金属材料与热处理 电子教案模块三.doc

模块三 金属的结晶第一讲： 纯金属的结晶课 题： 1.纯金属的结晶现象 2.纯金属的结晶过程教学目标：1.了解纯金属结晶现象； 2.熟悉纯金属结晶的基本过程；3.知道金属结晶的条件教学重点：纯金属结晶的基本过程以及结晶的条件教学方法：利用工程案例、生活实例、多媒体课件等资源，使学生初步理解金属结晶的条件教学内容： 1. 纯金属的结晶现象1）结晶温度平台这是由于金属结晶时放出的“潜热”补偿了结晶时向外散失的热量金属结晶冷却曲线测试装置示意图 2）有一定的过冷度（⊿T） 过冷度的大小主要取决于冷却速度的大小在实际工程应用中，液态金属冷却速度总是比较快，冷却速度越快，则过冷度越大，实际结晶温度越低2.纯金属的结晶过程包括晶核的形成与晶粒的长大1）晶核的形成条件（结晶条件） （1）要有一定的过冷度，此时固态金属的自由能低于液态金属的自由能，两者的自由能之差构成了金属结晶的驱动力2）结构起伏（结构条件）液态金属中的这种原子小集团大小不等，取向各异，此起彼伏，瞬息万变，瞬时形成，又瞬时散开、消失，如下图所示这种结构变化也称结构起伏，是液态金属结晶的形核基础。

3）能量起伏（能量条件）在一定温度下，系 统自由能是一定的，但系统中各个微小体积所具有的自由能并不相等，有的高于平均值，有 的低于平均值，而且各个微小体积所具有的能量大小随时都在变化，这种能量短暂偏离其平 均能量的现象叫做能量起伏2）形核方式（1）均质形核 液态金属本身的温度低于T0时，尺寸比较大的原子集团逐渐趋于稳定而成为结晶核心这种由金属原子自己规则排列形成的晶核，称为均质形核晶核形成后，其周围的原子 围绕晶核进行有规则的排列，而使晶核逐渐长大，最后长大成为一个晶粒 （2）异质形核 通常液态金属总是存在着各种固态杂质微粒，某些外来的固体小质点也可作为核心进 行结晶凡依靠外来微粒作为晶核的均称为异质形核需要的能量起伏也较自发形核小，在生产中金属的结晶主要是依靠非自发形核3）晶粒长大稳定晶核出现之后，马上就进入了长大阶段晶体的长大从宏观上来看，是晶体的界面向液相逐步推移的过程;从微观上看，则是依靠原子逐个由液相中扩散到晶体表面上，并按晶体点阵规律的要求，逐个占据适当的位置而与晶体稳定牢靠地结合起来的过程第二讲： 晶粒大小的控制措施课 题： 1.晶粒大小对金属力学性能的影响 2.影响晶粒大小的因素 3.细化晶粒的措施 4.金属的同素异晶转变教学目标：1.熟悉晶粒大小对金属力学性能的影响及影响晶粒大小的因素； 2.理解细晶强化的原理；3.熟悉细化晶粒的措施。

教学重点：晶粒大小对金属力学性能的影及细化晶粒的措施教学方法：利用工程案例、生活实例、多媒体课件等资源，使学生初步理解细晶强化的原理教学内容：1.晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒越小，金属的强度和硬度越高，塑性和韧性也越高，这种利用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化1）晶粒细化，增加了晶界，位错移动变得困难，因此强度提高，从而硬度也提高;2）塑性提高是因为晶粒细小了使其塑性变形量可分配给更多的晶粒，从而可使金属承受更大的塑性变形量;3）韧性提高是因为晶粒细小了，裂纹扩展的路程变长了，消耗的功就变大了，即冲击能量提高了，韧性便提高了细晶强化是改善材料力学性能的重要手段之一2.影响晶粒大小的因素形核率N和长大速度G的相对大小形核率N即单位时间、单位体积内形核的数目，单位为“个/（mm 3·s）”长大速度G是单位时间内晶核生长的线长度，单位为“mm/s”形核率越大，则单位体积中晶核数目越多，每个晶核的长大速度越小，长成的晶粒越细小反之，形核率越小而长大速度越大，则会得到越粗大的晶粒3.细化晶粒的措施（1）增加过冷度 形核率和长大速度都与过冷度相关，增大结晶时的过冷度，形核率和长大速度都增加，但两者增大的速率不同，形核率增加的比长大速率快，即随过冷度增加，N/G增加，晶粒变细。

此措施只适用于小型或薄壁铸件2）变质处理 就是在液态金属中加入变质剂，在金属液中形成大量的固体质点，起非自发形核的作用，促进形核，抑制长大，从而达到细化晶粒、改善性能的目的适用于对于较大的厚壁铸件3）振动、搅拌处理 振动、搅拌的细化作用是通过两个方面进行的:一方面可以破碎树枝状晶体，形成更多的结晶核心，使晶核数目显著增加;另一方面也可靠外部输入的能量来促进形核4.金属的同素异晶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晶转变金属的同素异晶转变与液态金属的结晶过程类似，为了与液态结晶区别，将这种固态下的相变结晶称为重结晶第三讲： 合金的结晶课 题： 1.二元合金相图的基本知识 2.匀晶相图及典型合金的结晶教学目标：1.了解二元合金相图的表示方法及测定方法； 2.了解固溶体非平衡结晶及其组织； 3.知道杠杆定律，初步理解杠杆定律的应用； 4.会分析固溶体合金的平衡结晶过程及组织教学重点：晶粒大小对金属力学性能的影及细化晶粒的措施教学方法：利用工程案例、生活实例、多媒体课件等资源，使学生初步理解细晶强化的原理。

教学内容：1.二元合金相图的基本知识相图是利用图解方法表示合金的状态与温度、成分间的关系，表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成分下的各相关系的图解，又称为状态图或平衡图相图是进行微观分析，制定铸造、锻造、 热处理工艺的重要依据，是研究材料十分重要的工具1）二元相图的表示方法在常压下二元合金的相状态决定于温度与成分，因此，二元合金相图可由温度 -成分坐标系的平面图来表示，横坐标表示成分，纵坐标表示温度如图中 A、B两点表示组成合金的两组元，C点的成分为A的质量分数为 40%， B的质量分数为60%在成分和温度坐标平面上的任意一点称为表象点，一个表象点的坐标表示一种合金的成分和温度据此可以从相图上得知此合金在这个温度下存在的相及各相的成分如图中D点表示合金的成分同C点，温度为900℃2）二元合金相图的测定方法下面以Cu -Ni合金相图的测定为例，介绍相图的测定方法1）配制一系列Cu-Ni合金；（2）测定各Cu-Ni合金（包括纯金属）的冷却曲线；（3）将这些与临界点对应的温度和成分分别标在二元合金相图的纵坐标和横坐标上，每个临界点在二元相图中对应一个点4）将纯金属及其合金的凝固的开始温度点a、b、c、d、e和终结温度点a′、b′、c′、d′、e′分别用光滑曲线连接起来，就得到图所示的Cu-Ni二元合金相图。

3）杠杆定律 图3-15 杠杆定律示意图若合金的成分为b，此温度时，L相的成分为a，α相的成分为c，设两相相对量分别为：Wl、Wα，则有： Wl +Wα=1 (1)Wl •a+ Wα•c =1• b (2)则两相的重量比为： (3)式中，Wl 为L相的重量，Wα为α相的重量此式与力学中的杠杆定律相似，因而亦被称为杠杆定律（lever rule）必须注意，杠杆定律只适用于两相区2.匀晶相图及典型合金的结晶基本的二元合金相图有匀晶相图、共晶相图和包晶相图等1）相图分析（以Cu-Ni为例）图3-16 Cu-Ni合金的结晶示意图a) 相图 b) 冷却曲线及组织示意图A点1083℃为纯铜的熔点，B点1452℃为纯镍的熔点A1B为合金开始结晶温度曲线，即液相线A2B为合金结晶终了温度曲线，即固相线在液相线A1B以上为液相区，在固相线A2B以下为均匀的单相固溶体，液相线与固相线之间为液相和固相共存的两相区2）固溶体合金的平衡结晶及其组织此合金温度在1点以上是为单一液相，当温度降到1点时，α固溶体晶核开始出现，温度继续下降时，液相的量不断减少，固相α的量不断增加，温度降至2点时全部为固溶体α，温度降到2点以下，保持单一的固溶体，最后获得与原合金成分相同的α固溶体。

3）固溶体合金的非平衡结晶及其组织(1)枝晶偏析的形成非平衡结晶时，存在显微组织的化学成分不均匀性问题，先结晶的部分含高熔点组元（Ni）较多，较耐腐蚀，呈亮色，后结晶的部分含低熔点组元（Cu）较多，不耐腐蚀，呈暗色，这种现象称为晶内偏析，当固溶体以树枝状方式结晶时，这种偏析也称枝晶偏析a) a) b)图3-17 固溶体不平衡结晶示意图a) 两相的成分变化 b) 组织变化 a) b)图3-18 枝晶偏析a) Cu-Ni枝晶偏析显微组织 b) 枝晶偏析示意图（2）枝晶偏析对性能的影响枝晶偏析对材料的力学性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利，严重的枝晶偏析将恶化合金的性能3）消除枝晶偏析的措施生产上常把有枝晶偏析的合金加热到固相线以下100℃~200℃进行长时间保温，使原子充分扩散，实现成分均匀化，这种处理方法成为均匀化退火或扩散退火此方法可消除或减轻枝晶偏析第四讲： 共晶相图课 题： 1.相图的分析 2.典型合金的平衡结晶及其组织教学目标：1.会进行共晶相图分析； 2. 知道杠杆定律，初步应用杠杆定律计算相和组织的相对含量； 3. 会分析各种典型合金的平衡结晶过程及组织。

教学重点：分析各种典型合金的平衡结晶过程及组织；应用杠杆定律计算相和组织的相对含量教学方法：利用工程案例、生活实例、多媒体课件等资源，使学生初步合金结晶的过程及其组织教学内容： 1.相图的分析（以Pb-Sn合金为例，如图3-19所示）图3-19 Pb-Sn共晶相图1）点 A点是纯Pb熔点，B点是纯Sn熔点2）线 AEB线为液相线；AMENB线为固相线；MEN线为共晶转变线；MF是Sn在Pb中的溶解度线、NG是Pb在Sn中的溶解度线（固溶线）3）区 （1）单相区有L、α（Sn为溶质，Pb为溶剂的固溶体）、β（Pb为溶质，Sn为溶剂的固溶体）；（2）两相区有L+α、L+β，α+β；（3）三相平衡区（MEN线）为L+α+β2.典型合金的平衡结晶及其组织 1)Ⅰ合金（Sn的量在F~ 19%之间）图3-20 Ⅰ合金的平衡结晶过程示意图在显微镜下观察时该合金的组织为α+βII，其中βII晶体经常分布在α晶粒的晶界上，有时也在α晶粒内析出该合金的相组成为α+β当合金成分中Sn的含量增加时组织中α量减少，βII的量增多，两相的量亦然2)Ⅱ合金（E点即含61.9%Sn）即共晶合金 图3-21 共晶合金的平衡结晶过程示意图共晶转变结束时，相组成为α、β，相对含量为：。