第2章 21纯金属的结晶22 二元合金的结晶I.docx
- 文档编号:10146512
- 上传时间:2023-02-08
- 格式:DOCX
- 页数:9
- 大小:164KB
第2章 21纯金属的结晶22 二元合金的结晶I.docx
《第2章 21纯金属的结晶22 二元合金的结晶I.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第2章 21纯金属的结晶22 二元合金的结晶I.docx(9页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第2章21纯金属的结晶22二元合金的结晶I
课题:
第2章2.1纯金属的结晶、2.2 二元合金的结晶(I)
目的要求:
1了解纯金属结晶的条件、理解其结晶过程,掌握细化铸态金属晶粒的措施;2掌握二元合金的结晶。
教学重点:
纯金属结晶的过程、细化铸态金属晶粒的措施、二元合金的结晶、相图。
教学难点:
匀晶相图、共晶相图、包晶相图。
教学课时:
2
教学方法:
多媒体,板书
教学内容与步骤:
本章介绍金属材料组织和性能的影响因素及其控制方法。
重点阐明铁碳相图、铁碳合金平衡结晶过程、铁碳合金的成分-组织-性能关系。
重点阐明钢的热处理原理和热处理工艺。
简要阐述纯金属的结晶、金属的塑性加工、钢的合金化。
本章是工程材料课程的重点章。
着重掌握:
铁碳相图,铁碳合金的平衡结晶过程,铁碳合金的成分-组织-性能关系。
过冷奥氏体的转变,钢的淬透性、淬硬性。
常用热处理等热处理工艺。
合金元素对钢的热处理、钢的机械性能的影响。
熟悉纯金属、合金的结晶,金属的塑性加工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。
2.1 纯金属的结晶
2.1.1纯金属的结晶
金属材料要经过液态和固态的加工过程。
钢材经过冶炼、注锭、锻造、轧制、机加工和热处理等工艺过程。
金属浇注、冷却后,液态金属转变为固态金属,获得一定形状的铸锭或铸件。
液态金属中金属原子作不规则运动。
在小范围内,原子会出现规则排列,称短程有序。
短程有序的原子集团是不稳定的,瞬时出现瞬时消失。
通常的固态金属属于晶体材料,金属原子规则排列,叫长程有序。
金属从液态到固体晶态的转变称为一次结晶。
简称金属结晶。
一、纯金属结晶的条件
纯铜的冷却曲线中T0为纯铜的熔点(理论结晶温度),Tn为开始结晶温度。
自发转变的能量条件:
自然界的一切自发转变过程,总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。
在一定温度条件下,只有引起体系自由能(即能够对外作功的那部分能量)降低的过程才能自发进行。
液态金属结晶条件:
液态金属要结晶,温度必须低于理论结晶温度T0,要有一定的过冷度ΔT,使金属在液态和固态之间存在自由能差ΔF。
液态金属结晶的动力:
ΔF
二、纯金属的结晶过程
包括两个基本过程:
形核、长大
1.形核
液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。
生成的核心叫做晶核。
实际金属结晶时,以非自发形核为主。
晶核形成、晶体长大时晶体表面能的增加是金属结晶的阻力。
2.晶体的长大
晶体的长大有两种方式:
(1)平面长大
冷却速度较慢时,晶体表面向前平行推移长大。
不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。
沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢。
(2)树枝状长大
冷却速度较快时,晶体的棱角和棱边的散热快,长大较快,成为晶枝。
优先形成的晶枝称一次晶轴,在一次晶轴增长时,在侧面生出新的晶枝,即二次晶轴。
其后又生成三次晶轴、四次晶轴。
实际金属结晶时,晶体多以树枝状长大方式长大。
2.1.2同素异构转变
金属在固态下随温度的改变,由一种晶格转变为另一种晶格的现象,称为同素异构转变。
金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。
2.1.3细化铸态金属晶粒的措施
金属结晶后,获得由大量晶粒组成的多晶体。
一个晶粒是由一个晶核长成的晶体。
实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。
晶粒大小可用晶粒度来表示,晶粒度号越大晶粒越细。
一般情况下,晶粒越小,金属的强度、塑性和韧性越好。
使晶粒细化,提高金属机械性能的方法称为细晶强化。
细化铸态金属晶粒措施
1.增大金属的过冷度
成核速率N:
单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3·s;长大速度G:
单位时间晶体长大的长度,m/s;实际工程中,过冷度常处于曲线的左边部分。
随着过冷度的增大,成核速率和长大速度都增大,成核速率增大更快,比值N/G也增大,晶粒细化。
增大过冷度的主要方法:
提高液态金属的冷却速度、采用冷却能力较强的模子。
采用金属型铸模,比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。
超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。
非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。
2.变质处理
在液体金属中加入孕育剂或变质剂,以细化晶粒和改善组织的方法叫变质处理。
变质剂的作用:
增加晶核数量,阻碍晶核长大。
如:
●铝合金液体中加入钛、锆,
●钢水中加入钛、钒、铝,
●铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金,
都可使晶粒细化。
3.振动
在结晶过程中采用机械振动、超声波振动方法,破碎正在生长中的树枝状晶体,形成更多的结晶核心,获得细小的晶粒。
4.电磁搅拌
将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中,由于电磁感应现象,液态金属翻滚,冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝,增加结晶核心,细化晶粒。
2.1.4铸锭的结构
一、铸锭结构
铸锭分为三个各具特征的晶区。
1.细等轴晶区
锭模温度低,导热快,外层液体金属过冷度大,生成晶核多。
模壁能起非自发晶核的作用。
铸锭表层形成一层晶粒细小的细晶区。
2.柱状晶区
细晶形成,锭模温度升高,冷却速度降低,液体金属过冷度减小,生核速率降低。
散热具有方向性,晶粒朝与散热方向的反方向平行长大,形成柱状晶区。
3.粗等轴晶区
中心冷却速度慢,过冷度小。
散热失去方向性。
柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块成为晶核,各个方向均匀长大,形成粗大等轴晶区。
二、铸锭晶粒形状的影响因素
●柱状晶
柱状晶性能:
柱状晶性能具有明显的方向性。
沿柱状晶晶轴方向的强度较高。
主要受单向载荷的机器零件,如汽轮机叶片等,柱状晶结构是非常理想的。
●等轴晶
2.1.5单晶的制取
单晶是电子元件和激光元件的重要原料。
喷气发动机叶片开始应用金属单晶。
根据结晶理论,制备单晶的基本要求是液体结晶时只有一个晶核,要严格防止另外形核。
本节小结
金属结晶条件:
要有一定的过冷度,金属结晶推动力:
固态金属和液态金属之间的自由能差。
金属结晶过程:
形核、长大。
细化铸态金属晶粒措施:
增大过冷度、变质处理、振动、电磁搅拌。
2.2 合金的结晶
合金结晶过程复杂,用合金相图来分析。
相图 :
表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图,也称为平衡图或状态图。
平衡:
在一定条件下合金系中参与相变的各相的成分和质量分数不再变化。
合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程,可以认为是平衡的结晶过程。
在常压下,二元合金的相状态决定于温度和成分。
二元合金相图用温度—成分坐标系的平面图来表示。
图中的每一点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。
2.2.1 二元合金的结晶
一、发生匀晶反应的合金的结晶
1.结晶过程
匀晶反应:
L→α固溶体
Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag合金具有匀晶相图。
aa1c线为液相线,该线以上合金处于液相;
ac1c 线为固相线,该线以下合金处于固相。
●单相区
L相:
液相,Cu和Ni形成的液溶体;
α相:
Cu和Ni组成的无限固溶体。
●双相区:
L +α相区。
2.匀晶结晶特点
(1)形核与长大
与纯金属一样,固溶体结晶也包括形核、长大两个过程。
固溶体更趋向树枝状长大。
(2)变温结晶
固溶体结晶在一个温度区间内进行,变温结晶。
(3)两相的成分确定
在两相区内,温度一定时,两相的成分(即L相中Ni的质量分数和α相中Ni的质量分数)确定。
过温度T1作水平线,交液相线和固相线于a1、c1。
a1、c1点在成分轴上的投影点即为L相和α相中Ni的质量分数。
随着温度的下降,液相成分沿液相线变化,固相成分沿固相线变化。
(4)两相的质量比一定
在两相区,温度一定时,两相的质量符合杠杆定律。
在T1温度时:
杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点,支点为合金的成分点。
杠杆定律只适用于相图中的两相区;杠杆定律只能在平衡状态下使用。
(5)容易产生枝晶偏析
枝晶偏析:
在一个晶粒内化学成分分布不均匀。
扩散退火:
把合金加热到低于固相线100℃左右,长时间保温,原子充分扩散,获得成分均匀的固溶体。
二、发生共晶反应的合金的结晶
Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu合金具有共晶相图。
Pb-Sn合金相图中有三个单相区:
L:
Pb与Sn形成的液溶体
α:
Sn溶于Pb中的有限固溶体
β:
Pb溶于Sn中的有限固溶体
三个双相区:
L+α、L+β、α+β
一条L+α+β三相共存线(水平线cde)。
这种相图称共晶相图。
发生共晶反应时三相共存,三相各自成分确定,恒温进行。
d点为共晶点,表示d点成分(共晶成分)的液相合金冷却到d点温度(共晶温度)时,共同结晶出c点成分的α相和e点成分的β相。
Ld→(αc+βe)
共晶反应:
一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应,生成的两相混合物叫共晶体。
1.合金I的平衡结晶过程
2.合金II(共晶合金)的结晶过程
3.合金Ⅲ(亚共晶合金)的结晶过程
过共晶合金(合金Ⅳ):
三、发生包晶反应的合金的结晶
四、发生共析反应的合金的结晶
五、含有稳定化合物的合金的结晶
稳定化合物:
具有一定的化学成分、固定的熔点,熔化前不分解,也不发生其它化学反应。
教学总结
本章介绍了纯金属的结晶与二元合金的结晶,重点阐述了纯金属的结晶过程与细化铸态金属晶粒的措施、二元合金的结晶过程,着重分析了匀晶相图、共晶相图、包晶相图。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第2章 21纯金属的结晶22 二元合金的结晶I 21 金属 结晶 22 二元 合金