第三章 材料的凝固与结晶3-1为什么金属结晶时必须过冷由热力学第二定律可知:在等温等压条件下,过程自动进行的方向总是向着系统自由能降低的方向。即ΔG=GS-GL<0;只有当温度低于理论结晶温度 Tm 时,固态金属的自由能才低于液态金属的自由能,液态金属才能自发地转变为固态金属,因此金属结晶时一定要有过冷度。3-2为什么金属结晶时常以枝晶方式长大在不平衡凝固过程中,固相中溶质浓度分布不均匀,凝固结束时,晶体中成分也不均匀,即有成分偏析现象。而当成分过冷很大时,固溶体晶体以树枝状生长时,先结晶的枝晶主干溶质浓度低,枝晶外围部分溶质浓度高,形成树枝状偏析。3-3常用的管路焊锡为成分w(Pb=50%)、w(Sn=50%) 的Pb-Sn合金。若该合金以及慢速度冷却至室温,求合金显微组织中相组成物和组织组成物的相对量。图3-1 Pb-Sn合金相图 图3-2 w(Pb=50%)Pb-Sn合金室温组织由相图(图3-1)可知,成分为w(Pb=50%)、w(Sn=50%) 的Pb-Sn合金(亚共晶合金)以慢速度冷却至室温时发生的结晶过程为:先进行匀晶转变(L→α), 匀晶转变剩余的液相再进行共晶转变。极慢冷却至室温后形成的组织为先共晶固溶体α和共晶组织(α+β)。由于α固溶体的溶解度随温度变化较大,所以先共晶固溶体α中有点状βII析出(图3-2)。相组成:先共晶α相的相对量为:1-()/共晶组织中的α相占全部合金的相对量:()/ 共晶组织中的β相相对量为%=%3-4请根据图分析解答下列问题:(1)分析合金1、2的平衡结晶过程,并会出冷却曲线;(2)说明室温下1、2的相和组织是什么,并计算相和组织的相对含量;(3)如果希望得到的组织为:共晶组织和5%的ß初,求该合金的成分。解(1)(2):合金的冷却曲线如图3-3所示。图3-3 合金I的冷却曲线其结晶过程为:1以上,合金处于液相;1~2时,L→α,L和α的成分分别沿液相线和固相线变化,到达2时,全部凝固完毕;2时,为单相α;2~3时,α→β。α→β室温下,I合金由两个相组成,即α和β相,其相对量为Mα= Mα=18%I合金的组织为α+β,其相对量与组成物相同。II合金的冷却曲线如图3-4所示。图3-4 合金II的冷却曲线其结晶过程如下:1以上,合金处于均匀的液相;1~2时,进行匀晶转变L→β;2时,两相平衡共存,==β;2~2时,剩余液相发生共晶反应:==α+β2~3时,发生脱溶转变,α→β室温下,II合金由两个相组成,即α相和β相,其相对量为:Mα= Mα=88%II合金的组织为:β+(α+β);组织组成物的相对量为:m初=共晶=1- m=25%解(3):设合金的成分为w=x,由题意知:mB=/所以x=,即该合金成分为w=.3-5画出相图,标出相区及各主要点的成分和温度,并回答下列问题:(1)45、60、T12钢的室温平衡组织分别是什么它们从高温平衡冷却到室温要经过哪些转变45钢室温平衡组织: 铁素体 + 珠光体P冷却过程:匀晶转变→ + δ,包晶转变 + δ → γ,同素异晶转变γ→ α + γ,共析转变γ → (α +Fe3C)。60钢室温平衡组织:铁素体 + 珠光体P冷却过程:匀晶转变→ + δ,包晶转变 + δ → γ,同素异晶转变γ→ α + γ,共析转变γ → (α +Fe3C)。T12钢室温平衡组织:珠光体P + 渗碳体FeC冷却过程:过共析钢在液态到室温的冷却过程中,首先进行匀晶转变,形成单相固溶体γ;当温度到达ES线以下时,过饱和的固溶体γ中析出渗碳体(二次渗碳体Fe3CII),奥氏体γ的成分变到共析点S%C);共析转变γ → (α+Fe3C),形成珠光体P。(2)画出纯铁 45钢 T12钢的室温平衡组织,并标注其中的组织。图3-3 45钢的室温平衡组织(铁素体 + 珠光体P)图3-4 T12钢的室温平衡组织(珠光体P + 渗碳体FeC)(3)计算室温下45钢 T12钢的平衡组织中相组成和组织组成物的相对量。应用杠杆定律计算45钢中铁素体α和珠光体P的相对量,选择α +γ二相区,共析温度727ºC。T12钢的Q=Q=%=%(4)计算鉄碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大的相对量。WFeα= W FeP=*100%=33%二次渗碳体的最大百分含量为%,三次渗碳体的最大百分含量为%(5)应用相图解释下列现象:①钢柳丁一般用低碳钢合成;钢柳丁一般要求具有良好的塑性和韧性,所以钢柳丁一般要求用低碳钢合成。②绑扎物件一般用铁丝(镀锌低碳钢丝),而起重机吊重物时却用钢丝绳(60钢 65钢 70刚等组成);亚共析钢(碳的质量分数在%~%)室温下的组织为铁素体加珠光体,低碳钢丝(碳的质量分数在%~%)组织中铁素体的比例大,所以低碳钢丝塑性、韧性好,绑扎物件时,易于操作;而60钢、65钢、70钢等组织中珠光体的量多,所以强度,适于作起重机吊重物用的钢丝绳。③T8钢的强度高于T12钢的强度。强度>T12钢,因为强度是一个组织敏感量,当含碳量超过%以后,二次渗碳体呈网状分布,将珠光体分割开,因此强度下降。3-6现有两种鉄碳合金,其中一种合金的显微组织中珠光体量占75%,铁素体量占25%;另一种合金的显微,组织中珠光体量占92%,二次渗碳体量占8%,这两种合金各属于哪一类合金其含碳量各为多少
第三章 材料的凝固与结晶
3-1为什么金属结晶时必须过冷
由热力学第二定律可知:在等温等压条件下,过程自动进行的方向总是向着系统自由能降低的方向。即ΔG=GS-GL<0;只有当温度低于理论结晶温度 Tm 时,固态金属的自由能才低于液态金属的自由能,液态金属才能自发地转变为固态金属,因此金属结晶时一定要有过冷度。
3-2为什么金属结晶时常以枝晶方式长大
在不平衡凝固过程中,固相中溶质浓度分布不均匀,凝固结束时,晶体中成分也不均匀,即有成分偏析现象。而当成分过冷很大时,固溶体晶体以树枝状生长时,先结晶的枝晶主干溶质浓度低,枝晶外围部分溶质浓度高,形成树枝状偏析。
3-3常用的管路焊锡为成分w(Pb=50%)、w(Sn=50%) 的Pb-Sn合金。若该合金以及慢速度冷却至室温,求合金显微组织中相组成物和组织组成物的相对量。
图3-1 Pb-Sn合金相图 图3-2 w(Pb=50%)Pb-Sn合金室温组织
由相图(图3-1)可知,成分为w(Pb=50%)、w(Sn=50%) 的Pb-Sn合金(亚共晶合金)以慢速度冷却至室温时发生的结晶过程为:先进行匀晶转变(L→α), 匀晶转变剩余的液相再进行共晶转变。极慢冷却至室温后形成的组织为先共晶固溶体α和共晶组织(α+β)。由于α固溶体的溶解度随温度变化较大,所以先共晶固溶体α中有点状βII析出(图3-2)。
相组成:先共晶α相的相对量为:1-()/共晶组织中的α相占全部合金的相对量:()/ 共晶组织中的β相相对量为%=%
3-4请根据图分析解答下列问题:
(1)分析合金1、2的平衡结晶过程,并会出冷却曲线;
(2)说明室温下1、2的相和组织是什么,并计算相和组织的相对含量;
(3)如果希望得到的组织为:共晶组织和5%的ß初,求该合金的成分。
解(1)(2):
合金的冷却曲线如图3-3所示。
图3-3 合金I的冷却曲线
其结晶过程为:
1以上,合金处于液相;
1~2时,L→α,L和α的成分分别沿液相线和固相线变化,到达2时,全部凝固完毕;
2时,为单相α;
2~3时,α→β。α→β室温下,I合金由两个相组成,即α和β相,其相对量为
Mα= Mα=18%
I合金的组织为α+β,其相对量与组成物相同。
II合金的冷却曲线如图3-4所示。
图3-4 合金II的冷却曲线
其结晶过程如下:
1以上,合金处于均匀的液相;
1~2时,进行匀晶转变L→β;
2时,两相平衡共存,==β;
2~2时,剩余液相发生共晶反应:
==α+β
2~3时,发生脱溶转变,α→β
室温下,II合金由两个相组成,即α相和β相,其相对量为:
Mα= Mα=88%
II合金的组织为:β+(α+β);组织组成物的相对量为:
m初=共晶=1- m=25%
解(3):
设合金的成分为w=x,由题意知:
mB=/所以x=,即该合金成分为w=.
3-5画出相图,标出相区及各主要点的成分和温度,并回答下列问题:
(1)45、60、T12钢的室温平衡组织分别是什么它们从高温平衡冷却到室温要经过哪些转变
45钢
室温平衡组织: 铁素体 + 珠光体P
冷却过程:匀晶转变→ + δ,包晶转变 + δ → γ,同素异晶转变γ→ α + γ,共析转变γ → (α +Fe3C)。
60钢
室温平衡组织:铁素体 + 珠光体P
冷却过程:匀晶转变→ + δ,包晶转变 + δ → γ,同素异晶转变γ→ α + γ,共析转变γ → (α +Fe3C)。
T12钢
室温平衡组织:珠光体P + 渗碳体FeC
冷却过程:过共析钢在液态到室温的冷却过程中,首先进行匀晶转变,形成单相固溶体γ;当温度到达ES线以下时,过饱和的固溶体γ中析出渗碳体(二次渗碳体Fe3CII),奥氏体γ的成分变到共析点S%C);共析转变γ → (α+Fe3C),形成珠光体P。
(2)画出纯铁 45钢 T12钢的室温平衡组织,并标注其中的组织。
图3-3 45钢的室温平衡组织(铁素体 + 珠光体P)
图3-4 T12钢的室温平衡组织(珠光体P + 渗碳体FeC)
(3)计算室温下45钢 T12钢的平衡组织中相组成和组织组成物的相对量。
应用杠杆定律计算45钢中铁素体α和珠光体P的相对量,选择α +γ二相区,共析温度727ºC。
T12钢的Q=
Q=%=%
(4)计算鉄碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大的相对量。
WFeα=
W FeP=*100%=33%
二次渗碳体的最大百分含量为%,三次渗碳体的最大百分含量为%
(5)应用相图解释下列现象:
①钢柳丁一般用低碳钢合成;
钢柳丁一般要求具有良好的塑性和韧性,所以钢柳丁一般要求用低碳钢合成。
②绑扎物件一般用铁丝(镀锌低碳钢丝),而起重机吊重物时却用钢丝绳(60钢 65钢 70刚等组成);
亚共析钢(碳的质量分数在%~%)室温下的组织为铁素体加珠光体,低碳钢丝(碳的质量分数在%~%)组织中铁素体的比例大,所以低碳钢丝塑性、韧性好,绑扎物件时,易于操作;而60钢、65钢、70钢等组织中珠光体的量多,所以强度,适于作起重机吊重物用的钢丝绳。
③T8钢的强度高于T12钢的强度。
强度>T12钢,因为强度是一个组织敏感量,当含碳量超过%以后,二次渗碳体呈网状分布,将珠光体分割开,因此强度下降。
3-6现有两种鉄碳合金,其中一种合金的显微组织中珠光体量占75%,铁素体量占25%;另一种合金的显微,组织中珠光体量占92%,二次渗碳体量占8%,这两种合金各属于哪一类合金其含碳量各为多少
题目解答
答案
答:第一种是亚共析钢,含碳量为%到%之间,后面一种是过共析钢碳含量为%到%。
3-7现有形状 尺寸完全相同的4块平衡状态的鉄碳合金,他们的含碳量分别为w(C)=%、w(C)=%、 w(C)=% 、w(C)=%。根据你所学的知识,可用那些办法来区别他们
答:第一种:根据金相实验铁碳相图来区别它们:含碳量分别为w(C)=%的鉄碳合金金相中全部是单相的α相。而含碳量分别为w(C)=%的鉄碳合金金相由α相和珠光体(P)相组成;而含碳量分别为w(C)=%的鉄碳合金金相由珠光体(P)相和二次渗碳体组成;而含碳量分别为w(C)=%的鉄碳合金金相主要由变态莱氏体(Ld’)相和一次渗碳体相组成。
第二种:随着含碳量的增加,铁碳合金的硬度随之增加,分别测试其硬度,按照其硬度大小可得其含碳量的大小。
3-8简述晶粒大小对金属力学性能的影响,并列举几种实际生产中细化铸造晶粒的方法。
晶粒大小对金属力学性能和工艺性能有很大影响。在一般情况下,晶粒愈细小,金属的强度、塑性、韧性及抗疲劳能力愈好,所以,细化晶粒是强化金属材料的最重要途径之一。为了细化铸件晶粒以改善其性能,常采用以下方法:增加过冷度;进行变质处理(孕育处理);振动和搅拌。
3-9说明金属实际凝固时,铸锭的3种宏观组织的形成机制。
铸锭或铸件的凝固组织通常分为表层细晶区,柱状晶生长区和中心等轴晶三个部分。
当高温液体浇入铸模后,液体受到强烈冷却获得很大过冷,又由于模具是非均匀形核的有利位置,因而在模壁表面上产生大量晶核,这些晶核迅速长大至相互接触,便形成了表层细晶区。
细晶区形成的同时,锭模温度升高,液体金属的冷却速度降低,过冷度减小,生核速率降低,此时长大的速度受到的影响较小。晶核优先与散热最快方向的反方向平行长大,形成柱状晶区。
中心等轴晶的形成,一是柱状晶在生长过程中由于锭模内液体的对流,树枝被打碎悬浮在液体中,在铸模中心的温度过冷到熔点以下时得以任意生长。另一个原因是随着凝固过程的进行铸模中心的温度梯度越来越平缓,合金很容易产生成分过冷,大的成分过冷范围,是柱状晶停止生长,前方可能产生一些新的晶核。