1、凝固凝固結(jié)晶結(jié)晶非晶體非晶體晶體晶體液體液體水水結(jié)晶結(jié)晶 = 相變相變 冰冰1. 結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力 F0 （不是過冷度（不是過冷度T） 自然界的自發(fā)過程進(jìn)行的熱力學(xué)條件都是自然界的自發(fā)過程進(jìn)行的熱力學(xué)條件都是F0 體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能U，其中可以對(duì)外，其中可以對(duì)外 做功或向外釋放的能量叫自由能做功或向外釋放的能量叫自由能F，F(xiàn)=U-TS（熵）（熵）（1）當(dāng)溫度當(dāng)溫度TT0時(shí)，時(shí)，F(xiàn)sFL, 液相穩(wěn)定液相穩(wěn)定（2）當(dāng)溫度當(dāng)溫度TT0時(shí)，時(shí)，F(xiàn)sFL, 固相穩(wěn)定固相穩(wěn)定（3）當(dāng)溫度當(dāng)溫度T=T0時(shí)，時(shí)，F(xiàn)s=FL, 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) T0：理論結(jié)晶溫度（：理

2、論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)熔點(diǎn)或或平衡結(jié)晶溫度）平衡結(jié)晶溫度） 在該溫度下在該溫度下, 液體和晶體處于液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)動(dòng)平衡狀態(tài)2. 冷卻曲線冷卻曲線 金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。冷卻曲線。曲線上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱曲線上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱實(shí)際結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度T1。 純金屬的冷純金屬的冷卻曲線卻曲線3. 結(jié)晶的過冷現(xiàn)象與過冷度結(jié)晶的過冷現(xiàn)象與過冷度 過冷過冷: 液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下 開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷過冷。 過冷度：過冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度 的差的差 T稱

3、稱過冷度過冷度。 T= T0 T1 過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越冷速越 大，大， 過冷度越大過冷度越大。晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)，又有新的晶核產(chǎn)生。晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)，又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。晶核的形成方式：晶核的形成方式： 形核有兩種方式形核有兩種方式，即，即均勻形核均勻形核和和非均勻形核非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱均勻形核均

4、勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。非均勻形核。非均勻形核更為普遍。非均勻形核更為普遍。均勻形核均勻形核非均勻形核示意圖非均勻形核示意圖2. 晶核的長(zhǎng)大方式晶核的長(zhǎng)大方式 晶核的長(zhǎng)大方式有兩種晶核的長(zhǎng)大方式有兩種，即，即均勻長(zhǎng)大均勻長(zhǎng)大和和樹枝狀長(zhǎng)大樹枝狀長(zhǎng)大。實(shí)際金屬的結(jié)晶主要以樹枝狀長(zhǎng)大。實(shí)際金屬的結(jié)晶主要以樹枝狀長(zhǎng)大。這是由于晶核棱角處的散熱條件好，生長(zhǎng)快，先形成這是由于晶核棱角處的散熱條件好，生長(zhǎng)快，先形成一一次軸次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)生，一次軸又會(huì)產(chǎn)生二次軸二次軸，樹枝間最后被填充，樹枝間最后被填充均勻長(zhǎng)大均勻長(zhǎng)大樹枝狀長(zhǎng)大樹枝狀長(zhǎng)大晶

5、粒的大小稱為晶粒的大小稱為晶粒度晶粒度。用單位面積上的。用單位面積上的晶粒數(shù)目晶粒數(shù)目或晶粒的或晶粒的平均直徑平均直徑表示。表示。 控制晶粒大小的方法：控制晶粒大小的方法：1. 1. 控制過冷度：影響控制過冷度：影響形核率形核率和和長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度2. 2. 變質(zhì)處理變質(zhì)處理 變質(zhì)處理變質(zhì)處理: : 又稱又稱孕育處理孕育處理，是一種有意向液態(tài)金屬中，是一種有意向液態(tài)金屬中加入非自發(fā)形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。加入非自發(fā)形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。3. 3. 振動(dòng)、攪拌振動(dòng)、攪拌1394912 -Fe -Fe -Fel定義：定義：物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變

6、化的現(xiàn)象稱同素異同素異l鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變l鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：純鐵的冷卻曲線和同素異晶轉(zhuǎn)變純鐵的冷卻曲線和同素異晶轉(zhuǎn)變 -Fe，fcc -Fe，bcc912 Cl組元：組元：是指組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的是指組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。物質(zhì)。Fe-C二元相圖二元相圖三元相圖三元相圖l兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖l稱稱二元?jiǎng)蚓鄨D二元?jiǎng)蚓鄨D。1. 勻晶相圖勻晶相圖形成條件：固態(tài)下二組元性質(zhì)相近無限互溶勻晶。液相

7、固液兩相區(qū) 固相反應(yīng)式： L L + （成分不斷變化）（與液相同成分） 相圖的分析相圖的分析Cu-Ni合金相圖合金相圖L 成分（成分（wt %Ni）溫度（溫度（）CuNil當(dāng)液態(tài)金屬自當(dāng)液態(tài)金屬自高溫冷卻到高溫冷卻到 t1溫度時(shí)，開始溫度時(shí)，開始結(jié)晶出成分為結(jié)晶出成分為 1的固溶體，的固溶體，其其Ni含量高于含量高于合金平均成分合金平均成分.l這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變或或勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)。分垂線。在成分垂線相當(dāng)分垂線。在成分垂線相當(dāng)于溫度于溫度t 的的o點(diǎn)作水平線，點(diǎn)作水平線，其與液固相線交點(diǎn)其與液固相線交點(diǎn)a、b所所對(duì)應(yīng)的成分對(duì)

8、應(yīng)的成分x1、x2即分別即分別為液相和固相的成分。為液相和固相的成分。12 tLLObaxx1x2AB121122LxxxxQxxxxQ l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段即為相圖中線段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的長(zhǎng)度。的長(zhǎng)度。l 確定兩平衡相的相對(duì)重量確定兩平衡相的相對(duì)重量l設(shè)合金的重量為設(shè)合金的重量為1，液相重量為液相重量為QL，固相重量為固相重量為Q oobbxx1x2QLQabaoxxxxQabobxxxxQ211212L 21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或l杠桿定律只適用于兩相區(qū)杠桿定律只適用于兩相區(qū)。單相區(qū)無必

9、要使用，。單相區(qū)無必要使用，三相區(qū)不能使用。三相區(qū)不能使用。l消除方法：消除方法：生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下 100-200 長(zhǎng)時(shí)間保溫，以使原子充分?jǐn)U散、長(zhǎng)時(shí)間保溫，以使原子充分?jǐn)U散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作作擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火.形成條件：固態(tài)下二組元有限溶解，在恒定溫度、恒定成分，二固相同時(shí)結(jié)晶。反應(yīng)式：LE（液） M+Nl 相區(qū)：相區(qū)：相圖中有相圖中有:l三個(gè)單相區(qū)：三個(gè)單相區(qū)： L 、 、 ；l三個(gè)兩相區(qū)：三個(gè)兩相區(qū)：L+ 、L+ 、 + ；l一個(gè)三相區(qū)：一個(gè)三相區(qū)：即水平線即水平線CED。l 液

10、固相線液固相線: 液相線液相線AEB, 固相線固相線ACEDB. A、B分別為分別為Pb、Sn的熔點(diǎn)的熔點(diǎn).共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變: 在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變稱作共晶轉(zhuǎn)變或兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變稱作共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)共晶反應(yīng).過共晶合金過共晶合金: 共晶點(diǎn)以共晶點(diǎn)以右的合金右的合金稱稱過共晶合金過共晶合金。Pb-Sn合金相圖合金合金I I （w wSnSn=10%=10%）的結(jié)晶過程）的結(jié)晶過程含10%Sn的Pb-Sn合金顯微組織合金合金II （共晶合金共晶合金）的結(jié)晶過程）的結(jié)晶過程II合金合

11、金（亞共晶合金）的結(jié)晶過程（亞共晶合金）的結(jié)晶過程+（ + ）合金合金 （過共晶合金）的結(jié)晶過程（過共晶合金）的結(jié)晶過程+ + l 相圖分析相圖分析l單相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：L、 、l二相區(qū)：二相區(qū)：L+ 、 L+ 、 + l三相區(qū)：三相區(qū)：L+ + （水（水平線平線PDC）1.1.固溶體固溶體 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + l珠光體兩相呈片層相間分布珠光體兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。性能介于兩相之間。l 相區(qū)相區(qū)l 五個(gè)單相區(qū)：五個(gè)單相區(qū)： L、 、 、 、Fe3C l 七個(gè)兩相區(qū)七個(gè)兩相區(qū): L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、l + 、 +Fe3

12、C l工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵(0.0008% F C%L+A-A-A+F-F+Fe3CIII2共析鋼共析鋼 C%=0.77%C%=0.77% L-L+A-A-A+P-PL-L+A-A-A+P-P相組成物相組成物：F F和和FeFe3 3C C F%= F%= Fe3C%= 組織組成物組織組成物 ：P 珠光體珠光體3亞共析鋼亞共析鋼 0.0218%C%L+A-A-A+F-A+P+F-P+F 相組成物相組成物：F，F(xiàn)e3C F%=Fe3C%=室溫組織室溫組織: F+PP%=F%=含碳量含碳量0.40%0.40%鋼顯微組織鋼顯微組織 4過共析鋼過共析鋼 L-L+A-A-A+Fe3CII-A+P+Fe3CII-P+Fe3CII相組成物：F，F(xiàn)e3CF%= Fe3C%= 組織組成物：P，F(xiàn)e3CII 組織相對(duì)量：Fe3CII%= P%= 含碳量含碳量1.4%鋼的組織鋼的組織鋼鋼鐵素體鐵素體 亞共析鋼亞共析鋼過共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼共析鋼白白 口口 鑄鑄 鐵鐵二次滲碳體二次滲碳體工工業(yè)業(yè)純純鐵鐵珠光體珠光體萊氏體萊氏體一次滲碳體一次滲碳體Fe3C鋼鋼 鐵鐵分分 類類組織組組織組成物相成物相對(duì)量