第三章材料的凝固与相图
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物理冶金原理 3-二元合金相图与凝固
L
L+a TE a
A a+b
E L+b Bb
完全离异形核、离异生长的共晶组织
－球墨铸铁组织：Ductile Cast Iron
Binary Peritectic Phase Diagrams and Solidification of
Binary Peritectic Alloys
二元包晶合金相图及二元 包晶合金的凝固
NiTi2
二元系中的三相平衡
F = 2 –3 + 1 = 0
共晶转变 L a + b 共析转变 a b + g 包晶转变 L + a b 包析转变 a + b g
共晶转变 L a + b 共析转变 a b + g 包晶转变 L + a b
包析转变 a + b g
L36 + (Cr5Si3)27 Cr(3SCi rSi)35
1)、液固界面处两相局域平衡：
Local equilibrium at S/L interface Cs/CL=k
2)、液相线及固相线均为直线：k=constant 3)、液-固界面保持平面：Planar S/L interface
固相无扩散、液相完全混合
No Diffusion in Solid and Complete Mixing in Liquid
Segregation-Induced Interdendritic Eutectics
Primary Dendrite
Solidification Segregation
凝固偏析的分类：
晶内偏析（枝晶偏析） 晶界偏析 宏观偏析 微观偏析
减轻或消除凝固偏析的方法：
材料的凝固与相图
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，固
相成分沿固相
线变化。
成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3 时,最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又变回到合金成分3上来。
枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。
2、二元共晶相图
当两组元在液态
下完全互溶，在
固态下有限互溶,
并发生共晶反应
时所构成的相图 称作共晶相图。
以 Pb-Sn 相图为 例进行分析。
Pb
成分（wt%Sn）
Sn
Pb-Sn合金相图
⑴ 相图分析 ① 相：相图中有L、、 三种相, 是溶质Sn 在 Pb中的固溶体， 是溶质Pb在Sn中的固溶体。
② 相区：相图中有:
三个单相区： L 、
A B
、 ；
三个两相区：L+ 、 L+ 、 + ； 一个三相区：即水 平线CED。
③ 液固相线: 液相线AEB, 固相线ACEDB. A、B分
别为Pb、Sn的熔点。 ④ 固溶线: 溶解度
A B
点的连线称固溶线。
相图中的CF、DG 线分别为 Sn在 Pb 中和 Pb在 Sn中的 固溶线。
A
L+
C
D
B
凡具有共晶线
成分的合金液
体冷却到共晶
温度时都将发
生共晶反应。
⑵ 合金的结晶过程
晶 体
冰
第一节 纯金属的结晶
09-03结晶相图
G = U-T·S
GS = U - T·SS 液态 GL = U–T·SL
固态
温度在理论熔点以下
6
U…体系自由能
S…体系熵
2.结构条件 (1)在一定的过冷度下,固、液两相共存 时, 液体→固体,体积自由能下降; 液－固相界面增加, 表面自由能增 加,总的吉布斯自由能变化量为: (2)金属结晶的结构条件: 液态金属 结晶 固态金属
10
11
(4)枝晶：晶体按树枝方式生长的, 先凝固的称为主干, 随后是 分支, 再分支. 注: ① 纯净的材料结晶完毕见不到树枝晶, 但凝固过程中一般体积收缩, 树枝之间若得不到充分的液体 补充,树枝晶可保留下来; ②当材料中含有杂质,在结晶时固 体中的杂质比液体少,最后不同层次的分枝杂质含量不相同, 其组织中可见树枝晶. (5)长大线速度：凝固过程中, 晶体在不断长大, 界面在单位时 间向前推移的垂直距离(G＝dx/dt)称为长大线速度. (6)晶体缺陷：生长中晶体分支受液体流动、温差、重力等影 响,同方向的分支可能出现小的角度差,互相结合时会留下 位错; 树枝之间若得不到充分的液体补充, 出现缩孔、疏松 和空位; 此外还有气孔 、夹杂物 、成分偏析等宏观缺陷。
1级
2级
3级
Байду номын сангаас
4级 13
5级
6级
7级
8级
(2)影响晶粒大小的因素
晶粒的大小取 决于形核率N和晶核 的长大速率G. 单位体积中的晶 粒数Z与形核率N成 正比,与长大速率G 成反比,即:
一般过冷度下
很大过冷度下
Z=K(N/G)1/2
14
(3)铸件晶粒大小的控制
常温下的金属材料,晶粒愈小,其强度、塑性和韧性愈好 (表3-1)；高温下,金属材料的晶粒粗些(为什么？). 控制晶粒尺寸的方法有: a. 降低浇注温度和加快冷却速度: 如用金属模或加快散 热； b. 进行变质(孕育)处理加: 变质剂即人为加入帮助形核的 其它高熔点细粉末,如在铜中加少量铁粉或铝中加Al2O3粉 等,以非均匀方式形核并阻碍长大； c. 铸件凝固中用机械或超声波震动等也可细化晶粒尺寸； d. 若希望晶粒粗大,则对这些因素进行相反的操作。
金属的凝固与相图ppt课件
第三章 材料的凝固与相图
凝固与结晶的基本概念 纯金属的结晶 合金的结晶与相图 铸态组织与冶金缺陷
1
3.1 凝固与结晶的概念
1.凝固
物质由液态转变成固态的过程。
晶体？ 非晶体？
2.结晶
*由液态转变成晶体固态物质的过程。
工程上一般把金属由液态转变为固态的加工过程 称为铸造。
将液态金属浇铸到锭模或铸模中冷却为一定形状 的块体称为铸锭。也可以直接浇注成铸件。
14
结晶的热力学条件及结构条件
1.金属结晶的热力学条件: G=H–ST
G– 物体的自由能 H – 物体的焓值 S–熵 T – 温度 K
15
G/ T=-S
F
液相
ΔG
固相
ΔT
Tn To TL
T
16
2.金属结晶的结构条件
近程有序结构
远程有序结构
结晶
结构起伏
17
二.结晶过程
形核 长大
18
结晶的一般规律: 形核、长大。
28
29
细化铸态金属晶粒措施之一： 增大过冷度
过冷度ΔT增大,形核速 率N和长大速度G都会增大。
ΔT较小时，N的增长率 小于G；
ΔT较大时，N的增长率 大于G。
30
增大过冷度的主要办法： 1、降低浇注温度。 2、提高浇注后的冷却速度（如采用金属型铸模）。
高速急冷可获得超细晶或纳米晶粒。 超高速急冷可使液态金属难以结晶而得到非晶 态结构。非晶态金属具有很高的强度和韧性及优异 的电磁性能和高的抗腐蚀性能等。
液态金属结构
11
当温度下降至结晶温度以下时，原子团不再消失并迅 速长大形成规则排列的பைடு நூலகம்胚→晶核→晶粒→固态晶体 金属。规则排列的原子结构，称长程有序。。
凝固与结晶的基本概念 纯金属的结晶 合金的结晶与相图 铸态组织与冶金缺陷
1
3.1 凝固与结晶的概念
1.凝固
物质由液态转变成固态的过程。
晶体？ 非晶体？
2.结晶
*由液态转变成晶体固态物质的过程。
工程上一般把金属由液态转变为固态的加工过程 称为铸造。
将液态金属浇铸到锭模或铸模中冷却为一定形状 的块体称为铸锭。也可以直接浇注成铸件。
14
结晶的热力学条件及结构条件
1.金属结晶的热力学条件: G=H–ST
G– 物体的自由能 H – 物体的焓值 S–熵 T – 温度 K
15
G/ T=-S
F
液相
ΔG
固相
ΔT
Tn To TL
T
16
2.金属结晶的结构条件
近程有序结构
远程有序结构
结晶
结构起伏
17
二.结晶过程
形核 长大
18
结晶的一般规律: 形核、长大。
28
29
细化铸态金属晶粒措施之一： 增大过冷度
过冷度ΔT增大,形核速 率N和长大速度G都会增大。
ΔT较小时，N的增长率 小于G；
ΔT较大时，N的增长率 大于G。
30
增大过冷度的主要办法： 1、降低浇注温度。 2、提高浇注后的冷却速度（如采用金属型铸模）。
高速急冷可获得超细晶或纳米晶粒。 超高速急冷可使液态金属难以结晶而得到非晶 态结构。非晶态金属具有很高的强度和韧性及优异 的电磁性能和高的抗腐蚀性能等。
液态金属结构
11
当温度下降至结晶温度以下时，原子团不再消失并迅 速长大形成规则排列的பைடு நூலகம்胚→晶核→晶粒→固态晶体 金属。规则排列的原子结构，称长程有序。。
三、二元合金相图和合金的凝固
2018/3/29
金属学与热处理
14
二、固溶体的平衡结晶过程
2018/3/29
金属学与热处理
15
在1点温度以上, 合金为液相L。 缓慢冷却至1～2温度之间时, 合金发生匀晶反应: L→α , 从液相中逐 在1~2点之间任意温度都可以用杠杆定理确定液相L和固相α 的相对
渐结晶出α 固溶体。
含量和成分。
2018/3/29
金属学与热处理
5
2018/3/29
金属学与热处理
6
三、相律及杠杆定理
1.相律及其应用
f c p 2
f —自由度数 c—系统的组元数 p—平衡条件下系统的相数 当系统的压力为常数时
f c p 1
2018/3/29 金属学与热处理 7
自由度是指在保持合金系中相的数目不变的条件下，合 金系中可以独立改变的影响合金状态的内部和外部因素 的数目。 影响合金状态的因素有合金的成分、温度和压力，当压 力不变时，则合金的状态由成分和温度两个因素确定。 纯金属的自由度最多只有一个； 二元系合金的自由度最多为2个； 三元系合金的自由度最多为3个。
的成份是不同的，它应按固相 线变化。如果冷却速度较快，
固体中原子难以通过扩散满足
相图中的平衡成份，则就产生 了不平衡凝固过程。此时，通 常先结晶的固溶体内部含高熔 点组元，而后结晶的外部则富 含低熔点组元。 这种在晶粒内部出现的成份
下图是在金相显微镜下观察 到的Cu-Ni合金不平衡凝固的 铸态组织，Ni熔点高，先结晶 出的枝干富含Ni，耐浸蚀，呈 白亮色枝间后结晶含Cu多，易 受浸蚀，呈黑色。 扩散退火的方法可消除晶内 偏析。
成全部共晶组织的成分和 温度范围称为伪共晶区。
第03章 结晶相图
第二节 纯金属的结晶
八、铸件晶粒大小的控制
决定晶粒尺寸的要素： 从液体凝固后，每个晶核生长成一个晶 粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理论分析表明晶粒尺寸决 定于N/G，即形核率高晶粒细小，而长大速度快，晶粒尺寸增大。 控制原理与方法：生产过程通常希望材料得到细小的尺寸，为此 控制晶粒尺寸的方法有：第一，降低浇注温度和加快冷却速度， 如金属模、或加快散热，尽管形核率和长大速度都提高，但形核 率的提高快得多，所得到的晶粒将细化，可是快冷却速度会增加 零件的内应力有时甚至可能造成开裂，有时因生产环境和零件尺 寸达不到快速冷却。第二，加变质剂即人为加入帮助形核的其它 高熔点细粉末，如在铜中加少量铁粉或铝中加Al2O3粉等，以非 均匀方式形核并阻碍长大。第三，铸件凝固中用机械或超声波震 动等也可细化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高温的材料， 对这些因素进行相反的操作。
组织：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、光学显微镜、电子 显微镜等）所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、 形状、大小、数量、分布等。 组织组成物：组织中形貌相同的组成部分。
第三节
材料的相结构
二、固溶体
1. 固溶体：
当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样 互相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元 素原子的新相，称为固溶体。与固溶体的晶格相同的组成元 素称为溶剂，在固溶体中一般都占有较大的含量；其它的组 成元素称为溶质，其含量与溶剂相比为较少。固溶体即一些 元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶体结构，形成的均 匀相。
凝结－蒸发 凝固－熔化 凝华－升华
意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用 冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才 得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过 程有关，从而也影响材料的性能。
材料科学与工程基础教案3相图及应用
第一节 二元相图的建立
Mensuration of Binary Phase Diagrams
一、二元相图的表示方法 二元系中相的平衡状态与温度、成分的关系可以用平面图形来表 示，如图所示。
二、二元相图的测定方法
相图的建立一般采用热分析法，其基本思路是先配制一系列不同 成分的给定合金，绘制它们各自的冷却曲线，然后由冷却曲线上 的临界点绘制相图。
一、相图分析 二、典型合金的平衡结晶
含Ag量为42.4％的Pt-Ag合金 含Ag量为大于42.4％小于66.3％的Pt-Ag合金 含Ag量为大于10.5％小于42.4％的Pt-Ag合金
温1800
A(1772℃ )
Ⅲ
Ⅰ
度 ℃
1600
L+α
186℃ D 2 42.4
Ⅱ
L
C 66.3
L+β
1000
800
600 E
400 Pt
α+ β
20
40
60
图3－32 Pt-Ag合金相图
β
F 80
B(961.93℃) Ag
第五节 其它类型的二元合金相图
匀晶、共晶、包晶相图是最基本的三种 相图。除这三种相图外，还有几种其它 类型的相图。
一、组元间形成中间相的相图 两组元形成稳定化合物的相图
五、成分过冷 长大方式 长大方式取决于凝固过程中的温度分布。
TC
TC
L S
L S
x (a)
x (b)
铸锭凝固过程中的温度分布
结晶时合金液体中的浓度分布
由于结晶时随温度不同，液固两相的成分也不同，所以会在 液固界面上形成浓度差，造成理论结晶温度Tm变化。
T
Tm
3.--材料的凝固与铁碳相图资料
一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变
一、冷却曲线与过冷
1、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.
纯金属的冷却曲线
2、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
PQ—碳在-Fe中的固
溶线。
⒊ 相区
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
三、典型合金的平衡结晶过程
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴ 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。
亚共析钢的结晶过程
含0.20%C钢的组织
亚共析钢室温下的组织 为F+P。
在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
含0.45%C钢的组织
含0.60%C钢的组织
㈣ 过共析钢的结晶过程
合金在1~2点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏
体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示, 其沿晶 界呈网状分布.
含1.4%C钢的组织
工业纯铁的结晶过程
从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ 表示。 Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。
随温度下降，
Fe3CⅢ量不断 增加，合金的
一、冷却曲线与过冷
1、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.
纯金属的冷却曲线
2、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
PQ—碳在-Fe中的固
溶线。
⒊ 相区
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
三、典型合金的平衡结晶过程
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴ 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。
亚共析钢的结晶过程
含0.20%C钢的组织
亚共析钢室温下的组织 为F+P。
在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
含0.45%C钢的组织
含0.60%C钢的组织
㈣ 过共析钢的结晶过程
合金在1~2点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏
体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示, 其沿晶 界呈网状分布.
含1.4%C钢的组织
工业纯铁的结晶过程
从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ 表示。 Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。
随温度下降，
Fe3CⅢ量不断 增加，合金的
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第三章材料的凝固与相图
第一节概论
一、凝固与结晶
凝固：物质从液态经冷却转变为固态的过程。
结晶：凝固形成晶体物质的过程。
结晶都具有严格的平衡结晶温度。
第二节纯金属的结晶
金属从液态转变为固态的过程。
冷却曲线
过冷度：实际结晶温度与平衡结晶温度的差值。
潜热
三、结晶的过程晶核的生成；晶核的长大，晶核不断的生成；晶核不断的长大，直到耗尽液态合金。
自发形核一次轴晶
3、晶粒大小（晶粒度）
细化晶粒的方法增加过冷度，变质处理，附加振动
第三节合金的结晶
一、合金的相结构及性能
合金：由一种金属元素与一种或几种其它元素组成的，具有金属特性的物质。
组元：组成合金的最基本的、独立的物质
相：金属或合金中，化学成分、晶体结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀部分。
组织：在显微镜下所观察到的金相试样的形貌。
（晶粒大小、形态和分布情况
1、固溶体：当合金由液态结晶为固态时，组元间仍能互相溶解，
并能保持某一组元晶格的均匀固体。
（1）固溶体的分类
置换固溶体
（有限固溶体、无限固溶体）
间隙固溶体
（2）固溶体的性能
畸变固溶强化
2、金属化合物：合金的各组元发生化合作用，生成一种晶体结构不同于任一组元，并具有金属特性的新相。
（1）金属化合物的分类
（2）金属化合物性能
二、合金相图的建立1、相图的基本知识
（1）合金系
两个或两个以上的组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金。
（2）相图：
表示在平衡条件下给定合金系中合金的成分、温度与其相和组织状态之间关系的坐标图形。
2、二元合金相图的建立
三、二元合金相图与结晶分析
1、匀晶相图
在液态和固态能无限互溶，且只发生匀晶反应（从液相中直接结晶出固溶体的反应）的相图。
（1）图形特点
（2）合金平衡结晶过程
（3）杠杆定律（只用于两相区）
枝晶偏析
2、共晶相图
在液态无限互溶而在固态只能有限互溶，并发生共晶反应，所构成的相图。
（1）图形特点
点与线；相区；共晶反应
在恒温下同时结晶出两种成分与结构皆不同的固相的反应。
（2）合金的平衡结晶过程
组织组成物；相组成物
（三）其它类型相图
1、包晶相图
在液态无限互溶在固态有限互溶，并发生包晶反应，所构成的相图。
包晶反应是指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。
2、共析相图
共析反应是指在一定的温度下，由有某种成分均匀一致的固相中同时析出两种化学成分与晶格结构皆不同的新固相的反应。
3、形成稳定化合物的相图
稳定化合物：具有一定的熔点、并在其熔化前不发生分解的化合物。