第二章金属材料的结构

1、第二章第二章 金属材料结构金属材料结构金属的晶体结构金属的晶体结构固体物质的结构是指组成固体相的原子、离子或分子固体物质的结构是指组成固体相的原子、离子或分子等粒子在空间的排列方式。按粒子排列是否有序等粒子在空间的排列方式。按粒子排列是否有序, ,固体固体材料可分为材料可分为晶态晶态( (定型态定型态) )和非晶态和非晶态( (无定型态无定型态) )两大类两大类。一、晶体结构一、晶体结构1 1、晶体、晶格和晶胞、晶体、晶格和晶胞晶体晶体：指微粒呈规则排列的固体物质：指微粒呈规则排列的固体物质 常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性、常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性、有固定

2、的熔点。有固定的熔点。非晶体非晶体：指微粒呈无规则排列的固体物质指微粒呈无规则排列的固体物质金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态Si2O的结构的结构1 1）晶格：）晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架，称为晶格维空间格架，称为晶格。直线的交点（即原子中心）称。直线的交点（即原子中心）称结结点点。由结点形成的空间的阵列称由结点形成的空间的阵列称空间点阵空间点阵。2 2）晶胞：）晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元能代表晶格原子排列规律的最小几何单元. .3 3）晶胞的描述）晶胞的描述 晶体学参数：晶体学参数：a,b,c,晶格常

3、数：晶格常数：a,b,c立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜2.2.同素异晶现象同素异晶现象同素异晶现象是指一种元素具有不同晶体结构的现象。同素异晶现象是指一种元素具有不同晶体结构的现象。所形成的具有不同结构的晶体称所形成的具有不同结构的晶体称同素异晶体同素异晶体。在一定。在一定条件下条件下, ,同素异晶体可以相互转变同素异晶体可以相互转变, ,称称同素异晶转变同素异晶转变。在具有同素异晶现象的固体中在具有同素异晶现象的固体中, ,最典型的例子是铁最典型的例子是铁, ,其其同素异晶转变过程将在后面介绍。同素异晶转变过程将在后面介绍。第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构

4、1）体心立方晶胞）体心立方晶胞BCC Body Centered Cube 晶格常数：晶格常数：a a( (a a= =b b= =c c) )ar43 原子半径：原子半径：原子个数：原子个数：2 2配位数：配位数： 8 8致密度：致密度：0.680.68常见金属：常见金属： -Fe-Fe、CrCr、 W W、MoMo、V V、NbNb等等一、常见金属晶体的结构一、常见金属晶体的结构2）面心立方晶胞）面心立方晶胞FCC Face-Centered Cube 晶格常数：晶格常数：a aa42r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4 4配位数：配位数： 1212致密度：致密度：0.740.74

5、常见金属：常见金属： -Fe-Fe、NiNi、AlAl、 CuCu、PbPb等等3)密排六方晶胞密排六方晶胞HCP Hexagonal Close-Packed 晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a a 和高和高 c c， c/a=1.633c/a=1.633ar21 ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6 6配位数：配位数： 1212致密度：致密度：0.740.74常见金属：常见金属：MgMg、ZnZn、 BeBe、CdCd等等l1、合金、合金 合金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化特性,如高强度、高硬度、高耐磨性、 强磁性、耐蚀性等。l2、组元

6、、组元 合金系：若干给定组元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金组元可以是金属、非金属或稳定化合物。组元可以是金属、非金属或稳定化合物。l3、相、相n在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。n铁在同素异构转变过程中，会出现相的变化。n纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。n合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。l5、组织、组织n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。n不同组织具有不同的性能。n由不同组织构成的材料具有不同的性能。n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。n45钢经过不同的热处理可以获得珠光体、索氏体、屈氏体

7、、贝氏体、马氏体等组织。并获得不同的性能。6、合金的相结构、合金的相结构l固溶体固溶体 按照溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，可将固溶体分两类：置换固溶体和间隙固溶体。l固溶体的性能固溶体的性能 固溶体与纯金属相比强度、硬度升高。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。 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。重要途径之一。固溶强化的原因：固溶强化的原因： 由于溶质原子由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸的溶入，使固溶体的

8、晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。金的强度和硬度。l金属化合物金属化合物l金属化合物的性能金属化合物的性能当金属化合物呈细小颗粒均匀分当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将显著提布在固溶体基体上时，将显著提高合金的强度、硬度和耐磨性高合金的强度、硬度和耐磨性(此此现象称为现象称为弥散强化弥散强化)。l机械混合物机械混合物二、实际金属的晶体结构二、实际金属的晶体结构 理想晶体理想晶体+ +晶体缺陷晶体缺陷实际晶体实际晶体 实际

9、晶体实际晶体单晶体和多晶体单晶体和多晶体 单晶体单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。：内部晶格位向完全一致，各向同性。 多晶体多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，：由许多位向各不相同的单晶体块组成， 各向异性各向异性 1 1晶体缺陷晶体缺陷：实际晶体中存实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分和规则性的部分 a. a. 点缺陷点缺陷晶格结点处晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体或间隙处，产生偏离理想晶体的变化的变化 空位空位 晶格结点处无原子晶格结点处无原子 置换原子置换原子 晶格结点处为其它原子占据晶格结点处为其它原子占据 间隙原子间隙原子 原

10、子占据晶格间隙原子占据晶格间隙 空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称称晶格畸变晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。下降。 刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错b.线缺陷线缺陷(位错位错)二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排 位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称

11、作位错位错。有有刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错两种类型。两种类型。c. c. 面缺陷面缺陷 一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为分为晶界、亚晶界、表面等。晶界、亚晶界、表面等。晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5 51010个个原子间距，位向差一般为原子间距，位向差一般为20204040。位向差很小（位向差很小（1 12 2 ) )的小晶块为的小晶块为亚晶粒亚晶粒。亚晶粒。亚晶粒 之间的交界面称之间的交界面称亚晶界亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。亚晶界也可看作位错壁。 第三节第三节 纯金属的结晶纯

12、金属的结晶一、纯金属的结晶过程一、纯金属的结晶过程二、细化晶粒的方法二、细化晶粒的方法雾凇雾凇一、纯金属的结晶过程一、纯金属的结晶过程（一）纯金属结晶的冷却曲线（一）纯金属结晶的冷却曲线 1.1.结晶驱动力结晶驱动力 F0F0 （不是过冷度（不是过冷度TT） 自然界的自发过程进行的热力学条件都是自然界的自发过程进行的热力学条件都是F0F0 体系中各种能量的总和叫做内能体系中各种能量的总和叫做内能UU，其中可以对外，其中可以对外 做功或向外释放的能量叫自由能做功或向外释放的能量叫自由能FF，F=U-TSF=U-TS（熵）（熵） a.a.当温度当温度TTTT0 0时，时，FsFFsFL L, ,

13、液相稳定液相稳定 b.b.当温度当温度TTTT0 0时，时，FsFFsFL L, , 固相稳定固相稳定 c.c.当温度当温度T=TT=T0 0时，时，Fs=FFs=FL L, , 平衡状态平衡状态 T T0 0：理论结晶温度（：理论结晶温度（熔点熔点或或平衡结晶温度）平衡结晶温度） 在该温度下在该温度下, , 液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态动平衡状态2.2.冷却曲线冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称称冷却曲线。冷却曲线。曲线上水平阶段所对曲线上水平阶段所对应的温度称应的温度称实际结晶温度实际结晶温度T T1 1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出曲线上水

14、平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。结晶潜热引起的。 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线（二）结晶的（二）结晶的过冷现象过冷现象液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过过冷冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差理论结晶温度与实际结晶温度的差 T称称过冷过冷度度。 T= T0 T1过冷度大小与冷却速过冷度大小与冷却速度有关，度有关，冷速越大，冷速越大， 过冷度越大过冷度越大。（三）结晶的基本过程（三）结晶的基本过程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。 1、形核、形核 液态金属中存在着原子排列规则的小

15、原子团，它们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，称为时聚时散，称为晶坯晶坯。在。在T0以下，经一段时间后（即以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核晶核。 晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界触后形成晶界。2、晶核的形成方式晶核的形成方式形核有两种方式形核有两种方式，即，即均匀形核均匀形

16、核和和非均匀形核非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核。非均匀形核更为普遍非均匀形核更为普遍。3 3、晶核的长大方式、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种晶核的长大方式有两种，即，即 平面长大平面长大和和树枝状长大树枝状长大。实际金属的结晶主要以树枝状长大。实际金属的结晶主要以树枝状长大。这是由于晶核棱角处的散热条件好，这是由于晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成生长快，先形成一次轴一次轴，一次轴又，一次轴又会产生会产生二次轴二次轴，树枝间最后

17、被填充。，树枝间最后被填充。平面长大平面长大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 表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶晶 粒度粒度。晶粒度可用晶粒的晶粒度可用晶粒的 平均面积或平均直径表示。平均面积或平均直径表示。 工业生产上采用工业生产上采用晶粒度等级晶粒度等级来表示晶粒大小。来表示晶粒大小。标准标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过。通过100100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。二、细化晶粒的方法二、细化晶粒的方法 1.晶粒度晶粒度2.2.

18、决定晶粒度的因素决定晶粒度的因素 晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶核的形成速度晶核的形成速度和和长大速度长大速度。 单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率形核率(N)。 单位时间内晶核生长的长度单位时间内晶核生长的长度过冷度对过冷度对N、G的影响的影响叫叫长大速度长大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越细小比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。长大的因素，都能细化晶粒。过冷度过冷度TT提高，提高，N N提高、提高、G G提高提高过冷度过冷度TT太高，太高，D D降低降低N N降低、降低、G G降低

19、降低所以，过冷度所以，过冷度 T T，NN，GGN/GN/G增大，细化增大，细化3.3.细化晶粒的方法细化晶粒的方法提高过冷度提高过冷度变质处理变质处理又又称孕育处理称孕育处理。 即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而 细化晶粒的方法。细化晶粒的方法。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（或称孕育剂称孕育剂）。）。振动，搅拌等振动，搅拌等 对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可 靠外部输入的能量来促进形核靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可，另一方面也可 使成长中的枝晶破碎，使

20、晶核数目显著增加使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。三、金属的同素异构转变三、金属的同素异构转变 一种金属具有两种或两种以上的晶体结构一种金属具有两种或两种以上的晶体结构, ,称为同素异称为同素异构性。构性。金属在固态时随着温度的改变金属在固态时随着温度的改变, ,而改变其晶格结构的现而改变其晶格结构的现象，象，称为同素异构转变称为同素异构转变, ,又称为重结晶。又称为重结晶。它同样遵循着形成它同样遵循着形成晶核和晶核长大的结晶基本规律。晶核和晶核长大的结晶基本规律。 如图所示如图所示，纯铁的同素异构转变的冷却曲线。，纯铁的同素异构转变的冷却曲线。在在1538153813941394时时,

21、 ,铁为体心立方晶格铁为体心立方晶格, ,称为称为铁；铁；在在13901390 912912时时, ,铁为面心立方晶格铁为面心立方晶格, ,称为称为铁；铁；在在912912以下以下时时, ,铁为体心立方晶格铁为体心立方晶格, ,称为称为铁。铁。铁在同素异构转变时有体积的铁在同素异构转变时有体积的变化。变化。铁转变成铁转变成铁时体积铁时体积缩小缩小, ,反之体积增大。反之体积增大。晶体体积的改变晶体体积的改变, ,使金属材料使金属材料内部产生内应力内部产生内应力, ,这种内应力这种内应力称为称为相变应力相变应力。铁在铁在770770产生磁性转变产生磁性转变, ,但但晶格结构没有改变。晶格结构没有

22、改变。770770以以上铁失去磁性。上铁失去磁性。纯铁的冷却曲线和同素异晶转变纯铁的冷却曲线和同素异晶转变l所谓所谓相相是指金属或合金中凡成分是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。有界面分开的均匀组成部分。l显微组织显微组织实质上是指在显微镜下实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布形态、数量、大小和分布的组合。的组合。l固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金金属化合物属化合物两类。两类。1 1、固溶体、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与

23、组元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固溶体之一相同的固相称为固溶体A A（B B）。）。A A：溶剂：溶剂 B B：溶质：溶质分类分类a.a.按溶质原子的位置分按溶质原子的位置分置换固溶体置换固溶体 其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的 固溶体。固溶体。晶格类型相同晶格类型相同, ,原子半径相差原子半径相差 不大不大, ,电化学性质相近电化学性质相近. .间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位 置中的固溶体，置中的固溶体， 原子半径较小。原子半径较小。b.b.按溶解度分按溶解度分

24、 有限固溶体有限固溶体 无限固溶体无限固溶体c.c.按分布有序度分按分布有序度分 有序固溶体有序固溶体 无序固溶体无序固溶体 固溶强化固溶强化 由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。 溶质原子溶入溶质原子溶入晶格畸变晶格畸变位错运动阻力上升位错运动阻力上升金金属塑性变形困难属塑性变形困难强度、硬度升高。强度、硬度升高。 金属化合物金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称固相称金属化合物金属化合物。金属化合物

25、具有金属化合物具有较高的熔点、硬较高的熔点、硬度和脆性度和脆性，并，并可用分子式表示可用分子式表示其组成。其组成。当合金中出现金属化合物时，可当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。金属化合物也是合金的重要组成相。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3C 正常价化合物正常价化合物符合正常原子价规律。如符合正常原子价规律。如Mg2Si。 电子化合物电子化合物符合电子浓度规律。如符合电子浓度规律。如Cu3Sn。 电子浓度电子浓度为价电子数与原子数的比值。为价电子数与原子数的比值。 间隙化合物间隙化合物由过渡族元

26、素与由过渡族元素与C、N、B、H等小原子等小原子半径的非金属元素组成。半径的非金属元素组成。 间隙相：间隙相：r r非非/r/r金金 0.590.59时形时形 成的具有简单晶格结构成的具有简单晶格结构的间隙化合物。的间隙化合物。如如: :FeFe4 4N N、FeFe2 2N N、 W W2 2C C、TiCTiC、VCVC、TiNTiN等。等。Fe3C的晶格的晶格如如FeB、Fe3C、Cr23C6等。等。其中其中Fe3C称称渗碳体，渗碳体，是钢中重要组是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格成相，具有复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子，化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。形

27、成以化合物为基的固溶体。3、机械混合物、机械混合物当组成合金的各组元在固态下既不相互溶解当组成合金的各组元在固态下既不相互溶解,又不形成又不形成化合物化合物,而是按一定质量比、以混合方式存在的结构形而是按一定质量比、以混合方式存在的结构形式式称为机械混合物称为机械混合物。机械混合物中各组元的原子仍按。机械混合物中各组元的原子仍按各自原来的晶格类型结晶成晶体各自原来的晶格类型结晶成晶体,在显微镜下可以区别在显微镜下可以区别出各组元的晶粒。出各组元的晶粒。机械混合物可是纯金属、固溶体或化合物各自的混合物机械混合物可是纯金属、固溶体或化合物各自的混合物,也可是它们之间的混合物。也可是它们之间的混合物

28、。第五节第五节 匀晶相图匀晶相图一、二元合金相图的基本知识一、二元合金相图的基本知识 二、二元合金相图二元合金相图 三、合金的结晶三、合金的结晶 一、二元合金相图的基本知识 1.1.相图的基本概念相图的基本概念相图相图是用来表示合金系中各合金结晶过程的简明图解。是用来表示合金系中各合金结晶过程的简明图解。又称又称状态图状态图或或平衡图平衡图。合金系合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。系列不同成分的合金。组元组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。物质。多数情况下组

29、元是指组成合金的元素，但对于既不发生分解、又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化合物也可看作组元，如不发生任何反应的化合物也可看作组元，如Fe-CFe-C合合金中的金中的FeFe3 3C C。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、热加工及热处理工艺的重要依据是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数根据组元数, , 分为二元相图、三元相图和多元相图。分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图二元相图三元相图三元相图 几乎所有的相图都是通过实

30、验得到的，最常用的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。是热分析法。2、相图的建立、相图的建立：纯铜：纯铜 ：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：纯：纯Ni 二元相图的建立：二元相图的建立： 以以Cu-NiCu-Ni合金合金( (白铜白铜) )为例为例 1 1、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。2 2、在温度在温度- -成分坐标中做成分垂线，将临界点标成分坐标中做成分垂线，将临界点标在成分垂线上。在成分垂线

31、上。3 3、将垂线上相同意义的点连将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字接起来，并标上相应的数字和字母。和字母。相图中，相图中，结晶开始点的连线叫结晶开始点的连线叫液相线液相线。结晶终了点的连线叫结晶终了点的连线叫固相线固相线。3 3、杠杆定律、杠杆定律l当合金在某一温度下处于两相区时，由相图不当合金在某一温度下处于两相区时，由相图不仅可以知道两平衡相的成分，而且还可以用杠仅可以知道两平衡相的成分，而且还可以用杠杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。l现以现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律： 确定两平衡相的成分：确定两平衡相的成分

32、：设合金成分为设合金成分为x，过，过x做成分垂线。做成分垂线。 在成分垂线相当于温度在成分垂线相当于温度t 的的o点作水平线，其与液固点作水平线，其与液固相线交点相线交点a、b所对应的成分所对应的成分x1、x2即分别为液相和即分别为液相和固相的成分。固相的成分。 确定两平衡相的相对确定两平衡相的相对重量重量 设合金设合金(x)的总重量为的总重量为1，液相液相(x1)重量为重量为QL，固相固相(x2)重量为重量为Q 。 则则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组解方程组得得121122LxxxxQxxxxQ l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相

33、图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。的长度。l因此两相的相对重量百分比为：因此两相的相对重量百分比为：%)100abao%(100 xxxxQ%)100abob%(100 xxxxQ211212L 21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或oobbxx1x2QLQl上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆杠杆定律定律。即。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。度下与各自相区距离较远的成分线段之比。l在杠杆定律中，在杠杆定律中

34、，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。l杠杆定律只适用于两相区杠杆定律只适用于两相区。单相区无必要使用，三相。单相区无必要使用，三相区不能使用。区不能使用。l合金的结晶只有在缓慢冷却的合金的结晶只有在缓慢冷却的条件下才能得到成分均匀的固条件下才能得到成分均匀的固溶体。溶体。但实际冷速较快，在结但实际冷速较快，在结晶过程中固相中的原子来不及晶过程中固相中的原子来不及扩散，使扩散，使先结晶出的枝晶轴含先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素有较多的高熔点元素(如如Cu-Ni合金中的合金中

35、的Ni)，后结晶的枝晶间后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素含有较多的低熔点元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Cu)。4、枝晶偏析枝晶偏析l在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现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象称作枝晶偏析枝晶偏析。l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。l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。l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。l生产上常生产上常将铸件加热到固相线以下将铸件加热到固相线以下100-2

36、00长时间长时间保温以消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作保温以消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火扩散退火。通过扩散退火可使原子充分扩散，使成分均匀。通过扩散退火可使原子充分扩散，使成分均匀。二、二元相图的基本类型二、二元相图的基本类型1 1、二元匀晶相图、二元匀晶相图两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶转变的合金系生匀晶转变的合金系匀晶相图匀晶相图（LL），如），如Cu-NiCu-Ni，Fe-CrFe-Cr，Au-AgAu-Ag。（3 3）匀晶转变的特点）匀晶转变的特点 a.a.形核、长大形核、长大 ，树枝状长大，树枝状长大

37、 b.b.变温过程变温过程 c.c.两相区内，温度一定，成两相区内，温度一定，成 分确定、两相相对量一定分确定、两相相对量一定 d.d.枝晶偏析，冷速快枝晶偏析，冷速快原子原子 扩散不充分扩散不充分成分不均。成分不均。 扩散退火消除。扩散退火消除。（1 1）相图分析）相图分析：液相线：液相线 固相线固相线 L L a a L+ a L+ a（2 2）匀晶转变的结晶过程）匀晶转变的结晶过程 LL+aLL+a a a2 2、共晶相图：、共晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶的结晶转变。共晶转变两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶的结晶转变。共晶转变的合金系构成共晶相图，的合金系构成共晶相图

38、，Pb-Sn,Al-Si,Ag-CuPb-Sn,Al-Si,Ag-Cu（1 1）相图分析相图分析液相线液相线 adbadb固相线固相线 acdebacdeb三个单相区三个单相区：L L、 （、是有限是有限固溶体）固溶体）共晶点共晶点：d d 共晶成共晶成分的合金冷却到此分的合金冷却到此点所对应的温度点所对应的温度（共晶温度），共（共晶温度），共同结晶出同结晶出c c、ee 共晶反应线：共晶反应线：cdecde溶解度线溶解度线：cfcf，egeg T T过饱和固溶体析出另一相过饱和固溶体析出另一相脱溶转变脱溶转变组织标注相图：组织标注相图： 所谓所谓共析反应（转变）共析反应（转变）是指在一定温度下，由一定是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。固相的过程。共析转共析转 变也是固态相变。变也是固态相变。l最常见的共析转变是最常见的共析转变是 铁碳合金中的珠光体铁碳合金中的珠光体 转变转变: S P+ Fe3C 。铁碳合金相图铁碳合金相图l共析反应的产物是共析反应的产物是共析体共析体（铁碳合金中的共析体称（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是珠光体），也是两相的机械混合物两相