同素异构转变使原子重新排列，也属 结晶过程，为与液-固结晶区别，称为二次结 晶或重结晶 纯铁应用：作为功能材料使用，如变压器的铁芯等
缺点: 缺点:
大铸件或厚薄差别大的铸件：冷速过快→ 大铸件或厚薄差别大的铸件：冷速过快→ 变形、开裂
适用场合: 适用场合:
小铸件，简单件 小铸件，
南阳理工学院
工程材料
二、结晶的过程
进行变质处理：
在浇注前向金属液中加入变质剂，以增加非自发 形核核心或者附着在晶体边缘强烈的阻碍晶粒长大， 达到细化晶粒的目的，就叫变质处理。 例如：往Al-Si合金液中加入钠盐变质剂，钠盐附着在 例如：往Al-Si合金液中加入钠盐变质剂，钠盐附着在 硅的表面阻碍粗大片状硅的形成。
工程材料
二、结晶的过程
晶核形成：从无到有
结晶过程
晶核长大：从小到大
1.晶核形成
自发晶核：液态金属内部尺寸较小、不稳定、短程
有序的原子团通过释放的结晶潜热排列 成长程有序。
非自发晶核：以液态金属内部杂质或容器壁为晶核，
起优先和主导的作用。
南阳理工学院
工程材料
二、结晶的过程
2.晶核长大过程
晶核形成后，周围的原子 不断在晶核上沉积，使晶 核不断长大。 晶核长大的同时，液体中 又有许多新的晶核产生。 这样，晶核的形成和长大 两个过程不断进行，直到 它们与相邻的晶体相互抵 触为止，全部液体金属转 变为固体，结晶过程终止
在实际生产中的应用： ：
强化材料的方法之一
南阳理工学院
工程材料
二、合金的相结构
定义： 定义
金属化合物是合金元素原子间按一定整数比形 成的具有金属性质的一种新相。 它具有不同于任一组元的晶格类型, 它具有不同于任一组元的晶格类型,其组成一 般可用分子式来表示。 例如：Fe与 形成的金属间化合物叫渗碳体Fe 例如：Fe与C形成的金属间化合物叫渗碳体Fe3C
钢材的热轧和锻造时的加热。 原理：将常温下塑性较差的 体心立方晶格转变为 高温时塑性较好的面心 立方晶格。
南阳理工学院
工程材料
第二节 合金的结晶
一、合金的基本概念 二、合金的相结构 三、二元合金相图
南阳理工学院
工程材料
一、合金的基本概念
1.合金 1.合金
合金是由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属 元素）组成的具有金属特征的材料。 例如：黄铜（H62）：铜（Cu）与锌（Zn）组成的合金。 例如：黄铜（H62）：铜（Cu）与锌（Zn）组成的合金。 铁碳合金：Fe和 铁碳合金：Fe和C组成的合金。 纯铜（紫铜）只有Cu一种元素组成，为纯金属。 纯铜（紫铜）只有Cu一种元素组成，为纯金属。
工程材料
三、二元合金相图
以Cu-Ni二元合金相图为例，采用热分析法，讲解相图 Cu-Ni二元合金相图为例，采用热分析法，讲解相图 的建立过程。
配制一系列成分不同的Cu配制一系列成分不同的CuNi合金 Ni合金； 用热分析法测定出所配制合 金的冷却曲线； 找出各冷却曲线上开始结晶 和完成结晶的临界点； 和完成结晶的临界点
南阳理工学院
工程材料
二、合金的相结构
固溶体的性能 ：
溶质原子的溶入→引起溶剂晶格歪扭和畸变→ 溶质原子的溶入→引起溶剂晶格歪扭和畸变→强 度↑、硬度↑上升，塑性↓、韧性↓、导电性↓ 、硬度↑上升，塑性↓、韧性↓、导电性↓ 通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料 强度增加的现象称为固溶强化。 强度增加的现象称为固溶强化。 固溶体的力学性能均比纯金属高
南阳理工学院
工程材料
一、结晶的基本概念
2.结晶需具备的基本条件：
结晶温度：
晶体由液态转变成固 态时的温度叫结晶温度。 纯金属的结晶温度为一恒定值。 纯金属的结晶温度为一恒定值。
过冷度：
实际结晶温度与平衡结 晶温度的差值叫过冷度。
纯金属的冷却曲线
∆T = T0 - T1 冷速↑→∆ 冷速↑→∆T↑
南阳理工学院
南阳理工学院
工程材料
一、结晶的基本概念
结晶：
原子从无规则的液态转变成有序排列的固 态的过程叫结晶
注意：
结晶是对晶体的液 固转变而言； 结晶是对晶体的液-固转变而言； 晶体的液凝固对所有物质的液凝固对所有物质的液-固转变 不同物质发生的凝固转变是随条件变化的： 金属当冷却速度极大时(纯金属：10 金属当冷却速度极大时(纯金属：108K/s, 金属：10 K/s），也可获得非晶态组织。 金属：106K/s），也可获得非晶态组织。
ZL101未变质处理 ZL101未变质处理 X100
ZL101变质处理 X100 ZL101变质处理
适用场合：常用于大铸件，实际效果较好，应用广泛 适用场合：常用于大铸件，实际效果较好，
振动处理
南阳理工学院
工程材料
三、铸锭组织
铸 锭 组 织 示 意 图
1．细等轴晶区 2．柱状晶区 3．粗等轴晶结构
定义： 定义
由两种或两种以上不同晶格的固相较为均匀 的混合在一起形成的多相组织称为机械混合物。 它可是两种不同晶格的固 溶体组成，也可是两种不同晶 格的固溶体和金属间化合物组 成。
3.机械混合物 3.机械混合物
性能： 性能
介于两组成相之间，决定于组成相的数量
南阳理工学院
南阳理工学院
工程材料
四、同素异构转变
固态转变过冷度较大 固态转变容易产生较大的内应力
γ-Fe→α-Fe
体积膨胀10%
3.固态金属同素异构转变的特点
β-Sn →
正方晶格 比重：7.3g/cm3
α-Sn
金刚石晶格 5.58g/cm3
旧相晶粒大小影响新相晶粒
南阳理工学院
工程材料
四、同素异构转变
4.金属同素异构转变在生产中的应用
工程材料
三、二元合金相图
1.二元相图的建立 1.二元相图的建立
相图是表示在平衡状态下，合金系的各相与温度、 成分之间关系的图形，又称状态图或平衡图。以组成材 料的成分为横坐标，以温度为纵坐标。 相图是通过试验方法得到的，有热分析法、磁性分析 法及显微分析法等，其中最常用的试验方法是热分析法。