学习情境二结晶

1、2.12. 22. 3金属的晶体结构金属的晶体结构合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶纯金属的结晶纯金属的结晶通过本单元的学习：通过本单元的学习：1.了解固溶体、金属了解固溶体、金属化合物、混合物的基化合物、混合物的基本概念、晶体结构、本概念、晶体结构、及固溶体的性能特点及固溶体的性能特点。2.了解二元合金相图了解二元合金相图的建立过程的建立过程。3.了解了解铜镍铜镍二元和金二元和金相图的建立相图的建立。学习目标学习目标:学习目标学习目标:2.32.3.1 1.基本概念基本概念 (1) 合金合金 由两种或两种以上的金属元素或金属由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属

2、特性的元素和非金属元素组成的具有金属特性的物质物质 普通黄铜普通黄铜：Cu+Zn 45钢钢: 铁碳合金铁碳合金 合金合金除具备纯金属的基本特性外，还可以除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性化特性,如如高强度高强度、高硬度高硬度、高耐磨性高耐磨性、 强磁强磁 性性、耐蚀性耐蚀性等。等。(2)组元组元 组元组元可以是金属可以是金属、 非金属或稳定化合物非金属或稳定化合物 组成合金的独立的，组成合金的独立的，最基本的单元最基本的单元(3)合金系合金系 若干给定组元，以不同若干给定组元，以不同配比，配制出的一系列不配比，

3、配制出的一系列不同成分、不同性能的合金同成分、不同性能的合金（4）相相 在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。的。 铁在同素异构转变过程中，会出现相的变化。铁在同素异构转变过程中，会出现相的变化。 纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。 固态白铜（铜与镍二元合金）是单相的。固态白铜（铜与镍二元合金）是单相的。 合金中有两类基本相：合金中有两类基本相：固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物。 在物质中，凡是成分相在物质中，凡是成分相同，结构相同并与其他部分同，结构相同并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，以界面

4、分开的均匀组成部分，称为称为相相。（5）组织组织 合金的组织是由数量、大小、形状和分布合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。方式不同的各种相所组成的。 不同组织具有不同的性能。不同组织具有不同的性能。 由不同组织构成的材料具有不同的性能。由不同组织构成的材料具有不同的性能。 同一种钢经过不同的热处理可以获得不同同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的性能。的组织，从而获得不同的性能。 45钢经过不同的热处理可以获得钢经过不同的热处理可以获得珠光体、珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体等组织。等组织。并获得不同的性能。并获

5、得不同的性能。组织组织是指用肉眼或显微镜等所是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料的微观形貌。观察到的材料的微观形貌。（1）固溶体）固溶体合金中两组元在液态和固态合金中两组元在液态和固态下都互相溶解，共同形成一下都互相溶解，共同形成一种成分和性能均匀的、且结种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，构与组元之一相同的固相，称为称为固溶体固溶体。固溶体固溶体溶剂溶剂+溶质溶质一种固相一种固相能够保持其原有晶格类能够保持其原有晶格类型并与固溶体晶格相同型并与固溶体晶格相同的组元称为的组元称为溶剂溶剂。失去原有晶格类型的组失去原有晶格类型的组元称为元称为溶质溶质，一般在合，一般在合金中含量较少。金

6、中含量较少。固溶体的分类固溶体的分类根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为：可将固溶体分为：间隙固溶体间隙固溶体和和置换固溶体置换固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律可根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律可将固溶体分为：将固溶体分为：有序固溶体有序固溶体和和无序固溶体无序固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中的根据溶质原子在溶剂晶格中的溶解度溶解度可将固可将固溶体分为：溶体分为：有限固溶体有限固溶体和和无限固溶体无限固溶体。溶解度：溶解度：指溶质在固溶体中的极限浓度。指溶质在固溶体中的极限浓度。间隙固溶体间隙固溶体溶质原子进入溶剂晶格中

7、的间溶质原子进入溶剂晶格中的间隙之中形成的固溶体。隙之中形成的固溶体。置换固溶体置换固溶体溶质原子占据在溶剂晶格的某溶质原子占据在溶剂晶格的某些结点上，使晶格上的某些溶些结点上，使晶格上的某些溶剂原子被置换而形成的固溶体剂原子被置换而形成的固溶体。 溶质与溶剂以任溶质与溶剂以任何比例都能互溶，何比例都能互溶，固溶度达固溶度达100，则称为则称为无限固溶体无限固溶体，否则为否则为有限固溶体有限固溶体间隙间隙固溶体固溶体溶质原子与溶剂原子直径之溶质原子与溶剂原子直径之比应小于比应小于059方可。方可。直径较大的原子所组成的晶格，直径较大的原子所组成的晶格，其空隙的尺寸也较大。其空隙的尺寸也较大。过

8、渡族元素过渡族元素(溶剂溶剂)与尺寸较小的元素与尺寸较小的元素C 、N、H、B等易形成间隙固溶体。等易形成间隙固溶体。溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很小小,所以间隙固溶体都是所以间隙固溶体都是有限固溶体有限固溶体。溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，其浓度越大，畸变越大。其浓度越大，畸变越大。置换置换固溶体固溶体无限固溶体一定是无限固溶体一定是置换固溶体。置换固溶体。置换固溶体置换固溶体也可以是有限固溶体。也可以是有限固溶体。两组元晶体结构相同，原子半径和电化两组元晶体结构相同，原子半径和电化学特性接近，则容易形成置换固溶体。

9、学特性接近，则容易形成置换固溶体。无限固无限固溶体溶体形形成条件成条件两组元晶体结构相同是必要条件。两组元晶体结构相同是必要条件。溶剂原子半径溶剂原子半径rA与溶质原子半径与溶质原子半径rB的的相对差相对差(rArB)rA小于小于8%左右时。左右时。碳碳在在 Fe中中的的间间隙隙固固溶溶体体铜铜和和金金形形成成的的置置换换固固溶溶体体固溶体的性能固溶体的性能固溶体与纯金属相比固溶体与纯金属相比强度、硬度升高强度、硬度升高。这种通过形成固溶体使金这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象属强度和硬度提高的现象称为称为固溶强化固溶强化。它是强化金属材料的它是强化金属材料的重要途径之一。重要途径之

10、一。固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相 。固溶体与纯金属相比电阻率上升，导电率下降等。固溶体与纯金属相比电阻率上升，导电率下降等。固溶强化的原因固溶强化的原因 由于溶质原子的溶入，使固溶由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，晶格畸变增大体的晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。而提高合金的强度和硬度。溶质原子溶入溶质原子溶

11、入晶格畸变晶格畸变位错远动阻力上升位错远动阻力上升金属塑性变形困难金属塑性变形困难强度、硬度升高。强度、硬度升高。（2）金属化合物）金属化合物 它是合金组元相互作用形成的晶格类型它是合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。和特性完全不同于任一组元的新相。n金金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。硬而脆。n合金中出现金属化合物时，常能提高合金的强度、合金中出现金属化合物时，常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。 根据合金中金属化合物相结构的性质根据合金中金属化合物相结构的性

12、质和特点，可大致划分为和特点，可大致划分为正常价化合物正常价化合物、电电子化合物子化合物及及间隙化合物间隙化合物三类。三类。a机械混合物机械混合物 工业合金中其组织仅由化合物单相组成的情况是工业合金中其组织仅由化合物单相组成的情况是不存在的。因为化合物固然有很高的硬度，但脆性太不存在的。因为化合物固然有很高的硬度，但脆性太大，无法应用。固溶体组成的合金，往往由于强度大，无法应用。固溶体组成的合金，往往由于强度、硬度等不够高，使用受到一定限制。绝大多数的工业硬度等不够高，使用受到一定限制。绝大多数的工业合金，其组织均为固溶体与少量化合物合金，其组织均为固溶体与少量化合物(一种或几种一种或几种)所

13、构成的所构成的机械混合物机械混合物。合金的性能。合金的性能取决于其形态、大取决于其形态、大小、数量、种类等。小、数量、种类等。201. 组元组元组成合金的组成合金的最简单最简单、最基本最基本、能够独立存能够独立存在在的物质。的物质。多数情况下组元是指组成合金的元素。但多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元化合物也可看作组元, , 如如Fe-CFe-C合金中的合金中的FeFe3 3C C。212. 合金系合金系由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合

14、金。不同成分的合金。l相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。工及热处理工艺的重要依据。22二元相图的建立方法二元相图的建立方法几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法热分析法。23二元相图的建立步骤二元相图的建立步骤1.1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的曲线上的临界点临界点（停歇点或转折点）。（停歇点或转折点）。2.2.将临

15、界点标将临界点标在温度在温度- -成分坐成分坐标中的成分垂标中的成分垂线上。线上。3.3.将垂线上相将垂线上相同意义的点连同意义的点连接起来，并标接起来，并标上相应的数字上相应的数字和字母。和字母。24二元相图的建立步骤二元相图的建立步骤由凝固由凝固开始开始温度连接起来的相界线称为温度连接起来的相界线称为液相线液相线；由凝固由凝固终结终结温度连接起来的相界线称为温度连接起来的相界线称为固相线固相线。(a)Cu-Ni(a)Cu-Ni合金的冷却曲线合金的冷却曲线 (b) Cu-Ni (b) Cu-Ni 合金相图合金相图251. 二元匀晶相图二元匀晶相图-相图分析相图分析两组元在液态和固态下均无两组

16、元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图。限互溶时所构成的相图。相图由相图由两条线两条线构成，上面是液相构成，上面是液相线，下面是固相线。线，下面是固相线。相图被两条线分为相图被两条线分为三个相区三个相区，液，液相线以上为液相区相线以上为液相区L L ，固相线以，固相线以下为下为固溶体区，两条线之间为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（两相共存的两相区（L+L+) )。 LL+ 成分成分（wt%Ni）温度温度（）CuNi液相线液相线固相线固相线261 .二元匀晶相图二元匀晶相图-合金的结晶过程合金的结晶过程当液态金属自高温冷却当液态金属自高温冷却到到t t1 1温度时，开始结晶温度时，开始

17、结晶出成分为出成分为1 1的固溶体，的固溶体，其其NiNi含量高于合金平均含量高于合金平均成分。成分。L L+ l除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例合金为例说明。说明。271.二元匀晶相图二元匀晶相图-合金的结晶过程合金的结晶过程随温度下降，固溶体重随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固线变化，固相成分沿固相线变化。相线变化。l这种从液相中结晶出这种从液相中结晶出单一固相单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶的转变称为匀晶转变或匀晶反应。反应。281. 二元匀晶

18、相图二元匀晶相图-合金的结晶过程合金的结晶过程为固溶体，此时固溶体的成为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分分又变回到合金成分3 3上来。上来。液固相线不仅是相区分界液固相线不仅是相区分界线线, , 也是结晶时两相的成分也是结晶时两相的成分变化线；变化线；匀晶转变是变温转变。匀晶转变是变温转变。l成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t t3 3时，最后时，最后一滴一滴L L3 3成分的液体也转变成分的液体也转变291. 二元匀晶相图二元匀晶相图-固溶体合金中的偏析固溶体合金中的偏析u合金的结晶只有在缓慢冷却条件合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才

19、能得到成分均匀的固溶体。下才能得到成分均匀的固溶体。u但实际冷速较快，结晶时固相中但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使的原子来不及扩散，使先结晶出先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如（如Cu-NiCu-Ni合金中的合金中的NiNi）, , 后结后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元晶的枝晶间含有较多的低熔点元素素( (如如Cu-NiCu-Ni合金中的合金中的Cu)Cu)。301. 二元匀晶相图二元匀晶相图-固溶体合金中的偏析固溶体合金中的偏析u在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析枝

20、晶偏析。u不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。u冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。u枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。 生产上常将铸件加热到固相线以下生产上常将铸件加热到固相线以下100-200100-200长时间保长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作种热处理工艺称作扩散退火扩散退火。311 .二元匀晶相图二元匀晶相图-固溶体合金中的偏析固溶体合金中的偏析C

21、u-Ni合金的合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织322 .二元共晶相图二元共晶相图Pb-SnPb-Sn合金相图合金相图成分（成分（wt%Sn）温度（温度（）PbSn当两组元在液态当两组元在液态下完全互溶，在下完全互溶，在固态下有限互溶固态下有限互溶, ,并发生并发生共晶反应共晶反应时所构成的相图时所构成的相图称作共晶相图。称作共晶相图。以以 Pb-Sn Pb-Sn 相图为相图为例进行分析。例进行分析。332 .二元共晶相图二元共晶相图-相图分析相图分析AB 相：相：相图中有相图中有L L、 、 三种相三种相, , 是溶质是溶质SnSn在在

22、 PbPb中的固溶体，中的固溶体， 是溶质是溶质PbPb在在SnSn中的固溶体。中的固溶体。 相区：相区：相图中有三个相图中有三个单相区：单相区： L L、 、 ；三；三个两相区：个两相区： L+L+ 、L+L+ 、 + + ；一个三相区：即；一个三相区：即水平线水平线CEDCED。342. 二元共晶相图二元共晶相图-相图分析相图分析固溶线固溶线: : 溶解度点的溶解度点的连线称固溶线。相图中连线称固溶线。相图中的的CFCF、DGDG线分别为线分别为SnSn在在 PbPb中和中和PbPb在在SnSn中的固溶中的固溶线。线。固溶体的溶解度随温度固溶体的溶解度随温度降低而下降。降低而下降。AB液固

23、相线：液固相线：液相线液相线AEBAEB，固相线，固相线ACEDBACEDB。A A、B B分别为分别为PbPb、SnSn的熔点。的熔点。352 .二元共晶相图二元共晶相图-相图分析相图分析AB 共晶线：共晶线：水平线水平线CEDCED叫做共晶线。叫做共晶线。u在共晶线对应的温度下（在共晶线对应的温度下（183 183 ），），E E点成分的合金同时结点成分的合金同时结晶出晶出C C点成分的点成分的 固溶体和固溶体和D D点成分的点成分的 固溶体，形成这固溶体，形成这两个相的机械混合物：两个相的机械混合物： L LE E ( ( C C + + D D) )在一定温度下，由一定成分的在一定温度

24、下，由一定成分的液相同时结晶出液相同时结晶出两个成分和结两个成分和结构都不相同构都不相同的新固相的转变称的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。作共晶转变或共晶反应。 362. 二元共晶相图二元共晶相图-相图分析相图分析u共晶反应的产物，即两相的共晶反应的产物，即两相的机械混合物称机械混合物称共晶体共晶体或共晶或共晶组织。组织。u发生共晶反应的温度称发生共晶反应的温度称共晶共晶温度温度。代表共晶温度和共晶。代表共晶温度和共晶成分的点称成分的点称共晶点共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散372. 二元共晶相图二元共晶相图-相图

25、分析相图分析u凡具有共晶线成分的凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶温度时都将发生共晶反应。反应。L+ CDAB具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称分位于共晶点以左的合金称亚共晶亚共晶合金，位于共晶点合金，位于共晶点以右的合金称以右的合金称过共晶过共晶合金。合金。382. 二元共晶相图二元共晶相图-共晶系合金的平衡结晶过程共晶系合金的平衡结晶过程（1 1）含）含SnSn量小于量小于M M点的合金的结晶过程点的合金的结晶过程在在3 3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结

26、晶出单相固溶体，这种直接从液相固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称中结晶出的固相称一次相或初生相一次相或初生相。392. 二元共晶相图二元共晶相图-共晶系合金的平衡结晶过程共晶系合金的平衡结晶过程 温度降到温度降到3 3点以下，点以下，固溶体被固溶体被SnSn过饱和，由于晶格不稳，开始过饱和，由于晶格不稳，开始析出新相析出新相相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。形成二次相的过程称二次析出形成二次相的过程称二次析出, , 是固态相变的一种。是固态相变的一种。H402. 二元共晶相图二元共晶相图-共晶系合金的平衡结晶过程共晶系合金的平衡结晶过程

27、随温度下降随温度下降, ,和和相的成分分别沿相的成分分别沿CFCF线和线和DGDG线变化，线变化，的重量的重量增加。增加。QQFG412. 二元共晶相图二元共晶相图-共晶系合金的平衡结晶过程共晶系合金的平衡结晶过程ABCDEFGl合金室温组织为合金室温组织为 + + 。l成分大于成分大于D D点合金结晶点合金结晶过程与过程与合金相似合金相似; ;l室温组织为室温组织为 + + 。422. 二元共晶相图二元共晶相图-共晶系合金的平衡结晶过程共晶系合金的平衡结晶过程（2 2）共晶合金的结晶过程（以合金）共晶合金的结晶过程（以合金为例）为例）液态合金冷却到液态合金冷却到E E 点时同时被点时同时被P

28、bPb和和SnSn饱和饱和, , 发生共发生共 晶反应：晶反应： L LE E ( (C C+ +D D) )432. 二元共晶相图二元共晶相图-共晶系合金的平衡结晶过程共晶系合金的平衡结晶过程l析出过程中两相相间形核、析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因互相促进、共同长大，因而共晶组织较细。而共晶组织较细。l呈片、棒、点球等形状。呈片、棒、点球等形状。层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织442 .二元共晶相图二元共晶相图-共晶系合金的平衡结晶过程共晶系合金的平衡结晶过程l共晶组织中的相称共晶组织中