机械工程材料第2章
第 2章 材料的制备与相图Chapter2 Materials Manufacture and Phase Diagrams,2.1 材料的制备过程 2.2 二元相图的基本类型 2.3 典型二元相图的应用Fe-C相图分析 2.4 凝固与结晶理论的应用,2.1 材料的制备过程,2.1.1 材料凝固与结晶的条件,1）熔融液体的粘度（内因）是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征，其大小表示了液体中发生相对运动的难易程度。 聚合物粘度大，不易结晶；金属粘度小，一般为金属晶体 （2）冷却速度（外因）冷速越大，则在单位时间内逸散的热量越多，熔体温度降得越低，而又直接关系其中原子或分子的扩散能力。 冷速大，金属扩散能力降低，不易结晶，得到非晶合金,2.1.2金属材料的制备1.金属的冶炼2.纯金属的结晶规律,液态金属的结构特点（结晶的充分条件,结构起伏 (相起伏,液态金属中存在 短程有序原子集团,金属结晶的必要条件,过冷度,过冷是结晶的必要条件,热分析法测定金属结晶温度,不同冷速下的冷却曲线示意图,过冷度的影响因素 冷速,自由能与温度的关系曲线,金属结晶的 能量条件,纯金属结晶的普遍规律不断形成晶核与晶核不断长大的连续过程,形核的方式,自发形核 以液态金属中的结构起伏为基础 非自发形核 依赖于液体中的固体质点,晶核长大方式 平面方式长大 以树枝晶方式长大为主,单晶体与多晶体示意图,金属锑锭的组织示意图,2.2 二元相图的基本类型,有关相图的基本概念： 合金状态 一定条件下合金有哪几个相组成 相变 临界点 相变的温度 相图 反映在平衡条件下，合金的状态同温度、成分之间关系的图形,热分析法建立Cu-Ni 二元合金相图的过程,2.2.1 相图的建立,用热分析法建立Cu-Ni相图,a）冷却曲线 （b）测定的相图,2.2.2 匀晶相图,特点：两组元在液态、固态下均可以任意比例互溶（无限固溶体） Cu-Ni、Cu-Au、 Au-Ag、Fe-Cr等 1.相图分析 特性点 特性线 相区基本相,2. 固溶体合金的平衡结晶过程分析,Cu-Ni合金的显微组织示意图,1）变温结晶 （2）在结晶过程中，两平衡相的成分和相对百分含量是不断变化的。液相的成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化；此间的任一温度瞬时，都可应用杠杆定律计算液固两相的相对百分含量,固溶体合金的平衡结晶规律,与纯金属相比,3. 杠杆定律 及其应用,内容表述:在合金相图的两相区内,若温度一定,则该温度下两平衡相的成分及两平衡相的相对量是一定的,且两相相对量之比等于各自相距较远的线段之比。 适用条件： 仅适用于两相区，用来求两个平衡相的化学成分和相对百分含量,4.不平衡结晶枝晶偏析,a）不平衡结晶； （b）不平衡结晶的组织,概念: 不平衡条件下,先结晶出的固溶体和后结晶出的固溶体成分不同,这种在一个晶粒内出现的成分不均匀现象称为枝晶偏析,消除办法:扩散退火(均匀化退火,2.2.3 共晶相图,1. 相图分析 （1）共晶相图的形成,形成条件：固态为有限固溶体，发生共晶反应,2）相区与基本相 （3）特性线与特性点,MEN水平线共晶线(三相区,2.典型合金的平衡结晶过程,1）有限固溶体合金 （2）共晶成分的合金 （3）亚共晶成分合金 （4）过共晶成分合金,1）有限固溶体合金,10%Sn有限固溶体合金的冷却曲线及组织,1,2,3,1）有限固溶体合金,杠杆定律的应用 在kth温度下，计算 和的百分含量,2）共晶成分的合金,共晶合金的冷却曲线及室温下的组织,3）亚共晶成分合金,亚共晶合金的冷却曲线及组织,1,1,2,2,初晶的截取位置及相应的组织形貌,3）亚共晶成分合金,4）过共晶成分的合金,过共晶合金的冷却曲线及组织,1,3.两种填写相图的方法,以相组分形式填写的相图,3.两种填写相图的方法,标明组织组分的铅-锡合金相图,2.2.4 包晶相图的特征,Fe-C相图包晶部分,4.包晶相图的特征,2.2.5 具有稳定化合物的相图,2.2.6 具有共析反应的相图,合金的性能与相图的关系,2.2.7 二元合金相图与性能之间的关系,1.合金的使用性能与相图的关系,2.合金的工艺性能与相图的关系,合金铸造性能与相图的关系,预习,准备 “2.3 铁碳合金相图分析” 内容的课堂讨论 参见“学习指导”P1617中的 课堂讨论（铁碳合金相图）提纲 进行充分准备,2.3 铁碳合金相图分析,铁碳相图讨论总结,一、相、相组分、组织、组织组分的关系 1 相=相组分(相组成物） 2 组织是由相组成的 3 组织组分一定是组织， 但组织不一定等于组织组分， 组织=各组织组分总和,对平衡组织的影响 对力学性能的影响 Wc不同，F和Fe3C的相对量不同； Fe3C的形态不同，导致性能不同 Fe3C的形态对性能的影响,共析 Fe3C呈片状强度、硬度 塑性、韧性 Fe3C呈网状 强度、塑性、韧性 共晶 Fe3C为连续基体 硬度 强度、塑性、韧性,二、含碳量对铁碳合金平衡组织与 性能的影响,2.4 凝固与结晶理论的应用,2.4.1 铸态晶粒度的控制 晶粒度:晶粒大小 用晶粒的平均面积或平均直径来表示 晶粒度对性能的影响细晶强化 晶粒度的影响因素 形核率（N） N 晶粒细化 长大速度（G） G 晶粒细化,则晶粒细化,控制晶粒度的方法,2.化学变质处理,3.增强液体流动法,1.控制过冷度,低温浇注 金属型代替砂型 水冷铸铁 局部加冷铁,2.4.2 定向凝固技术,单晶体的制备,1.尖端形核法,2.垂直提拉法
