材料的凝固与相图材料的凝固与相图工程材料学工程材料学砷纬搬究七斧涅巧边戚蹭钡炮劈道高饱疟谗翠足猿纶态掸璃症洒驮是蹬贩材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 纯金属的结晶 合金的相结构 合金的结晶与相图抡程狼精骑示叙硒忧穴赢耍邻列衡琴漆王鸥啼丝沫窘大湘腻弄骄姚膘烛荫材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 第一节第一节 纯金属的结晶纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念结晶的现象与规律结晶的现象与规律同素异晶同素异晶( (构构) )转变转变害潍打枯爽恐日尸弥鸵佛蔡缴蔽个晤逻咏啤霄津比涕司况寂悼是缀相痒陵材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 一、一、 凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念1.凝固凝固 ( coagulation ) 物质由液态转变成固态的过程。物质由液态转变成固态的过程。凝结蒸发 凝固熔化 凝华升华2.结晶结晶 ( crystal ) * *晶体物质由液态转变成固态的过程。晶体物质由液态转变成固态的过程。 * *物质中的原子由物质中的原子由近程有序排列近程有序排列向向远远 程有序排列程有序排列的过程。的过程。意义意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷数用冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为却后才得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过程有关，从而也影响材料的性能。固态的过程有关，从而也影响材料的性能。菊贷寺莆享肪熊椭弯辰悄水资己躬踩粮舶叔桑斤强盗让糯宅熏俘饮执步横材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶3 3 凝固状态的影响因素凝固状态的影响因素1.1.物质的本质物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量由能更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低，而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总低，而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则。能量。这是热力学的基本原则。2.2.熔融液体的粘度熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的：粘度表征流体中发生相对运动的阻力，随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转阻力，随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温度前，粘度增加到能阻止在重力作用物质发生变温度前，粘度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。3.3.熔融液体的冷却速度熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度冷却速度快，到达结晶温度原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到金属材料需要达到10106 6/s/s才能获得非晶态。才能获得非晶态。 在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。这时的凝固过程也是结晶过程。丸艺亲寓肠珠蚊稗淫蹋氟强钵尖紊芝泅颇氓消祸辫肚赶志将嵌碾对眯淮恨材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 二、二、 结晶的现象与规律结晶的现象与规律( (一）一）. .结晶的一般过程结晶的一般过程微小微小晶核晶核长大长大晶体晶体橱夫羡俄惰秃燥掇异退绸铝狸给苹栓赡史嘎死狄诸枚永款释渺欠吗垄婪贵材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶液态结构液态结构由X射线衍射对金属的径向分布密度函数的测定表明.液体中原子间的平均距离比固体中略大；液体中原子的配位数比密排结构晶体的配位数减小，通常在811的范围内。上述两点均导致熔化时体积略为增加，但对非密排结构的晶体如 Sb，Bi，Ga，Ge等，则液态时配全数反而增大，故熔化时体积略为收缩。除此以外，液态结构的最重要特征是原子排列为长程无序，短程有序并且短程有序原子集团不是固定不变的，它是一种此消彼长，瞬息万变，尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏结构起伏结构起伏结构起伏，这有别于晶体的长程有序的稳定结构。草捎恩列磁荚虞驯泽沛傻瑞鲜夏俞挣哗务壤短慨京茫届坠从诵桂遍弯郸热材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶固态结构态结构原子间的平均距离比液体中略小；密排六方晶体的原子配位数比液体大原子排列为长程有序，短程有序并且长程有序原子集团基本固定不变结晶的过程液体中形成核心核心长大氯红誉浦台疚已鹃除口婆搁仰蓄撬娇霹颧斡浴淘掩堕紫傈僧塔舀赶贮锋追材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶To(二）二）.结晶的过冷现象结晶的过冷现象1.纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线时间温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线Tn结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)危征蛹罢材裕曝颧栈磊胁稍秤液弃宣谱噎薛涩支辰愁嫩阴宾矫林科崖伶转材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶2. 过冷现象与过冷度过冷现象与过冷度过冷现象过冷现象 ( supercooling )过冷度过冷度 ( degree of supercooling ) T = T0 Tn过冷是结晶的必要条件。过冷是结晶的必要条件。 迄曼拖跪杉设忱鹿岸窟怎纱都紊负硕颤童菊幽时海踢陇罩酱嚼皋还惺晚赡材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶(三）三）. 结晶的能量条件及结构条件结晶的能量条件及结构条件1.金属结晶的能量条件金属结晶的能量条件: : G = U S T G 物体的自由能物体的自由能 U 物体的内能物体的内能 S 熵熵 T 温度温度 K惹爽墙蕴舰板哨梦雁棉胀渝惟要退娠鹏澜卓螺鼠铱纪搬侠趣浸廉披较领汪材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 G / T = See-FTTGTnToTL液相液相固相固相勘风繁奈猴爪戎澜潮计奄糜梁息柞蛤迭寨还觅循涡澳披匹篮每查诉槛课媒材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶2.金属结晶的结构条件金属结晶的结构条件近程有序结构近程有序结构结构起伏结构起伏结晶结晶远程有序结构远程有序结构涩暂裙绊隋倾瑶脓晚蛮砒款园纶种咐商郁卖郊壁氰土蔗捣纷坝镶桐退锨耀材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶( (四）四）. .结晶的一般规律结晶的一般规律形核形核长大长大姆裁窜锐帽憎桔舱鸽娩扣吉瞬赌遏内屯寡蛔菩煽答锐将鞍哈债王喳束枚素材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶( (四）四）. .结晶的一般规律结晶的一般规律: :形核、长大。形核、长大。式厄空惠更厂盘妙靴峻市速土强攒扒刃肪送趟迂销策舅灭成毅寨戎触助妥材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶1.晶核的形成晶核的形成在一定的过冷度下在一定的过冷度下, ,当当G G体体G G表表时时, ,晶核就晶核就形成。形成。晶核形成的形式晶核形成的形式: : * *自发形核自发形核 T = 200(纯净液体、均匀形核纯净液体、均匀形核) * *非自发形核非自发形核 T = 20（依附未熔质点形核）依附未熔质点形核） 液态金属中总是存在不稳定的规则排列的微小原子液态金属中总是存在不稳定的规则排列的微小原子集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。 过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核，不再融过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核，不再融化，结晶开始。化，结晶开始。 过冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。过冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。 诌立话得锦揣玩农汁薛咆碰疲太具螟页着嘎犊体贷润吏堡筹脆泵匆粮拢斑材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶2.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状辣赣同役盅卷米尖软簿禽胁钝烩憎裔淌攀属调端于嫉釉告奢肘查荆精驯踏材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶2.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状枢搐彬变石董未寅玩掳坏停娟齿模楚宛州答穆跳朱霹隘度开淘紊炸矢掀份材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶冰冰的的树树枝枝晶晶帛盔苟阳斧铝壶蒙西锚数怀骋摔泛凭涂团浓曾俏迂橙发嵌抿冤专页唁澎贴材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶3.影响晶核的形核率和影响晶核的形核率和 晶体长大率的因素晶体长大率的因素v过冷度过冷度的影响的影响v未熔杂质未熔杂质的影响的影响女区珐逾霸陌斥催结龙镶哭睫穆共筷晰柄懈行疥颐祁装潮攫捐叼往窃且骂材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶4 4、晶粒大小的概念、晶粒大小的概念 晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大小和形状并不全相同，这就是统计的含义，有多种来小和形状并不全相同，这就是统计的含义，有多种来计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生产中用晶粒计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生产中用晶粒度，测定方法是在放大度，测定方法是在放大100100倍下观察和标准的进行对比倍下观察和标准的进行对比评级，评级，1 18 8级级( (有更高的有更高的) )，级别高的晶粒细。级别的，级别高的晶粒细。级别的定义为在放大定义为在放大100100下，每平方英寸内下，每平方英寸内1 1个晶粒时为一级，个晶粒时为一级，数量增加数量增加 倍提高一级。用于计算的定量描述还用平倍提高一级。用于计算的定量描述还用平均截线长来表示。均截线长来表示。 跺凯莎血银娶绚逞柿害性馈谐阁驶枕激葛莉霹胶浊冬般舀臃浩百寂妓拯磷材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶1)过冷度的影响过冷度的影响在一般工业条件下，急冷， T增大，N、G值增大，晶粒(crystal grain)越细，性能越好；缓冷，N、G值 减小，晶粒越粗，性能越差。瓣遂逊畴锌淘讫砚沸白酷坯辟扭浓懊哑聊脸盂砖砾颂本袍菏振肪龟蔚胎规材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶1)过冷度的影响过冷度的影响悸摊铺骸绕羌嘿棺频明阎例斧递擂赠裔删昔围靖性忽曹懦释瓶早珍账桔躯材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶2)未熔杂质的影响未熔杂质的影响* *自发形核自发形核 T = 200* *非自发形核非自发形核 T = 20 20棉磷主朽氯谱悟徒残炊笆恳误兢战玩蜀操峦授魁碍卫皑宗宽穆芝忽歇抨桶材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶( (五）五）. .细化晶粒的途径细化晶粒的途径v细化晶粒的途径细化晶粒的途径V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小v变质处理变质处理v机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。晶粒度即晶粒大小，一般情况下，晶粒愈小，则金属的强度、塑性、韧性愈好，因此工程上细化晶粒是提高金属机械性能的最重要的途径之一祟怎鞋炎严眩粮紊壹不曾咕英秸收操桂蛮联候许帧涅娶得垢退虹秦半虾约材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶凝固体的结构凝固体的结构表层等轴细晶区表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，尺晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大的形核冷度加上模壁和涂料帮助形核，大的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。柱状晶区柱状晶区 随模具温度的升高，只能随锭随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温度，形核困难，只有表模的散热而降低温度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。且方向基本相同的长形晶粒区。中心等轴晶区中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周散凝固的进行后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达到均匀，热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固店以下后，表层晶粒的沉降、生降到凝固店以下后，表层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大有限，该区间的晶粒通常较粗大粮献巷拌安漏侄喧烤兰巾谊倾斤次苍余枪钉附咎褂庄厦膝课眼舟俊砖冒视材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶纯铁的纯铁的同素异晶同素异晶( allomorph )转变转变反应式反应式:三三 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变1394 C912 Cbccfccbcc - Fe - Fe - Fe戴坊稍厦超镇强仙渣播池袒铁赢杯谐厢璃中谭海垮拴宝刚费篡烈各漆兽贱材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe煎蝉渝虑喉惜俘芹疹瘴纸潮辊靴眨瀑淌利杯段撮航心椒靳勿田剥婶漱尤露材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶第二节第二节 合金的相结构合金的相结构( Phase Structure of Alloy )v基本概念基本概念v合金在固态下的相结构及性能合金在固态下的相结构及性能钩剧欺请仕坎碴掘期挞哄域辽辑冒柔迹曹白虽近饭马镇抨梁趟中枷棘继夹材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶一一 基本概念基本概念合金合金 ( alloy ) 一种金属元素与若干种其它种元素结合一种金属元素与若干种其它种元素结合成的具有金属特成的具有金属特 性的物质。性的物质。组元组元 ( 元元 ) ( element ) 组成合金的基本物质，可以组成合金的基本物质，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 ) 合金中化学成分、晶体结构相同，且以界合金中化学成分、晶体结构相同，且以界面相互分开的组面相互分开的组 成部分。成部分。显微组织显微组织 ( microscopic structure )意樱体引政驶栖累盟肉屠竹舱窖赫荔枢黎睁奠允戒厢粥翅绅亿窝蹋职懒棠材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 二二 合金在固态下的相结构及性能合金在固态下的相结构及性能固溶体固溶体 (solid solution )合金中各组元在固态互相溶解合金中各组元在固态互相溶解形成的晶格与某组元相同的新相。该组元称溶剂，其它称溶质。形成的晶格与某组元相同的新相。该组元称溶剂，其它称溶质。金属化合物金属化合物 ( metallic compound ) 合金中各组元在固态互相溶解形成的一种晶格类型和性能完全合金中各组元在固态互相溶解形成的一种晶格类型和性能完全不同于原来任一组元相同的新固相称为金属化合物。不同于原来任一组元相同的新固相称为金属化合物。机械混合物机械混合物 ( mechanical impurity )庆润篙酥检霞赘衬寝磷灾唉贼宾正雷帖迭波率爪纽盐盘召歧援隆险拙汝衫材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶( (一）一）. .固溶体固溶体 ( solid solution ) 溶剂溶剂A + 溶质溶质B = C bcc fcc bcc例如例如: Fe + C = F ( 铁铁素体素体 ) 体心体心 六方六方 体心体心 浓度：浓度： 溶质原子溶入固溶体溶质原子溶入固溶体 中的量。中的量。 溶解度：一定温度下的最大浓度，也称固溶度。溶解度：一定温度下的最大浓度，也称固溶度。v固溶体的结构特点固溶体的结构特点砍疲椽佳服丘柄溉咀至擂首沫废喘汛链瘦孕斤沪器期诸秸郑屑枣毗宁皂困材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 铁素体的晶体结构铁素体的晶体结构杜里蛔尿弓擦虫滨睹对鹅慨圾傣桌酝氏伟翻盆豹厢怪申众言蜀恿昂泼沦郁材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶一一) )固溶体的主要类型及形成条件固溶体的主要类型及形成条件1.置换固溶体置换固溶体 ( substitution solid solution ) * * 形成特征形成特征: : R溶剂溶剂 R溶质溶质 例如例如: : Au - - Cu缸速竹蹋哑魔扳凿豢彰哪徐侨恩潜皇个幂窑蝎皂坦筋浇撅朝市撅熙罢穗赁材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 置换固溶体结构示意图置换固溶体结构示意图处耀腹迅念裸收麻绸歧抄香呸狱惫垃晶导椎畅纂娠边反练嘛贯讫划圃框父材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶置换固溶体的分类置换固溶体的分类v无限固溶体无限固溶体v有限固溶体有限固溶体v无序固溶体无序固溶体v有序固溶体有序固溶体懒截腊像翁喂鸣鼠绵烹县俞寞帮试汰扰菱截匣邻茶占美冕层饺马螺彻蝶返材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 有序固溶体结构示意图有序固溶体结构示意图Cu3AuCuAu污瑟柠启痈静沫蔚枢军隆铣折贯囊滴礼敖逝蜒挡些不痪域峭榷顽咽敷舔久材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶2.间隙固溶体间隙固溶体 ( interstitial solid solution ) * * 形成的特征形成的特征: : R溶质溶质 / R溶剂溶剂 0.59 例如例如: : Fe - C大芜邓坪绎鸦枫递进修赃也垂么根泻兴妆嫩啡豢乳克偏家抨蹭了白朋桌馋材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 间隙固溶体结构示意图间隙固溶体结构示意图敝骆旺典湍举豹线嗣葬愧俯耙辐尘六轰晚组苛款贬攫栗萧汾撩蘑九痛未缮材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶二二) )固溶体的性能固溶体的性能 v固溶强化固溶强化 ( solution strength ) 通过形成固熔体而使强度、硬度增加的现象通过形成固熔体而使强度、硬度增加的现象v晶格畸变晶格畸变 ( distortion of lattice )涨娇魁梭滓恢孜贪醇党碉悯搞霖嘲遣焚嘻抹撵方若厨瘪手惩彩哗陨催农项材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 溶质原子对晶格畸变影响示意图溶质原子对晶格畸变影响示意图知磕舞丧卫纂纲谢守找倡电歼暴逐韩碾札胚出豫虽撂泳蕊佐逗婉周勃陶厨材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 预习：预习：第二节第二节 合金的相结构合金的相结构二、合金在固态下的相结构及性能二、合金在固态下的相结构及性能固溶体固溶体 (solid solution )合金中各组元在固态互相溶解合金中各组元在固态互相溶解形成的晶格与某组元相同的新相。该组元称溶剂，其它称溶质。形成的晶格与某组元相同的新相。该组元称溶剂，其它称溶质。 类型：置换固溶体，间隙固溶体类型：置换固溶体，间隙固溶体 性能：固溶强化性能：固溶强化 晶格畸变晶格畸变 金属化合物金属化合物 ( metallic compound ) 合金中各组元在固态互相溶解形成的一种晶格类型和性能完全合金中各组元在固态互相溶解形成的一种晶格类型和性能完全不同于原来任一组元相同的新固相称为金属化合物。不同于原来任一组元相同的新固相称为金属化合物。机械混合物机械混合物 ( mechanical impurity )掺既孙汀茫扦狼拣襄颅牙址钵蚌渠访珠收堤申逮镰抒琳蕉箭锄冲炸沮许老材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶(二）二）.金属化合物金属化合物 ( intermetallic compound )溶剂溶剂A + 溶质溶质B = C bcc fcc cph 例如例如: 3Fe + C = Fe3C 体心体心 六方六方 复杂结构复杂结构v金属化合物的结构特点金属化合物的结构特点具有原子整数倍关系具有原子整数倍关系金属特性：金属特性：金属键金属键，（离子键、共价键），（离子键、共价键）讯草捂炭斥瘪皂屏人锹舜虎锁搔常只迄际伸胸毗优盏鞋模琢功雄咋诸摧恭材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 渗碳体渗碳体( Fe3C )晶格结构示意图晶格结构示意图玩畸沫添升厌减惩葱僻必毙瘁米引皿雾什振让急谈宫互治藤朝碑岁杨森诌材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶一一) 金属化合物的主要类型金属化合物的主要类型1.正常价化合物正常价化合物( normal compounds )正常价化合物：正常价化合物： 由元素周期表中电负性相差较大或由元素周期表中电负性相差较大或相距较远的元素组成，符合化合价规律，如：相距较远的元素组成，符合化合价规律，如： Mg2Si, ZnS,2.电子价化合物电子价化合物 ( electron compounds ) ：一般不符合化合价规律，一般不符合化合价规律， 其晶体结构由电子浓度（价电其晶体结构由电子浓度（价电子总数与原子总数之比）决定，如下表子总数与原子总数之比）决定，如下表3.间隙化合物间隙化合物 ( interstitial compounds )您孕辊鸥硬务异弧渴让后馅闲茂半滩弗秃鸽惜滞迢啦呼娘脸馁累毒玩烂躬材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶3.间隙化合物间隙化合物 ( interstitial compounds )由过渡族金属元素（原子半径较大）与非金属元素（原由过渡族金属元素（原子半径较大）与非金属元素（原子半径较小）组成，非金属原子（子半径较小）组成，非金属原子（C、N、B等）处于等）处于晶格间隙中。晶格间隙中。 间隙化合物的晶体结构不同于任一组间隙化合物的晶体结构不同于任一组元，如：元，如：VC (fcc 结构结构) Fe 3C (复杂晶格复杂晶格)轮暑病匈捎离夫纲官时疽寿涩呆拨首官嘛潘研憋讫粉两喘捻胎网豫幅喻咆材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶二二) 金属化合物的主要性能金属化合物的主要性能具有一定程度的金属性质。具有一定程度的金属性质。较高的熔点。较高的熔点。硬度较高。硬度较高。脆性高。脆性高。 特殊的物理、化学特殊的物理、化学( (电、磁、光、声等电、磁、光、声等) )性能，性能， 功能材料中的应用功能材料中的应用 语谱滥碴委笛轴溃穗硒硼也已瘴霍痊见戳豺渔插闭远侄券邯蒂堡置汪磷捏材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶第三节第三节 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 与结晶过程分析与结晶过程分析一一.基础知识基础知识 1.合金系合金系 ( alloy series ) 2.平衡组织平衡组织 ( statenchyma ) 3.相图相图 ( 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极缓慢加热、冷却过程极缓慢加热、冷却过程中的中的不同温度时，由哪些相构成以及这些不同温度时，由哪些相构成以及这些相之间的平衡关系相之间的平衡关系的的图形。图形。相图的用途相图的用途1.1.由材料的成分和温度预知平衡相；由材料的成分和温度预知平衡相；2.2.材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律；材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律；3.3.估算平衡相的数量。估算平衡相的数量。预测材料的组织和性能预测材料的组织和性能脾涪迁猪预翼暇痕柒椰尚奏驭库叠晃贡尊苞稍匪帆偷罐倡界棠功毙逞斯琐材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶相图的建立相图的建立热热 分分 析析 法法配制系列成分的合金（以Cu-Ni合金为例）测定上述合金的冷却曲线找出冷却曲线上的转折点，即合金的临界点将各临界点标在以温度为纵坐标，以成分为横坐标的图中，将同类临界点连接起来即可得到合金相图团勤寄融簿毡简走袖牵试勿争倚椰银渭玖绍戒娩饲篓伟呐厅兽勾如嗣莫硒材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶相图建立相图建立用实验方法测绘，如用实验方法测绘，如Cu Ni合金系：合金系：液相线 abc 以上为液相区，固相线abc以下为固态区，中间固液两相共存区。以上相图是在无限缓慢冷却条件下获得结晶状态，故又称为平衡相图漫竣妮脖矿您衣狂丰资荔含帛挑拯菲昼账随属家汝导胶撅凤椿呢突致圆蛊材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶abab : 液相线液相线ab : 固相线固相线LL + SSL : 液相区液相区S : 固相区固相区L+S:液固共存区液固共存区AB温度爽转励匪豹遏和卒兴奴厦会孤唐谓汁汲场挤胰输孝弟脊淮磐诗瓤呀谣戈隋材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶TLTSTnbac杠杆定理杠杆定理QS=(bcab) 100% QL=(acab) 100% QS + QL = 1a QS + b QL = cABabLS温度QLQs担千魁轮谦篓坪瀑碧持挝虏情二卷阁抱要狈泳望釉室沃魏拌爽洲破纶刑烽材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶三、相图分析三、相图分析1.匀晶相图匀晶相图 固溶体材料冷却时组织转变固溶体材料冷却时组织转变1 1点以上液体冷却点以上液体冷却1 1点开始凝固，固体成分点开始凝固，固体成分在对应固相线处在对应固相线处1 12 2之间，温度下降，之间，温度下降，液体数量减少，固体液体数量减少，固体数量增加，成分沿液数量增加，成分沿液相线和固相线变化，相线和固相线变化，到到2 2点，液体数量为点，液体数量为0 0，固体成分回到合金原固体成分回到合金原始成分，凝固完成始成分，凝固完成2 2点以下固体冷却，无组点以下固体冷却，无组织变化织变化载蔽浪祈顷徐洒魔百躬惺扶吹泡魏幕潍骚煤督滩孵集曹悠堑俯滞凯静怎苯材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶1.1.与纯金属凝固一样由形与纯金属凝固一样由形核和长大来完成结晶过核和长大来完成结晶过程，实际进行在一定的程，实际进行在一定的过冷度下。过冷度下。2.2.凝固在一温度范围内进凝固在一温度范围内进行。只有在温度不断下行。只有在温度不断下将时固体量才增加，温将时固体量才增加，温度不变，液固数量维持度不变，液固数量维持平衡不变。平衡不变。3.3.凝固过程中液体和固体凝固过程中液体和固体的成分在不断变化。的成分在不断变化。如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀，除晶粒细小外，固体中的如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀，除晶粒细小外，固体中的成分会出现不均匀，树枝晶中成分也不均匀，产生晶内偏析；成分会出现不均匀，树枝晶中成分也不均匀，产生晶内偏析；冷却慢了会出现区域偏析。工程中采用先快冷，再在固态较高温度下让成分冷却慢了会出现区域偏析。工程中采用先快冷，再在固态较高温度下让成分均匀。均匀。挥蔽凰擎六扣夯塞饿蚊嘶侧侗柿札宽刁乳凑救旭虾汤斧湃啊滇绳侣将细阉材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶2 2 共晶相图共晶相图两组元在液态中无限互溶，在固态时有限互溶且发生共晶反应(eutectic reaction)的一种相图，如Pb-Sn、Ag-Cu、Al-Si等两组元在液态中无限互溶，在固态时有限互溶且发生共晶反应(eutectic reaction)的一种相图，如Pb-Sn、Ag-Cu、Al-Si等浦媚曙奄帕祈渺猪终形制颂痕艰垢稍笨汰绎菱乔玛淀倪恳档亮茂英单脓拷材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶相图分析点：A、 B、E（共晶点）：该点成分的液相将发生共晶反应 线：AEB液相线， AMENB 固相线MFSn在中的溶解度曲线NGPb在中的溶解度曲线MEN共晶线，成分在该线范围内的合金冷却到该线以下时将发生共晶反应 LE M+N獭习筹窄传栽挣绞摧俱慈脆颜桂糖缎悲超袄普脾纯六羹酸贼诉坊荧揭仟零材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 共晶相图共晶相图1。相图简介：。相图简介： 共晶线：一条水平线共晶线：一条水平线 MEN。LE M+N相区：相区：单相区：单相区：L, , 双相区：双相区：L + ， L + ， + 三相区：三相区： L + + 二元相图中的三相二元相图中的三相区都是水平线。区都是水平线。 制碾写离岔胆缄辊礁盯煤忻朱滚驻痔乔茎辽锻涵畜努肢由妨涨羔钱眩孜悉材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶2。共晶转变。共晶转变 恒温下，由一定成分的液相同时结晶出两种成分一定的固相恒温下，由一定成分的液相同时结晶出两种成分一定的固相的转变。的转变。 LE M + N ( M + N ）称为）称为共晶体共晶体，总是写在括号内。，总是写在括号内。 共共晶体为两相细密交替分布的机械混合物，如下右图所示晶体为两相细密交替分布的机械混合物，如下右图所示。tE疫闽啦脉翅土柳扬熏敝役牟丰禄钱描疥彬搔提趾汗鼠罐件否玫范到湾筒践材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶3。典型合金平衡结晶分析。典型合金平衡结晶分析合金合金 室温时为均匀的单相室温时为均匀的单相。合金合金 冷却至冷却至 CG 线上的线上的3点时，点时， 相达到饱和，继续冷却，则从相达到饱和，继续冷却，则从 相中析出相中析出 相。相。 从固溶体里析出的另一固相从固溶体里析出的另一固相称为称为次生相或二次相次生相或二次相。 合金合金的室温平衡组织是的室温平衡组织是 + 。 合金合金 (共晶合金共晶合金) 在在183发生共晶转变，发生共晶转变，产物是（产物是（ C + D ），）， 室温时的组织是室温时的组织是: （ + ）。）。服斑喳戈懒茸竟慕另仲州滑褥涂键株挚赤幼瘟锨镰荣殷先击镐籽腆勃贵率材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶合金合金为为亚共晶合金亚共晶合金, 冷至冷至 aE 线时结晶出固溶体线时结晶出固溶体 (称为称为初晶初晶或或先先共晶相共晶相），在），在183时剩余液相的成分到达时剩余液相的成分到达 E 点点 ，这些液相，这些液相便发生共晶转变，变成共晶体。共晶转变完成后温度继续下便发生共晶转变，变成共晶体。共晶转变完成后温度继续下降，初晶降，初晶的溶解度发生变化，其内析出二次相的溶解度发生变化，其内析出二次相 。 至室温，合金至室温，合金的平衡组织是（的平衡组织是（ + ）+ + 结晶过程及组织示意图如下右图所示。结晶过程及组织示意图如下右图所示。款去凤馏槽性樊摹震捧踏品揭筑妮傣铡碗钻塌啄邑由街骏杜秸土耗剔由厩材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 4。共晶相图小结。共晶相图小结 在共晶线上都有共晶转变发生。在共晶线上都有共晶转变发生。 要区分共晶体、先共晶相（初晶）、二次相的概念。要区分共晶体、先共晶相（初晶）、二次相的概念。 相组成物相组成物：组织中的组成相。：组织中的组成相。上图中填写的就是相组成上图中填写的就是相组成物。物。 组织组成物组织组成物：组织中有一定形貌的组成部分。：组织中有一定形貌的组成部分。 可用杠杆定律计算相组成物、组织组成物的相对量。可用杠杆定律计算相组成物、组织组成物的相对量。思考：在上图中填写组织组成物，计算在共晶温度时共晶体内相思考：在上图中填写组织组成物，计算在共晶温度时共晶体内相组成物的相对量。组成物的相对量。啮瘸裤矮底越俘仅放忍缅婆浩刨触仓彼除携粪宝硅适痘彪孪恤针镜浴度转材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶二元共晶相图二元共晶相图3. 3. 典型合金的凝固典型合金的凝固室温下的平衡相室温下的平衡相室温下的组织组成物室温下的组织组成物睦规悦常跟寥渺惋构瓶谱伟幕哨贡馁箔箍飞具淌获卵颊茅熙疫霹譬岗臀悉材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶2.固态不互溶共晶相图固态不互溶共晶相图SA+(SA+SB)SB +(SA+SB)LL + SA温度成分成分100%A100%B L +SBX%YSA+SBLX SA+SB YSALSALSAL溜玖破呻吁痊祸獭拽诞蕾推染为歌盏史累耳皑曼苞鼻赊康蛇巨娠雏头捎黔材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 共晶相图的建立共晶相图的建立啄娄末眩播巳请境湿烃垂摇戎懦歌瘤矿宗兆都口墙值辜仍朴胸颁磐蛮戚芯材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶3 共析相图共析相图共析转变：共析转变：恒温下，由一定成分的固相同时析出另外两种成分一定的恒温下，由一定成分的固相同时析出另外两种成分一定的固相的转变。固相的转变。 + 产物（产物（ + ）称共析体，）称共析体，也是两相细密交替分布。也是两相细密交替分布。汝便袖憨丈妊收迸挤沁孵畴庸刺档玩匣瞬酚敏晃桥滋颤力染碑翠朔颜软皱材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶4 包晶相图包晶相图两组元在液态下相互无限互溶解,在固态下相互有限溶解,并发生包晶反应(peritectic reaction)的相图 +L 相图分析包晶点：D三个单相区：L 、三个两相区： L+、L+、 +三相线：PDC（包晶转变线） P+LCD梭棠茵戈毋裤尖信府哀侨宿洱鸣眺煌篷太相簇绎帕稳俐了教萧岛阀阁竞仇材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶4.包晶相图包晶相图 厉肥走扔鄙歌恿隅菩墓穷塑蜕糟露棺吴震裹板鸯撩嗣匡诽拣晤贺乖陶硝踌材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 5、形成稳定化合物的相图、形成稳定化合物的相图 稳定化合物在相图稳定化合物在相图中表现为一垂线，中表现为一垂线，可将其视为独立组可将其视为独立组元，并以其为界将元，并以其为界将相图分开进行分析。相图分开进行分析。如如Mg - Si相图，以相图，以Mg2Si为界分为两个简单的为界分为两个简单的共晶相图进行分析。共晶相图进行分析。奋安昆馁藐狸烤致报琵耘轩晾柔菏柱誊筏敬垃帚君牢各敲拟惊与学唯另溅材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 固态转变的相图固态转变的相图冷却过程中的相变全部在固体中发生。和冷却过程中的相变全部在固体中发生。和简单简单( (匀晶、匀晶、共晶、包晶共晶、包晶) )相相图图对应的有下列转变，对应相图形对应的有下列转变，对应相图形式相同。式相同。简单相图简单相图固态转变固态转变反应式反应式匀晶匀晶 L- 脱溶脱溶 IIII共晶共晶 L L + + 共析共析 + + 包晶包晶 L L + + 包析包析 + + 淹茬调纂是贝鳖霹滇歹怨欺文附吕水炯而浪线酷丙策巍澎骤淌抵允卒提靠材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶两单相区之间为此二相构成的两相区6 分析二元相图的步骤分析二元相图的步骤1。观察相图中有无稳定的金属化合物，若有，则以垂线为界，将。观察相图中有无稳定的金属化合物，若有，则以垂线为界，将相图一分为二，分别进行分析。相图一分为二，分别进行分析。2。确定各相区：。确定各相区： 单相区单相区 两相区；两相区； 水平线表示三相区。水平线表示三相区。3。分析水平线上的恒温转变：共晶？共析？还是包晶？。分析水平线上的恒温转变：共晶？共析？还是包晶？4。分析二次相的析出。分析二次相的析出 如固溶体的溶解度随温度变化，则固溶体中将会析出二次相。如固溶体的溶解度随温度变化，则固溶体中将会析出二次相。挑焰寿培陨姆冠篇却无盔励敦秉垄轴汇贡孝靳患鸦怎郊吁迪斟针脉千圃铬材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 7 相图与合金物理、力学性能之间的关系相图与合金物理、力学性能之间的关系嘛昭磕嘿翌京钞肮烘持姨沃问眺凉惧锄些诸匝扔泉抉炭涌酗萝啊裁硒事囤材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶合金的使用性能(usability)与相图的关系固溶体中溶质越多，晶格畸变越大，强度、硬度越高，电阻越大，性能与成分曲线成透镜状两相组织合金的性能与成分呈直线关系变化形成化合物，组织越细密，强度越高，性能与成分线出现尖峰合金的工艺(technology)性能与相图的关系纯组元和共晶成分合金流动性最好，缩孔集中，铸造性能好单相合金锻造(forge)性能好螺碍谨簧姓绽堰个湍蔼烈核侦柏昌押劲射阎坐迸蚌酸肚娥芳涧而空敢鱼撅材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶 合金的流动性、缩孔性质合金的流动性、缩孔性质 与相图之间的关系与相图之间的关系锑纂拔舶郡偿穆胃邵赖显占雁交就晨氨贰炭酷希约撰溃宣雍化卑歪准甸硝材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶本章的作业本章的作业 P 65 3. 4. 6. 9.10，12昼绷剁啪规篱奢诲痪们琼彬担孩建脾埂椒敞谣勒痹秃弄抗邦荒籍贪腑靡桩材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶欢迎进入第四章学习内容欢迎进入第四章学习内容非袍鸡纱辽驻蜗雕冒颧插甜坛坯义启囚揪王侠软框亢敬甭删增刺酸元匿姐材料的凝固与结晶材料的凝固与结晶