《机械工程材料》课程PPT教学课件（金属工艺）第2章 材料的制备与相图 2.4 凝固与结晶理论的应用

2.4 次凝固与结晶理论的应用The applications of solidificationand crystallization theory晶科.液体金属·····.···?炉壁.向O加热器上埔特璃籽晶..水冷底盘下楼

2.4 凝固与结晶理论的应用 The applications of solidification and crystallization theory

2.4.凝固与结晶理论的应用The applications of solidification andcrystallization theoryControl of crystalline grain?2.4.1铸态晶粒度的控制degree for casting)Orientationsolidifying定向凝固技术（2.4.2technology)(Summary)·本章小结“铁碳合金相图”课堂讨论提纲“iron-(A classroom discussing outline aboutcarbon alloy diagram

2.4 凝固与结晶理论的应用 The applications of solidification and crystallization theory •2.4.1 铸态晶粒度的控制 ( Control of crystalline grain degree for casting ) •2.4.2 定向凝固技术 ( Orientation solidifying technology ) •本章小结（Summary） •“铁碳合金相图”课堂讨论提纲 (A classroom discussing outline about “iron￾carbon alloy diagram” )

2.4.1 铸态晶粒度的控制（Controlofcrystalline grain degree for casting )·晶粒大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。·晶粒大小对金属力学性能有很大影响。在常温下，金属的晶粒越细小强度、硬度则越高；同时塑性、韧性也越好。表2.5列出了晶粒大小对纯铁力学性能的影响。由表可见，细化晶粒对于提高金属材料常温力学性能作用很大，这种用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。但对于在高温下工作的材料，晶粒过大或过小都不好。而对于制造电动机和变压器的硅钢片等，则希望晶粒越大越好。因晶粒越大则其磁滞损耗越小，磁效应越高。表2-5口晶粒大小对纯铁力学性能的影响伸长率/%晶粒平均直径/mm抗拉强度/Pa屈服强度/Pa4.0*1016.5*109.7028.818.0*1073.8*107.0030.621.1*104.4*102.5039.526.3*105.7*100.2048.826.4*1076.5*100.1650.727.8*1011.6*100.1050.0

2.4.1 铸态晶粒度的控制 ( Control of crystalline grain degree for casting ) •晶粒大小称为晶粒度 •晶粒大小对金属力学性能有很大影响。在常温下，金属的晶粒越细小， 强度、硬度则越高;同时塑性、韧性也越好。表2.5列出了晶粒大小对纯铁 力学性能的影响。由表可见，细化晶粒对于提高金属材料常温力学性能 作用很大，这种用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。 •但对于在高温下工作的材料，晶粒过大或过小都不好。而对于制造电动 机和变压器的硅钢片等，则希望晶粒越大越好。因晶粒越大则其磁滞损 耗越小，磁效应越高。 晶粒平均直径/mm 抗拉强度/Pa 屈服强度/Pa 伸长率/% 9.70 16.5*107 4.0*107 28.8 7.00 18.0*107 3.8*107 30.6 2.50 21.1*107 4.4*107 39.5 0.20 26.3*107 5.7*107 48.8 0.16 26.4*107 6.5*107 50.7 0.10 27.8*107 11.6*107 50.0 表2-5 晶 粒 大 小 对 纯 铁 力 学 性 能 的 影 响

2.4.1 铸态晶粒度的控制（Controlofcrystalline grain degree for casting )金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的。晶粒大小取决于形核的数目和长大速度。单位时间、单位体积内形成晶核的数目叫形核率(N)，晶核单位时间生长的平均线长度叫长大速度（G)。其比值N/G越大，则晶粒越细小。在工业生产中，常采用以下几种方法来控制晶粒度：GN1.控制过冷度N和G都与AT有关，增大结晶时ATN和G均随之增加，但两者增大的速率不同，N增长率>G增长率，如图2-24所示。在一般金属结晶时过冷范围内，△T越大，则N/G越大，因而晶粒越细小。但此法仅适用于小型薄壁件2.化学变质处理变质处理又叫孕育处理，它是在浇注前往液态金属中加入变质剂，促进非自发形核，抑AT制晶粒长大，从而得到细化晶粒之目的。3.增强液体流动法对即将结晶的金属，采用振动、搅拌、超声波处理等增强金属液体流动的方法，一方面是依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，另一方图2.24过冷度对N和G影面是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，这已成响为一种有效的细化晶粒组织的重要手段

2.4.1 铸态晶粒度的控制 ( Control of crystalline grain degree for casting ) •金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的。晶粒大小取决于形核的数目 和长大速度。单位时间、单位体积内形成晶核的数目叫形核率(N)，晶核单位时间 生长的平均线长度叫长大速度(G)。其比值N/G越大，则晶粒越细小。 图2.24 过冷度对N和G影 响 在工业生产中，常采用以下几种方法来控制晶粒度： 1. 控制过冷度 N和G都与ΔT有关，增大结晶时ΔT， N和G均随之增加，但两者增大的速率不同，N增长率 ＞G增长率，如图2-24所示。在一般金属结晶时过冷 范围内，ΔT越大，则N/G越大，因而晶粒越细小。但 2.化学变质处理 变质处理又叫孕育处理，它是在浇 注前往液态金属中加入变质剂，促进非自发形核，抑 制晶粒长大，从而得到细化晶粒之目的。 3.增强液体流动法 对即将结晶的金属，采用振动、 搅拌、超声波处理等增强金属液体流动的方法，一方 面是依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，另一方 面是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，这已成 为一种有效的细化晶粒组织的重要手段

2.4.2定向凝固技术（Orientationsolidifying technology)定向凝固是控制冷却方式，使铸件从一端开始凝固，按一定方向逐步向另一端发展的结晶过程。前已用这种定向凝固法生产出整个制件都是由同一方向的柱状晶所构成的零件，如蜗轮叶片等。由于沿柱状晶轴向的性能比其它方向性能好而叶片工作条件恰好要求沿这个方向上受最大的负荷，因此这样的叶片具有良好的使用性能。为了获得单向的柱状晶，必须采用定向凝固技术。·图2-25表示快速逐步凝固法实现定向凝固的示意图。金属液体注入铸型后，保持数分钟以达到热稳定，在这段时间内沿铸件轴向造成一定的温度梯度，在用水激冷的铜板表面开始凝固，然后把水冷铜板连同铸型以一定的速度从加热区退出，直至铸件完全凝固为止。用这种方法获得的柱状晶比较细小，性能优良。......液体金属·炉塑加热器铸模一图2.25定向凝固装置示意图水水冷底盘下移

2.4.2 定向凝固技术 ( Orientation solidifying technology ) •定向凝固是控制冷却方式，使铸件从一端开始凝固，按一定方向逐步向另一端发 展的结晶过程。目前已用这种定向凝固法生产出整个制件都是由同一方向的柱状 晶所构成的零件，如蜗轮叶片等。由于沿柱状晶轴向的性能比其它方向性能好， 而叶片工作条件恰好要求沿这个方向上受最大的负荷，因此这样的叶片具有良好 的使用性能。为了获得单向的柱状晶，必须采用定向凝固技术。 •图2-25表示快速逐步凝固法实现定向凝固的示意图。金属液体注入铸型后，保持 数分钟以达到热稳定，在这段时间内沿铸件轴向造成一定的温度梯度，在用水激 冷的铜板表面开始凝固，然后把水冷铜板连同铸型以一定的速度从加热区退出， 直至铸件完全凝固为止。用这种方法获得的柱状晶比较细小，性能优良。 ←图2.25 定向凝固装 置示意图

本章小结(Summary)本章主要讨论机械工程材料凝固与结晶的基本规律，主要介绍了纯金属及其合金两个层次。在纯金属结晶过程中，结晶的充分与必要条件、结晶的规律以及影响因素等必须明确；合金的结晶离不开相图，其中匀晶相图是基础、共晶相图是根本，而铁碳相图由于其在钢铁工业中作为基础而显得尤为重要。在铁碳合金相图中：默画铁碳相图是前提，分析合金的结晶过程特别是钢的平衡结晶过程是基础，杠杆定律用于计算钢中相组分、组织组分的相对百分含量应做到灵活运用，铁碳合金的化学成分、相图与性能之间的关系莫忽略，反复练寸与讨论，重中之重最关键

本章小结（Summary） •本章主要讨论机械工程材料凝固与结晶的基本规律，主要介 绍了纯金属及其合金两个层次。 •在纯金属结晶过程中，结晶的充分与必要条件、结晶的规律 以及影响因素等必须明确；合金的结晶离不开相图，其中匀 晶相图是基础、共晶相图是根本，而铁碳相图由于其在钢铁 工业中作为基础而显得尤为重要。 •在铁碳合金相图中：默画铁碳相图是前提，分析合金的结晶 过程特别是钢的平衡结晶过程是基础，杠杆定律用于计算钢 中相组分、组织组分的相对百分含量应做到灵活运用，铁碳 合金的化学成分、相图与性能之间的关系莫忽略，反复练习 与讨论，重中之重最关键

“铁碳合金相图”课堂讨论提纲“iron-A classroom discussing outline aboutcarbon alloy diagram1课堂讨论采用的方式、方法铁碳相图是本课程的第一个教学重点。一方面，它是分析、研究各种铁碳合金的理论基础和重要工具：另一方面，文是由多种基本类型相图复合组成的一个二元合金相图实例。因此，铁碳相图是每位学生必须熟练掌握的基本内容。这部分教学主要采用“自学一课堂讨论一实验一总结”四环节教学予以保证。其中“自学”是“基础”，首先要围绕讨论内容，自学教材有关内容，写好发言提纲，做好充分准备；课堂讨论是“关键”，它是检验自学的试金石，主要采用“智力竞赛课堂讨论。·课堂讨论题是依据讨论提纲中主要内容精心组织的，划分为必答与抢答题两大类必答题为基础题，主要检查学生对铁碳相图有关基本知识掌握、记忆的熟练程度以小组为单位，采取抽签订题、计时计分法，规定每学生只能答一题，以使更多学生得到锻炼；抢答题则具一定思考性，主要检查学生对该部分基本内容是否真正理解与融汇贯通，采用强答方式，限时记分法，在规定时间内，学生相互补充纠正，最后每题由教师评分、小结。课堂讨论结束后按小组、个人积分多少排列名次，优秀者奖励并记入课程总成绩

“铁碳合金相图”课堂讨论提纲 A classroom discussing outline about “iron￾carbon alloy diagram” •1 课堂讨论采用的方式、方法 •铁碳相图是本课程的第一个教学重点。一方面，它是分析、研究各种铁碳合金的 理论基础和重要工具；另一方面，又是由多种基本类型相图复合组成的一个二元 合金相图实例。因此，铁碳相图是每位学生必须熟练掌握的基本内容。这部分教 学主要采用“自学—课堂讨论—实验—总结”四环节教学予以保证。其中“自学” 是“基础”，首先要围绕讨论内容，自学教材有关内容，写好发言提纲，做好充 分准备；课堂讨论是“关键”，它是检验自学的试金石，主要采用 “智力竞赛” 课堂讨论。 •课堂讨论题是依据讨论提纲中主要内容精心组织的，划分为必答与抢答题两大类， 必答题为基础题，主要检查学生对铁碳相图有关基本知识掌握、记忆的熟练程度， 以小组为单位，采取抽签订题、计时计分法，规定每学生只能答一题，以使更多 学生得到锻炼；抢答题则具一定思考性，主要检查学生对该部分基本内容是否真 正理解与融汇贯通，采用强答方式，限时记分法，在规定时间内，学生相互补充 纠正，最后每题由教师评分、小结。课堂讨论结束后按小组、个人积分多少排列 名次，优秀者奖励并记入课程总成绩

2.课堂讨论目的·(1)熟悉铁碳合金相图，明确相图中各基本相的本质以及各重要特性点、线的含义；·（2）综合运用二元合金相图基本知识，通过对典型铁碳合金（重点是钢）结晶过程分析，进一步掌握相图的基本分析方法以及铁碳合金的室温平衡组织特征：:(3)弄清相和组织的概念，灵活运用杠杆定律分别求出相组分、组织组分的相对质量分数；·(4)掌握铁碳合金（特别是钢）成分一组织一性能三者之间的关系

2. 课堂讨论目的 •（1）熟悉铁碳合金相图，明确相图中各基本相的本质以 •（2）综合运用二元合金相图基本知识，通过对典型铁碳 合金(重点是钢)结晶过程分析，进一步掌握相图的基本分 析方法以及铁碳合金的室温平衡组织特征 •（3）弄清相和组织的概念，灵活运用杠杆定律分别求出 相组分、组织组分的相对质量分数； •（4）掌握铁碳合金(特别是钢)成分—组织—性能三者之 间的关系

3.课堂讨论内容·（1）默画出经简化的铁碳合金相图，正确标注相图中各特性点的字母符号，并能区分以相组分或组织组分两种填写相图方法。·（2）熟知相图中重要特性点(P、S、E、C)、特性线(GS、ES、PQPSK、ECF)的含义(注意：温度、成分及反应式等)。·（3）说明各基本相的本质，指出αFe与α、F相，YFe与Y、A相的区别。·（4）写出C、S点进行相变的反应类型、反应式，并说明其反应产物的名称，组织特征和主要性能特点。·（5）分析碳含量为0.45%、0.77%、1.2%的铁碳合金的平衡结晶过程（用文字和冷却曲线两种方式），并画出其室温平衡组织示意图（标明各组织组分，指出这三种合金的结晶过程有何相同之处，又有什么区别？

3.课堂讨论内容 •（1）默画出经简化的铁碳合金相图，正确标注相图中各特性点的字母符 •（2）熟知相图中重要特性点(P、S、E、C)、特性线(GS、ES、PQ、 PSK、ECF)的含义(注意：温度、成分及反应式等) •（3）说明各基本相的本质，指出α Fe与α、F相，γ Fe与γ、A相的区 •（4）写出C、S点进行相变的反应类型、反应式，并说明其反应产物的 名称，组织特征和主要性能特点。 •（5）分析碳含量为0.45%、0.77%、1.2%的铁碳合金的平衡结晶过程 (用文字和冷却曲线两种方式)，并画出其室温平衡组织示意图(标明各组织 组分)，指出这三种合金的结晶过程有何相同之处，又有什么区别?

3.课堂讨论内容·（6）总结杠杆定律的适用条件及一般情况下杠杆支点、两个端点的确定规律，灵活运用杠杆定律计算室温下含碳量为0.45%、0.77%、1.2%三种成分的铁碳合金各组织组分及各相组分的相对百分含量。·（7）分清平衡状态下五种渗碳体的形成过程，弄懂渗碳体的形态、大小和分布对合金性能的影响。·（8）就铁碳相图中F、P、L’d、A、F+P、L＇d+Fe3C、Fe3CI、Fe3CⅡ等，说明哪些是相、组织、相组分、组织组分?相与组织的关系如何？·（9）总结铁碳合金(特别是钢)的成分一组织一性能之间的关系。·（10）参见教材中“习题与思考题”中的第8～14题

3.课堂讨论内容 •（6）总结杠杆定律的适用条件及一般情况下杠杆支点、两个端点的 确定规律，灵活运用杠杆定律计算室温下含碳量为0.45%、0.77%、 1.2% •（7）分清平衡状态下五种渗碳体的形成过程，弄懂渗碳体的形态、 •（8）就铁碳相图中F 、P 、L′d 、A 、F+P 、L′d+Fe3C 、 Fe3CⅠ、Fe3CⅡ 等，说明哪些是相、组织、相组分、组织组分 ? 相与组织的关系如何 ? •（9）总结铁碳合金(特别是钢)的成分—组织— •（10）参见教材中“习题与思考题”中的第8～14