材料的凝固與結(jié)晶

1、工程材料學(xué)工程材料學(xué) 純金屬的結(jié)晶 合金的相結(jié)構(gòu) 合金的結(jié)晶與相圖 第一節(jié)第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 ( crystal of simple metal )凝固與結(jié)晶的概念凝固與結(jié)晶的概念結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律同素異晶同素異晶( (構(gòu)構(gòu)) )轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 一、一、 凝固與結(jié)晶的概念凝固與結(jié)晶的概念1.凝固凝固 ( coagulation ) 物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過(guò)程。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過(guò)程。凝結(jié)蒸發(fā) 凝固熔化 凝華升華2.結(jié)晶結(jié)晶 ( crystal ) * *晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過(guò)程。晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過(guò)程。 * *物質(zhì)中的原子由物質(zhì)中的原子由近程有序排列近程

2、有序排列向向遠(yuǎn)遠(yuǎn) 程有序排列程有序排列的過(guò)程。的過(guò)程。意義意義：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多數(shù)用冶煉來(lái)方法生產(chǎn)出來(lái)，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過(guò)冷數(shù)用冶煉來(lái)方法生產(chǎn)出來(lái)，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過(guò)冷卻后才得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結(jié)構(gòu)與從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閰s后才得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結(jié)構(gòu)與從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程有關(guān)，從而也影響材料的性能。固態(tài)的過(guò)程有關(guān)，從而也影響材料的性能。3 3 凝固狀態(tài)的影響因素凝固狀態(tài)的影響因素1.1.物質(zhì)的本質(zhì)物質(zhì)的本質(zhì)：原子以那種方式結(jié)合使系統(tǒng)吉布斯自：原子以那種方式結(jié)合使系統(tǒng)吉布斯自由能更低。溫度高時(shí)原子活動(dòng)能力

3、強(qiáng)排列紊亂能量由能更低。溫度高時(shí)原子活動(dòng)能力強(qiáng)排列紊亂能量低，而低溫下按特定方式排列結(jié)合能高可降低其總低，而低溫下按特定方式排列結(jié)合能高可降低其總能量。這是熱力學(xué)的基本原則。能量。這是熱力學(xué)的基本原則。2.2.熔融液體的粘度熔融液體的粘度：粘度表征流體中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的：粘度表征流體中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力，隨溫度降低，粘度不斷增加，在到達(dá)結(jié)晶轉(zhuǎn)阻力，隨溫度降低，粘度不斷增加，在到達(dá)結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度前，粘度增加到能阻止在重力作用物質(zhì)發(fā)生變溫度前，粘度增加到能阻止在重力作用物質(zhì)發(fā)生流動(dòng)時(shí)，即可以保持固定的形狀，這時(shí)物質(zhì)已經(jīng)凝流動(dòng)時(shí)，即可以保持固定的形狀，這時(shí)物質(zhì)已經(jīng)凝固，不能發(fā)生結(jié)晶。例如玻璃、高分子材料

4、。固，不能發(fā)生結(jié)晶。例如玻璃、高分子材料。3.3.熔融液體的冷卻速度熔融液體的冷卻速度：冷卻速度快，到達(dá)結(jié)晶溫度冷卻速度快，到達(dá)結(jié)晶溫度原子來(lái)不及重新排列就降到更低溫度，最終到室溫原子來(lái)不及重新排列就降到更低溫度，最終到室溫時(shí)難以重組合成晶體，可以將無(wú)規(guī)則排列固定下來(lái)。時(shí)難以重組合成晶體，可以將無(wú)規(guī)則排列固定下來(lái)。金屬材料需要達(dá)到金屬材料需要達(dá)到10106 6/s/s才能獲得非晶態(tài)。才能獲得非晶態(tài)。 在一般生產(chǎn)過(guò)程的冷卻條件下，金屬材料凝固為晶體，在一般生產(chǎn)過(guò)程的冷卻條件下，金屬材料凝固為晶體，這時(shí)的凝固過(guò)程也是結(jié)晶過(guò)程。這時(shí)的凝固過(guò)程也是結(jié)晶過(guò)程。 二、二、 結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律

5、( (一）一）. .結(jié)晶的一般過(guò)程結(jié)晶的一般過(guò)程微小微小晶核晶核長(zhǎng)大長(zhǎng)大晶體晶體液態(tài)結(jié)構(gòu)液態(tài)結(jié)構(gòu)由x射線衍射對(duì)金屬的徑向分布密度函數(shù)的測(cè)定表明.液體中原子間的平均距離比固體中略大；液體中原子的配位數(shù)比密排結(jié)構(gòu)晶體的配位數(shù)減小，通常在811的范圍內(nèi)。上述兩點(diǎn)均導(dǎo)致熔化時(shí)體積略為增加，但對(duì)非密排結(jié)構(gòu)的晶體如 sb，bi，ga，ge等，則液態(tài)時(shí)配全數(shù)反而增大，故熔化時(shí)體積略為收縮。除此以外，液態(tài)結(jié)構(gòu)的最重要特征是原子排列為長(zhǎng)程無(wú)序，短程有序并且短程有序原子集團(tuán)不是固定不變的，它是一種此消彼長(zhǎng)，瞬息萬(wàn)變，尺寸不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為，這有別于晶體的長(zhǎng)程有序的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。固態(tài)結(jié)構(gòu)態(tài)結(jié)構(gòu)原子間的平均距離比

6、液體中略??；密排六方晶體的原子配位數(shù)比液體大原子排列為長(zhǎng)程有序，短程有序并且長(zhǎng)程有序原子集團(tuán)基本固定不變結(jié)晶的過(guò)程液體中形成核心核心長(zhǎng)大to(二）二）.結(jié)晶的過(guò)冷現(xiàn)象結(jié)晶的過(guò)冷現(xiàn)象1.純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線時(shí)間溫度理論冷卻曲線理論冷卻曲線實(shí)際冷卻曲線實(shí)際冷卻曲線tn結(jié)晶平臺(tái)結(jié)晶平臺(tái)(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)2. 過(guò)冷現(xiàn)象與過(guò)冷度過(guò)冷現(xiàn)象與過(guò)冷度過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷現(xiàn)象 ( supercooling )過(guò)冷度過(guò)冷度 ( degree of supercooling ) t = t0 tn過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件。過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件。 (三）三）. 結(jié)晶的能量條件及結(jié)構(gòu)條件結(jié)

7、晶的能量條件及結(jié)構(gòu)條件1.金屬結(jié)晶的能量條件金屬結(jié)晶的能量條件: : g = u s t g 物體的自由能物體的自由能 u 物體的內(nèi)能物體的內(nèi)能 s 熵熵 t 溫度溫度 k g / t = see-fttgtntotl液相液相固相固相2.金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件近程有序結(jié)構(gòu)近程有序結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏結(jié)晶結(jié)晶遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)( (四）四）. .結(jié)晶的一般規(guī)律結(jié)晶的一般規(guī)律形核形核長(zhǎng)大長(zhǎng)大( (四）四）. .結(jié)晶的一般規(guī)律結(jié)晶的一般規(guī)律: : 形核、長(zhǎng)大。形核、長(zhǎng)大。1.晶核的形成晶核的形成在一定的過(guò)冷度下在一定的過(guò)冷度下, ,當(dāng)當(dāng)g g體體g g表表時(shí)時(shí), ,晶核就晶核就形

8、成。形成。晶核形成的形式晶核形成的形式: : * *自發(fā)形核自發(fā)形核 t = 200(純凈液體、均勻形核純凈液體、均勻形核) * *非自發(fā)形核非自發(fā)形核 t = 20（依附未熔質(zhì)點(diǎn)形核）依附未熔質(zhì)點(diǎn)形核） 液態(tài)金屬中總是存在不穩(wěn)定的規(guī)則排列的微小原子液態(tài)金屬中總是存在不穩(wěn)定的規(guī)則排列的微小原子集團(tuán)，稱為相起伏。過(guò)冷液相中的相起伏稱為晶胚。集團(tuán)，稱為相起伏。過(guò)冷液相中的相起伏稱為晶胚。 過(guò)冷度足夠大時(shí)，一些晶胚轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的晶核，不再融過(guò)冷度足夠大時(shí)，一些晶胚轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的晶核，不再融化，結(jié)晶開(kāi)始?；?，結(jié)晶開(kāi)始。 過(guò)冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。過(guò)冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快

9、。 2.晶核的長(zhǎng)大方式晶核的長(zhǎng)大方式樹(shù)枝狀樹(shù)枝狀2.晶核的長(zhǎng)大方式晶核的長(zhǎng)大方式樹(shù)枝狀樹(shù)枝狀金屬的樹(shù)枝金屬的樹(shù)枝晶晶金屬的樹(shù)枝金屬的樹(shù)枝晶晶金屬的樹(shù)枝金屬的樹(shù)枝晶晶冰的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶3.影響晶核的形核率和影響晶核的形核率和 晶體長(zhǎng)大率的因素晶體長(zhǎng)大率的因素v過(guò)冷度過(guò)冷度的影響的影響v未熔雜質(zhì)未熔雜質(zhì)的影響的影響4 4、晶粒大小的概念、晶粒大小的概念 晶粒的尺寸指統(tǒng)計(jì)描述晶粒的大小，各晶粒的大晶粒的尺寸指統(tǒng)計(jì)描述晶粒的大小，各晶粒的大小和形狀并不全相同，這就是統(tǒng)計(jì)的含義，有多種來(lái)小和形狀并不全相同，這就是統(tǒng)計(jì)的含義，有多種來(lái)計(jì)量，例如單位體積內(nèi)的晶粒個(gè)數(shù)。在生產(chǎn)中用晶粒計(jì)量，例如單位體積內(nèi)的晶

10、粒個(gè)數(shù)。在生產(chǎn)中用晶粒度，測(cè)定方法是在放大度，測(cè)定方法是在放大100100倍下觀察和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行對(duì)比倍下觀察和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行對(duì)比評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)，1 18 8級(jí)級(jí)( (有更高的有更高的) )，級(jí)別高的晶粒細(xì)。級(jí)別的，級(jí)別高的晶粒細(xì)。級(jí)別的定義為在放大定義為在放大100100下，每平方英寸內(nèi)下，每平方英寸內(nèi)1 1個(gè)晶粒時(shí)為一級(jí)，個(gè)晶粒時(shí)為一級(jí)，數(shù)量增加數(shù)量增加 倍提高一級(jí)。用于計(jì)算的定量描述還用平倍提高一級(jí)。用于計(jì)算的定量描述還用平均截線長(zhǎng)來(lái)表示。均截線長(zhǎng)來(lái)表示。 1)過(guò)冷度的影響過(guò)冷度的影響在一般工業(yè)條件下，急冷， t增大，n、g值增大，晶粒(crystal grain)越細(xì)，性能越好；緩冷，n、g值 減

11、小，晶粒越粗，性能越差。1)過(guò)冷度的影響過(guò)冷度的影響2)未熔雜質(zhì)的影響未熔雜質(zhì)的影響* *自發(fā)形核自發(fā)形核 t = 200* *非自發(fā)形核非自發(fā)形核 t = 20 20( (五）五）. .細(xì)化晶粒的途徑細(xì)化晶粒的途徑v細(xì)化晶粒的途徑細(xì)化晶粒的途徑v v冷冷t tn n晶粒細(xì)小晶粒細(xì)小v變質(zhì)處理變質(zhì)處理v機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁攪拌等。機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁攪拌等。晶粒度即晶粒大小，一般情況下，晶粒愈小，則金屬的強(qiáng)度、塑性、韌性愈好，因此工程上細(xì)化晶粒是提高金屬機(jī)械性能的最重要的途徑之一凝固體的結(jié)構(gòu)凝固體的結(jié)構(gòu)表層等軸細(xì)晶區(qū)表層等軸細(xì)晶區(qū) 晶粒細(xì)小，取向隨機(jī)，尺晶粒細(xì)小，取向隨機(jī)，尺寸等軸

12、，因?yàn)闈茶T時(shí)錠模溫度低，大的寸等軸，因?yàn)闈茶T時(shí)錠模溫度低，大的過(guò)冷度加上模壁和涂料幫助形核，大的過(guò)冷度加上模壁和涂料幫助形核，大的形核率使與錠模接觸的表層得到等軸細(xì)形核率使與錠模接觸的表層得到等軸細(xì)晶區(qū)。晶區(qū)。柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū) 隨模具溫度的升高，只能隨隨模具溫度的升高，只能隨錠模的散熱而降低溫度，形核困難，只錠模的散熱而降低溫度，形核困難，只有表層晶粒向內(nèi)生長(zhǎng)，不同晶向的生長(zhǎng)有表層晶粒向內(nèi)生長(zhǎng)，不同晶向的生長(zhǎng)速度不一樣，那些較生長(zhǎng)有利的部分晶速度不一樣，那些較生長(zhǎng)有利的部分晶粒同時(shí)向內(nèi)長(zhǎng)大，掩蓋了大量的晶粒，粒同時(shí)向內(nèi)長(zhǎng)大，掩蓋了大量的晶粒，形成了較粗且方向基本相同的長(zhǎng)形晶粒形成了較粗且方向基

13、本相同的長(zhǎng)形晶粒區(qū)。區(qū)。中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū) 凝固的進(jìn)行后期，四周凝固的進(jìn)行后期，四周散熱和液體的對(duì)流，中心的溫度達(dá)到均散熱和液體的對(duì)流，中心的溫度達(dá)到均勻，降到凝固店以下后，表層晶粒的沉勻，降到凝固店以下后，表層晶粒的沉降、生長(zhǎng)中碎斷晶枝的沖入可作為核心，降、生長(zhǎng)中碎斷晶枝的沖入可作為核心，且可向四周均勻生長(zhǎng)，形成等軸晶。晶且可向四周均勻生長(zhǎng)，形成等軸晶。晶核數(shù)量的有限，該區(qū)間的晶粒通常較粗核數(shù)量的有限，該區(qū)間的晶粒通常較粗大大純鐵的純鐵的同素異晶同素異晶( allomorph )轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變反應(yīng)式反應(yīng)式:三三 金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變1394 c912 cbccfccbcc -

14、 fe - fe - fe 純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線1394153410006008001200溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912 - fe - fe - fe第二節(jié)第二節(jié) 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)( phase structure of alloy )v基本概念基本概念v合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)及性能合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)及性能一一 基本概念基本概念合金合金 ( alloy ) 一種金屬元素與若干種其它種元素結(jié)合一種金屬元素與若干種其它種元素結(jié)合成的具有金屬特成的具有金屬特 性的物質(zhì)。性的物質(zhì)。組元組元 ( 元元 ) ( element ) 組成合金的基本

15、物質(zhì)，可以組成合金的基本物質(zhì)，可以是元素，也可以是化合物。是元素，也可以是化合物。相相 ( phase ) 合金中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)相同，且以界合金中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)相同，且以界面相互分開(kāi)的組面相互分開(kāi)的組 成部分。成部分。顯微組織顯微組織 ( microscopic structure ) 二二 合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)及性能合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)及性能固溶體固溶體 (solid solution )合金中各組元在固態(tài)互相溶解合金中各組元在固態(tài)互相溶解形成的晶格與某組元相同的新相。該組元稱溶劑，其它稱溶質(zhì)。形成的晶格與某組元相同的新相。該組元稱溶劑，其它稱溶質(zhì)。金屬化合物金屬化合物 ( meta

16、llic compound ) 合金中各組元在固態(tài)互相溶解形成的一種晶格類型和性能完全合金中各組元在固態(tài)互相溶解形成的一種晶格類型和性能完全不同于原來(lái)任一組元相同的新固相稱為金屬化合物。不同于原來(lái)任一組元相同的新固相稱為金屬化合物。機(jī)械混合物機(jī)械混合物 ( mechanical impurity )( (一）一）. .固溶體固溶體 ( solid solution ) 溶劑溶劑a + 溶質(zhì)溶質(zhì)b = c bcc fcc bcc例如例如: fe + c = f ( 鐵素體鐵素體 ) 體心體心 六方六方 體心體心 濃度：濃度： 溶質(zhì)原子溶入固溶體溶質(zhì)原子溶入固溶體 中的量。中的量。 溶解度：一定溫

17、度下的最大濃度，也稱固溶度。溶解度：一定溫度下的最大濃度，也稱固溶度。v固溶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)固溶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 鐵素體的晶體結(jié)構(gòu)鐵素體的晶體結(jié)構(gòu)一一) )固溶體的主要類型及形成條件固溶體的主要類型及形成條件1.置換固溶體置換固溶體 ( substitution solid solution ) * * 形成特征形成特征: : r溶劑溶劑 r溶質(zhì)溶質(zhì) 例如例如: : au - - cu 置換固溶體結(jié)構(gòu)示意圖置換固溶體結(jié)構(gòu)示意圖置換固溶體的分類置換固溶體的分類v無(wú)限固溶體無(wú)限固溶體v有限固溶體有限固溶體v無(wú)序固溶體無(wú)序固溶體v有序固溶體有序固溶體 有序固溶體結(jié)構(gòu)示意圖有序固溶體結(jié)構(gòu)示意圖cu3aucua

18、u2.間隙固溶體間隙固溶體 ( interstitial solid solution ) * * 形成的特征形成的特征: : r溶質(zhì)溶質(zhì) / r溶劑溶劑 0.59 例如例如: : fe - c 間隙固溶體結(jié)構(gòu)示意圖間隙固溶體結(jié)構(gòu)示意圖二二) )固溶體的性能固溶體的性能 v固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 ( solution strength ) 通過(guò)形成固熔體而使強(qiáng)度、硬度增加的現(xiàn)象通過(guò)形成固熔體而使強(qiáng)度、硬度增加的現(xiàn)象v晶格畸變晶格畸變 ( distortion of lattice ) 溶質(zhì)原子對(duì)晶格畸變影響示意圖溶質(zhì)原子對(duì)晶格畸變影響示意圖 預(yù)習(xí)：預(yù)習(xí)：第二節(jié)第二節(jié) 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)二、合金

19、在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)及性能二、合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)及性能固溶體固溶體 (solid solution )合金中各組元在固態(tài)互相溶解合金中各組元在固態(tài)互相溶解形成的晶格與某組元相同的新相。該組元稱溶劑，其它稱溶質(zhì)。形成的晶格與某組元相同的新相。該組元稱溶劑，其它稱溶質(zhì)。 類型：置換固溶體，間隙固溶體類型：置換固溶體，間隙固溶體 性能：固溶強(qiáng)化性能：固溶強(qiáng)化 晶格畸變晶格畸變 金屬化合物金屬化合物 ( metallic compound ) 合金中各組元在固態(tài)互相溶解形成的一種晶格類型和性能完全合金中各組元在固態(tài)互相溶解形成的一種晶格類型和性能完全不同于原來(lái)任一組元相同的新固相稱為金屬化合物。不同于原

20、來(lái)任一組元相同的新固相稱為金屬化合物。機(jī)械混合物機(jī)械混合物 ( mechanical impurity )(二）二）.金屬化合物金屬化合物 ( intermetallic compound )溶劑溶劑a + 溶質(zhì)溶質(zhì)b = c bcc fcc cph 例如例如: 3fe + c = fe3c 體心體心 六方六方 復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)v金屬化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有原子整數(shù)倍關(guān)系具有原子整數(shù)倍關(guān)系金屬特性：金屬特性：金屬鍵金屬鍵，（離子鍵、共價(jià)鍵），（離子鍵、共價(jià)鍵） 滲碳體滲碳體( fe3c )晶格結(jié)構(gòu)示意圖晶格結(jié)構(gòu)示意圖一一) 金屬化合物的主要類型金屬化合物的主要類型1.正常價(jià)化合

21、物正常價(jià)化合物( normal compounds )正常價(jià)化合物：正常價(jià)化合物： 由元素周期表中電負(fù)性相差較大或由元素周期表中電負(fù)性相差較大或相距較遠(yuǎn)的元素組成，符合化合價(jià)規(guī)律，如：相距較遠(yuǎn)的元素組成，符合化合價(jià)規(guī)律，如： mg2si, zns,2.電子價(jià)化合物電子價(jià)化合物 ( electron compounds ) ：一般不符合化合價(jià)規(guī)律，一般不符合化合價(jià)規(guī)律， 其晶體結(jié)構(gòu)由電子濃度（價(jià)電子其晶體結(jié)構(gòu)由電子濃度（價(jià)電子總數(shù)與原子總數(shù)之比）決定，如下表總數(shù)與原子總數(shù)之比）決定，如下表3.間隙化合物間隙化合物 ( interstitial compounds )3.間隙化合物間隙化合物 (

22、interstitial compounds )由過(guò)渡族金屬元素（原子半徑較大）與非金屬元素（原由過(guò)渡族金屬元素（原子半徑較大）與非金屬元素（原子半徑較?。┙M成，非金屬原子（子半徑較?。┙M成，非金屬原子（c、n、b等）處于等）處于晶格間隙中。晶格間隙中。 間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元，如：元，如：vc (fcc 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)) fe 3c (復(fù)雜晶格復(fù)雜晶格)二二) 金屬化合物的主要性能金屬化合物的主要性能具有一定程度的金屬性質(zhì)。具有一定程度的金屬性質(zhì)。較高的熔點(diǎn)。較高的熔點(diǎn)。硬度較高。硬度較高。脆性高。脆性高。 特殊的物理、化學(xué)特殊的物理、化學(xué)( (電、磁、

23、光、聲等電、磁、光、聲等) )性能，性能， 功能材料中的應(yīng)用功能材料中的應(yīng)用 第三節(jié)第三節(jié) 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立 與結(jié)晶過(guò)程分析與結(jié)晶過(guò)程分析一一.基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí) 1.合金系合金系 ( alloy series ) 2.平衡組織平衡組織 ( statenchyma ) 3.相圖相圖 ( phase diagram ) 表明合金系中不同成分合金在表明合金系中不同成分合金在極緩慢加熱、冷卻過(guò)程極緩慢加熱、冷卻過(guò)程中中的不同溫度時(shí)，由哪些相構(gòu)成以及這些的不同溫度時(shí)，由哪些相構(gòu)成以及這些相之間的平衡關(guān)系相之間的平衡關(guān)系的圖形。的圖形。相圖的用途相圖的用途1.1.由材料的成分和溫度預(yù)知

24、平衡相；由材料的成分和溫度預(yù)知平衡相；2.2.材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時(shí)其他平衡相變化的規(guī)律；材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時(shí)其他平衡相變化的規(guī)律；3.3.估算平衡相的數(shù)量。估算平衡相的數(shù)量。預(yù)測(cè)材料的組織和性能預(yù)測(cè)材料的組織和性能相圖的建立相圖的建立熱熱 分分 析析 法法配制系列成分的合金（以cu-ni合金為例）測(cè)定上述合金的冷卻曲線找出冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即合金的臨界點(diǎn)將各臨界點(diǎn)標(biāo)在以溫度為縱坐標(biāo)，以成分為橫坐標(biāo)的圖中，將同類臨界點(diǎn)連接起來(lái)即可得到合金相圖相圖建立相圖建立用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)繪，如用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)繪，如cu ni合金系：合金系：液相線 abc 以上為液相區(qū)，固相線abc以下為固態(tài)區(qū)，

25、中間固液兩相共存區(qū)。以上相圖是在無(wú)限緩慢冷卻條件下獲得結(jié)晶狀態(tài)，故又稱為平衡相圖abab : 液相線液相線ab : 固相線固相線ll + ssl : 液相區(qū)液相區(qū)s : 固相區(qū)固相區(qū)l+s:液固共存區(qū)液固共存區(qū)ab溫度tltstnbac杠桿定理杠桿定理qs=(bcab) 100% ql=(acab) 100% qs + ql = 1a qs + b ql = cababls溫度qlqs三、相圖分析三、相圖分析1.勻晶相圖勻晶相圖 固溶體材料冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變固溶體材料冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變1 1點(diǎn)以上液體冷卻點(diǎn)以上液體冷卻1 1點(diǎn)開(kāi)始凝固，固體成點(diǎn)開(kāi)始凝固，固體成分在對(duì)應(yīng)固相線處分在對(duì)應(yīng)固相線處1 12

26、2之間，溫度下降，之間，溫度下降，液體數(shù)量減少，固液體數(shù)量減少，固體數(shù)量增加，成分體數(shù)量增加，成分沿液相線和固相線沿液相線和固相線變化，變化，到到2 2點(diǎn)，液體數(shù)量為點(diǎn)，液體數(shù)量為0 0，固體成分回到合金固體成分回到合金原始成分，凝固完原始成分，凝固完成成2 2點(diǎn)以下固體冷卻，無(wú)點(diǎn)以下固體冷卻，無(wú)組織變化組織變化1.1.與純金屬凝固一樣由形與純金屬凝固一樣由形核和長(zhǎng)大來(lái)完成結(jié)晶過(guò)核和長(zhǎng)大來(lái)完成結(jié)晶過(guò)程，實(shí)際進(jìn)行在一定的程，實(shí)際進(jìn)行在一定的過(guò)冷度下。過(guò)冷度下。2.2.凝固在一溫度范圍內(nèi)進(jìn)凝固在一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。只有在溫度不斷下行。只有在溫度不斷下將時(shí)固體量才增加，溫將時(shí)固體量才增加，溫度不變，液

27、固數(shù)量維持度不變，液固數(shù)量維持平衡不變。平衡不變。3.3.凝固過(guò)程中液體和固體凝固過(guò)程中液體和固體的成分在不斷變化。的成分在不斷變化。如果冷卻速度較快，液體和固體成分來(lái)不及均勻，除晶粒細(xì)小外，固體中的如果冷卻速度較快，液體和固體成分來(lái)不及均勻，除晶粒細(xì)小外，固體中的成分會(huì)出現(xiàn)不均勻，樹(shù)枝晶中成分也不均勻，產(chǎn)生晶內(nèi)偏析；成分會(huì)出現(xiàn)不均勻，樹(shù)枝晶中成分也不均勻，產(chǎn)生晶內(nèi)偏析；冷卻慢了會(huì)出現(xiàn)區(qū)域偏析。工程中采用先快冷，再在固態(tài)較高溫度下讓成分冷卻慢了會(huì)出現(xiàn)區(qū)域偏析。工程中采用先快冷，再在固態(tài)較高溫度下讓成分均勻。均勻。2 2 共晶相圖共晶相圖兩組元在液態(tài)中無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)有限互溶且發(fā)生共晶反應(yīng)(e

28、utectic reaction)的一種相圖，如pb-sn、ag-cu、al-si等兩組元在液態(tài)中無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)有限互溶且發(fā)生共晶反應(yīng)(eutectic reaction)的一種相圖，如pb-sn、ag-cu、al-si等相圖分析點(diǎn)：a、 b、e（共晶點(diǎn)）：該點(diǎn)成分的液相將發(fā)生共晶反應(yīng) 線：aeb液相線， amenb 固相線mfsn在中的溶解度曲線ngpb在中的溶解度曲線men共晶線，成分在該線范圍內(nèi)的合金冷卻到該線以下時(shí)將發(fā)生共晶反應(yīng) le m+n 共晶相圖共晶相圖1。相圖簡(jiǎn)介：。相圖簡(jiǎn)介： 共晶線：一條水平線共晶線：一條水平線 men。le m+n相區(qū)：相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：l, ,

29、雙相區(qū)：雙相區(qū)：l + ， l + ， + 三相區(qū)：三相區(qū)： l + + 二元相圖中的三相二元相圖中的三相區(qū)都是水平線。區(qū)都是水平線。 2。共晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變 恒溫下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩種成分一定的固恒溫下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩種成分一定的固相的轉(zhuǎn)變。相的轉(zhuǎn)變。 le m + n ( m + n ）稱為）稱為共晶體共晶體，總是寫在括號(hào)內(nèi)。，總是寫在括號(hào)內(nèi)。 共共晶體為兩相細(xì)密交替分布的機(jī)械混合物，如下右圖所示晶體為兩相細(xì)密交替分布的機(jī)械混合物，如下右圖所示。te3。典型合金平衡結(jié)晶分析。典型合金平衡結(jié)晶分析合金合金 室溫時(shí)為均勻的單相室溫時(shí)為均勻的單相。合金合金 冷卻至冷卻至

30、 cg 線上的線上的3點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)時(shí)， 相達(dá)到飽和，繼續(xù)冷卻，則從相達(dá)到飽和，繼續(xù)冷卻，則從 相中析出相中析出 相。相。 從固溶體里析出的另一固相從固溶體里析出的另一固相稱為稱為次生相或二次相次生相或二次相。 合金合金的室溫平衡組織是的室溫平衡組織是 + 。 合金合金 (共晶合金共晶合金) 在在183發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，產(chǎn)物是（產(chǎn)物是（ c + d ），）， 室溫時(shí)的組織是室溫時(shí)的組織是: （ + ）。）。合金合金為為亞共晶合金亞共晶合金, 冷至冷至 ae 線時(shí)結(jié)晶出固溶體線時(shí)結(jié)晶出固溶體 (稱為稱為初晶初晶或或先先共晶相共晶相），在），在183時(shí)剩余液相的成分到達(dá)時(shí)剩余液相的成分到達(dá) e

31、 點(diǎn)點(diǎn) ，這些液相，這些液相便發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，變成共晶體。共晶轉(zhuǎn)變完成后溫度繼續(xù)下便發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，變成共晶體。共晶轉(zhuǎn)變完成后溫度繼續(xù)下降，初晶降，初晶的溶解度發(fā)生變化，其內(nèi)析出二次相的溶解度發(fā)生變化，其內(nèi)析出二次相 。 至室溫，合金至室溫，合金的平衡組織是（的平衡組織是（ + ）+ + 結(jié)晶過(guò)程及組織示意圖如下右圖所示。結(jié)晶過(guò)程及組織示意圖如下右圖所示。 4。共晶相圖小結(jié)。共晶相圖小結(jié) 在共晶線上都有共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生。在共晶線上都有共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生。 要區(qū)分共晶體、先共晶相（初晶）、二次相的概念。要區(qū)分共晶體、先共晶相（初晶）、二次相的概念。 相組成物相組成物：組織中的組成相。：組織中的組成相。上圖中填

32、寫的就是相組成上圖中填寫的就是相組成物。物。 組織組成物組織組成物：組織中有一定形貌的組成部分。：組織中有一定形貌的組成部分。 可用杠桿定律計(jì)算相組成物、組織組成物的相對(duì)量。可用杠桿定律計(jì)算相組成物、組織組成物的相對(duì)量。思考：在上圖中填寫組織組成物，計(jì)算在共晶溫度時(shí)共晶體內(nèi)相思考：在上圖中填寫組織組成物，計(jì)算在共晶溫度時(shí)共晶體內(nèi)相組成物的相對(duì)量。組成物的相對(duì)量。二元共晶相圖二元共晶相圖3. 3. 典型合金的凝固典型合金的凝固室溫下的平衡相室溫下的平衡相室溫下的組織組成物室溫下的組織組成物2.固態(tài)不互溶共晶相圖固態(tài)不互溶共晶相圖sa+(sa+sb)sb +(sa+sb)ll + sa溫度成分成分100%a100%b l +sbx%ysa+sblx sa+sb ysalsalsal 共晶相圖的建立共晶相圖的建立3 共析相圖共析相圖共析轉(zhuǎn)變：共析轉(zhuǎn)變：恒溫下，由一定成分的固相同時(shí)析出另外兩種成分一定的恒溫下，由一定成分的固相同時(shí)析出另外兩種成分一定的固相的轉(zhuǎn)變。固相的轉(zhuǎn)變。 + 產(chǎn)物（產(chǎn)物（ + ）稱共析體，）稱共析體，也是兩相細(xì)密交替分布。也是兩相細(xì)密交替分布。4 包晶相圖包晶相圖兩組元