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[1]?由热力学第二定律可知:在等温等压条件下,过程自动进行的向总是向着系统[2]自由能降低的向。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]。3-2为什么金属结晶时常以枝晶式长大?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。不-|||-300-|||-250 Tsn-|||-200 a l+α l+β β-|||-150 C _(1) D-|||-100 α+β-|||-50 19.2 61.9 97.5 G-|||-11-|||-0 20 40 60 80 100%-|||-100%Pb u% Sn不-|||-300-|||-250 Tsn-|||-200 a l+α l+β β-|||-150 C _(1) D-|||-100 α+β-|||-50 19.2 61.9 97.5 G-|||-11-|||-0 20 40 60 80 100%-|||-100%Pb u% Sn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-(50-19.2)/(61.9-19.2)=72.13%共晶组织中的α相占全部合金的相对量:(97.5-6.1.90)/(97.5-19.2)*72.13%=32.82%共晶组织中的β相相对量为1-32.82%=67.18%3-4请根据图3.44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=(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82%Mβ=1- 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,L初==β;2~20.50时,剩余液相发生共晶反应:L，==α+β2~3时,发生脱溶转变,α→β0.50室温下,II合金由两个相组成,即α相和β相,其相对量为:Mα=(0.90-0.80)/(0.90-0.05)*100%=12%Mβ=1- 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=(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75%mβ初=1- m=25%解(3):设合金的成分为w=x,由题意知:mB=(x-0.50)/(0.90-0.50)*100%=5%所以x=0.52,即该合金成分为wβ=0.52.3-5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L0.45→ L0.53+ δ,包晶转变L0.53 + δ → γ0.45,同素异晶转变γ0.45→ α + γ0.77,共析转变γ0.77 → (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L0.60→ L0.53+ δ,包晶转变L0.53 + δ → γ0.60,同素异晶转变γ0.60→ α + γ0.77,共析转变γ0.77 → (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(0.77%C);共析转变γ0.77 → (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=(2.11-1.2)/ (2.11-0.0218)=33.9% Q=1-33.9%=66.1%(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。WFe=(2.11-0.77)/(6.69-0.8)*100%=23% W Fe=0.02/6.69*100%=33%二次渗碳体的最大百分含量为22.6%,三次渗碳体的最大百分含量为0.33%(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0.0218%~0.77%)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0.0218%~0.25%)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0.9%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[1]?
由热力学第二定律可知:在等温等压条件下,过程自动进行的向总是向着系统[2]自由能降低的向。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]。
3-2为什么金属结晶时常以枝晶式长大?
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-(50-19.2)/(61.9-19.2)=72.13%
共晶组织中的α相占全部合金的相对量:(97.5-6.1.90)/(97.5-19.2)*72.13%=32.82%
共晶组织中的β相相对量为1-32.82%=67.18%
3-4请根据图3.44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=(0.90-0.20)/(0.90-0.05)*100%=82%
Mβ=1- 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,L初==β;
2~20.50时,剩余液相发生共晶反应:
L，==α+β
2~3时,发生脱溶转变,α→β0.50
室温下,II合金由两个相组成,即α相和β相,其相对量为:
Mα=(0.90-0.80)/(0.90-0.05)*100%=12%
Mβ=1- 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=(0.80-0.50)/(0.90-0.50)*100%=75%
mβ初=1- m=25%
解(3):
设合金的成分为w=x,由题意知:
mB=(x-0.50)/(0.90-0.50)*100%=5%
所以x=0.52,即该合金成分为wβ=0.52.
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L0.45→ L0.53+ δ,包晶转变L0.53 + δ → γ0.45,同素异晶转变γ0.45→ α + γ0.77,共析转变γ0.77 → (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L0.60→ L0.53+ δ,包晶转变L0.53 + δ → γ0.60,同素异晶转变γ0.60→ α + γ0.77,共析转变γ0.77 → (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(0.77%C);共析转变γ0.77 → (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=(2.11-1.2)/ (2.11-0.0218)=33.9% Q=1-33.9%=66.1%
(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。
WFe=(2.11-0.77)/(6.69-0.8)*100%=23% W Fe=0.02/6.69*100%=33%
二次渗碳体的最大百分含量为22.6%,三次渗碳体的最大百分含量为0.33%
(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0.0218%~0.77%)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0.0218%~0.25%)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0.9%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0.0218%到0.77%之间,后面一种是过共析钢碳含量为0.77%到2.11%。
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)=0.2%、w(C)=0.4%、 w(C)=1.2% 、w(C)=3.5%。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)=0.2%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)=0.4%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)=1.2%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)=3.5%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向的反向平行长大,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,大的成分过冷围,是柱状晶停止生长,前可能产生一些新的晶核。