02第2章属的结晶与二元合金相图

1、目目 录录第第0章：绪论章：绪论第第1章：工程材料的结构与性能章：工程材料的结构与性能 第第2章：金属材料的结晶与二元相图章：金属材料的结晶与二元相图 第第3章：钢的热处理章：钢的热处理 第第4章：工程材料章：工程材料 第第5章：金属的液态成型章：金属的液态成型 第第6章：金属的塑性成形章：金属的塑性成形 第第7章：金属的焊接成形章：金属的焊接成形 第第8章：非金属材料成形章：非金属材料成形 第第9章：新材料及其新工艺章：新材料及其新工艺 第第10章：机械零件材料及成形工艺的选用章：机械零件材料及成形工艺的选用 第第2章章 金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图 2.1 纯金属的结晶

2、纯金属的结晶2.2 合金的结晶合金的结晶2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图第第2章章 金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.1.1 结晶的条件结晶的条件2.1.2 结晶的过程结晶的过程2.1.3 同素异构转变同素异构转变2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施细化铸态金属晶粒的措施2.1.5 金属的铸锭金属的铸锭2.2 合金的结晶合金的结晶 2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图第第2章章 金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.1.1 结晶的条件结晶的条件2.1.2 结晶的过程结晶的过程2.1.3 同素异构转变同

3、素异构转变2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施细化铸态金属晶粒的措施2.1.5 金属的铸锭金属的铸锭2.2 合金的结晶合金的结晶 2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图l 物质由液态转变为固态的物质由液态转变为固态的过程称为过程称为凝固凝固。l 物质由液态转变为晶态的物质由液态转变为晶态的过程称为过程称为结晶结晶。l 物质由一个相转变为另一物质由一个相转变为另一个相的过程称为个相的过程称为相变相变。因。因而而结晶过程是结晶过程是相变过程相变过程。玻璃制玻璃制品品水水晶晶2.1.1 结晶的条件结晶的条件2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 冷却曲线冷却曲线l 金属结晶时温度与时间的关金属结晶时温度与时间的关

4、系曲线称冷却曲线。系曲线称冷却曲线。l 曲线上水平阶段所对应的温曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度度称实际结晶温度t1。l 曲线上水平阶段是由于结晶曲线上水平阶段是由于结晶时放出时放出结晶潜热结晶潜热引起的。引起的。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 过冷与过冷度过冷与过冷度l 纯金属都有一个理论结晶温度纯金属都有一个理论结晶温度t0(熔点或平衡结晶温熔点或平衡结晶温度度)。在该温度下。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。液体和晶体处于动平衡状态。l 结晶只有在结晶只有在t0以下的实际结晶温度下才能进行。以下的实际结晶温度下才能进行。雾凇雾凇2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶l 液态金属

5、在理论结晶温度液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称以下开始结晶的现象称过过冷。冷。l 理论结晶温度与实际结晶理论结晶温度与实际结晶温度的差温度的差 t称称过冷度过冷度 t= t0 t1l 过冷度大小与冷却速度有过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越关，冷速越大，过冷度越大。大。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶l 自然界的一切自发转变过程，自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。于能量最低的稳定状态。l 在一定温度条件下，只有那些在一定温度条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）

6、降低的过作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。程才能自发进行。 l f 是是液态金属结晶的液态金属结晶的动力动力。l t是结晶的是结晶的必要条件必要条件。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶第第2章章 金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.1.1 结晶的条件结晶的条件2.1.2 结晶的过程结晶的过程2.1.3 同素异构转变同素异构转变2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施细化铸态金属晶粒的措施2.1.5 金属的铸锭金属的铸锭2.2 合金的结晶合金的结晶 2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图2.1.2 结晶的过程结晶的过程 结晶的基本过程结晶的基本过程l

7、结晶由结晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核的长大晶核的长大两个基本过程组成。两个基本过程组成。l 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶胚。在聚时散，称为晶胚。在t0以下以下, 经一段时间后经一段时间后(即孕育即孕育期期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶l 晶核形成后便向各方向晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶生长，同时又有新的晶核产生。核产生。l 晶核不断形成，不断长晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。大，直

8、到液体完全消失。l 每个晶核最终长成一个每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形晶粒，两晶粒接触后形成晶界。成晶界。 晶核的形成方式晶核的形成方式l 形核有两种方式，即形核有两种方式，即均匀形核均匀形核和和非均匀形核非均匀形核。l 自发形核自发形核依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结晶核心。发长出结晶核心。l 非自发形核非自发形核依附与金属液体中未溶的固态杂质表面而形依附与金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核。成晶核。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 晶核的形成方式晶核的形成方式金属结晶过程中晶核的形成金属结晶过程中晶核的形成主要是以非自发

9、形核方式为主主要是以非自发形核方式为主2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶自发形核自发形核非自发形核非自发形核2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 晶核的长大方式晶核的长大方式l 晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。 l 晶核长大方式的两种，即：晶核长大方式的两种，即：平面长大平面长大和和树枝状长大树枝状长大。l 平面长大平面长大l 在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶正温度梯度正温度梯度平面长大视频平面长大视频2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶晶体获得表面为密排面

10、的规则形状晶体获得表面为密排面的规则形状l 树枝状长大树枝状长大2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶树枝状长大的晶粒前沿树枝状长大的晶粒前沿2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶l 在负温度梯度下，在晶核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一在负温度梯度下，在晶核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一次轴产生二次轴次轴产生二次轴，树枝间最后被填充。，树枝间最后被填充。实际金属结晶主要以树枝状长大实际金属结晶主要以树枝状长大正温度梯度正温度梯度树枝状结晶树枝状结晶金属的树枝金属的树枝晶晶金属的树枝金属的树枝晶晶金属的树枝金属的树枝晶晶冰的树枝晶冰的树枝晶2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶第第2章章 金属材料

11、的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.1.1 结晶的条件结晶的条件2.1.2 结晶的过程结晶的过程2.1.3 同素异构转变同素异构转变2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施细化铸态金属晶粒的措施2.1.5 金属的铸锭金属的铸锭2.2 合金的结晶合金的结晶 2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图2.1.3 同素异构转变同素异构转变2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶物质在固态下晶体结构随温度变物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于固态相变。同素异构转变属于固态相变。 铁的同素异构转变铁的同素异构转变l 铁在固态冷却过

12、程中有两次铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：1394912 -fe -fe -fel 同素异晶体同素异晶体：以不同晶体结构存在的同一种金属的：以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体。晶体。l -fe、-fe、-fe都是纯铁的同素异晶体。都是纯铁的同素异晶体。l 金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为称为二次结晶二次结晶或或重结晶重结晶。l 金属的同素异构转变即是二次结晶或重结晶。金属的同素异构转变即是二次结晶或重结晶。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 -fe -fe 同素异构转变的特点同素异构转变的特点l

13、 同素异构转变时也有过冷现象，放同素异构转变时也有过冷现象，放出潜热，有固定的转变温度。出潜热，有固定的转变温度。l 新同素异构晶体也有形核和长大两新同素异构晶体也有形核和长大两个过程。个过程。l 导致金属体积发生变化，产生较大导致金属体积发生变化，产生较大内应力。例如内应力。例如-fe转变为转变为-fe时，时，铁的体积会膨胀约铁的体积会膨胀约1。可引起钢。可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工淬火时产生应力，严重时会导致工件变形和开裂。件变形和开裂。l 适当提高冷却速度，可以细化同素适当提高冷却速度，可以细化同素异构转变后的晶粒，提高金属的机异构转变后的晶粒，提高金属的机械性能。械性能。固态

14、相变的晶界形核固态相变的晶界形核2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶第第2章章 金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.1.1 结晶的条件结晶的条件2.1.2 结晶的过程结晶的过程2.1.3 同素异构转变同素异构转变2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施细化铸态金属晶粒的措施2.1.5 金属的铸锭金属的铸锭2.2 合金的结晶合金的结晶 2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图 晶粒度晶粒度l 表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶粒度晶粒度。l 可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等

15、级来表示晶粒大小。表示晶粒大小。l 标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施细化铸态金属晶粒的措施晶粒度晶粒度12345678单位面积单位面积晶粒数晶粒数（个（个mm2)16326412825651210242048晶粒平均晶粒平均直径直径(mm)0.250 0.177 0.125 0.088 0.062 0.0440.0310.022八级标准晶粒度八级标准晶粒度通过通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 决定

16、晶粒度的因素决定晶粒度的因素l晶粒的大小取决于晶核的形晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。成速度和长大速度。l单位时间、单位体积内形成单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫的晶核数目叫形核率形核率(n)。l单位时间内晶核生长的长度单位时间内晶核生长的长度叫叫长大速度长大速度(g)。ln/g比值越大，晶粒越细小。比值越大，晶粒越细小。凡是促进形核、抑制长大的凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。因素，都能细化晶粒。过冷度对过冷度对n、g的影响的影响2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 细化铸态金属晶粒度的方法细化铸态金属晶粒度的方法l 增加过冷度增加过冷度：随过冷度：随过冷度增加，增加，n

17、/g值增加，晶粒变细。关值增加，晶粒变细。关键是键是提高液态金属的冷却速度提高液态金属的冷却速度。l 采用冷却能力较强的模子。采用冷却能力较强的模子。l 采用金属型铸模采用金属型铸模, 比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。l 超高速急冷技术（超高速急冷技术（106/）可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结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。构的金属和非晶态结构的金属。非晶态金属具有特别高的强度和韧性、非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。2.1 纯金属的结晶

18、纯金属的结晶al-si合金组织合金组织缓冷缓冷快冷快冷2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶l 变质处理变质处理（又称（又称孕育处理孕育处理）l 向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。l 所加入的非均匀形核物质叫所加入的非均匀形核物质叫变质剂变质剂（或称（或称孕育剂孕育剂）。）。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 变质剂的作用：增加晶核数量，阻碍晶核长大。变质剂的作用：增加晶核数量，阻碍晶核长大。 例如：例如：l 铝合金液体中加入钛、锆；铝合金液体中加入钛、锆；l 钢水中加入钛、钒、铝；钢水中加入钛、钒、铝；l 铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡

19、合金；铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金；都可使晶粒细化。都可使晶粒细化。未变质未变质变质变质2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶al-si合金组织合金组织l 铸铁变质处理前后铸铁变质处理前后的组织的组织变质处理前变质处理前变质处理后变质处理后变质处理使组织细化。变质变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。剂为硅铁或硅钙合金。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图l 振动和电磁搅拌：振动和电磁搅拌：对正在结晶的金属对正在结晶的金属进行进行机械或超声波振动机械或超声波振动或或电磁搅拌电磁搅拌，一方面可靠外部输入的能量来促进形一方面可靠外部输入的能量来促进形核，

20、另一方面也可使成长中的枝晶破核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。碎，使晶核数目显著增加。超声振动细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶气轮机转子的宏观组织气轮机转子的宏观组织(纵截面纵截面)细晶的熔模铸件细晶的熔模铸件(上上)普通铸件普通铸件(下下)2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶晶粒大小对金属性能的影响晶粒大小对金属性能的影响l 常温下，常温下，晶粒越细晶粒越细，晶界面积，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好越高，同时塑性、韧性也越好,即细晶强化。即细晶强化。l 高温下，晶界呈粘滞状态，在高温

21、下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而生应力集中。因而高温下晶粒高温下晶粒过大、过小都不好过大、过小都不好。 单晶叶片单晶叶片s= i+kd-1/2晶粒大小与金属强度晶粒大小与金属强度的关系的关系2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶第第2章章 金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.1.1 结晶的条件结晶的条件2.1.2 结晶的过程结晶的过程2.1.3 同素异构转变同素异构转变2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施细化铸态金属晶粒的措施2.1.5 金属的

22、铸锭金属的铸锭2.2 合金的结晶合金的结晶 2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图l 在实际生产中，液态金属被浇在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到注到锭模中便得到铸锭铸锭，而注，而注入到铸型模具中成形则得到入到铸型模具中成形则得到铸铸件件。l 铸锭铸锭(件件)的组织及其存在的缺的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直陷对其加工和使用性能有着直接的影响。接的影响。2.1.5 金属的铸锭金属的铸锭2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶l 铸锭铸锭(件件)的宏观组织的宏观组织通常由三个区组成通常由三个区组成: a）表层细等轴晶区）表层细等轴晶区 b）柱状晶区）柱状晶区

23、 c）粗等）粗等 轴晶区轴晶区 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶(a)表层细晶区；表层细晶区；(b)柱状晶区柱状晶区(c)等轴晶区等轴晶区 铸锭铸锭(件件)的组织的组织a) 表层细晶区：表层细晶区：浇注时，由于冷浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。很细的等轴晶粒区。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶b) 柱状晶区：柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的晶区前沿液体的过冷度减小，

24、形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。而形成柱状晶区。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶c) 中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度冷至实际结晶温度t1以下时，在杂质作用下以非均匀以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶（1）定向结晶）定向结晶l 采用采用定

25、向结晶定向结晶可获得可获得柱状晶结构。柱状晶结构。l 生产具有细长柱状晶生产具有细长柱状晶的铝镍钴永磁合金。的铝镍钴永磁合金。 铸造新技术铸造新技术（2）单晶的制取）单晶的制取2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶l 单晶是电子元件和激光元件的重要原料。单晶是电子元件和激光元件的重要原料。l 金属单晶也开始应用于某些特殊场合如喷气发动机金属单晶也开始应用于某些特殊场合如喷气发动机叶片等。叶片等。l 根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时只存在一个晶核只存在一个晶核，要严格防止另外形核。，要严格防止另外形核。l 单晶制备方法单晶制备方法l尖端形核法尖端

26、形核法 l垂直提拉法垂直提拉法 单晶的制取单晶的制取2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶l 单晶是电子元件和激光元件的重要原料。单晶是电子元件和激光元件的重要原料。l 金属单晶也开始应用于某些特殊场合如喷气发动机金属单晶也开始应用于某些特殊场合如喷气发动机叶片等。叶片等。l 根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时只存在一个晶核只存在一个晶核，要严格防止另外形核。，要严格防止另外形核。l 单晶制备方法单晶制备方法l尖端形核法尖端形核法 l垂直提拉法垂直提拉法 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶l 将原料放入一个尖底的园柱将原料放入一个尖底的园柱形坩埚中

27、加热熔化。形坩埚中加热熔化。l 然后让坩埚缓慢地向冷却区然后让坩埚缓慢地向冷却区下降下降,底部尖端的液体首先达底部尖端的液体首先达到过冷状态，开始形核。到过冷状态，开始形核。l 恰当控制各种因素，就可能恰当控制各种因素，就可能形成一个晶核。形成一个晶核。l 随着坩埚的继续缓慢下降，随着坩埚的继续缓慢下降，晶体不断长大而获得单晶。晶体不断长大而获得单晶。 尖端形核法尖端形核法2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶l 先将坩埚中原料加热熔化，先将坩埚中原料加热熔化，并使其温度保持在稍高于材并使其温度保持在稍高于材料的熔点之上。料的熔点之上。l 将籽晶夹在籽晶杆上。然后将籽晶夹在籽晶杆上。然后让籽晶与熔体

28、接触。让籽晶与熔体接触。l 将籽晶一面转动一面缓慢地将籽晶一面转动一面缓慢地拉出，即长成一个单晶。拉出，即长成一个单晶。l 这种方法广泛地用于制取电这种方法广泛地用于制取电子工业中应用的单晶硅。子工业中应用的单晶硅。 垂直提拉法垂直提拉法 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶单晶硅的制备单晶硅的制备（垂直提拉法）（垂直提拉法）2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶本节小结本节小结l 金属结晶条件：金属结晶条件：要有一定的过冷度。要有一定的过冷度。l 金属结晶推动力：金属结晶推动力：固态金属和液态金属之间的自由能差。固态金属和液态金属之间的自由能差。l 金属结晶过程：金属结晶过程：形核、长大。形核、长大。

29、l 细化铸态金属晶粒措施：细化铸态金属晶粒措施：增大过冷度，变质处理，增大过冷度，变质处理， 振动和电磁搅拌振动和电磁搅拌。第第2章章 金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.2 合金的结晶合金的结晶2.2.1 二元合金相图二元合金相图2.2.2 二元合金相图类型与结晶分析二元合金相图类型与结晶分析2.2.3 合金性能与相图的关系合金性能与相图的关系2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图第第2章章 金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.2 合金的结晶合金的结晶2.2.1 二元合金相图二元合金相图2.2.2

30、二元合金相图类型与结晶分析二元合金相图类型与结晶分析2.2.3 合金性能与相图的关系合金性能与相图的关系2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图l 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图相图进行分析。进行分析。l 相图是用来表示相图是用来表示合金系合金系中各合金在缓冷条件下结晶过中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称程的简明图解。又称状态图状态图或或平衡图平衡图。2.2 合金的结晶合金的结晶2.2.1 二元合金相图二元合金相图l 平衡平衡 在一定条件下合金系中在一定条件下合金系中参与相变的各相的成分和质参与相变的各相的成分和质量分数不再变化。量分数不再变化。l 合金

31、在极其缓慢冷却的条件合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，可以认为是下的结晶过程，可以认为是平衡的结晶过程。平衡的结晶过程。l 合金系合金系是指由两个或两个是指由两个或两个以上元素按不同比例配制以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。的一系列不同成分的合金。l 组元组元是指组成合金的最简是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存单、最基本、能够独立存在的物质。在的物质。l 多数情况下组元是指组成合多数情况下组元是指组成合金的元素。金的元素。l 但对于既不发生分解、又不但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可发生任何反应的化合物也可看作组元看作组元, 如如fe-c合金中的合金中的fe

32、3c。cu-ni合金相图合金相图l 成分（成分（wt %ni）温度（温度（）cuni2.2 合金的结晶合金的结晶铜镍二元合金相图铜镍二元合金相图l 二元合金相图用二元合金相图用温度温度成成分坐标系分坐标系的平面图来表示。的平面图来表示。l 图中的每一点表示一定成图中的每一点表示一定成分的合金在一定温度时的分的合金在一定温度时的稳定相状态。稳定相状态。 l 相图的表示方式相图的表示方式l 在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分。在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分。2.2 合金的结晶合金的结晶l 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温

33、度变化的规律，是制定熔炼、铸造、热加工及热处理工变化的规律，是制定熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。艺的重要依据。l 根据组元数，分为根据组元数，分为二元相图二元相图、三元相图三元相图和和多元相图多元相图。fe-c二元相图二元相图三元相图三元相图2.2 合金的结晶合金的结晶l 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。2.2 合金的结晶合金的结晶cu-ni相图相图第第2章章 金属材料的结晶与二元相图金属材料的结晶与二元相图 2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.2 合金的结晶合金的结晶2.2.1 二元合金相图二元合金相图2

34、.2.2 二元合金相图类型与结晶分析二元合金相图类型与结晶分析2.2.3 合金性能与相图的关系合金性能与相图的关系2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图 二元匀晶相图二元匀晶相图l 两组元在液态和固态两组元在液态和固态下均无限互溶时所构下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶成的相图称二元匀晶相图。相图。l 具有具有匀晶反应：匀晶反应： ll cu-ni、fe-cr、au-ag合金具有匀晶相图。合金具有匀晶相图。2.2.2 二元合金相图的类型与结晶分析二元合金相图的类型与结晶分析2.2 合金的结晶合金的结晶（1）相图的构成）相图的构成l 相图由两条线构成，上面相图由两条线构成，上面是是液相线液相线，下面

35、是，下面是固相线固相线。l 单相区单相区l 液相液相l（cu-ni液溶体）液溶体）l 相相（cu-ni无限固溶体）无限固溶体）l 两相（共存）区两相（共存）区l （l+ ） ll+ 成分成分（wt%ni）温度温度（）cuni液相线固相线2.2 合金的结晶合金的结晶（2）合金的结晶过程）合金的结晶过程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，以合金合金为例说为例说明。明。2.2 合金的结晶合金的结晶（3）匀晶结晶特点）匀晶结晶特点l形核与长大形核与长大 与纯金属一样，固溶体结晶也包括与纯金属一样，固溶体结晶也包括形核形核、长大长大两个过程。固两个过程。固溶

36、体更趋向溶体更趋向树枝状长大树枝状长大。2.2 合金的结晶合金的结晶l变温结晶变温结晶 固溶体结晶在固溶体结晶在一个温度区间一个温度区间内进行内进行, 变温结晶。变温结晶。2.2 合金的结晶合金的结晶纯金属和合金结晶的比较纯金属和合金结晶的比较（3）匀晶结晶特点）匀晶结晶特点l两相的成分确定两相的成分确定 在两相区内在两相区内, 温度一定时温度一定时, 两相的成分两相的成分(即即l相中相中ni的质量分数的质量分数和和相中相中ni的质量分数的质量分数)确定。确定。2.2 合金的结晶合金的结晶过温度过温度t1作水平线作水平线, 交液相线交液相线和固相线于和固相线于a1、c1。 a1、c1点在成分轴

37、上的投影点即为点在成分轴上的投影点即为l相和相和相中相中ni的质量分数。的质量分数。随着温度的下降随着温度的下降, 液相成分沿液相成分沿液相线变化液相线变化, 固相成分沿固相固相成分沿固相线变化。线变化。匀晶结晶匀晶结晶（3）匀晶结晶特点）匀晶结晶特点l两相的质量比一定两相的质量比一定在两相区，温度一定时，在两相区，温度一定时， 两相的质量符合两相的质量符合杠杆定律杠杆定律。 在在t1温度时：温度时：液相的质量分数液相的质量分数: 相的质量分数相的质量分数:2.2 合金的结晶合金的结晶12lqx xqxx212112llqxxobqqabx xqx xaoqqabx x合金合金提提 示示 l杠

38、杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，支点杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，支点为合金的成分点。为合金的成分点。l杠杆定律只适用于相图中的两相区。杠杆定律只适用于相图中的两相区。 l杠杆定律只能在平衡状态下使用。杠杆定律只能在平衡状态下使用。2.2 合金的结晶合金的结晶例例（如图）（如图） 在在cu-ni合金中，合金中，t=13000.530.45100%61.5%0.580.45q0.580.53100%38.5%0.580.45lq2.2 合金的结晶合金的结晶l容易产生枝晶偏析容易产生枝晶偏析固溶体结晶时成分变化。固溶体结晶时成分变化。慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀。慢冷时原

39、子扩散充分进行，固溶体成分均匀。快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀。快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀。2.2 合金的结晶合金的结晶枝晶偏析：枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀。在一个晶粒内化学成分分布不均匀。消除办法：消除办法：扩散退火扩散退火将合金加热到固相线以下将合金加热到固相线以下100-200长时间保温，使原子充分扩长时间保温，使原子充分扩散、可获得成分均匀的固溶体。散、可获得成分均匀的固溶体。2.2 合金的结晶合金的结晶影响因素：影响因素：（1）冷却速度；冷却速度；（2）液固相线的间距。）液固相线的间距。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

40、距越大，枝晶偏析越严重。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。cu-ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织合金的平衡组织与枝晶偏析组织2.2 合金的结晶合金的结晶平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织当两组元在当两组元在液态下液态下完全互溶完全互溶，在，在固态下固态下有限互溶有限互溶,并并发生共晶发生共晶反应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 相图为例相图为例进行分析。进行分析。pb-sn合金相图合金相图成分（成分（wt%sn）温度（温度（）pbsn 二元共晶相图二元共晶相图2.2 合金的结晶合金的结晶(1

41、) 相图的构成（相图的构成（点、线、区点、线、区）l共晶点和共晶反应共晶点和共晶反应d点为共晶点：点为共晶点：表示表示d点成分点成分(共晶成分共晶成分)的液相合金冷却到的液相合金冷却到d点温度点温度(共晶温度共晶温度)时时, 共同结晶出共同结晶出c点成分的点成分的相和相和e 点成分的点成分的 相。相。 即：即： l ld d(c c+e e) )2.2 合金的结晶合金的结晶共晶反应：共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应，生成的两一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应，生成的两相混合物叫相混合物叫共晶体。共晶体。发生共晶反应时发生共晶反应时三相共存三相共存, , 三相各自三相各自

42、成分确定成分确定, , 恒温恒温进行。进行。pb-sn合金相图合金相图 (1) 相图的构成（相图的构成（点、线、区点、线、区）l重要的线重要的线水平线水平线cde：共晶反应线，成分在共晶反应线，成分在ce之之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。2.2 合金的结晶合金的结晶pb-sn合金相图合金相图 共晶合金共晶合金成分为成分为d点的合金。点的合金。亚共晶合金亚共晶合金成分为成分为c-d的合金。的合金。过共晶合金过共晶合金成分为成分为d-e的合金。的合金。(1) 相图的构成（相图的构成（点、线、区点、线、区）l重要的线重要的线固溶度曲线固溶度曲线cf和和eg：

43、cf为为sn在在pb中的溶中的溶解度线解度线(相的固溶线相的固溶线)。pb在在sn中溶解中溶解度线度线(相的固溶线相的固溶线)。2.2 合金的结晶合金的结晶pb-sn合金相图合金相图 sn含量大于含量大于f点的合金从高温冷却到室温时，点的合金从高温冷却到室温时，从从相中析出相中析出相，叫二次相，叫二次：ii。 sn含量小含量小g点的合金，冷却过程中同样发生点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次二次结晶，析出二次。液相线和固相线：液相线和固相线：adb为液相线，为液相线，ac和和be为固相线。为固相线。(1) 相图的构成（相图的构成（点、线、区点、线、区）l合金相合金相三种合金相三种合金

44、相l、 、 ： 是溶质是溶质sn 在在pb中的固溶体中的固溶体， 是溶质是溶质pb在在sn中的中的固溶体。固溶体。l相区相区三个单相区：三个单相区： l、 、 三个两相区：三个两相区： l+ 、l+ 、 + 一个三相区：一个三相区：水平线水平线cde2.2 合金的结晶合金的结晶pb-sn合金相图合金相图 (2) 典型合金的平衡结晶过程典型合金的平衡结晶过程l合金合金i的平衡结晶过程的平衡结晶过程 2.2 合金的结晶合金的结晶p 合金合金i的室温组织的室温组织 组织由组织由和和ii 二部分组成二部分组成 和和ii为为组织组成物组织组成物记为：记为：+ii2.2 合金的结晶合金的结晶组织组成物组织

45、组成物 合金组织中那些合金组织中那些具有确定本质，具有确定本质， 一定形成机一定形成机制的特殊形态的组成部分制的特殊形态的组成部分。组织组成物可以是组织组成物可以是单单相相, , 或是或是两相混合物两相混合物。p室温下的两相室温下的两相(和和)的质量分数的质量分数p室温下的组织组成物室温下的组织组成物 (和和ii)的质量分数的质量分数组织组成物组织组成物和和ii 都为单都为单 相组成，相组成， 所以组织组成所以组织组成 物物、ii的质量分数与组的质量分数与组 成相成相、的质量分数相等。的质量分数相等。2.2 合金的结晶合金的结晶(2) 典型合金的平衡结晶过程典型合金的平衡结晶过程l合金合金的平

46、衡结晶过程的平衡结晶过程 2.2 合金的结晶合金的结晶p 合金合金（共晶合金共晶合金）的室温组织）的室温组织共晶体共晶体(+)p 室温下的组织组成物室温下的组织组成物共晶体共晶体(+) p 室温下的组成相室温下的组成相相和相和相相2.2 合金的结晶合金的结晶p 合金合金（共晶合金共晶合金）的室温组织）的室温组织共晶体共晶体(+)p 室温下的组织组成物室温下的组织组成物共晶体共晶体(+) p 室温下的组成相室温下的组成相相和相和相相2.2 合金的结晶合金的结晶共晶合金组织的形态共晶合金组织的形态 2.2 合金的结晶合金的结晶共晶组织形态共晶组织形态层片状层片状(al-cual2定向凝固定向凝固)

47、条棒状条棒状(sb-mnsb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（zn-mg）2.2 合金的结晶合金的结晶其他合金的其他合金的共晶组织形态共晶组织形态(2) 典型合金的平衡结晶过程典型合金的平衡结晶过程l合金合金（亚共晶合金亚共晶合金）的平衡结晶过程）的平衡结晶过程 2.2 合金的结晶合金的结晶p 合金合金 （亚共晶合金亚共晶合金）的室温组织）的室温组织合金室温组织：合金室温组织：初生初生+二次二次+(+) p共析温度下的组织组成物共析温度下的组织组成物、(+) p室温下的组织组室温下的组织组 成物成物、二次、二次、(+) p 室温下的组成相室温下的组成相相、相、相相 2.2 合金的结晶合金的结晶p室

48、温下组成相的质量分数室温下组成相的质量分数p共晶温度下组织共晶温度下组织 组成物的质量分数组成物的质量分数2.2 合金的结晶合金的结晶33100%100%x gfxwwfgfg()2100%2100%dwcdcwcd(2) 典型合金的平衡结晶过程典型合金的平衡结晶过程l合金合金 （过共晶合金过共晶合金）的平衡结晶过程）的平衡结晶过程 p室温组织室温组织 初生初生+二次二次+(+)2.2 合金的结晶合金的结晶 练习练习分析过共晶合金的结晶过程分析过共晶合金的结晶过程 亚共晶合金组织亚共晶合金组织 过共晶合金组织过共晶合金组织 亚共晶合金和过共晶合金组织亚共晶合金和过共晶合金组织初生初生+二次二次

49、+(+) 初生初生+二次二次+(+)2.2 合金的结晶合金的结晶(3) 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注l相与组织组成物的联系相与组织组成物的联系相是组织组成物的基础。相是组织组成物的基础。任何组织组成物都是由一相或多相组成的。任何组织组成物都是由一相或多相组成的。l相与组织组成物的区别相与组织组成物的区别组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。它可以是单相（它可以是单相（如：如： 和和 , 和和 ），也可以是多项混合物（），也可以是多项混合物（如：共晶体如：共晶体( + )）相与相之间的差别主要在结构和成分上。相与相之间的差别主要在

50、结构和成分上。组织组成物之间的差别主要在形态上。组织组成物之间的差别主要在形态上。如如 、 和共晶和共晶 的结构的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。物。2.2 合金的结晶合金的结晶组织组成物组织组成物在相图上的标注在相图上的标注+当两组元在当两组元在液态下液态下完全互溶完全互溶，在，在固态下固态下有限互溶有限互溶，并，并发生包发生包晶反应晶反应时所构成的相时所构成的相图称作包晶相图。图称作包晶相图。pt-ag、ag-sn、sn-sb合金具有包晶相图合金具有包晶相图以以pt-ag相图为例简相图为例简要分析要

51、分析 二元包晶相图二元包晶相图2.2 合金的结晶合金的结晶pt-ag合金相图合金相图(1) 相图的构成相图的构成le点点为包晶点为包晶点e点成分的合金冷却到点成分的合金冷却到 e点温度（包晶温度）点温度（包晶温度）发生包晶反应：发生包晶反应： l+ lcf为为ag在在中的溶解中的溶解度线，度线，eg为为pt在在中中的溶解度线。的溶解度线。 二元包晶相图二元包晶相图2.2 合金的结晶合金的结晶pt-ag合金相图合金相图l在在22点（点（1186），），c点成分的点成分的相与相与d点成分的点成分的l相发相发生包晶反应：生包晶反应：l+ 反应结束，反应结束，l相与相与相正好全部反应耗尽相正好全部反应

52、耗尽, 形成形成e点成分的点成分的固溶体。固溶体。l在在23点，点，中析出二次中析出二次 。 二元包晶相图二元包晶相图2.2 合金的结晶合金的结晶室温组织：室温组织：+二次二次组成相：组成相：、 l 稳定化合物是指在熔化稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物前不发生分解的化合物(如如mg-si系的系的mg2si和和fe-c系系的的fe3c) 。l 稳定化合物成分固定，稳定化合物成分固定，在相图中是一条垂线在相图中是一条垂线(代表代表一个单相区一个单相区)。垂足是其。垂足是其成成分分, 顶点是其熔点顶点是其熔点, 结晶过结晶过程同纯金属。程同纯金属。l 分析这类相图时，可把分析这类相图时，可把

53、稳定化合物当作纯组元看稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分待，将相图分成几个部分进行分析。进行分析。 形成稳定化合物的相图形成稳定化合物的相图2.2 合金的结晶合金的结晶mg2simg2si+simg+ mg2sisil+ mg2sil+ sil+ mg2sil+ mgl 共析反应共析反应(共析转变共析转变)是指在一定是指在一定温度下，由一定成分的温度下，由一定成分的固相固相同时析同时析出出两个成分和结构完全不同的新固两个成分和结构完全不同的新固相相的过程。共析转变也是固态相的过程。共析转变也是固态相变。变。 具有共析反应的二元相图具有共析反应的二元相图2.2 合金的结晶合金的结晶l

54、d 点成分点成分(共析成分共析成分)的合金从液相经过的合金从液相经过匀晶反应生成匀晶反应生成 相后相后, 继续冷却到继续冷却到d 点温度点温度(共析温度共析温度)时时, 在此恒温下发生共析反应在此恒温下发生共析反应: (+) l 和和两相混合物称为两相混合物称为共析体，共析体，但因共但因共析反应是在固态下进行的析反应是在固态下进行的, 所以共析产物所以共析产物比共晶产物要比共晶产物要细密得多细密得多。l 例如例如fe-c合金中的共析产物合金中的共析产物珠光体珠光体 2.2 合金的结晶合金的结晶2.2 合金的结晶合金的结晶珠光体珠光体l 共析相图中各种成分合金的结晶过程的共析相图中各种成分合金的

55、结晶过程的分析与共晶相图相似分析与共晶相图相似 。l 对应的有：对应的有：l 共析线共析线(cde线线)l 共析点共析点(d点点)l 共析温度共析温度l 共析成分共析成分l 共析合金（共析成分合金）共析合金（共析成分合金）l 亚共析合金（共析线上共析点以左的合亚共析合金（共析线上共析点以左的合金）金）l 过共析合金（共析线上共析点以右的合过共析合金（共析线上共析点以右的合金）金）2.2 合金的结晶合金的结晶二元相图的分析步骤（二元相图的分析步骤（自学内容自学内容）2.2 合金的结晶合金的结晶fe- fe3c相图相图包晶反应包晶反应共晶反应共晶反应共析反应共析反应实际二元相图常比较复杂，可实际二

56、元相图常比较复杂，可按下列步骤进行分析：按下列步骤进行分析：a)分清相图中包括哪些基本类型分清相图中包括哪些基本类型相图相图b)确定相区确定相区相区接触法则相区接触法则相邻两个相区的相数差为相邻两个相区的相数差为12.2 合金的结晶合金的结晶cu-zn相图相图 + 单相区的确定单相区的确定l 液相线以上为液相区液相线以上为液相区l 靠纯组元的封闭区是以该组元为基靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区单相固溶体区l 液相线以上为液相区相图中的垂线液相线以上为液相区相图中的垂线可能是稳定化合物可能是稳定化合物 (单相区单相区)，也可，也可能是相区分界线能是相区分界线l 相图中部出现的成分可变的

57、单相区相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区是以化合物为基的单相固溶体区l 相图中每一条水平线必定与三个单相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。相区点接触。2.2 合金的结晶合金的结晶cu-zn相图相图 + 双相区的确定双相区的确定l 两个单相区之间夹有一个两相区两个单相区之间夹有一个两相区l 两相区的相由两相邻单相区的相两相区的相由两相邻单相区的相组成。组成。2.2 合金的结晶合金的结晶三相区的确定三相区的确定l 二元相图中的水平线是三相区二元相图中的水平线是三相区l 三个相由与该三相区点接触的三三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。个单相区的相组成。fe-

58、fe3c相图相图恒温下由一个固相同时析出两恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的新固相。个成分结构不同的新固相。 + 共析反应共析反应恒温下由一个液相包着一个固恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。相生成另一个新的固相。l + 包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时结晶出恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的新固相。两个成分结构不同的新固相。l l + 共晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线上的反应2.2 合金的结晶合金的结晶2.2 合金的结晶合金的结晶实际二元相图常比较复杂，可实际二元相图常比较复杂，

59、可按下列步骤进行分析：按下列步骤进行分析：a)分清相图中包括哪些基本类型分清相图中包括哪些基本类型相图相图b)确定相区确定相区c)分析典型合金的结晶过程分析典型合金的结晶过程u作出典型合金冷却曲线示作出典型合金冷却曲线示意图意图2.2 合金的结晶合金的结晶冷却曲线的特征冷却曲线的特征 l 在单相区和两相区冷却曲线为在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。一斜线。l 由一个相区进入另一相区时由一个相区进入另一相区时, 冷却曲线出现拐点。冷却曲线出现拐点。l 发生三等温转变时，冷却曲线发生三等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。呈一水平台阶。2.2 合金的结晶合金的结晶u作出典型合金冷却曲线示作出典型合金冷

60、却曲线示意图意图u画出组织转变示意图画出组织转变示意图u计算各相、各组织组成物计算各相、各组织组成物相对重量百分比相对重量百分比用用杠杆定律杠杆定律计算两相相对量计算两相相对量2.2 合金的结晶合金的结晶合金合金成分成分相相1成分成分相相2成分成分相相1重量重量相相2重量重量合金合金成分成分组织组织1成分成分组织组织2成分成分组织组织1重量重量组织组织2重量重量用用杠杆定律杠杆定律计算两相相对量计算两相相对量l在两相区，两相的成分随温在两相区，两相的成分随温度沿各自的相线变化度沿各自的相线变化,各相和各相和各组织组成物的相对重量可各组织组成物的相对重量可由杠杆定律求出由杠杆定律求出.l合金成分