第3章 材料的凝固与结晶(r)

铁素体的晶体结构
一)固溶体的主要类型及形成条件
1.置换固溶体 置换固溶体 ( substitution solid solution ) * 形成特征: 形成特征:
R溶剂
≈
R溶质
例如: 例如: Au - Cu
置换固溶体结构示意图
置换固溶体的分类
无限固溶体 有限固溶体 无序固溶体 有序固溶体
有序固溶体结构示意图
是元素，也可以是化合物。 是元素，也可以是化合物。
组成合金的基本物质， 组成合金的基本物质，可以
相 ( phase )
合金中化学成分、晶体结构相同， 合金中化学成分、晶体结构相同，且以界 成部分。 面相互分开的组 成部分。
显微组织 ( microscopic structure )
二 合金在固态下的相结构及性能
(五）.细化晶粒的途径
提高冷却速度
V冷
△T
N
晶粒细小
变质处理 机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。 机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
晶粒度即晶粒大小，一般情况下，晶粒愈小，则金属的强度、塑性、 韧性愈好，因此工程上细化晶粒是提高金属机械性能的最重要的途 径之一
凝固体的结构
晶粒细小，取向随机， 表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，尺 寸等轴，因为浇铸时锭模温度低， 寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的 过冷度加上模壁和涂料帮助形核， 过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大的 形核率使与锭模接触的表层得到等轴细 晶区。 晶区。 随模具温度的升高， 柱状晶区 随模具温度的升高，只能随 锭模的散热而降低温度，形核困难， 锭模的散热而降低温度，形核困难，只 有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长 有表层晶粒向内生长， 速度不一样， 速度不一样，那些较生长有利的部分晶 粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒， 粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒， 形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒 区。 凝固的进行后期， 中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周 散热和液体的对流， 散热和液体的对流，中心的温度达到均 降到凝固店以下后， 匀，降到凝固店以下后，表层晶粒的沉 生长中碎断晶枝的冲入可作为核心， 降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心， 且可向四周均匀生长，形成等轴晶。 且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶 核数量的有限， 核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗 大
1)过冷度的影响 过冷度的影响
在一般工业条件下，急冷， △T增大，N、G值增大，晶粒 (crystal grain)越细，性能越好；缓冷，N、G值 减小，晶粒越 粗，性能越差。
1)过冷度的影响 过冷度的影响
2)未熔杂质的影响 未熔杂质的影响 *自发形核 △T = 200℃ ℃
*非自发形核 △T = 20℃
*自发形核 △T = 200℃(纯净液体、均匀形核 ℃ 纯净液体、均匀形核) *非自发形核 △T = 20℃（依附未熔质点形核） ℃ 依附未熔质点形核）
液态金属中总是存在不稳定的规则排列的微小原子 集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。 集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。 过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核， 过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核，不再融 化，结晶开始。 结晶开始。 过冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。 过冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。
固态结构 态结构
原子间的平均距离比液体中略小； 密排六方晶体的原子配位数比液体大 原子排列为长程有序，短程有序 并且长程有序原子集团基本固定不变
结晶的过程 液体中形成核心 核心长大
(二）.结晶的过冷现象 二 结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线 纯金属结晶时的冷却曲线
温 度
冷却曲线 结晶 ( 结晶 冷却曲线 )
2.晶核的长大方式 树枝状 晶核的长大方式—树枝状 晶核的长大方式
2.晶核的长大方式 树枝状 晶核的长大方式—树枝状 晶核的长大方式
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶 冰 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
3.影响晶核的形核率和 影响晶核的形核率和 晶体长大率的因素 过冷度的影响 过冷度的影响 未熔杂质的影响 未熔杂质的影响
晶格畸变 ( distortion of lattice )
溶质原子对晶格畸变影响示意图
预习： 预习：第二节 合金的相结构
二、合金在固态下的相结构及性能
固溶体 (solid solution )合金中各组元在固态互相溶解
形成的晶格与某组元相同的新相。该组元称溶剂，其它称溶质。 形成的晶格与某组元相同的新相。该组元称溶剂，其它称溶质。
To Tn
时
2. 过冷现象与过冷度
过冷现象 ( supercooling ) 过冷度 ( degree of supercooling )
∆T = T0 – Tn 过冷是结晶的必要条件。 过冷是结晶的必要条件。
(三）. 结晶的能量条件及结构条件 三
1.金属结晶的能量条件: 金属结晶的能量条件: 金属结晶的能量条件 G=U–ST G– 物体的自由能 U – 物体的内能 S – 熵 T – 温度 K
4、晶粒大小的概念
晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大 晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小， 小和形状并不全相同，这就是统计的含义， 小和形状并不全相同，这就是统计的含义，有多种来 计量，例如单位体积内的晶粒个数。 计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生产中用晶粒 测定方法是在放大100 100倍下观察和标准的进行对比 度，测定方法是在放大100倍下观察和标准的进行对比 评级， 8 有更高的) 级别高的晶粒细。 评级，1—8级(有更高的)，级别高的晶粒细。级别的 定义为在放大100下，每平方英寸内1个晶粒时为一级， 定义为在放大100下 每平方英寸内1个晶粒时为一级， 100 倍提高一级。 数量增加 倍提高一级。用于计算的定量描述还用平 均截线长来表示。 均截线长来表示。
工程材料学
第三章 材料的凝固与相图
纯金属的结晶 合金的相结构 合金的结晶与相图
第一节 纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )
凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律 同素异晶( 同素异晶(构)转变
一、 凝固与结晶的概念
1.凝固 ( coagulation ) 凝固
物质由液态转变成固态的过程。 物质由液态转变成固态的过程。
δ - Fe γ - Fe
912℃ ℃
α - Fe
第二节 合金的相结构
( Phase Structure of Alloy )
基本概念 合金在固态下的相结构及性能
一 基本概念
一种金属元素与若干种其它 alloy )
组元 ( 元 ) ( element )
机械混合物 ( mechanical impurity )
(一）.固溶体 ( solid solution )
固溶体的结构特点 溶剂A 溶质B 溶剂 + 溶质 = C bcc fcc bcc 例如: 例如 α – Fe + C = F ( 铁素体 ) 体心 六方 体心
●
浓度： 中的量。 浓度： 溶质原子溶入固溶体 中的量。 溶解度：一定温度下的最大浓度，也称固溶度。 ● 溶解度：一定温度下的最大浓度，也称固溶度。
类型：置换固溶体， 类型：置换固溶体，间隙固溶体 性能：固溶强化 性能： 晶格畸变
金属化合物 ( metallic compound )
合金中各组元在固态互相溶解形成的一种晶格类型和性能完全 不同于原来任一组元相同的新固相称为金属化合物。 不同于原来任一组元相同的新固相称为金属化合物。
机械混合物 ( mechanical impurity )
3 凝固状态的影响因素
物质的本质： 1. 物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自 由能更低。 由能更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量 低，而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总 能量。这是热力学的基本原则。 能量。这是热力学的基本原则。 熔融液体的粘度： 2. 熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的 阻力，随温度降低，粘度不断增加， 阻力，随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转 变温度前， 变温度前，粘度增加到能阻止在重力作用物质发生 流动时，即可以保持固定的形状， 流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝 不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。 固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。 熔融液体的冷却速度：冷却速度快， 3. 熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度 原子来不及重新排列就降到更低温度， 原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温 时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。 时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。 金属材料需要达到10 ℃/s才能获得非晶态 才能获得非晶态。 金属材料需要达到106℃/s才能获得非晶态。
凝结－蒸发 凝固－熔化 凝华－升华
2.结晶 ( crystal ) 结晶 晶体物质由液态转变成固态的过程。 *晶体物质由液态转变成固态的过程。 *物质中的原子由近程有序排列向远 物质中的原子由近程有序排列向 近程有序排列
的过程。 程有序排列的过程 程有序排列的过程。 意义：材料中使用较广泛的有金属材料， 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， 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， 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。 固态的过程有关，从而也影响材料的性能。
三 金属的同素异晶转变
纯铁的同素异晶 纯铁的同素异晶( allomorph )转变 同素异晶 转变 反应式: 反应式
δ - Fe
bcc
1394 °C
γ - Fe
fcc
912 °C
α - Fe
bcc
纯铁的冷却曲线
温 度 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 1534℃ ℃ 1394℃ ℃