第三章 材料的凝固与相图

1、工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础第三章第三章 材料的凝固与相图材料的凝固与相图1工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础主要内容主要内容第一节 结晶与凝固特性及其影响因素第二节 纯金属的结晶第三节 合金的结晶与结晶相图2工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础第一节第一节 结晶与凝固特性及其影响因素一、凝固与结晶一、凝固与结晶n凝固凝固是指物质从液态经冷却转变为固态的是指物质从液态经冷却转变为固态的过程过程。n平衡结晶温度平衡结晶温度 凝固后的固态物质可以是凝固后的固态物质可以是晶体晶体，也可以是，也可以是非非晶体晶体。n通过凝固形成晶体物质的过程称为通过凝固形成晶体物质的

2、过程称为结晶结晶。 3工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础冶冶4工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础二、液态金属的结构和性质二、液态金属的结构和性质 n结晶实质上结晶实质上是原子由近程有序状态转变成长程是原子由近程有序状态转变成长程( (远程远程) )有序状态的过程。有序状态的过程。n广义上讲广义上讲，金属从一种原子排列状态转变为另，金属从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列状态的过程也属于结晶过程。一种原子规则排列状态的过程也属于结晶过程。 5工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础液态金属的结构液态金属的结构 近程有序（小范围内的原子规则排列）。 这种近程有序的原子

3、集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。注：注：通常的通常的固态金属固态金属属于晶体材料，金属原子是规则排属于晶体材料，金属原子是规则排列，也叫远程有序。列，也叫远程有序。 液态金属结构固态金属结构6工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础n结晶分类：结晶分类：n通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一一次结晶次结晶；n把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为过程称为二次结晶或重结晶二次结晶或重结晶。7工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础三、凝固状态的影响因素三、凝固状态的影响因素 1.1.熔融

4、液体的粘度熔融液体的粘度: :n粘度粘度是表征流体中发生相对运动的阻力。是表征流体中发生相对运动的阻力。n粘度越大，相对运动就越困难，原子扩粘度越大，相对运动就越困难，原子扩散越困难。散越困难。2.2.熔融液体的冷却速度熔融液体的冷却速度n冷却速度越大，在单位时间内逸散的热冷却速度越大，在单位时间内逸散的热量越多，熔融液体的温度便降得越低。量越多，熔融液体的温度便降得越低。 8工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础一、纯金属的冷却曲线和冷却现象 第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶 1-电源 2-热电偶 3-坩埚 4-金属液体 5-冰水（0） 6-恒温器 7-电阻炉 8-记录仪9工程材

5、料及机械制造基础工程材料及机械制造基础一、纯金属的冷却曲线和冷却现象 通过实验，测得液体金属在结晶时的温度通过实验，测得液体金属在结晶时的温度-时间时间曲线称为曲线称为冷却曲线冷却曲线。时间时间0温度温度TmTn T 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线ABCD第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶 理论结晶温度理论结晶温度：熔点：熔点T Tm m是金属的平衡结是金属的平衡结晶温度。晶温度。实际结晶温度实际结晶温度：液态金属冷却到熔点：液态金属冷却到熔点T Tm m时，并未开始结晶，而是需要继续冷却时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到到T Tm m之下某一温度之下某一温度T Tn n，液态金属才开

6、始结，液态金属才开始结晶。晶。10工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础u在在Tm 下下，液体的，液体的结晶速度结晶速度和晶和晶体的体的熔化速度熔化速度相等，处于动平相等，处于动平衡状态，结晶不能进行，而只衡状态，结晶不能进行，而只有低于这个温度，结晶才能进有低于这个温度，结晶才能进行，这种现象称为行，这种现象称为过冷现象过冷现象。u过冷度：过冷度：理论结晶温度理论结晶温度Tm与开与开始结晶温度始结晶温度 T Tn n之差。之差。 T =Tm- T Tn n时间时间0温度温度TmTn T 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线ABCD1、过冷现象、过冷现象 11工程材料及机械制造基础工程材料及

7、机械制造基础冷却速度冷却速度越大，则开始结晶温度越大，则开始结晶温度T Tn n越低，越低，过冷度过冷度也就越大。也就越大。12工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础2 2结晶潜热结晶潜热n物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。n金属熔化时从固相转变为液相是吸收热量，而结晶时从液相转变为固相则放出热量，前者称为熔化潜热，后者称为结晶潜热。0温度温度TmTn T 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线ABCD13工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（1 1）形核）形核n液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。心。

8、n生成的核心叫做晶核。生成的核心叫做晶核。n 形核有两种方式：自发形核、非自发形核形核有两种方式：自发形核、非自发形核二、结晶过程二、结晶过程 金属的结晶包括两个基本过程：金属的结晶包括两个基本过程：形核形核与与长大长大。14工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 1) 自发形核自发形核 在液态金属中，存在大量尺寸不在液态金属中，存在大量尺寸不同的同的近程有序近程有序的原子集团。温度降到的原子集团。温度降到结晶温度以下时，近程有序的结晶温度以下时，近程有序的原子集原子集团团变得稳定，不再消失，成为结晶核变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。心。这个过程叫自发形核。自发晶核

9、：自发晶核：由液态金属内部金属原子自发形成的晶核。由液态金属内部金属原子自发形成的晶核。15工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础2) 非自发形核非自发形核 实际金属内部往往含实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。叫非自发形核。非自发晶核：非自发晶核：依附于杂质而形成的晶核。依附于杂质而形成的晶核。16工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（2） 晶核的长大（晶核的长大（以树枝状长大为主以树枝状长大为主） 由于晶核

10、长大时，晶体的棱角和棱边的散热条件好，因而长大较快，由于晶核长大时，晶体的棱角和棱边的散热条件好，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称成为伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴一次晶轴，在一次晶，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝，即轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴二次晶轴。其后。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后得到具有树枝状的晶体。又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后得到具有树枝状的晶体。 17工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶18工

11、程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础液体状态液体状态晶核晶核总总结结纯金属的结晶总是在恒温下进行的，结晶时总有结晶潜热放出，结晶过程总是遵循形核和核长大规律，在有过冷度的条件下才能进行结晶。19工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础结晶后的晶粒大小及控制20工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础n金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。晶粒大小可用晶粒度来表示，晶粒度号越大晶粒越细晶粒度号越大晶粒越细。n晶粒度的计算公式晶粒度的计算公式： 式中：m1mm2表面中的晶粒个数； N晶

12、粒度等级。1、晶粒度、晶粒度22Nm21工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础2）长大速率）长大速率G：单位时间晶体长大的线长度；：单位时间晶体长大的线长度； m/s （1）决定晶粒度的因素：）决定晶粒度的因素：1）形核率）形核率N：单位时间单位体积形成的晶核数；：单位时间单位体积形成的晶核数； 个个/m3s N越大，则结晶后的晶粒越多，晶粒就越细小。越大，则结晶后的晶粒越多，晶粒就越细小。G越快越快, 则晶粒越粗。则晶粒越粗。N/G越大，晶粒越细小越大，晶粒越细小22工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 注：注：在一般情况下在一般情况下, 晶粒越小晶粒越小, 则金属的强度、塑性

13、和韧性则金属的强度、塑性和韧性越好。越好。工程上使晶粒细化工程上使晶粒细化, 是提高金属机械性能的重要途是提高金属机械性能的重要途径之一，这种方法称为径之一，这种方法称为细晶强化细晶强化。（2）晶粒度对金属性能的影响）晶粒度对金属性能的影响23工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础24工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（4）晶粒大小的控制： 1） 增大金属的过冷度增大金属的过冷度n 随着过冷度的增加随着过冷度的增加, N和和G均会增大。但前者的增大更均会增大。但前者的增大更快，因而快，因而N/G也增大也增大, 结果使结果使晶粒细化晶粒细化。q提高液态金属的提高液态金属的冷却速度

14、冷却速度, 采用冷却能力较强的模子。采用冷却能力较强的模子。金属型金属型代替砂型、增大金属型厚度代替砂型、增大金属型厚度q提高液态金属的过冷能力。提高液态金属的过冷能力。高温熔化低温浇注高温熔化低温浇注q 超高速急冷超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结构的金技术可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。属和非晶态结构的金属。25工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础2）变质处理）变质处理n一种情况是变质剂加入液态金属时，能直接增加形核核心，称为孕育剂，相应处理称为孕育处理。在铁水中加入硅铁、硅钙合金都能细化石墨。n另一种情况是加入变质剂，改变晶核的生长条件，强

15、烈地阻碍晶核的长大或改善组织形态。在铝硅合金中加入钠盐，钠能在硅表面上富集，从而降低硅的长大速度，进而阻碍粗大硅晶体的形成，细化了组织。26工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 3）振动）振动 在金属结晶的过程中采用在金属结晶的过程中采用机械振动机械振动、超声波振动超声波振动等，等，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。心，获得细小的晶粒。4）电磁搅拌）电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树磁感应现象，

16、液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而细化晶粒。枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而细化晶粒。 27工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础第三节第三节合金的结晶与结晶相图合金的结晶与结晶相图几个概念：几个概念：合金、组元、相、组织合金、组元、相、组织n合金合金:一种金属元素同另一种或几种其他元素，通过熔炼、烧结或其一种金属元素同另一种或几种其他元素，通过熔炼、烧结或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。 n组元组元:组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。n在多数情况

17、下是元素。例如，在多数情况下是元素。例如，Al-Si合金中的合金中的Al和和Si皆为组元。皆为组元。n按所含组元的数目，合金可分为二元合金、三元合金及多元合金。按所含组元的数目，合金可分为二元合金、三元合金及多元合金。 n组织组织: 观察到的材料的微观形貌。观察到的材料的微观形貌。 28工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础一 合金的相结构及性能u相相:指合金中晶体结构相同、成分和性能均一并指合金中晶体结构相同、成分和性能均一并以界面与其他部分分开的均匀组成部分。以界面与其他部分分开的均匀组成部分。u 固态纯金属一般是一个相，合金可能几个相。u 组织：指肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌

18、29工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础一 合金的相结构及性能 1固溶体固溶体 u 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为且结构与组元之一相同的固相称为固溶体固溶体。u固溶体一般用固溶体一般用、来表示。来表示。 固态合金中有两类基本相固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物：固溶体和金属化合物。30工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础n形成固溶体后，晶格保持不变的组元称形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂溶剂，一般，一般在合金中含量较多；其它元素为在合金中含量较多；其它元素为溶质溶质，含量较少。，含

19、量较少。n分类：分类：u按溶质原子在溶剂晶格中的位置分按溶质原子在溶剂晶格中的位置分 置换固溶体置换固溶体、间隙固溶体间隙固溶体u按溶质原子在溶剂中的溶解度分按溶质原子在溶剂中的溶解度分 有限固溶体有限固溶体、无限固溶体无限固溶体。31工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子溶质原子进入进入溶剂晶格的溶剂晶格的间隙之中间隙之中 溶质原子溶质原子代换代换了溶剂晶格了溶剂晶格某些结点上的原子某些结点上的原子 32工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础有限固溶体有限固溶体无限固溶体无限固溶体 固溶体中溶质的含量即为固溶体的固溶体中溶质的含量

20、即为固溶体的浓度浓度。 在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中的的极限浓度极限浓度即为溶质在固溶体中的即为溶质在固溶体中的溶解度溶解度。 33工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础u固溶体的性能固溶体的性能u 固溶体随着溶质原子的溶入固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变晶格发生畸变。晶格畸变增。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。而提高合金的强度和硬度。u铜铜 抗拉强度抗拉强度220（330）、硬度）、硬度40（70）、断面收缩率）、断面收缩率70%（5

21、0%）u 通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶固溶强化强化。34工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础2 2 金属化合物金属化合物 金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的及性能均不同于任一组元的合金固相合金固相。离子键、共价键离子键、共价键+ +金属键金属键 分类：分类：（1 1）正常价化合物）正常价化合物：若组元间电负性相差较大，且形成的化若组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守化合价规律，则此类化合物称为正常价化合物。合物严格遵守化合价规

22、律，则此类化合物称为正常价化合物。成分固定成分固定 、高的硬度和脆性、高的硬度和脆性 。 35工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（2）电子化合物）电子化合物 ：若组元间形成的化合物不遵守化合价规律，但符合一定电子浓度（化合物的价电子总数与原子总数之比），这类化合物称为电子化合物。u不遵循原子价规律，服从电子浓度规律；不遵循原子价规律，服从电子浓度规律；u高的熔点和硬度，塑性较低高的熔点和硬度，塑性较低 。代表符号相相相电子浓度3/221/137/4晶格类型体心立方复杂立方密排六方举例CuZn，Cu3AlCu5Zn8，Cu9Al4CuZn3，Cu3Zn表3-2 部分电子化合物的晶格类型

23、36工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（3）间隙化合物）间隙化合物 由由原子半径较大过渡族金属元素原子半径较大过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等与碳、氮、氢、硼等原原子半径较小子半径较小的非金属元素形成的化合物。的非金属元素形成的化合物。 尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属原子则有规则嵌入晶格的间隙中。较小的非金属原子则有规则嵌入晶格的间隙中。根据结构特点，间隙化合物分根据结构特点，间隙化合物分简单结构的间隙化合物简单结构的间隙化合物和和复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物两种。两种。 37工程材料及机械制造

24、基础工程材料及机械制造基础（1）简单结构的间隙化合物简单结构的间隙化合物u 当非金属原子半径与金属原子半径之比小于当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形时，形成的具有简单晶格的间隙化合物。成的具有简单晶格的间隙化合物。u 间隙相具有金属特性，有极高的熔点、硬度和脆性间隙相具有金属特性，有极高的熔点、硬度和脆性, 非非常稳定，是常稳定，是高合金钢高合金钢、硬质合金硬质合金和和高温金属陶瓷高温金属陶瓷材料的材料的重要组成相。重要组成相。图3-9 间隙相VC的晶体结构 38工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（2）复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物u 当非金属原子半径与金

25、属当非金属原子半径与金属原子半径之比大于原子半径之比大于0.59时，时，形成形成具有复杂结构的间隙具有复杂结构的间隙化合物化合物。 u 熔点、硬度和脆性稍低于熔点、硬度和脆性稍低于间隙相，是间隙相，是碳钢碳钢及及合金钢合金钢的重要组成相。的重要组成相。图3-10 间隙化合物Fe3C的晶体结构39工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（4 4）机械混合物机械混合物 n由两种或两种以上的相按一定质量分数组合成的物质称为机械混合物。n混合物中各组成相仍保持自己的晶格，彼此无交互作用，其性能主要取决各组成相的性能以及相的分布状态。n工程上使用的大多数金属合金的组织都是由固溶体与少量金属化合物组成

26、的机械混合物。40工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（2）金属化合物的性能 n具有复杂的结合键及晶体结构，并表现出有高的熔点、硬度及脆性。n具有一定的金属特性，但不能作为合金的基体相。n以细小的尺寸弥散地分布在合金中时，能有效地提高其强度、硬度、耐磨性及高速切削性能，起到所谓弥散硬化的作用。41工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础二、合金相图的建立重点内容重点内容工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础n合金系合金系 n两个或两个以上的组元按不同比例配制成的一系两个或两个以上的组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，总称为合金系。列不同成分的合金，总称为合金系。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相图的相关概念43工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础相图相图 u 相图相图是用来表示合金系中各个合是用来表示合金系中各个合金结晶过程的图，它是反映在平金结晶过程的图，它是反映在平衡条件下衡条件下(极缓慢冷却或加热极缓慢冷却或加热)各各成分合金的结晶过程以及相和组成分合金的结晶过程以及相和组织存在范围与变化规律的简明示织存在范围与变化规律的简明示意图，也称为平衡图或状态图。意图，也称为平衡图或状态图。u 描述描述平衡条件平衡条件下，相和相变与温下，相和相

28、变与温度、成份、压力之间的关系图。度、成份、压力之间的关系图。44工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础n平衡相、平衡组织、平衡结晶平衡相、平衡组织、平衡结晶n如果合金在某一个温度停留任意长的时间，合金中各个相如果合金在某一个温度停留任意长的时间，合金中各个相的成分都是均匀不变的，各相的相对质量也不变，那么该的成分都是均匀不变的，各相的相对质量也不变，那么该合金就处于相平衡状态，此时合金中的各相称为合金就处于相平衡状态，此时合金中的各相称为平衡相平衡相。n由这些平衡相所构成的组织称为由这些平衡相所构成的组织称为平衡组织平衡组织。n如果合金在其结晶过程中或相变过程中的冷却速度非常缓如果合金

29、在其结晶过程中或相变过程中的冷却速度非常缓慢，那么由于其原子有充分的时间进行扩散，所以合金中慢，那么由于其原子有充分的时间进行扩散，所以合金中的各相将近似处于平衡状态，这种冷却方式称为平衡冷却的各相将近似处于平衡状态，这种冷却方式称为平衡冷却，这种处于相平衡状态的结晶或相变方式称为，这种处于相平衡状态的结晶或相变方式称为平衡结晶平衡结晶。45工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础l在常压下，二元合金的相状态决定于在常压下，二元合金的相状态决定于温度温度和和成分成分。l相图中，有相图中，有二元相图二元相图、三元相图和多元相图。、三元相图和多元相图。l二元相图是以二元相图是以试验数据试验数据

30、为依据，在以为依据，在以温度温度为纵坐为纵坐标，以标，以组成材料的成分或组成元素组成材料的成分或组成元素为横坐标，绘为横坐标，绘制的线图。制的线图。2、二元相图的建立、二元相图的建立46工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础l试验方法有多种，最常用的是热分析法。试验方法有多种，最常用的是热分析法。47工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础CuNi合金相图合金相图是一种最简单的基本相图。是一种最简单的基本相图。图中的每一点表示一定成分的合金在一定温度时的图中的每一点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态稳定相状态。 CuNi合金相图合金相图Cu204060 80wNi（）（）TC

31、uTNiNi48工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 CuNi合金相图的测绘合金相图的测绘 CuNi相图 冷却曲线温度时间CuNi20406080wNi（）wCu100wNi20wNi40wNi60wNi80wNi100TCuT TNiNi49工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础三、二元合金的结晶与相图二元相图类型二元相图类型匀晶相图匀晶相图共晶相图共晶相图包晶相图包晶相图共析相图共析相图50工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础1、二元匀晶相图、二元匀晶相图例如例如Cu-Ni合金相图为典型的匀晶相图合金相图为典型的匀晶相图v匀晶相图：只发生匀晶相图：只发生匀晶反应匀晶反

32、应的相图。的相图。v匀晶反应匀晶反应：从液相中直接结晶出固溶体的反应。：从液相中直接结晶出固溶体的反应。v特点特点：匀晶相图中两组元在液态、固态下都能：匀晶相图中两组元在液态、固态下都能无无限互溶限互溶。51工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础aa1c 为液相线，是各种为液相线，是各种成分的合金在冷却时开始成分的合金在冷却时开始结晶或加热时熔化终止的结晶或加热时熔化终止的温度；该线以上合金处于温度；该线以上合金处于液相液相L。1） 相图分析相图分析Cu-Ni合金相图合金相图ac1c 为固相线，各种成为固相线，各种成分的合金在加热时开始熔分的合金在加热时开始熔化或冷却时结晶终止的温化或冷

33、却时结晶终止的温度。该线以下合金处于固度。该线以下合金处于固相相 。52工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础aa1c和和ac1c 之间是之间是液相与固溶体两相共液相与固溶体两相共存区，存区， L+a点为点为Cu的熔点，的熔点，c点为点为Ni的熔点。的熔点。Cu-Ni合金相图合金相图53工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础2） 结晶过程结晶过程 在两相共存区，液相的成分沿液相线变化，在两相共存区，液相的成分沿液相线变化，固相的成分沿固相线变化。固相的成分沿固相线变化。(a)相图 (b)结晶过程图3-12 Cu-Ni二元匀晶相图及结晶过程54工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造

34、基础杠杆定律（杠杆定律（液相和固相液相和固相两相的成分确定）在两相区内在两相区内, 温度一定时温度一定时, 两相的两相的成分成分是确定的。是确定的。方法：方法：l过指定温度过指定温度t1作水平线作水平线, 分别交分别交液相线和固相线于液相线和固相线于 a1点、点、c1点点, 则则 a1点、点、c1点点成分轴成分轴上的投影点即上的投影点即相应为相应为 L相和相和 相的成分。相的成分。l随着温度的下降随着温度的下降, 液相成分沿液液相成分沿液相线变化相线变化, 固相成分沿固相线变化。固相成分沿固相线变化。到温度到温度t2 时时, L相成分及相成分及 相成分相成分分别为分别为 a2和和 c2点在成分

35、轴上的投点在成分轴上的投影。影。55工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础x1x2x在温度在温度T下：下：（1）设合金成分为）设合金成分为x ，液相成分为，液相成分为x1 ，固相成分为固相成分为x2 。（2）设合金总质量）设合金总质量为为1，液相占，液相占QL ，固，固相占相占Qa 。56工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础如在温度如在温度T时时, 两相的质量比可用下式表达：两相的质量比可用下式表达：x1x2x%LQbcLQac合金%1%QabLQac 合金；或57工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 这个式子与力学中的杠杆定律相似这个式子与力学中的杠杆定律相似, 因而亦

36、被称作因而亦被称作杠杆定律杠杆定律。 由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合金中所占的相对质量（即质量分数）金中所占的相对质量（即质量分数）%LQbcLQac合金计算p46页例题58工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础注意：注意：u杠杆定律是计算合金平衡组织中的组成相或组织组成杠杆定律是计算合金平衡组织中的组成相或组织组成物的物的质量分数质量分数的重要工具。的重要工具。u杠杆定律只适用于相图中的杠杆定律只适用于相图中的两相区两相区, 并且只能在并且只能在平平衡状态衡状态下使用。下使用。u杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点杠杆的两个端点为给定温度

37、时两相的成分点, 而支点而支点为合金的成分点。为合金的成分点。59工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（3）枝晶偏析）枝晶偏析 n枝晶偏析：枝晶偏析：在一个晶粒中，造成在一个晶粒中，造成先结晶晶轴先结晶晶轴( (枝干枝干) )的成分和后结的成分和后结晶晶轴晶晶轴( (分枝分枝) )成分的差异。成分的差异。n枝晶偏析会影响合金的力学、耐枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀和加工工艺等性能。蚀和加工工艺等性能。n通过通过扩散退火扩散退火( (将铸件预热到固相将铸件预热到固相线以下线以下100200100200，较长时间保，较长时间保温），可使成分均匀化。温），可使成分均匀化。Cu-Ni合金枝晶偏

38、析示意图合金枝晶偏析示意图60工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础v 共晶反应（共晶转变）共晶反应（共晶转变）：在一定条件（温度、成份）下，：在一定条件（温度、成份）下，由均匀液相由均匀液相同时同时结晶出两种不同固相的转变。结晶出两种不同固相的转变。v 所生成的两相混合物叫所生成的两相混合物叫共晶体共晶体(一种均匀机械混合物一种均匀机械混合物) 。v 机械混合物机械混合物：合金的组成物在固态下按一定重量比混合而成：合金的组成物在固态下按一定重量比混合而成的新物质，它的各个组成物仍保持自己原来的晶格类型和性的新物质，它的各个组成物仍保持自己原来的晶格类型和性能，其性能介于各种组成物之间。

39、能，其性能介于各种组成物之间。v 共晶相图共晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶或完全：两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶或完全不互溶且发生共晶反应的相图。不互溶且发生共晶反应的相图。2、二元共晶相图、二元共晶相图61工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础1）共晶相图分析）共晶相图分析Pb-Sn合金相图合金相图Pb-Sn合金相图详细分析视频合金相图详细分析视频62工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 L相：相：Pb与与Sn形成的无形成的无限液溶体限液溶体 相：相：Sn溶于溶于Pb中的有中的有限固溶体限固溶体 相：相：Pb溶于溶于Sn中的有中的有限固溶体限固溶体 Pb-S

40、n相图中有相图中有3种相：种相：63工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础u相图中有相图中有3个单相区个单相区: L、 u3个两相区：个两相区： L+、L+、+ ucde水平线：水平线： L+的三相共存的三相共存 64工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础uadb线线: 液相线液相线uacdeb线：线：固相线固相线ucf线：线：Sn在在相中的相中的溶解度溶解度线线ueg线：线：Pb在在相中的相中的溶解溶解度线度线ua点：点：Pb的熔点的熔点 b点：点：Sn的熔点的熔点65工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础cde水平线水平线：共晶反应线：共晶反应线 成分为成分为d点点的液相

41、的液相L将同时结晶出成分为将同时结晶出成分为c点点的的固溶固溶体和成分为体和成分为e点点的的固溶体，形成这两种固溶体的均匀固溶体，形成这两种固溶体的均匀机械混合物（共晶体或共晶组织）。机械混合物（共晶体或共晶组织）。 d点点：共晶点：共晶点 d点温度点温度共晶温度共晶温度 d点成分点成分共晶成分共晶成分66工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础cf线线：Sn在在Pb中的溶解度线中的溶解度线(或或相相的固溶线的固溶线)。l 温度降低温度降低, 固溶体的溶解固溶体的溶解度下降，于是便从度下降，于是便从 相中相中不断析出不断析出 相，以降低相，以降低 相相中中Sn含量。含量。l 从固态从固态

42、相中析出的相中析出的 相称为二次相称为二次 , 写作写作II 。这。这种二次结晶可表达为：种二次结晶可表达为： II。 67工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 eg线线：Pb在在Sn中溶解度线中溶解度线(或或 相的固溶线相的固溶线)。l 温度降低温度降低, 固溶体的溶解固溶体的溶解度下降，于是便从度下降，于是便从 相中不相中不断析出断析出 相，以降低相，以降低 相中相中Pb含量。含量。l 从固态从固态 相中析出的相中析出的 相相称为二次称为二次 , 写作写作II 。这种。这种二次结晶可表达为：二次结晶可表达为： II。 68工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础溶解度线溶解度线

43、69工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（1）合金）合金的结晶过程的结晶过程（2）合金）合金的结晶过程的结晶过程（3）合金）合金的结晶过程的结晶过程（4）合金）合金的结晶过程的结晶过程2. 合金结晶过程合金结晶过程分析视频分析视频70工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（不发生共晶反应）（不发生共晶反应）71工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础LL(1)L(2)b(4)(3)0-13-42-31-272工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础匀晶反应匀晶反应+二次析出二次析出组织组成物：组织组成物： II +相组成物：相组成物： 相和相和相相%1004%,%1004

44、%fggfgfb红线的结晶过程？红线的结晶过程？73工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础74ecdLbAt 183 74工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础LL(1)L(2)( (+)0-11-1 21( (+)(3)b b( (+) (4)75工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（2） 合金合金II的结晶过程的结晶过程 共晶反应共晶反应+二次析出二次析出共晶合金共晶合金组织组成物：组织组成物： （+）相组成物：相组成物： 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工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础亚共晶合金

45、组织亚共晶合金组织(+)77工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础LL(1)L(2)L(3)b b (+)(4)0-12-32-21-2( (+)78工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础匀晶反应匀晶反应+共晶反应共晶反应+二次析出二次析出组织组成物：组织组成物： 初初+（+）+II 相组成物：相组成物： 相和相和相相79工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（ ）过共晶合金组织过共晶合金组织(+)80工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础匀晶反应匀晶反应+共晶反应共晶反应+二次析出二次析出组织组成物：组织组成物： 初初+（+）+II 过共晶合金过共晶合金相组成物：相组

46、成物： 相和相和相相81工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 金属材料金属材料金相砂纸磨光金相砂纸磨光 抛光布抛光抛光布抛光侵蚀侵蚀 在金相显微镜下观察在金相显微镜下观察看到金属材料内部的微观形貌看到金属材料内部的微观形貌不同的各种相组成不同的各种相组成 指合金组织中具有具体本质、一定形成机制的特殊形态的组指合金组织中具有具体本质、一定形成机制的特殊形态的组成部分（成部分（or or 按着凝固顺序所形成的各组成部分）按着凝固顺序所形成的各组成部分）某一相的质量百分数总和某一相的质量百分数总和82工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 (+)83工程材料及机械制造基础工程材料及机械

47、制造基础3、二元包晶相图及其它相图、二元包晶相图及其它相图z包晶反应包晶反应（包晶转变）（包晶转变） ：结晶出来的固溶体与包围它：结晶出来的固溶体与包围它的液相作用，形成一个新成分的固溶体，该后生成固溶的液相作用，形成一个新成分的固溶体，该后生成固溶体包裹先前生成的固溶体。体包裹先前生成的固溶体。z包晶相图包晶相图：当两组元在液态时无限互溶，在固态时形成：当两组元在液态时无限互溶，在固态时形成有限固溶体，而且发生有限固溶体，而且发生包晶反应包晶反应时所构成的相图。时所构成的相图。z包晶相图组成包晶相图组成：两个局部的匀晶相图和一条水平线。：两个局部的匀晶相图和一条水平线。1）包晶相图）包晶相图

48、84工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 Pt-Ag合金相图中存在合金相图中存在3种相种相: L相相：Pt与与Ag形成的液溶体形成的液溶体; 相相：Ag溶于溶于Pt中的有限固溶体中的有限固溶体; 相相：Pt溶于溶于Ag中的有限固溶体。中的有限固溶体。 85工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础u 发生包晶反应时三相共存发生包晶反应时三相共存, 它们的成分确定它们的成分确定, 反应在恒温反应在恒温下平衡地进行。下平衡地进行。uced水平线为包晶反应线。水平线为包晶反应线。 ucf为为Ag在在中的溶解度线中的溶解度线, eg为为Pt在在中的溶解度线。中的溶解度线。 ue点：包晶点。点

49、：包晶点。 e点成分的合金冷点成分的合金冷却到却到 该点所对应的该点所对应的温度温度(包晶温度包晶温度)时时发生包晶反应发生包晶反应 ： Ld+ce 86工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础合金合金I的结晶过程的结晶过程 匀晶反应匀晶反应+包晶反应包晶反应+二次析出二次析出合金合金结晶过程结晶过程 匀晶反应匀晶反应+包晶反应包晶反应+二次析出二次析出87工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础合金合金结晶结晶过程过程 匀晶反应匀晶反应+二次析出二次析出合金合金结晶过程结晶过程匀晶反应匀晶反应+包晶反应包晶反应+匀晶反应匀晶反应+二次析出二次析出思考：合金思考：合金，合金合金的结晶过

50、程？的结晶过程？88工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 一定成分的固相一定成分的固相，在一定温度下，同时析出两种，在一定温度下，同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的化学成分和晶格结构完全不同的新固相新固相，这个转变过，这个转变过程称为程称为共析反应共析反应。 由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相相, 此两相混合物称为此两相混合物称为共析体。共析体。 2）共析相图）共析相图89工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 d 点成分点成分(共析成分共析成分)的的合金从液相经过匀晶反应合金从液相经过匀晶反应生成生成 相后相后, 继续冷

51、却到继续冷却到d 点温度点温度(共析温度共析温度)时时, 在在此恒温下发生共析反应此恒温下发生共析反应: (+) 具有共析反应的二元相图具有共析反应的二元相图90工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础四、四、合金的性能与相图的关系1. 合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系图图3-22 合金的使用性能与相图的合金的使用性能与相图的关系关系n当合金的结晶组织为单相固溶体当合金的结晶组织为单相固溶体时其强度、硬度在一定范围内随溶时其强度、硬度在一定范围内随溶质含量的增加而升高，且塑性略有质含量的增加而升高，且塑性略有下降下降，还会引起电导率及导热系数还会引起电导率及导热系数的降

52、低的降低。n当合金的结晶组织为两相组成物当合金的结晶组织为两相组成物时，其硬度、强度及电导率与成分时，其硬度、强度及电导率与成分呈直线关系变化呈直线关系变化。n当合金的结晶组织形成化合物时，当合金的结晶组织形成化合物时，则将表现出极高的硬度与极低的电则将表现出极高的硬度与极低的电导率导率91工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础2. 合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系图图3-28 合金的铸造性能与相图的关系合金的铸造性能与相图的关系n液相线与固相线温度间隔越大，树枝晶就越发达，先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动性，对液态合金造成的流动阻力便越大，进而合金的流动性则变得

53、越差，导致浇注时金属液不能充满铸型。n同时，发达的树枝晶相互交错，形成许多分割的微区，这些微区难以及时得到外部液体的补充，凝固后便成为许多分散的缩孔。n单相固溶体合金枝晶偏析的倾向性大，不宜制作铸件。锻造性能好，用于锻件。92工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础1、铸锭结晶组织、铸锭结晶组织铸锭分为铸锭分为3个各具特征的晶区：个各具特征的晶区：1.表层细晶区表层细晶区（细等轴晶区）（细等轴晶区）2.柱状晶区柱状晶区3.中心等轴晶区中心等轴晶区（粗等轴晶区）（粗等轴晶区）五、金属铸锭的凝固组织五、金属铸锭的凝固组织93工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（1）表层细晶区（细等轴晶

54、区）表层细晶区（细等轴晶区） 液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用。同时模壁也能起非自发晶核的作用。 结果，在金属的表层形成一层结果，在金属的表层形成一层厚度不大厚度不大、晶粒很晶粒很细细的细晶区。的细晶区。 94工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（2） 柱状晶区柱状晶区 细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，但此时长大却速度

55、降低，过冷度减小，生核速率降低，但此时长大速度受到的影响较小。速度受到的影响较小。 结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的晶核向液体最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。内部平行长大，结果形成柱状晶区。 95工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础（3） 中心等轴晶区（粗等轴晶区）中心等轴晶区（粗等轴晶区） 随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀降低，过冷度大大减小，温度

56、差不断降低，趋于均匀化，同时散热逐渐失去方向性；化，同时散热逐渐失去方向性； 在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区。晶区。96工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础n柱状晶区显微缩孔少，组织较致密，脆性较大。n两个不同方向的柱状晶交界面处，由于常有杂质聚集而形成弱面，在压力加工时，往往易沿这些界面开裂。n因此，一般情况下都希望减小柱状晶区2、铸锭结晶组织的特性、铸锭结晶组织的特性97工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础n等轴晶由于各个晶粒在长大时彼此交叉，不存在明显的脆弱区，铸件的性能没有方向性，是一般情况下金属及合金（如钢铁）铸件所要求的铸态组织。n因此，对于钢铁等许多材料的铸锭和大部分铸件来说，一般都希望得到尽可能多的等轴