第三章 材料的凝固與相圖

1、工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)第三章第三章 材料的凝固與相圖材料的凝固與相圖1工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一節(jié) 結(jié)晶與凝固特性及其影響因素第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶第三節(jié) 合金的結(jié)晶與結(jié)晶相圖2工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 結(jié)晶與凝固特性及其影響因素一、凝固與結(jié)晶一、凝固與結(jié)晶n凝固凝固是指物質(zhì)從液態(tài)經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的是指物質(zhì)從液態(tài)經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程過程。n平衡結(jié)晶溫度平衡結(jié)晶溫度 凝固后的固態(tài)物質(zhì)可以是凝固后的固態(tài)物質(zhì)可以是晶體晶體，也可以是，也可以是非非晶體晶體。n通過凝固形成晶體物質(zhì)的過程稱為通過凝固形成晶體物質(zhì)的

2、過程稱為結(jié)晶結(jié)晶。 3工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)冶冶4工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)二、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)二、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) n結(jié)晶實(shí)質(zhì)上結(jié)晶實(shí)質(zhì)上是原子由近程有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變成長程是原子由近程有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變成長程( (遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程) )有序狀態(tài)的過程。有序狀態(tài)的過程。n廣義上講廣義上講，金屬從一種原子排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱恚饘購囊环N原子排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子規(guī)則排列狀態(tài)的過程也屬于結(jié)晶過程。一種原子規(guī)則排列狀態(tài)的過程也屬于結(jié)晶過程。 5工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) 近程有序（小范圍內(nèi)的原子規(guī)則排列）。 這種近程有序的原子

3、集團(tuán)是不穩(wěn)定的，瞬時(shí)出現(xiàn)瞬時(shí)消失。注：注：通常的通常的固態(tài)金屬固態(tài)金屬屬于晶體材料，金屬原子是規(guī)則排屬于晶體材料，金屬原子是規(guī)則排列，也叫遠(yuǎn)程有序。列，也叫遠(yuǎn)程有序。 液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)6工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)n結(jié)晶分類：結(jié)晶分類：n通常把金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程稱為通常把金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程稱為一一次結(jié)晶次結(jié)晶；n把金屬從一種固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的把金屬從一種固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過程稱為過程稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶二次結(jié)晶或重結(jié)晶。7工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)三、凝固狀態(tài)的影響因素三、凝固狀態(tài)的影響因素 1.1.熔融

4、液體的粘度熔融液體的粘度: :n粘度粘度是表征流體中發(fā)生相對運(yùn)動的阻力。是表征流體中發(fā)生相對運(yùn)動的阻力。n粘度越大，相對運(yùn)動就越困難，原子擴(kuò)粘度越大，相對運(yùn)動就越困難，原子擴(kuò)散越困難。散越困難。2.2.熔融液體的冷卻速度熔融液體的冷卻速度n冷卻速度越大，在單位時(shí)間內(nèi)逸散的熱冷卻速度越大，在單位時(shí)間內(nèi)逸散的熱量越多，熔融液體的溫度便降得越低。量越多，熔融液體的溫度便降得越低。 8工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)一、純金屬的冷卻曲線和冷卻現(xiàn)象 第二節(jié)第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 1-電源 2-熱電偶 3-坩堝 4-金屬液體 5-冰水（0） 6-恒溫器 7-電阻爐 8-記錄儀9工程材

5、料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)一、純金屬的冷卻曲線和冷卻現(xiàn)象 通過實(shí)驗(yàn)，測得液體金屬在結(jié)晶時(shí)的溫度通過實(shí)驗(yàn)，測得液體金屬在結(jié)晶時(shí)的溫度-時(shí)間時(shí)間曲線稱為曲線稱為冷卻曲線冷卻曲線。時(shí)間時(shí)間0溫度溫度TmTn T 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線ABCD第二節(jié)第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度：熔點(diǎn)：熔點(diǎn)T Tm m是金屬的平衡結(jié)是金屬的平衡結(jié)晶溫度。晶溫度。實(shí)際結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度：液態(tài)金屬冷卻到熔點(diǎn)：液態(tài)金屬冷卻到熔點(diǎn)T Tm m時(shí)，并未開始結(jié)晶，而是需要繼續(xù)冷卻時(shí)，并未開始結(jié)晶，而是需要繼續(xù)冷卻到到T Tm m之下某一溫度之下某一溫度T Tn n，液態(tài)金屬才開

6、始結(jié)，液態(tài)金屬才開始結(jié)晶。晶。10工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)u在在Tm 下下，液體的，液體的結(jié)晶速度結(jié)晶速度和晶和晶體的體的熔化速度熔化速度相等，處于動平相等，處于動平衡狀態(tài)，結(jié)晶不能進(jìn)行，而只衡狀態(tài)，結(jié)晶不能進(jìn)行，而只有低于這個(gè)溫度，結(jié)晶才能進(jìn)有低于這個(gè)溫度，結(jié)晶才能進(jìn)行，這種現(xiàn)象稱為行，這種現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象。u過冷度：過冷度：理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度Tm與開與開始結(jié)晶溫度始結(jié)晶溫度 T Tn n之差。之差。 T =Tm- T Tn n時(shí)間時(shí)間0溫度溫度TmTn T 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線ABCD1、過冷現(xiàn)象、過冷現(xiàn)象 11工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及

7、機(jī)械制造基礎(chǔ)冷卻速度冷卻速度越大，則開始結(jié)晶溫度越大，則開始結(jié)晶溫度T Tn n越低，越低，過冷度過冷度也就越大。也就越大。12工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)2 2結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱n物質(zhì)從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相時(shí)，伴隨著放出或吸收的熱量稱為相變潛熱。n金屬熔化時(shí)從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗍俏諢崃浚Y(jié)晶時(shí)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄤t放出熱量，前者稱為熔化潛熱，后者稱為結(jié)晶潛熱。0溫度溫度TmTn T 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線ABCD13工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（1 1）形核）形核n液態(tài)金屬內(nèi)部生成一些極小的晶體作為結(jié)晶的核液態(tài)金屬內(nèi)部生成一些極小的晶體作為結(jié)晶的核心。心。

8、n生成的核心叫做晶核。生成的核心叫做晶核。n 形核有兩種方式：自發(fā)形核、非自發(fā)形核形核有兩種方式：自發(fā)形核、非自發(fā)形核二、結(jié)晶過程二、結(jié)晶過程 金屬的結(jié)晶包括兩個(gè)基本過程：金屬的結(jié)晶包括兩個(gè)基本過程：形核形核與與長大長大。14工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ) 1) 自發(fā)形核自發(fā)形核 在液態(tài)金屬中，存在大量尺寸不在液態(tài)金屬中，存在大量尺寸不同的同的近程有序近程有序的原子集團(tuán)。溫度降到的原子集團(tuán)。溫度降到結(jié)晶溫度以下時(shí)，近程有序的結(jié)晶溫度以下時(shí)，近程有序的原子集原子集團(tuán)團(tuán)變得穩(wěn)定，不再消失，成為結(jié)晶核變得穩(wěn)定，不再消失，成為結(jié)晶核心。這個(gè)過程叫自發(fā)形核。心。這個(gè)過程叫自發(fā)形核。自發(fā)晶核

9、：自發(fā)晶核：由液態(tài)金屬內(nèi)部金屬原子自發(fā)形成的晶核。由液態(tài)金屬內(nèi)部金屬原子自發(fā)形成的晶核。15工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)2) 非自發(fā)形核非自發(fā)形核 實(shí)際金屬內(nèi)部往往含實(shí)際金屬內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì)。當(dāng)液態(tài)有許多其它雜質(zhì)。當(dāng)液態(tài)金屬降到一定溫度后，有金屬降到一定溫度后，有些雜質(zhì)可附著金屬原子，些雜質(zhì)可附著金屬原子，成為結(jié)晶核心，這個(gè)過程成為結(jié)晶核心，這個(gè)過程叫非自發(fā)形核。叫非自發(fā)形核。非自發(fā)晶核：非自發(fā)晶核：依附于雜質(zhì)而形成的晶核。依附于雜質(zhì)而形成的晶核。16工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（2） 晶核的長大（晶核的長大（以樹枝狀長大為主以樹枝狀長大為主） 由于晶核

10、長大時(shí)，晶體的棱角和棱邊的散熱條件好，因而長大較快，由于晶核長大時(shí)，晶體的棱角和棱邊的散熱條件好，因而長大較快，成為伸入到液體中的晶枝。優(yōu)先形成的晶枝稱成為伸入到液體中的晶枝。優(yōu)先形成的晶枝稱一次晶軸一次晶軸，在一次晶，在一次晶軸增長和變粗的同時(shí)，在其側(cè)面生出新的晶枝，即軸增長和變粗的同時(shí)，在其側(cè)面生出新的晶枝，即二次晶軸二次晶軸。其后。其后又生成三次晶軸、四次晶軸。結(jié)晶后得到具有樹枝狀的晶體。又生成三次晶軸、四次晶軸。結(jié)晶后得到具有樹枝狀的晶體。 17工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶冰的樹枝晶18工

11、程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)液體狀態(tài)液體狀態(tài)晶核晶核總總結(jié)結(jié)純金屬的結(jié)晶總是在恒溫下進(jìn)行的，結(jié)晶時(shí)總有結(jié)晶潛熱放出，結(jié)晶過程總是遵循形核和核長大規(guī)律，在有過冷度的條件下才能進(jìn)行結(jié)晶。19工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)結(jié)晶后的晶粒大小及控制20工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)n金屬結(jié)晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個(gè)一個(gè)晶粒是由一個(gè)晶核長成的晶體，晶粒是由一個(gè)晶核長成的晶體，實(shí)際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆粒狀。晶粒大小可用晶粒度來表示，晶粒度號越大晶粒越細(xì)晶粒度號越大晶粒越細(xì)。n晶粒度的計(jì)算公式晶粒度的計(jì)算公式： 式中：m1mm2表面中的晶粒個(gè)數(shù)； N晶

12、粒度等級。1、晶粒度、晶粒度22Nm21工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)2）長大速率）長大速率G：單位時(shí)間晶體長大的線長度；：單位時(shí)間晶體長大的線長度； m/s （1）決定晶粒度的因素：）決定晶粒度的因素：1）形核率）形核率N：單位時(shí)間單位體積形成的晶核數(shù)；：單位時(shí)間單位體積形成的晶核數(shù)； 個(gè)個(gè)/m3s N越大，則結(jié)晶后的晶粒越多，晶粒就越細(xì)小。越大，則結(jié)晶后的晶粒越多，晶粒就越細(xì)小。G越快越快, 則晶粒越粗。則晶粒越粗。N/G越大，晶粒越細(xì)小越大，晶粒越細(xì)小22工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ) 注：注：在一般情況下在一般情況下, 晶粒越小晶粒越小, 則金屬的強(qiáng)度、塑性

13、和韌性則金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性越好。越好。工程上使晶粒細(xì)化工程上使晶粒細(xì)化, 是提高金屬機(jī)械性能的重要途是提高金屬機(jī)械性能的重要途徑之一，這種方法稱為徑之一，這種方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化。（2）晶粒度對金屬性能的影響）晶粒度對金屬性能的影響23工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)24工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（4）晶粒大小的控制： 1） 增大金屬的過冷度增大金屬的過冷度n 隨著過冷度的增加隨著過冷度的增加, N和和G均會增大。但前者的增大更均會增大。但前者的增大更快，因而快，因而N/G也增大也增大, 結(jié)果使結(jié)果使晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化。q提高液態(tài)金屬的提高液態(tài)金屬的冷卻速度

14、冷卻速度, 采用冷卻能力較強(qiáng)的模子。采用冷卻能力較強(qiáng)的模子。金屬型金屬型代替砂型、增大金屬型厚度代替砂型、增大金屬型厚度q提高液態(tài)金屬的過冷能力。提高液態(tài)金屬的過冷能力。高溫熔化低溫澆注高溫熔化低溫澆注q 超高速急冷超高速急冷技術(shù)可獲得超細(xì)化晶粒的金屬、亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的金技術(shù)可獲得超細(xì)化晶粒的金屬、亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬。屬和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬。25工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)2）變質(zhì)處理）變質(zhì)處理n一種情況是變質(zhì)劑加入液態(tài)金屬時(shí)，能直接增加形核核心，稱為孕育劑，相應(yīng)處理稱為孕育處理。在鐵水中加入硅鐵、硅鈣合金都能細(xì)化石墨。n另一種情況是加入變質(zhì)劑，改變晶核的生長條件，強(qiáng)

15、烈地阻礙晶核的長大或改善組織形態(tài)。在鋁硅合金中加入鈉鹽，鈉能在硅表面上富集，從而降低硅的長大速度，進(jìn)而阻礙粗大硅晶體的形成，細(xì)化了組織。26工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ) 3）振動）振動 在金屬結(jié)晶的過程中采用在金屬結(jié)晶的過程中采用機(jī)械振動機(jī)械振動、超聲波振動超聲波振動等，等，可以破碎正在生長中的樹枝狀晶體，形成更多的結(jié)晶核可以破碎正在生長中的樹枝狀晶體，形成更多的結(jié)晶核心，獲得細(xì)小的晶粒。心，獲得細(xì)小的晶粒。4）電磁攪拌）電磁攪拌 將正在結(jié)晶的金屬置于一個(gè)交變電磁場中，由于電將正在結(jié)晶的金屬置于一個(gè)交變電磁場中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會翻滾起來，沖斷正在結(jié)晶的樹磁感應(yīng)現(xiàn)象，

16、液態(tài)金屬會翻滾起來，沖斷正在結(jié)晶的樹枝狀晶體的晶枝，增加結(jié)晶核心，從而細(xì)化晶粒。枝狀晶體的晶枝，增加結(jié)晶核心，從而細(xì)化晶粒。 27工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)第三節(jié)第三節(jié)合金的結(jié)晶與結(jié)晶相圖合金的結(jié)晶與結(jié)晶相圖幾個(gè)概念：幾個(gè)概念：合金、組元、相、組織合金、組元、相、組織n合金合金:一種金屬元素同另一種或幾種其他元素，通過熔煉、燒結(jié)或其一種金屬元素同另一種或幾種其他元素，通過熔煉、燒結(jié)或其他方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。他方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。 n組元組元:組成合金的獨(dú)立的、最基本的單元叫做組元。組成合金的獨(dú)立的、最基本的單元叫做組元。n在多數(shù)情況

17、下是元素。例如，在多數(shù)情況下是元素。例如，Al-Si合金中的合金中的Al和和Si皆為組元。皆為組元。n按所含組元的數(shù)目，合金可分為二元合金、三元合金及多元合金。按所含組元的數(shù)目，合金可分為二元合金、三元合金及多元合金。 n組織組織: 觀察到的材料的微觀形貌。觀察到的材料的微觀形貌。 28工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)一 合金的相結(jié)構(gòu)及性能u相相:指合金中晶體結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一并指合金中晶體結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一并以界面與其他部分分開的均勻組成部分。以界面與其他部分分開的均勻組成部分。u 固態(tài)純金屬一般是一個(gè)相，合金可能幾個(gè)相。u 組織：指肉眼或顯微鏡觀察到的材料的微觀形貌

18、29工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)一 合金的相結(jié)構(gòu)及性能 1固溶體固溶體 u 合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體固溶體。u固溶體一般用固溶體一般用、來表示。來表示。 固態(tài)合金中有兩類基本相固態(tài)合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物：固溶體和金屬化合物。30工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)n形成固溶體后，晶格保持不變的組元稱形成固溶體后，晶格保持不變的組元稱溶劑溶劑，一般，一般在合金中含量較多；其它元素為在合金中含量較多；其它元素為溶質(zhì)溶質(zhì)，含量較少。，含

19、量較少。n分類：分類：u按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分 置換固溶體置換固溶體、間隙固溶體間隙固溶體u按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度分按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度分 有限固溶體有限固溶體、無限固溶體無限固溶體。31工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)置換固溶體置換固溶體間隙固溶體間隙固溶體 溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子進(jìn)入進(jìn)入溶劑晶格的溶劑晶格的間隙之中間隙之中 溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子代換代換了溶劑晶格了溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)上的原子某些結(jié)點(diǎn)上的原子 32工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)有限固溶體有限固溶體無限固溶體無限固溶體 固溶體中溶質(zhì)的含量即為固溶體的固溶體中溶質(zhì)的含量

20、即為固溶體的濃度濃度。 在一定溫度和壓力條件下，溶質(zhì)在固溶體中在一定溫度和壓力條件下，溶質(zhì)在固溶體中的的極限濃度極限濃度即為溶質(zhì)在固溶體中的即為溶質(zhì)在固溶體中的溶解度溶解度。 33工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)u固溶體的性能固溶體的性能u 固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入晶格發(fā)生畸變晶格發(fā)生畸變。晶格畸變增。晶格畸變增大位錯運(yùn)動的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從大位錯運(yùn)動的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。而提高合金的強(qiáng)度和硬度。u銅銅 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度220（330）、硬度）、硬度40（70）、斷面收縮率）、斷面收縮率70%（5

21、0%）u 通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶固溶強(qiáng)化強(qiáng)化。34工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)2 2 金屬化合物金屬化合物 金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種晶格類型金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種晶格類型及性能均不同于任一組元的及性能均不同于任一組元的合金固相合金固相。離子鍵、共價(jià)鍵離子鍵、共價(jià)鍵+ +金屬鍵金屬鍵 分類：分類：（1 1）正常價(jià)化合物）正常價(jià)化合物：若組元間電負(fù)性相差較大，且形成的化若組元間電負(fù)性相差較大，且形成的化合物嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律，則此類化合物稱為正常價(jià)化合物。合物嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)

22、律，則此類化合物稱為正常價(jià)化合物。成分固定成分固定 、高的硬度和脆性、高的硬度和脆性 。 35工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（2）電子化合物）電子化合物 ：若組元間形成的化合物不遵守化合價(jià)規(guī)律，但符合一定電子濃度（化合物的價(jià)電子總數(shù)與原子總數(shù)之比），這類化合物稱為電子化合物。u不遵循原子價(jià)規(guī)律，服從電子濃度規(guī)律；不遵循原子價(jià)規(guī)律，服從電子濃度規(guī)律；u高的熔點(diǎn)和硬度，塑性較低高的熔點(diǎn)和硬度，塑性較低 。代表符號相相相電子濃度3/221/137/4晶格類型體心立方復(fù)雜立方密排六方舉例CuZn，Cu3AlCu5Zn8，Cu9Al4CuZn3，Cu3Zn表3-2 部分電子化合物的晶格類型

23、36工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（3）間隙化合物）間隙化合物 由由原子半徑較大過渡族金屬元素原子半徑較大過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等與碳、氮、氫、硼等原原子半徑較小子半徑較小的非金屬元素形成的化合物。的非金屬元素形成的化合物。 尺寸較大的過渡族元素原子占據(jù)晶格的結(jié)點(diǎn)位置，尺寸尺寸較大的過渡族元素原子占據(jù)晶格的結(jié)點(diǎn)位置，尺寸較小的非金屬原子則有規(guī)則嵌入晶格的間隙中。較小的非金屬原子則有規(guī)則嵌入晶格的間隙中。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，間隙化合物分根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，間隙化合物分簡單結(jié)構(gòu)的間隙化合物簡單結(jié)構(gòu)的間隙化合物和和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物兩種。兩種。 37工程材料及機(jī)械制造

24、基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（1）簡單結(jié)構(gòu)的間隙化合物簡單結(jié)構(gòu)的間隙化合物u 當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時(shí)，形時(shí)，形成的具有簡單晶格的間隙化合物。成的具有簡單晶格的間隙化合物。u 間隙相具有金屬特性，有極高的熔點(diǎn)、硬度和脆性間隙相具有金屬特性，有極高的熔點(diǎn)、硬度和脆性, 非非常穩(wěn)定，是常穩(wěn)定，是高合金鋼高合金鋼、硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金和和高溫金屬陶瓷高溫金屬陶瓷材料的材料的重要組成相。重要組成相。圖3-9 間隙相VC的晶體結(jié)構(gòu) 38工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物u 當(dāng)非金屬原子半徑與金

25、屬當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于原子半徑之比大于0.59時(shí)，時(shí)，形成形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物化合物。 u 熔點(diǎn)、硬度和脆性稍低于熔點(diǎn)、硬度和脆性稍低于間隙相，是間隙相，是碳鋼碳鋼及及合金鋼合金鋼的重要組成相。的重要組成相。圖3-10 間隙化合物Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)39工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（4 4）機(jī)械混合物機(jī)械混合物 n由兩種或兩種以上的相按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合成的物質(zhì)稱為機(jī)械混合物。n混合物中各組成相仍保持自己的晶格，彼此無交互作用，其性能主要取決各組成相的性能以及相的分布狀態(tài)。n工程上使用的大多數(shù)金屬合金的組織都是由固溶體與少量金屬化合物組成

26、的機(jī)械混合物。40工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（2）金屬化合物的性能 n具有復(fù)雜的結(jié)合鍵及晶體結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出有高的熔點(diǎn)、硬度及脆性。n具有一定的金屬特性，但不能作為合金的基體相。n以細(xì)小的尺寸彌散地分布在合金中時(shí)，能有效地提高其強(qiáng)度、硬度、耐磨性及高速切削性能，起到所謂彌散硬化的作用。41工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)二、合金相圖的建立重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)n合金系合金系 n兩個(gè)或兩個(gè)以上的組元按不同比例配制成的一系兩個(gè)或兩個(gè)以上的組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，總稱為合金系。列不同成分的合金，總稱為合金系。n如如

27、Pb-Sb合金系、合金系、Al-Si合金系、合金系、Fe-C合金系、合金系、Au-Ag合金系、合金系、Fe-Cr合金系等。合金系等。1相圖的相關(guān)概念43工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)相圖相圖 u 相圖相圖是用來表示合金系中各個(gè)合是用來表示合金系中各個(gè)合金結(jié)晶過程的圖，它是反映在平金結(jié)晶過程的圖，它是反映在平衡條件下衡條件下(極緩慢冷卻或加熱極緩慢冷卻或加熱)各各成分合金的結(jié)晶過程以及相和組成分合金的結(jié)晶過程以及相和組織存在范圍與變化規(guī)律的簡明示織存在范圍與變化規(guī)律的簡明示意圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。意圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。u 描述描述平衡條件平衡條件下，相和相變與溫下，相和相

28、變與溫度、成份、壓力之間的關(guān)系圖。度、成份、壓力之間的關(guān)系圖。44工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)n平衡相、平衡組織、平衡結(jié)晶平衡相、平衡組織、平衡結(jié)晶n如果合金在某一個(gè)溫度停留任意長的時(shí)間，合金中各個(gè)相如果合金在某一個(gè)溫度停留任意長的時(shí)間，合金中各個(gè)相的成分都是均勻不變的，各相的相對質(zhì)量也不變，那么該的成分都是均勻不變的，各相的相對質(zhì)量也不變，那么該合金就處于相平衡狀態(tài)，此時(shí)合金中的各相稱為合金就處于相平衡狀態(tài)，此時(shí)合金中的各相稱為平衡相平衡相。n由這些平衡相所構(gòu)成的組織稱為由這些平衡相所構(gòu)成的組織稱為平衡組織平衡組織。n如果合金在其結(jié)晶過程中或相變過程中的冷卻速度非常緩如果合金

29、在其結(jié)晶過程中或相變過程中的冷卻速度非常緩慢，那么由于其原子有充分的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散，所以合金中慢，那么由于其原子有充分的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散，所以合金中的各相將近似處于平衡狀態(tài)，這種冷卻方式稱為平衡冷卻的各相將近似處于平衡狀態(tài)，這種冷卻方式稱為平衡冷卻，這種處于相平衡狀態(tài)的結(jié)晶或相變方式稱為，這種處于相平衡狀態(tài)的結(jié)晶或相變方式稱為平衡結(jié)晶平衡結(jié)晶。45工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)l在常壓下，二元合金的相狀態(tài)決定于在常壓下，二元合金的相狀態(tài)決定于溫度溫度和和成分成分。l相圖中，有相圖中，有二元相圖二元相圖、三元相圖和多元相圖。、三元相圖和多元相圖。l二元相圖是以二元相圖是以試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

30、為依據(jù)，在以為依據(jù)，在以溫度溫度為縱坐為縱坐標(biāo)，以標(biāo)，以組成材料的成分或組成元素組成材料的成分或組成元素為橫坐標(biāo)，繪為橫坐標(biāo)，繪制的線圖。制的線圖。2、二元相圖的建立、二元相圖的建立46工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)l試驗(yàn)方法有多種，最常用的是熱分析法。試驗(yàn)方法有多種，最常用的是熱分析法。47工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)CuNi合金相圖合金相圖是一種最簡單的基本相圖。是一種最簡單的基本相圖。圖中的每一點(diǎn)表示一定成分的合金在一定溫度時(shí)的圖中的每一點(diǎn)表示一定成分的合金在一定溫度時(shí)的穩(wěn)定相狀態(tài)穩(wěn)定相狀態(tài)。 CuNi合金相圖合金相圖Cu204060 80wNi（）（）TC

31、uTNiNi48工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ) CuNi合金相圖的測繪合金相圖的測繪 CuNi相圖 冷卻曲線溫度時(shí)間CuNi20406080wNi（）wCu100wNi20wNi40wNi60wNi80wNi100TCuT TNiNi49工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)三、二元合金的結(jié)晶與相圖二元相圖類型二元相圖類型勻晶相圖勻晶相圖共晶相圖共晶相圖包晶相圖包晶相圖共析相圖共析相圖50工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)1、二元勻晶相圖、二元勻晶相圖例如例如Cu-Ni合金相圖為典型的勻晶相圖合金相圖為典型的勻晶相圖v勻晶相圖：只發(fā)生勻晶相圖：只發(fā)生勻晶反應(yīng)勻晶反

32、應(yīng)的相圖。的相圖。v勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)：從液相中直接結(jié)晶出固溶體的反應(yīng)。：從液相中直接結(jié)晶出固溶體的反應(yīng)。v特點(diǎn)特點(diǎn)：勻晶相圖中兩組元在液態(tài)、固態(tài)下都能：勻晶相圖中兩組元在液態(tài)、固態(tài)下都能無無限互溶限互溶。51工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)aa1c 為液相線，是各種為液相線，是各種成分的合金在冷卻時(shí)開始成分的合金在冷卻時(shí)開始結(jié)晶或加熱時(shí)熔化終止的結(jié)晶或加熱時(shí)熔化終止的溫度；該線以上合金處于溫度；該線以上合金處于液相液相L。1） 相圖分析相圖分析Cu-Ni合金相圖合金相圖ac1c 為固相線，各種成為固相線，各種成分的合金在加熱時(shí)開始熔分的合金在加熱時(shí)開始熔化或冷卻時(shí)結(jié)晶終止的溫化或冷

33、卻時(shí)結(jié)晶終止的溫度。該線以下合金處于固度。該線以下合金處于固相相 。52工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)aa1c和和ac1c 之間是之間是液相與固溶體兩相共液相與固溶體兩相共存區(qū)，存區(qū)， L+a點(diǎn)為點(diǎn)為Cu的熔點(diǎn)，的熔點(diǎn)，c點(diǎn)為點(diǎn)為Ni的熔點(diǎn)。的熔點(diǎn)。Cu-Ni合金相圖合金相圖53工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)2） 結(jié)晶過程結(jié)晶過程 在兩相共存區(qū)，液相的成分沿液相線變化，在兩相共存區(qū)，液相的成分沿液相線變化，固相的成分沿固相線變化。固相的成分沿固相線變化。(a)相圖 (b)結(jié)晶過程圖3-12 Cu-Ni二元勻晶相圖及結(jié)晶過程54工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造

34、基礎(chǔ)杠桿定律（杠桿定律（液相和固相液相和固相兩相的成分確定）在兩相區(qū)內(nèi)在兩相區(qū)內(nèi), 溫度一定時(shí)溫度一定時(shí), 兩相的兩相的成分成分是確定的。是確定的。方法：方法：l過指定溫度過指定溫度t1作水平線作水平線, 分別交分別交液相線和固相線于液相線和固相線于 a1點(diǎn)、點(diǎn)、c1點(diǎn)點(diǎn), 則則 a1點(diǎn)、點(diǎn)、c1點(diǎn)點(diǎn)成分軸成分軸上的投影點(diǎn)即上的投影點(diǎn)即相應(yīng)為相應(yīng)為 L相和相和 相的成分。相的成分。l隨著溫度的下降隨著溫度的下降, 液相成分沿液液相成分沿液相線變化相線變化, 固相成分沿固相線變化。固相成分沿固相線變化。到溫度到溫度t2 時(shí)時(shí), L相成分及相成分及 相成分相成分分別為分別為 a2和和 c2點(diǎn)在成分

35、軸上的投點(diǎn)在成分軸上的投影。影。55工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)x1x2x在溫度在溫度T下：下：（1）設(shè)合金成分為）設(shè)合金成分為x ，液相成分為，液相成分為x1 ，固相成分為固相成分為x2 。（2）設(shè)合金總質(zhì)量）設(shè)合金總質(zhì)量為為1，液相占，液相占QL ，固，固相占相占Qa 。56工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)如在溫度如在溫度T時(shí)時(shí), 兩相的質(zhì)量比可用下式表達(dá)：兩相的質(zhì)量比可用下式表達(dá)：x1x2x%LQbcLQac合金%1%QabLQac 合金；或57工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ) 這個(gè)式子與力學(xué)中的杠桿定律相似這個(gè)式子與力學(xué)中的杠桿定律相似, 因而亦

36、被稱作因而亦被稱作杠桿定律杠桿定律。 由杠桿定律不難算出合金中液相和固相在合由杠桿定律不難算出合金中液相和固相在合金中所占的相對質(zhì)量（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)）金中所占的相對質(zhì)量（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%LQbcLQac合金計(jì)算p46頁例題58工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)注意：注意：u杠桿定律是計(jì)算合金平衡組織中的組成相或組織組成杠桿定律是計(jì)算合金平衡組織中的組成相或組織組成物的物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重要工具。的重要工具。u杠桿定律只適用于相圖中的杠桿定律只適用于相圖中的兩相區(qū)兩相區(qū), 并且只能在并且只能在平平衡狀態(tài)衡狀態(tài)下使用。下使用。u杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度時(shí)兩相的成分點(diǎn)杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度

37、時(shí)兩相的成分點(diǎn), 而支點(diǎn)而支點(diǎn)為合金的成分點(diǎn)。為合金的成分點(diǎn)。59工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（3）枝晶偏析）枝晶偏析 n枝晶偏析：枝晶偏析：在一個(gè)晶粒中，造成在一個(gè)晶粒中，造成先結(jié)晶晶軸先結(jié)晶晶軸( (枝干枝干) )的成分和后結(jié)的成分和后結(jié)晶晶軸晶晶軸( (分枝分枝) )成分的差異。成分的差異。n枝晶偏析會影響合金的力學(xué)、耐枝晶偏析會影響合金的力學(xué)、耐蝕和加工工藝等性能。蝕和加工工藝等性能。n通過通過擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火( (將鑄件預(yù)熱到固相將鑄件預(yù)熱到固相線以下線以下100200100200，較長時(shí)間保，較長時(shí)間保溫），可使成分均勻化。溫），可使成分均勻化。Cu-Ni合金枝晶偏

38、析示意圖合金枝晶偏析示意圖60工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)v 共晶反應(yīng)（共晶轉(zhuǎn)變）共晶反應(yīng)（共晶轉(zhuǎn)變）：在一定條件（溫度、成份）下，：在一定條件（溫度、成份）下，由均勻液相由均勻液相同時(shí)同時(shí)結(jié)晶出兩種不同固相的轉(zhuǎn)變。結(jié)晶出兩種不同固相的轉(zhuǎn)變。v 所生成的兩相混合物叫所生成的兩相混合物叫共晶體共晶體(一種均勻機(jī)械混合物一種均勻機(jī)械混合物) 。v 機(jī)械混合物機(jī)械混合物：合金的組成物在固態(tài)下按一定重量比混合而成：合金的組成物在固態(tài)下按一定重量比混合而成的新物質(zhì)，它的各個(gè)組成物仍保持自己原來的晶格類型和性的新物質(zhì)，它的各個(gè)組成物仍保持自己原來的晶格類型和性能，其性能介于各種組成物之間。

39、能，其性能介于各種組成物之間。v 共晶相圖共晶相圖：兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶或完全：兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶或完全不互溶且發(fā)生共晶反應(yīng)的相圖。不互溶且發(fā)生共晶反應(yīng)的相圖。2、二元共晶相圖、二元共晶相圖61工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)1）共晶相圖分析）共晶相圖分析Pb-Sn合金相圖合金相圖Pb-Sn合金相圖詳細(xì)分析視頻合金相圖詳細(xì)分析視頻62工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ) L相：相：Pb與與Sn形成的無形成的無限液溶體限液溶體 相：相：Sn溶于溶于Pb中的有中的有限固溶體限固溶體 相：相：Pb溶于溶于Sn中的有中的有限固溶體限固溶體 Pb-S

40、n相圖中有相圖中有3種相：種相：63工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)u相圖中有相圖中有3個(gè)單相區(qū)個(gè)單相區(qū): L、 u3個(gè)兩相區(qū)：個(gè)兩相區(qū)： L+、L+、+ ucde水平線：水平線： L+的三相共存的三相共存 64工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)uadb線線: 液相線液相線uacdeb線：線：固相線固相線ucf線：線：Sn在在相中的相中的溶解度溶解度線線ueg線：線：Pb在在相中的相中的溶解溶解度線度線ua點(diǎn)：點(diǎn)：Pb的熔點(diǎn)的熔點(diǎn) b點(diǎn)：點(diǎn)：Sn的熔點(diǎn)的熔點(diǎn)65工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)cde水平線水平線：共晶反應(yīng)線：共晶反應(yīng)線 成分為成分為d點(diǎn)點(diǎn)的液相

41、的液相L將同時(shí)結(jié)晶出成分為將同時(shí)結(jié)晶出成分為c點(diǎn)點(diǎn)的的固溶固溶體和成分為體和成分為e點(diǎn)點(diǎn)的的固溶體，形成這兩種固溶體的均勻固溶體，形成這兩種固溶體的均勻機(jī)械混合物（共晶體或共晶組織）。機(jī)械混合物（共晶體或共晶組織）。 d點(diǎn)點(diǎn)：共晶點(diǎn)：共晶點(diǎn) d點(diǎn)溫度點(diǎn)溫度共晶溫度共晶溫度 d點(diǎn)成分點(diǎn)成分共晶成分共晶成分66工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)cf線線：Sn在在Pb中的溶解度線中的溶解度線(或或相相的固溶線的固溶線)。l 溫度降低溫度降低, 固溶體的溶解固溶體的溶解度下降，于是便從度下降，于是便從 相中相中不斷析出不斷析出 相，以降低相，以降低 相相中中Sn含量。含量。l 從固態(tài)從固態(tài)

42、相中析出的相中析出的 相稱為二次相稱為二次 , 寫作寫作II 。這。這種二次結(jié)晶可表達(dá)為：種二次結(jié)晶可表達(dá)為： II。 67工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ) eg線線：Pb在在Sn中溶解度線中溶解度線(或或 相的固溶線相的固溶線)。l 溫度降低溫度降低, 固溶體的溶解固溶體的溶解度下降，于是便從度下降，于是便從 相中不相中不斷析出斷析出 相，以降低相，以降低 相中相中Pb含量。含量。l 從固態(tài)從固態(tài) 相中析出的相中析出的 相相稱為二次稱為二次 , 寫作寫作II 。這種。這種二次結(jié)晶可表達(dá)為：二次結(jié)晶可表達(dá)為： II。 68工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)溶解度線溶解度線

43、69工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（1）合金）合金的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程（2）合金）合金的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程（3）合金）合金的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程（4）合金）合金的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程2. 合金結(jié)晶過程合金結(jié)晶過程分析視頻分析視頻70工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（不發(fā)生共晶反應(yīng)）（不發(fā)生共晶反應(yīng)）71工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)LL(1)L(2)b(4)(3)0-13-42-31-272工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)+二次析出二次析出組織組成物：組織組成物： II +相組成物：相組成物： 相和相和相相%1004%,%1004

44、%fggfgfb紅線的結(jié)晶過程？紅線的結(jié)晶過程？73工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)74ecdLbAt 183 74工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)LL(1)L(2)( (+)0-11-1 21( (+)(3)b b( (+) (4)75工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（2） 合金合金II的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程 共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)+二次析出二次析出共晶合金共晶合金組織組成物：組織組成物： （+）相組成物：相組成物： 相和相和相相二次相二次相 II+II 成分忽略成分忽略%100%100%cecdcedeb76工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)亞共晶合金

45、組織亞共晶合金組織(+)77工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)LL(1)L(2)L(3)b b (+)(4)0-12-32-21-2( (+)78工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)+二次析出二次析出組織組成物：組織組成物： 初初+（+）+II 相組成物：相組成物： 相和相和相相79工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（ ）過共晶合金組織過共晶合金組織(+)80工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)+二次析出二次析出組織組成物：組織組成物： 初初+（+）+II 過共晶合金過共晶合金相組成物：相組

46、成物： 相和相和相相81工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ) 金屬材料金屬材料金相砂紙磨光金相砂紙磨光 拋光布拋光拋光布拋光侵蝕侵蝕 在金相顯微鏡下觀察在金相顯微鏡下觀察看到金屬材料內(nèi)部的微觀形貌看到金屬材料內(nèi)部的微觀形貌不同的各種相組成不同的各種相組成 指合金組織中具有具體本質(zhì)、一定形成機(jī)制的特殊形態(tài)的組指合金組織中具有具體本質(zhì)、一定形成機(jī)制的特殊形態(tài)的組成部分（成部分（or or 按著凝固順序所形成的各組成部分）按著凝固順序所形成的各組成部分）某一相的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)總和某一相的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)總和82工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ) (+)83工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械

47、制造基礎(chǔ)3、二元包晶相圖及其它相圖、二元包晶相圖及其它相圖z包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)（包晶轉(zhuǎn)變）（包晶轉(zhuǎn)變） ：結(jié)晶出來的固溶體與包圍它：結(jié)晶出來的固溶體與包圍它的液相作用，形成一個(gè)新成分的固溶體，該后生成固溶的液相作用，形成一個(gè)新成分的固溶體，該后生成固溶體包裹先前生成的固溶體。體包裹先前生成的固溶體。z包晶相圖包晶相圖：當(dāng)兩組元在液態(tài)時(shí)無限互溶，在固態(tài)時(shí)形成：當(dāng)兩組元在液態(tài)時(shí)無限互溶，在固態(tài)時(shí)形成有限固溶體，而且發(fā)生有限固溶體，而且發(fā)生包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖。時(shí)所構(gòu)成的相圖。z包晶相圖組成包晶相圖組成：兩個(gè)局部的勻晶相圖和一條水平線。：兩個(gè)局部的勻晶相圖和一條水平線。1）包晶相圖）包晶相圖

48、84工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ) Pt-Ag合金相圖中存在合金相圖中存在3種相種相: L相相：Pt與與Ag形成的液溶體形成的液溶體; 相相：Ag溶于溶于Pt中的有限固溶體中的有限固溶體; 相相：Pt溶于溶于Ag中的有限固溶體。中的有限固溶體。 85工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)u 發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)三相共存發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)三相共存, 它們的成分確定它們的成分確定, 反應(yīng)在恒溫反應(yīng)在恒溫下平衡地進(jìn)行。下平衡地進(jìn)行。uced水平線為包晶反應(yīng)線。水平線為包晶反應(yīng)線。 ucf為為Ag在在中的溶解度線中的溶解度線, eg為為Pt在在中的溶解度線。中的溶解度線。 ue點(diǎn)：包晶點(diǎn)。點(diǎn)

49、：包晶點(diǎn)。 e點(diǎn)成分的合金冷點(diǎn)成分的合金冷卻到卻到 該點(diǎn)所對應(yīng)的該點(diǎn)所對應(yīng)的溫度溫度(包晶溫度包晶溫度)時(shí)時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)發(fā)生包晶反應(yīng) ： Ld+ce 86工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)合金合金I的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程 勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)+包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)+二次析出二次析出合金合金結(jié)晶過程結(jié)晶過程 勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)+包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)+二次析出二次析出87工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)合金合金結(jié)晶結(jié)晶過程過程 勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)+二次析出二次析出合金合金結(jié)晶過程結(jié)晶過程勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)+包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)+勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)+二次析出二次析出思考：合金思考：合金，合金合金的結(jié)晶過

50、程？的結(jié)晶過程？88工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ) 一定成分的固相一定成分的固相，在一定溫度下，同時(shí)析出兩種，在一定溫度下，同時(shí)析出兩種化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的新固相新固相，這個(gè)轉(zhuǎn)變過，這個(gè)轉(zhuǎn)變過程稱為程稱為共析反應(yīng)共析反應(yīng)。 由一種固相轉(zhuǎn)變成完全不同的兩種相互關(guān)聯(lián)的固由一種固相轉(zhuǎn)變成完全不同的兩種相互關(guān)聯(lián)的固相相, 此兩相混合物稱為此兩相混合物稱為共析體。共析體。 2）共析相圖）共析相圖89工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ) d 點(diǎn)成分點(diǎn)成分(共析成分共析成分)的的合金從液相經(jīng)過勻晶反應(yīng)合金從液相經(jīng)過勻晶反應(yīng)生成生成 相后相后, 繼續(xù)冷

51、卻到繼續(xù)冷卻到d 點(diǎn)溫度點(diǎn)溫度(共析溫度共析溫度)時(shí)時(shí), 在在此恒溫下發(fā)生共析反應(yīng)此恒溫下發(fā)生共析反應(yīng): (+) 具有共析反應(yīng)的二元相圖具有共析反應(yīng)的二元相圖90工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)四、四、合金的性能與相圖的關(guān)系1. 合金的使用性能與相圖的關(guān)系合金的使用性能與相圖的關(guān)系圖圖3-22 合金的使用性能與相圖的合金的使用性能與相圖的關(guān)系關(guān)系n當(dāng)合金的結(jié)晶組織為單相固溶體當(dāng)合金的結(jié)晶組織為單相固溶體時(shí)其強(qiáng)度、硬度在一定范圍內(nèi)隨溶時(shí)其強(qiáng)度、硬度在一定范圍內(nèi)隨溶質(zhì)含量的增加而升高，且塑性略有質(zhì)含量的增加而升高，且塑性略有下降下降，還會引起電導(dǎo)率及導(dǎo)熱系數(shù)還會引起電導(dǎo)率及導(dǎo)熱系數(shù)的降

52、低的降低。n當(dāng)合金的結(jié)晶組織為兩相組成物當(dāng)合金的結(jié)晶組織為兩相組成物時(shí)，其硬度、強(qiáng)度及電導(dǎo)率與成分時(shí)，其硬度、強(qiáng)度及電導(dǎo)率與成分呈直線關(guān)系變化呈直線關(guān)系變化。n當(dāng)合金的結(jié)晶組織形成化合物時(shí)，當(dāng)合金的結(jié)晶組織形成化合物時(shí)，則將表現(xiàn)出極高的硬度與極低的電則將表現(xiàn)出極高的硬度與極低的電導(dǎo)率導(dǎo)率91工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)2. 合金的工藝性能與相圖的關(guān)系合金的工藝性能與相圖的關(guān)系圖圖3-28 合金的鑄造性能與相圖的關(guān)系合金的鑄造性能與相圖的關(guān)系n液相線與固相線溫度間隔越大，樹枝晶就越發(fā)達(dá)，先結(jié)晶出的樹枝晶阻礙未結(jié)晶液體的流動性，對液態(tài)合金造成的流動阻力便越大，進(jìn)而合金的流動性則變得

53、越差，導(dǎo)致澆注時(shí)金屬液不能充滿鑄型。n同時(shí)，發(fā)達(dá)的樹枝晶相互交錯，形成許多分割的微區(qū)，這些微區(qū)難以及時(shí)得到外部液體的補(bǔ)充，凝固后便成為許多分散的縮孔。n單相固溶體合金枝晶偏析的傾向性大，不宜制作鑄件。鍛造性能好，用于鍛件。92工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)1、鑄錠結(jié)晶組織、鑄錠結(jié)晶組織鑄錠分為鑄錠分為3個(gè)各具特征的晶區(qū)：個(gè)各具特征的晶區(qū)：1.表層細(xì)晶區(qū)表層細(xì)晶區(qū)（細(xì)等軸晶區(qū)）（細(xì)等軸晶區(qū)）2.柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)3.中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū)（粗等軸晶區(qū)）（粗等軸晶區(qū)）五、金屬鑄錠的凝固組織五、金屬鑄錠的凝固組織93工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（1）表層細(xì)晶區(qū)（細(xì)等軸晶

54、區(qū)）表層細(xì)晶區(qū)（細(xì)等軸晶區(qū)） 液體金屬注入錠模時(shí)，由于錠模溫度不高，傳熱液體金屬注入錠模時(shí)，由于錠模溫度不高，傳熱快，外層金屬受到激冷，過冷度大，生成大量的晶核?？?，外層金屬受到激冷，過冷度大，生成大量的晶核。同時(shí)模壁也能起非自發(fā)晶核的作用。同時(shí)模壁也能起非自發(fā)晶核的作用。 結(jié)果，在金屬的表層形成一層結(jié)果，在金屬的表層形成一層厚度不大厚度不大、晶粒很晶粒很細(xì)細(xì)的細(xì)晶區(qū)。的細(xì)晶區(qū)。 94工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（2） 柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū) 細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，錠模溫度升高，液體金屬的冷細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，錠模溫度升高，液體金屬的冷卻速度降低，過冷度減小，生核速率降低，但此時(shí)長大卻速度

55、降低，過冷度減小，生核速率降低，但此時(shí)長大速度受到的影響較小。速度受到的影響較小。 結(jié)晶時(shí)，優(yōu)先長大方向（即一次晶軸方向）與散熱結(jié)晶時(shí)，優(yōu)先長大方向（即一次晶軸方向）與散熱最快方向（一般為往外垂直模壁的方向）的晶核向液體最快方向（一般為往外垂直模壁的方向）的晶核向液體內(nèi)部平行長大，結(jié)果形成柱狀晶區(qū)。內(nèi)部平行長大，結(jié)果形成柱狀晶區(qū)。 95工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)（3） 中心等軸晶區(qū)（粗等軸晶區(qū)）中心等軸晶區(qū)（粗等軸晶區(qū)） 隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，液體金屬的冷卻速度很快隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，液體金屬的冷卻速度很快降低，過冷度大大減小，溫度差不斷降低，趨于均勻降低，過冷度大大減小，溫度

56、差不斷降低，趨于均勻化，同時(shí)散熱逐漸失去方向性；化，同時(shí)散熱逐漸失去方向性； 在某個(gè)時(shí)候，剩余液體中被推來和漂浮來的、以在某個(gè)時(shí)候，剩余液體中被推來和漂浮來的、以及從柱狀晶上被沖下的二次晶枝的碎塊，可能成為晶及從柱狀晶上被沖下的二次晶枝的碎塊，可能成為晶核，向各個(gè)方向均勻長大，最后形成一個(gè)粗大的等軸核，向各個(gè)方向均勻長大，最后形成一個(gè)粗大的等軸晶區(qū)。晶區(qū)。96工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)n柱狀晶區(qū)顯微縮孔少，組織較致密，脆性較大。n兩個(gè)不同方向的柱狀晶交界面處，由于常有雜質(zhì)聚集而形成弱面，在壓力加工時(shí)，往往易沿這些界面開裂。n因此，一般情況下都希望減小柱狀晶區(qū)2、鑄錠結(jié)晶組織的特性、鑄錠結(jié)晶組織的特性97工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)n等軸晶由于各個(gè)晶粒在長大時(shí)彼此交叉，不存在明顯的脆弱區(qū)，鑄件的性能沒有方向性，是一般情況下金屬及合金（如鋼鐵）鑄件所要求的鑄態(tài)組織。n因此，對于鋼鐵等許多材料的鑄錠和大部分鑄件來說，一般都希望得到盡可能多的等軸