1、課 題：第2章 2.1純金屬的結晶、2.2  二元合金的結晶（I） 目的要求：1了解純金屬結晶的條件、理解其結晶過程，掌握細化鑄態金屬晶粒的措施；2掌握二元合金的結晶。教學重點：純金屬結晶的過程、細化鑄態金屬晶粒的措施、二元合金的結晶、相圖。教學難點：勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖。教學課時：2教學方法：多媒體，板書教學內容與步驟：本章介紹金屬材料組織和性能的影響因素及其控制方法。重點闡明鐵碳相圖、鐵碳合金平衡結晶過程、鐵碳合金的成分-組織-性能關系。重點闡明鋼的熱處理原理和熱處理工藝。簡要闡述純金屬的結晶、金屬的塑性加工、鋼的合金化。本章是工程材料課程的重點章。著重掌握：鐵碳相圖，鐵

2、碳合金的平衡結晶過程，鐵碳合金的成分-組織-性能關系。過冷奧氏體的轉變，鋼的淬透性、淬硬性。常用熱處理等熱處理工藝。合金元素對鋼的熱處理、鋼的機械性能的影響。熟悉純金屬、合金的結晶，金屬的塑性加工、再結晶對金屬組織和性能的影響規律。2.1  純金屬的結晶 2.1.1 純金屬的結晶 金屬材料要經過液態和固態的加工過程。鋼材經過冶煉、注錠、鍛造、軋制、機加工和熱處理等工藝過程。金屬澆注、冷卻后，液態金屬轉變為固態金屬，獲得一定形狀的鑄錠或鑄件。液態金屬中金屬原子作不規則運動。在小范圍內，原子會出現規則排列，稱短程有序。短程有序的原子集團是不穩定的，瞬時出現瞬時消失。通常的固態金屬屬于晶體

3、材料，金屬原子規則排列，叫長程有序。金屬從液態到固體晶態的轉變稱為一次結晶。簡稱金屬結晶。一、純金屬結晶的條件純銅的冷卻曲線中T0為純銅的熔點(理論結晶溫度), Tn為開始結晶溫度。自發轉變的能量條件：自然界的一切自發轉變過程，總是由一種較高能量狀態趨向于能量最低的穩定狀態。 在一定溫度條件下，只有引起體系自由能（即能夠對外作功的那部分能量）降低的過程才能自發進行。液態金屬結晶條件：液態金屬要結晶，溫度必須低于理論結晶溫度T0，要有一定的過冷度T ，使金屬在液態和固態之間存在自由能差F 。液態金屬結晶的動力：F 二、純金屬的結晶過程 包括兩個基本過程：形核、長大 1. 形核 液態金屬內部生成一

4、些極小的晶體作為結晶的核心。生成的核心叫做晶核。 實際金屬結晶時，以非自發形核為主。晶核形成、晶體長大時晶體表面能的增加是金屬結晶的阻力。2. 晶體的長大 晶體的長大有兩種方式:(1)平面長大 冷卻速度較慢時，晶體表面向前平行推移長大。不同晶面的垂直方向上的長大速度不同。沿密排面的垂直方向上的長大速度最慢。 (2)樹枝狀長大 冷卻速度較快時，晶體的棱角和棱邊的散熱快，長大較快，成為晶枝。優先形成的晶枝稱一次晶軸，在一次晶軸增長時，在側面生出新的晶枝，即二次晶軸。其后又生成三次晶軸、四次晶軸。實際金屬結晶時，晶體多以樹枝狀長大方式長大。 2.1.2 同素異構轉變 金屬在固態下隨溫度的改變，由一種

5、晶格轉變為另一種晶格的現象，稱為同素異構轉變。 金屬從一種固體晶態轉變為另一種固體晶態的過程稱為二次結晶或重結晶。2.1.3 細化鑄態金屬晶粒的措施金屬結晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個晶粒是由一個晶核長成的晶體。實際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆粒狀。晶粒大小可用晶粒度來表示，晶粒度號越大晶粒越細。 一般情況下, 晶粒越小, 金屬的強度、塑性和韌性越好。使晶粒細化, 提高金屬機械性能的方法稱為細晶強化。細化鑄態金屬晶粒措施1. 增大金屬的過冷度成核速率N ：單位時間單位體積形成的晶核數,個/m3·s；長大速度G ：單位時間晶體長大的長度, m/s；實際工程中，過冷度常處于

6、曲線的左邊部分。 隨著過冷度的增大，成核速率和長大速度都增大，成核速率增大更快，比值N/G也增大, 晶粒細化。增大過冷度的主要方法：提高液態金屬的冷卻速度、采用冷卻能力較強的模子。采用金屬型鑄模, 比采用砂型鑄模獲得的鑄件晶粒要細小。超高速急冷技術可獲得超細化晶粒的金屬、亞穩態結構的金屬和非晶態結構的金屬。 非晶態金屬具有特別高的強度和韌性、優異的軟磁性能、高的電阻率、良好的抗蝕性等。2. 變質處理 在液體金屬中加入孕育劑或變質劑，以細化晶粒和改善組織的方法叫變質處理。 變質劑的作用：增加晶核數量，阻礙晶核長大。 如： 鋁合金液體中加入鈦、鋯， 鋼水中加入鈦、釩、鋁， 鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣、硅

7、鈣鋇合金， 都可使晶粒細化。3. 振動  在結晶過程中采用機械振動、超聲波振動方法，破碎正在生長中的樹枝狀晶體，形成更多的結晶核心，獲得細小的晶粒。4. 電磁攪拌 將正在結晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感應現象，液態金屬翻滾，沖斷正在結晶的樹枝狀晶體的晶枝，增加結晶核心，細化晶粒。 2.1.4 鑄錠的結構 一、鑄錠結構 鑄錠分為三個各具特征的晶區。1. 細等軸晶區   錠模溫度低，導熱快，外層液體金屬過冷度大，生成晶核多。模壁能起非自發晶核的作用。鑄錠表層形成一層晶粒細小的細晶區。 2. 柱狀晶區   細晶形成，錠模溫度升高，冷卻速度降

8、低，液體金屬過冷度減小，生核速率降低。散熱具有方向性，晶粒朝與散熱方向的反方向平行長大，形成柱狀晶區。 3. 粗等軸晶區   中心冷卻速度慢，過冷度小。散熱失去方向性。柱狀晶上被沖下的二次晶枝的碎塊成為晶核，各個方向均勻長大，形成粗大等軸晶區。二、鑄錠晶粒形狀的影響因素柱狀晶 柱狀晶性能： 柱狀晶性能具有明顯的方向性。 沿柱狀晶晶軸方向的強度較高。 主要受單向載荷的機器零件，如汽輪機葉片等，柱狀晶結構是非常理想的。等軸晶 2.1.5 單晶的制取單晶是電子元件和激光元件的重要原料。噴氣發動機葉片開始應用金屬單晶。根據結晶理論，制備單晶的基本要求是液體結晶時只有一個晶核，要嚴格

9、防止另外形核。本節小結 金屬結晶條件：要有一定的過冷度，金屬結晶推動力：固態金屬和液態金屬之間的自由能差。金屬結晶過程：形核、長大。細化鑄態金屬晶粒措施：增大過冷度、變質處理、振動、電磁攪拌 。2.2  合金的結晶 合金結晶過程復雜, 用合金相圖來分析。相圖 ：表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關系的一種簡明示圖，也稱為平衡圖或狀態圖。平衡：在一定條件下合金系中參與相變的各相的成分和質量分數不再變化。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結晶過程，可以認為是平衡的結晶過程。 在常壓下，二元合金的相狀態決定于溫度和成分。二元合金相圖用溫度成分坐標系的平面圖來表示。圖中的每一點

10、表示一定成分的合金在一定溫度時的穩定相狀態。2.2.1  二元合金的結晶 一、發生勻晶反應的合金的結晶 1. 結晶過程 勻晶反應： L固溶體 Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag合金具有勻晶相圖。aa1c 線為液相線, 該線以上合金處于液相; ac1c 線為固相線, 該線以下合金處于固相。 單相區 L相：液相, Cu和Ni形成的液溶體;  相：Cu和Ni組成的無限固溶體。 雙相區: L + 相區。 2. 勻晶結晶特點 (1) 形核與長大   與純金屬一樣, 固溶體結晶也包括形核、長大兩個過程。固溶體更趨向樹枝狀長大。

11、 (2) 變溫結晶  固溶體結晶在一個溫度區間內進行, 變溫結晶。(3) 兩相的成分確定  在兩相區內, 溫度一定時, 兩相的成分(即L相中Ni的質量分數和相中Ni的質量分數)確定。過溫度T1作水平線, 交液相線和固相線于a1、c1。 a1、c1點在成分軸上的投影點即為L相和相中Ni的質量分數。隨著溫度的下降, 液相成分沿液相線變化, 固相成分沿固相線變化。(4) 兩相的質量比一定  在兩相區，溫度一定時, 兩相的質量符合杠桿定律。 在T1溫度時：杠桿的兩個端點為給定溫度時兩相的成分點,支點為合金的成分點。杠桿定律只適用于相圖中的兩相區；杠桿定律只能在平衡狀態下使

12、用。(5) 容易產生枝晶偏析    枝晶偏析：在一個晶粒內化學成分分布不均勻。擴散退火：把合金加熱到低于固相線100 左右, 長時間保溫, 原子充分擴散, 獲得成分均勻的固溶體。二、發生共晶反應的合金的結晶 Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu合金具有共晶相圖。Pb-Sn合金相圖中有三個單相區: L：Pb與Sn形成的液溶體：Sn溶于Pb中的有限固溶體：Pb溶于Sn中的有限固溶體三個雙相區：L+、L+、+     一條L+三相共存線(水平線cde )。 這種相圖稱共晶相圖。發生共晶反應時三相共存, 三相各自成分確定, 恒溫進行。 d點為共晶點, 表示d點成分(共晶成分)的液相合金冷卻到d點溫度(共晶溫度)時, 共同結晶出c點成分的相和e 點成分的 相。 Ld(c+e)共晶反應：一種液相在恒溫下同時結晶出兩種固相的反應，生成的兩相混合物叫共晶體。1. 合金I的平衡結晶過程2. 合金II(共晶合金)的結晶過程3. 合金(亞共晶合金)的結晶過程 過共晶合金(合