第三章 合金的结构与相图

1、本章目的：本章目的： 1 讨论合金中的相概念及其类型；讨论合金中的相概念及其类型； 2 介绍各种类型的基本二元相图；介绍各种类型的基本二元相图； 3 说明相图与合金性能间的对应关系说明相图与合金性能间的对应关系第三章第三章 二元合金的相结构与相图二元合金的相结构与相图1 组元、相、组织、组织组成物等基本概念；组元、相、组织、组织组成物等基本概念；2 固溶体和化合物的本质区别和性能特点；固溶体和化合物的本质区别和性能特点；3 掌握分析相图的基本方法；掌握分析相图的基本方法；4 正确运用杠杆定律正确运用杠杆定律。 本章要求本章要求合金合金: 一种金属元素一种金属元素与另一种或几种其它元素，与另一种

2、或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性金属特性的物质。的物质。 Pb-Sn合金合金, 钢（钢（Fe-C）, 锡青铜锡青铜(Cu-Sn( B.C.C 中；中； c. 间隙固溶体只能是有限固溶体。间隙固溶体只能是有限固溶体。 间隙固溶体形成条件间隙固溶体形成条件 (1) 保持着溶剂的晶格类型；保持着溶剂的晶格类型； (2) 晶格发生畸变晶格发生畸变 3 固溶体的结构特点固溶体的结构特点（1）固溶体强硬度高于组成它的纯金属，塑）固溶体强硬度高于组成它的纯金属，塑韧性低于组成它的纯金属韧性低于组成它的纯金属; （2）物理性能方面，随着溶质原子的）物理性能方

3、面，随着溶质原子的，固溶，固溶体的电阻率体的电阻率，电阻温度系数，电阻温度系数，导热性，导热性。4 固溶体的性能固溶体的性能 固溶体中随着溶质原子的加入，强度、固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象硬度升高，塑性、韧性降低的现象金属材料的主要强化手段或途径之一金属材料的主要强化手段或途径之一 例如：南京长江大桥采用廉价的例如：南京长江大桥采用廉价的16Mn，其中含其中含1.2%1.6%Mn，抗拉强度较相同碳含，抗拉强度较相同碳含量的普通碳素钢提高量的普通碳素钢提高60；什么是固溶强化？什么是固溶强化？ (1) 溶质与溶剂原子相差越大溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子，溶

4、质原子浓度越高，所引起的晶格畸变越大浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强固溶强化效果越大化效果越大； (2) 间隙原子的强化效果比置换原子的大间隙原子的强化效果比置换原子的大。因为间隙原子引起的点阵畸变大。因为间隙原子引起的点阵畸变大。 （3）综合机械性能好。综合机械性能好。适当控制溶质含量，适当控制溶质含量，不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的塑韧性不会明显降低。塑韧性不会明显降低。 *固溶强化的特点固溶强化的特点（1） 结构材料的结构材料的基体相基体相；（2）精密电阻、电热材料精密电阻、电热材料等等 材料种类材料种类b(MPa)HBS(%)纯纯Cu

5、2204470Cu+19%Ni单相固溶体单相固溶体3907050固溶体的应用固溶体的应用1 正常价化合物正常价化合物形成条件形成条件金属金属元素与周期表中元素与周期表中非金属性较强非金属性较强的第的第、V、族族元素元素所组成，服从所组成，服从原子价原子价规律规律.结合键结合键金属键与金属键与离子键、共价键离子键、共价键。 组元之间的电负性差决定了结合键类型和稳定性。组元之间的电负性差决定了结合键类型和稳定性。 电负性差越大越稳定电负性差越大越稳定离子键结合；离子键结合； 电负性差越小越不稳定电负性差越小越不稳定金属键结合。金属键结合。 可用分子式表达，有可用分子式表达，有AB、 AB2(或或A

6、2B)、A3B2等等类型。包括从类型。包括从离子键、共价键离子键、共价键过渡到过渡到金属键金属键为主的一为主的一系列化合物。系列化合物。 (二二)、金属化合物、金属化合物晶体结构晶体结构通常对应于同类分子式的离子化合物的通常对应于同类分子式的离子化合物的晶体结构类型。晶体结构类型。 如：如：NaCl型、型、ZnS型、型、CaF2型型应用应用：如如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、MnS 等，等， 铝合金强化相，铝合金强化相， 钢材夹杂物。钢材夹杂物。较高的硬度和脆性，有色金属的强化相。较高的硬度和脆性，有色金属的强化相。(二二)、金属化合物、金属化合物形成条件形成条件由第由第族或过渡族族或过

7、渡族金属金属元素元素与与第第至至第第族族金属金属元素形成的金属化合物。元素形成的金属化合物。 不遵守原子价规律，而是按照一定不遵守原子价规律，而是按照一定电子浓度电子浓度的比的比形成的化合物。形成的化合物。 可以用化学式表示，但成分可变，可看作是以化可以用化学式表示，但成分可变，可看作是以化合物为基的固溶体。合物为基的固溶体。结合键结合键电子化合物中原子之间电子化合物中原子之间多为金属键结合多为金属键结合，是所有化合物中是所有化合物中金属性金属性最最强强的。的。2 电子化合物电子化合物晶体结构晶体结构取决于合金的电子浓度，取决于合金的电子浓度， 一定的电子浓度对应一定的晶体结构一定的电子浓度对

8、应一定的晶体结构。例：电子浓度为例：电子浓度为3/2(21/14)时时体心立方晶格，体心立方晶格，相相 电子浓度为电子浓度为21/13 时时复杂立方晶格，称为复杂立方晶格，称为相相 电子浓度为电子浓度为7/4(21/12)时时密排六方晶格，密排六方晶格，相相 有序化有序化现象，又称现象，又称超结构超结构例如例如 FeAl (Al：36.5%50atm); Fe3Al; 有序化有序化现象现象 其它：其它： Ni3Al; CuZn; CuAl 有序化有序化又称又称超结构超结构性能及应用性能及应用 熔点和硬度都很高，脆性很大，但塑性很低，熔点和硬度都很高，脆性很大，但塑性很低，与其他金属化合物一样，

9、不适于作为合金的基体相与其他金属化合物一样，不适于作为合金的基体相 有色金属的强化相有色金属的强化相间隙化合物主要受组元的原子尺寸因素控制，间隙化合物主要受组元的原子尺寸因素控制，通常由过渡族金属与原子甚小的非金属元素通常由过渡族金属与原子甚小的非金属元素H、N、C、B形成化合物。形成化合物。 r非非 / r金金 0.59时，形成复杂晶体结构的化合物时，形成复杂晶体结构的化合物 间隙化合物间隙化合物。 （ B、C） 3 间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物 (1) 间隙相间隙相 形成条件形成条件r非非 / r金金 0.59时（时（ B、C）结合键结合键共价键共价键+金属键金属键晶体结构晶体结构

10、复杂复杂性能性能较高的熔点和硬度，但不如间隙相较高的熔点和硬度，但不如间隙相用途用途钢中的重要强化相。钢中的重要强化相。例如例如Cr、Mn、Fe的碳化物的碳化物 Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C 解释间隙固溶体和间隙相的含义，并加以比较。解释间隙固溶体和间隙相的含义，并加以比较。为什么固溶体的强度常比纯金属高为什么固溶体的强度常比纯金属高? 共性共性：两者中的合金组元都在间隙位置，本身：两者中的合金组元都在间隙位置，本身尺寸很小。不同点：尺寸很小。不同点： 在在晶体结构晶体结构上，间隙固溶体为固溶体，保持溶上，间隙固溶体为固溶体，保持溶剂的晶体结构，且溶解度很低；间隙相是金属化合剂的晶体结

11、构，且溶解度很低；间隙相是金属化合物，其晶体结构与各组元的结构均不同，且物，其晶体结构与各组元的结构均不同，且A、B原原子数成比例。子数成比例。 在在结合键结合键上，间隙固溶体主要为金属键，而间上，间隙固溶体主要为金属键，而间隙相中主要为离子键和共价键，包含一定量金属键。隙相中主要为离子键和共价键，包含一定量金属键。 性能性能上，间隙固溶体韧、塑性好；间隙相硬、上，间隙固溶体韧、塑性好；间隙相硬、塑性差。塑性差。 因合金中两类原子尺寸不同，引起点阵畸变，因合金中两类原子尺寸不同，引起点阵畸变，阻碍位错运动，造成固溶强化。阻碍位错运动，造成固溶强化。 纯金属中溶纯金属中溶入入另一组元后另一组元后

12、(假设不产生新相假设不产生新相)会会带来哪些微观结构上的变化带来哪些微观结构上的变化?这些变化如何引起性这些变化如何引起性能上的变化能上的变化? 引起点阵畸变，点阵常数会改变；引起点阵畸变，点阵常数会改变； 有时有时会产生局部偏聚或有序，甚至出现超结构。会产生局部偏聚或有序，甚至出现超结构。 在力学性能方面：产生在力学性能方面：产生固溶强化使强度提高，固溶强化使强度提高，塑性降低；塑性降低； 在物理性能方面：通常导电、导热性下降，在物理性能方面：通常导电、导热性下降，电电阻一般增大，导电率阻一般增大，导电率、传热系数等、传热系数等下降。下降。固溶体固溶体间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体

13、有限固溶体有限固溶体无序固溶体无序固溶体有限固溶体有限固溶体无限固溶体无限固溶体无序固溶体无序固溶体有序固溶体有序固溶体小小 结结金属金属化合物化合物正常价化合物正常价化合物电子化合物电子化合物间隙化合物间隙化合物间隙相间隙相间隙式金属间隙式金属化合物化合物 给定的合金系究竟以什么状态给定的合金系究竟以什么状态(相相)存在，包存在，包含哪些相，这由内、外因条件决定，外因是温度含哪些相，这由内、外因条件决定，外因是温度和压力，内因则是化学成分。和压力，内因则是化学成分。 用相图来表示它们之间的关系。用相图来表示它们之间的关系。 几个概念：几个概念： 相图相图: 表示合金系中的状态表示合金系中的状

14、态(相相)与温度，成分之与温度，成分之间关系的图解。又称状态图或平衡图间关系的图解。又称状态图或平衡图 相变相变：相与相之间的转变；：相与相之间的转变； 3 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 合金系统在一定的外界条件下合金系统在一定的外界条件下(温度、压力温度、压力)，经历任意长时间后，合金中各相的成分都是均经历任意长时间后，合金中各相的成分都是均匀、不变的，且各相的相对重量也不变，则各匀、不变的，且各相的相对重量也不变，则各相处于平衡状态，称之为相平衡；相处于平衡状态，称之为相平衡； 这时的相称为这种条件下的平衡相。这时的相称为这种条件下的平衡相。如纯铁，在常压下：如纯铁，在常压下： 1

15、538以上以上 L为平衡相。为平衡相。 在在1538时时 L和和相两相平衡状态相两相平衡状态 相平衡与平衡相相平衡与平衡相 在常压下，在常压下， 直角坐标系；直角坐标系； 合金成分；合金成分； 温度；温度； 相状态。相状态。一、二元相图的表示方法一、二元相图的表示方法成分线成分线组组元元组组元元结晶或相变起始点结晶或相变起始点结晶或相变终止点结晶或相变终止点B点相状态点相状态: 单相单相Cu-Ni二元合金相图二元合金相图LL +A点相状态点相状态: L +两相两相二、二元相图的建立二、二元相图的建立热分析法热分析法； 金相法；金相法； 膨胀法；膨胀法； 电阻法等。电阻法等。热分析法热分析法TS

16、HGTPTPGG,min 相图描述的是热力学平衡状态，其基本任务是求出各个温度下体系达到平衡后各相的平衡成分。 依据热力学原理，体系在恒温恒压下达到平衡的条件是：体系总摩尔吉布斯自由能G达最小：最小iiGPG1i相平衡的判据： 任一组元在各相中的化学势均相等：相中的化学势组元在第是第ijijjijjj)()()()2()1(根据热力学关系式：)()(组元的含量是亦称化学势，组元的偏摩尔自由能是ixixGiiii组元的含量是亦称化学势，组元的偏摩尔自由能，ixiii:)(0)(0001xBxAxxG固溶体的Gibbs自由能：相平衡的判据： 任一组元在各相中的化学势均相等。相中的化学势组元在第是第

17、ijijjijjj)()()()2()1(如何求化学势？)(0)(0001xBxAxxG化学位（势）：化学位（势）： 自由能曲线自由能曲线上固溶体成分点上固溶体成分点的切线在的切线在A A、B B轴轴上的截距。上的截距。)(0)(0001xBxAxxGGGx0 x x )(0)(01xBxAxxG)(0)(0001xBxAxxGx 单相稳单相稳定定x 单相稳定单相稳定x x 、 两相两相共存共存：从：从 相相中析出中析出 的驱动力。的驱动力。一、匀晶相图一、匀晶相图 1 定义：两组元在液态和固态均无限互溶的定义：两组元在液态和固态均无限互溶的二元合金相图。二元合金相图。 如如CuNi、AgAu

18、、CrMo等合金系等合金系 2 相图分析相图分析 3 合金结晶过程合金结晶过程 4 相律相律 5 二元相图的杠杆定律二元相图的杠杆定律 4 典型相图分析典型相图分析点点：A-纯纯Cu理论熔点理论熔点; B-纯纯Ni理论熔点理论熔点线线：AB-液相线液相线; AB-固相线；固相线； 区间区间：两个单相区：两个单相区：L 相、相、相相 一个两相区：一个两相区：L+相区相区 液相线液相线 固相线固相线 CuNi二元相图二元相图 冷却曲线冷却曲线匀晶转变式：匀晶转变式： L Tt1: L (100%) T= t1: L(开始开始)注：注： L(100%)+(0%) T= t2: L注注： L+ T=

19、t4: L(结束结束)注注：L(0%)+(100%) T1 k0 1 影响晶内偏析的因素影响晶内偏析的因素 k0 1时时, k0越小偏析越小。越小偏析越小。 实质是与液相线和固相线间的水实质是与液相线和固相线间的水平距离或成分间隔有关，间隔越小，偏析平距离或成分间隔有关，间隔越小，偏析越小。越小。 晶内偏析对合金的机械性能不利。晶内偏析对合金的机械性能不利。 可用高温扩散退火可用高温扩散退火(固相线下固相线下100200)的方法减轻或消除的方法减轻或消除又称均匀化退火又称均匀化退火（2）溶质原子扩散能力：）溶质原子扩散能力：扩散能力大偏析小扩散能力大偏析小（3）冷却速度：一般）冷却速度：一般V

20、小，小，偏析小偏析小 但但V过大时，因晶粒细过大时，因晶粒细小而成分均匀小而成分均匀1 定义：两组元在液态无限互溶，在固态时相互定义：两组元在液态无限互溶，在固态时相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图称为二元共晶相图。系相图称为二元共晶相图。 Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi 等合金系相等合金系相图都是二元共晶相图。图都是二元共晶相图。 共晶转变式：共晶转变式： L （液）（液）（固）（固）+ （固）（固）二二 二元共晶相图二元共晶相图 2 相图分析相图分析EABCDFG相相 区：区： 单相区：单相区：L、 两相区：两相区

21、： L+、L+、+ 三相区：三相区： L+共晶转变式：共晶转变式： LE M + N液相线液相线: AEB ； 固相线固相线: ACEDB固溶体溶解度线：固溶体溶解度线：FC, GD共晶线：共晶线：CED 水平线；水平线；共晶点：共晶点：E 点点3 结晶过程分析结晶过程分析 (1) 成分成分(共晶成分共晶成分)结晶过程结晶过程EABCDFG冷却曲线冷却曲线结晶过程示结晶过程示意图意图 E : 共晶点共晶点(包含共晶的成分与温度包含共晶的成分与温度)共晶转变式：共晶转变式：LE C+ DEABCDFGL LLEC + DLE F + G实际转变过程复杂实际转变过程复杂注意：注意：(1) 共晶转变

22、产物共晶转变产物(+) 多相邻间隔协同多相邻间隔协同长大，称为共晶体或共晶组织；长大，称为共晶体或共晶组织；CF+GDG+F(2)共晶体中随后析出的二次相多依附于共晶体中随后析出的二次相多依附于原共晶体生长，故往往观察不到。原共晶体生长，故往往观察不到。EABCDFG亚共晶成分：亚共晶成分： CE亚共晶转变式：亚共晶转变式： L c + (C +D)+ LC + LE C+ (C+D)L成分成分F+G+(F+G)先共晶相先共晶相共晶体共晶体(组织组织) (2) 成分成分(亚共晶成分亚共晶成分)结晶过程结晶过程EABCDFGL + ( LE + D ) (C +D) +DL成分成分 (F+ G)

23、 +G 过共晶成分：过共晶成分： ED过共晶转变式：过共晶转变式： D + (C +D)先共晶相先共晶相共晶组织共晶组织 (3) 成分成分(过共晶成分过共晶成分)结晶过程结晶过程EABCDFG 成分成分为匀晶转变为匀晶转变 (A-C; D-B) (4) 成分成分(匀晶成分匀晶成分)结晶过程结晶过程L ( L + ) F+GL成分成分 其它形状共晶相图其它形状共晶相图4 合金的组织构成合金的组织构成EABCDFG 亚共晶合金：亚共晶合金： + 成分在成分在FG之间之间的合金均由的合金均由 +相构相构成；但不同合金中两成；但不同合金中两相的形成过程与形貌相的形成过程与形貌各不相同。各不相同。共晶合

24、金与过共晶合金呢？共晶合金与过共晶合金呢？(先共晶先共晶和和共晶共晶) (和和共晶共晶)各成分合金的组织构成各成分合金的组织构成EABCDFG先共晶先共晶+ +(+)共晶共晶先共晶先共晶+ +(+)共晶共晶(+)共晶共晶+共晶体共晶体(共晶组织共晶组织)定义：定义： 由共晶反应形成的细密的由共晶反应形成的细密的两相或多相机械混合物两相或多相机械混合物5 共晶组织形态共晶组织形态共晶组织形态共晶组织形态层片状层片状棒状棒状针状针状球状球状螺旋状螺旋状蛛网状蛛网状放射状放射状Pb-Sn共晶合金共晶合金Pb-Sn亚共晶合金亚共晶合金Pb-Sn过共晶合金过共晶合金Pb-Sn合金的合金的显微组织显微组织

25、共析转变关系式共析转变关系式 一个固相中同时一个固相中同时析出两个新的固相析出两个新的固相共析转变共析转变稳定化合物的相区呈直线稳定化合物的相区呈直线 如：如：Mg2Si Fe3C概念概念：由非共晶成分的合金凝固后得到的：由非共晶成分的合金凝固后得到的100%共晶共晶组织称为组织称为伪共晶组织伪共晶组织。非平衡凝固的条件下非平衡凝固的条件下原因：原因：两个固相都具有过冷两个固相都具有过冷度，从热力学考虑，两个相度，从热力学考虑，两个相可以同时结晶而获得共晶可以同时结晶而获得共晶( (伪伪共晶共晶) )组织。影线区为组织。影线区为共晶的共晶的共生区共生区。合金的成分越接近。合金的成分越接近共晶成

26、分，就越容易得到伪共晶成分，就越容易得到伪共晶组织。共晶组织。形成条件形成条件：液态合金过冷到液相线延长包围的区域。：液态合金过冷到液相线延长包围的区域。 当先共晶相的相对量很大当先共晶相的相对量很大( (即共晶体的相对量很即共晶体的相对量很小时小时) )，在形成共晶时，共晶中不是先共晶相的那个，在形成共晶时，共晶中不是先共晶相的那个相不易依附先共晶相形核，因而使先共晶相继续发展，相不易依附先共晶相形核，因而使先共晶相继续发展，把本应属于共晶那部分也占去了，共晶中的另一相分把本应属于共晶那部分也占去了，共晶中的另一相分布在先共晶相晶粒边界上，从而失去共晶的形貌，这布在先共晶相晶粒边界上，从而失

27、去共晶的形貌，这类组织称为离异共晶组织。类组织称为离异共晶组织。 为什么在为什么在Al-2%Cu及及 Al-5%Cu合金晶界上合金晶界上发现有离异共晶组织？发现有离异共晶组织？C0C1L+L+C0C0固溶体凝固中，在固溶体凝固中，在k k0 011，时：时：远离界面的远离界面的液相成分为液相成分为合金的成分合金的成分固相成分低固相成分低于合金成分于合金成分排出溶质排出溶质原子原子界面前沿液界面前沿液相中溶质原相中溶质原子浓度升高子浓度升高固液界面的前固液界面的前沿存在溶质原沿存在溶质原子的再分布子的再分布理论理论过冷度过冷度实际实际过冷度过冷度界面前沿溶质原界面前沿溶质原子浓度分布子浓度分布由

28、溶质分由溶质分布决定的布决定的凝固温度凝固温度界面前沿实界面前沿实际温度分布际温度分布 纯金属凝固时，纯金属凝固时，TmTm不变，当不变，当TTmTTm时引起过冷，时引起过冷，液体的过冷度完全取决于实际温度分布，这种过冷液体的过冷度完全取决于实际温度分布，这种过冷称为称为热过冷热过冷。由溶质分布决由溶质分布决定的凝固温度定的凝固温度成分过冷成分过冷热过冷热过冷界面前沿实界面前沿实际温度分布际温度分布成分过冷的概念成分过冷的概念 合金凝固时，由于液相中溶质分布发生变化合金凝固时，由于液相中溶质分布发生变化( (即即液相成分变化液相成分变化) )而改变了凝固温度而改变了凝固温度( (具体由相图中的

29、具体由相图中的液相线来确定液相线来确定) )，将界面前沿液体中的实际温度低于，将界面前沿液体中的实际温度低于溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷，称为成溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷，称为成分过冷。分过冷。成分为成分为C0液相的凝固温度液相的凝固温度原为正温度梯度原为正温度梯度现为负温度梯度现为负温度梯度 成分成分过冷程度取决于两个因素过冷程度取决于两个因素： 一、液固界面前沿液体中的溶质浓度分布，一、液固界面前沿液体中的溶质浓度分布， 二、实际温度分布。二、实际温度分布。成分过冷对凝固前沿温度梯度有影响成分过冷对凝固前沿温度梯度有影响。G G1 1G G2 2G G3 3G G：液固界

30、面前沿液相中：液固界面前沿液相中的实际温度梯度的实际温度梯度当当GGGG1 1 时：时： 为正的温度梯度为正的温度梯度G G2 2时时 存在小的成分过冷存在小的成分过冷, ,结晶前沿存在很窄的负温结晶前沿存在很窄的负温度梯度；度梯度；G G3 3时：时： 存在大的成分过冷存在大的成分过冷, ,结晶前沿存在很宽的负温结晶前沿存在很宽的负温度梯度度梯度成分过冷对凝固前沿温度梯度的影响成分过冷对凝固前沿温度梯度的影响。成分过冷对晶体生长形态的影响：成分过冷对晶体生长形态的影响： 纯金属凝固时纯金属凝固时须在负的温度梯度下才得到树须在负的温度梯度下才得到树枝状组织。枝状组织。 固溶体凝固时固溶体凝固时

31、在在负的温度梯度负的温度梯度时，成分过冷时，成分过冷使负的温度梯度加大使负的温度梯度加大树枝晶树枝晶 固溶体凝固时在固溶体凝固时在正的温度梯度正的温度梯度下，由于凝固下，由于凝固界面液相中不可避免存在成分过冷，并随着成分界面液相中不可避免存在成分过冷，并随着成分过冷度由小到大，其界面生长形态将过冷度由小到大，其界面生长形态将从平直从平直界面界面向胞状向胞状和和树枝状树枝状发展。发展。 a. 无成分过冷时，界面的微小凸起会立即消失，从而维持无成分过冷时，界面的微小凸起会立即消失，从而维持平面生长；平面生长； b. 窄成分过冷区间，界面微小凸起引起溶质在凸起沟槽内窄成分过冷区间，界面微小凸起引起溶

32、质在凸起沟槽内密集，进而使熔点下降，抑制凸起横向生长速度并形成一些密集，进而使熔点下降，抑制凸起横向生长速度并形成一些由低熔点溶质汇集区所构成的网络状沟槽，凸起前端受成分由低熔点溶质汇集区所构成的网络状沟槽，凸起前端受成分过冷区窄的限制，不能自由生长，最后发展为胞状晶生长；过冷区窄的限制，不能自由生长，最后发展为胞状晶生长； c. 成分过冷区较宽时，胞状晶生长方向垂直于固成分过冷区较宽时，胞状晶生长方向垂直于固-液界面，液界面，随着界面前方的成分过冷区逐渐加宽，胞状晶生成成柱状枝随着界面前方的成分过冷区逐渐加宽，胞状晶生成成柱状枝晶；晶； d. 当成分过冷区很大时，固当成分过冷区很大时，固-液

33、界面前方成分过冷的最大液界面前方成分过冷的最大值大于熔体中非均质生核大量生核的过冷度，在柱状树枝晶值大于熔体中非均质生核大量生核的过冷度，在柱状树枝晶由外向内生长的同时，界面前方这部分熔体将发生大量生核，由外向内生长的同时，界面前方这部分熔体将发生大量生核，形成方向各异、生长方向尺寸相近的等轴树枝晶。形成方向各异、生长方向尺寸相近的等轴树枝晶。四四 相图与合金性能之间的关系相图与合金性能之间的关系（一）机械性能和物理性能（一）机械性能和物理性能固溶体强硬度固溶体强硬度较纯金属高较纯金属高纯金属导电性纯金属导电性较固溶体高较固溶体高线性线性共晶成分附近共晶成分附近性能突变性能突变（二）（二） 铸

34、造性能铸造性能铸造缺陷铸造缺陷： 偏析、疏松、缩孔等偏析、疏松、缩孔等 结晶的温度范围、成分范围越大，偏结晶的温度范围、成分范围越大，偏析、缩孔等越严重。析、缩孔等越严重。铸造性能取决于铸造性能取决于结晶区间：液固相线之间距离结晶区间：液固相线之间距离越大越大(温度和成分的间距温度和成分的间距)，铸造性能越差。，铸造性能越差。流动性好流动性好偏析倾向小偏析倾向小减少分散减少分散缩孔缩孔为为集中缩孔集中缩孔偏析倾向偏析倾向 纯金属、纯金属、共晶体铸造共晶体铸造性能最好性能最好（三）（三） 锻造、压力加工及切削加工性能锻造、压力加工及切削加工性能 单相固溶体单相固溶体的锻造与压力加工性能较佳，的锻

35、造与压力加工性能较佳，但切削加工性能不好；但切削加工性能不好； 合金为两相混合物合金为两相混合物时，切削加工性能较时，切削加工性能较好，但锻造与压力加工性能较差。好，但锻造与压力加工性能较差。总体：总体： 单相固溶体不宜制作铸件而适于承受压单相固溶体不宜制作铸件而适于承受压力加工；铸造材料应当选用共晶体尽可能多力加工；铸造材料应当选用共晶体尽可能多的合金的合金 关于相构成与组织构成关于相构成与组织构成第三章第三章 习题与思考题习题与思考题1 解释下列名词：解释下列名词： 合金合金 组元组元 相相 组织组织 2 什么是固溶体？什么是金属间化合物？二者在结构、什么是固溶体？什么是金属间化合物？二者

36、在结构、性能与应用上各有何不同？性能与应用上各有何不同？3 什么是固溶强化？该强化方式有何特点？什么是固溶强化？该强化方式有何特点？Mn和和C在在钢中的强化效果哪个大？为什么？钢中的强化效果哪个大？为什么？4 有形状相同的两个有形状相同的两个Cu-Ni合金铸件，一个含合金铸件，一个含50Ni，一个含一个含10Ni，铸件自然冷却后，哪一个铸件的偏，铸件自然冷却后，哪一个铸件的偏析严重？析严重？5 为什么铸造合金常选用共晶成分的合金？为什么铸造合金常选用共晶成分的合金？6 讨论：讨论：Pb-Sn合金相图如下所示：合金相图如下所示：(1) 试标出各试标出各区域的组织；区域的组织；(2) 指出组织中含

37、最多和最少的成分；指出组织中含最多和最少的成分；(3) 指出组织中含共晶体（指出组织中含共晶体（）最多和最少的成）最多和最少的成分，分，(4) 指出最容易和最不容易产生枝晶偏析的成指出最容易和最不容易产生枝晶偏析的成分；分；(5) 含含30Sn的的Pb-Sn合金在合金在183刚结束共晶刚结束共晶反应时和室温时，各具有何种相构成与组织构成？反应时和室温时，各具有何种相构成与组织构成？3 根据右图填出：根据右图填出： 水平线反应式为水平线反应式为 ； 为有限固溶体；为有限固溶体； 为无限固溶体；为无限固溶体；固相线为固相线为 ，固溶线为，固溶线为 。 4 看右图，请写出反应式和相区：看右图，请写出

38、反应式和相区：ABC ；DEF ；GHI ； ； ； ； ； ； ；例题例题1：计算：计算Pb-30%Sn合金在平衡冷却条合金在平衡冷却条件下室温时的相构成与组织构成，以及共件下室温时的相构成与组织构成，以及共晶体中各相所占的比例。晶体中各相所占的比例。EABCDFG4相组成：相组成：+%100%4-%100%4-%30%100%4-%100%30-%100%EABCDFG4%1009.21-1619.2-03%1009.21-1603-16%L）（(+)组织构成：组织构成：+ (+)%-%-1%4-0014-19.2%）（故实际：故实际：中中%1004-0014-19.2%共晶转变刚结束时：

39、共晶转变刚结束时： 5 PbSn合金相图如下图所示。合金相图如下图所示。(1) 试标出各区域的组织；试标出各区域的组织；(2) 指出组织中含指出组织中含最多和最少的成分；最多和最少的成分；(3) 指出组织中含共晶体指出组织中含共晶体(+)最多和最少的最多和最少的成分；成分；(4) 最容易和最不容易产生枝晶偏析的成分最容易和最不容易产生枝晶偏析的成分6 知组元知组元A (Tm=600)与组元与组元B (Tm=500)在液态无限互溶；在固态在液态无限互溶；在固态300时时A溶于溶于B的的最大溶解度为最大溶解度为30，室温时为，室温时为10；但；但B不不溶于溶于A；在；在300时，含时，含40B的液

40、态合金全的液态合金全部发生共晶反应。请作出部发生共晶反应。请作出AB合金相图及合金相图及填写组织组成物的填写组织组成物的AB合金相图。合金相图。7 请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题：请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题：（1） 分析合金分析合金I、II的平衡结晶过程，并绘出冷却曲线；的平衡结晶过程，并绘出冷却曲线；（2） 说明室温下说明室温下I、II的相和组织是什么？并计算出相和组的相和组织是什么？并计算出相和组织的相对含量；（织的相对含量；（3） 如果希望得到共晶组织和如果希望得到共晶组织和5%的的初初的的合金，求该合金的成分；（合金，求该合金的成分；（4）分析在快速冷却条件下，）分

41、析在快速冷却条件下，I、II两合金获得的组织有何不同。两合金获得的组织有何不同。(4) 快速冷却条件下快速冷却条件下:合金合金I: 可能出现少量共晶组可能出现少量共晶组织，共晶体可能以离异共晶织，共晶体可能以离异共晶形式出现；形式出现；合金合金II： 初晶初晶的量少于平衡状态，的量少于平衡状态，当冷却速度足够大，甚至初当冷却速度足够大，甚至初晶晶消失而获得全部伪共晶消失而获得全部伪共晶组织组织 。7 请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题：请根据所附二元共晶相图分析解答下列问题：（1） 分析合金分析合金I、II的平衡结晶过程，并绘出冷却曲线；的平衡结晶过程，并绘出冷却曲线；合金合金I：L相首先

42、通过匀晶转变逐渐析出相首先通过匀晶转变逐渐析出相，到达共晶温度后相，到达共晶温度后液相全部消失，继续降温过程中由于液相全部消失，继续降温过程中由于相中相中B组元溶解度的下组元溶解度的下降，从降，从相中析出二次相中析出二次相，到达室温时，获得相，到达室温时，获得相相+ II ，合金合金II：L相首先通过匀晶转变逐渐析出相首先通过匀晶转变逐渐析出相，到达共晶温度后相，到达共晶温度后除除相外尚有液相残留，且液相满足共晶成分点，故相外尚有液相残留，且液相满足共晶成分点，故L相通过相通过共晶反应转变为共晶反应转变为(+)共晶体，继续降温过程中共晶体，继续降温过程中相不再发生变相不再发生变化，而共晶体中的

43、化，而共晶体中的相会析出一定量相会析出一定量相，但不会影响共晶体形相，但不会影响共晶体形态；到达室温时获得：态；到达室温时获得： 先共晶先共晶 + (+ )共晶共晶TT8 什么是固溶体什么是固溶体?影响固溶度的因素有哪些影响固溶度的因素有哪些?固溶体与其纯溶固溶体与其纯溶剂组元相比，其结构、力学性能和物理性能发生了哪些变剂组元相比，其结构、力学性能和物理性能发生了哪些变化化? 固溶体是溶质原子以原子态溶入溶剂点阵中组成的单一均匀固体；固溶体是溶质原子以原子态溶入溶剂点阵中组成的单一均匀固体；溶剂的点阵类型被保留。溶剂的点阵类型被保留。 影响固溶度的因素有：影响固溶度的因素有： 1原子尺寸因素。

44、当溶剂、溶质原子直径尺寸相对差小于原子尺寸因素。当溶剂、溶质原子直径尺寸相对差小于15时，时，有大的代位溶解度。有大的代位溶解度。 2电负性因素。溶剂、溶质的电负性差越小溶解度越大。电负性因素。溶剂、溶质的电负性差越小溶解度越大。 3电子浓度因素。固溶体的电子浓度有一极限值，超过该极值固溶电子浓度因素。固溶体的电子浓度有一极限值，超过该极值固溶体不稳定而易形成新相，因此溶质在溶剂中的固溶度受电子浓度控制。体不稳定而易形成新相，因此溶质在溶剂中的固溶度受电子浓度控制。 4. 晶体结构因素。溶剂、溶质的晶体结构类型相同时的固溶度往往晶体结构因素。溶剂、溶质的晶体结构类型相同时的固溶度往往大于不同晶

45、体结构类型时。大于不同晶体结构类型时。 固溶体的结构变化：点阵畸变，点阵常数变化，偏聚及短程有序，固溶体的结构变化：点阵畸变，点阵常数变化，偏聚及短程有序，甚至形成有序固溶体。甚至形成有序固溶体。 在力学性能方面：产生固溶强化使强度提高，塑性降低；在力学性能方面：产生固溶强化使强度提高，塑性降低； 在物理性能方面：通常导电、导热性下降，电阻一般增大，导电在物理性能方面：通常导电、导热性下降，电阻一般增大，导电率、传热系数等下降。率、传热系数等下降。9 从从结构、键性、性能结构、键性、性能等方面比较间隙固溶体和间隙相。等方面比较间隙固溶体和间隙相。纯纯金属中溶金属中溶入入另一组元后另一组元后(假

46、设不会产生新相假设不会产生新相)会带来哪些微观会带来哪些微观结构上的变化结构上的变化?为什么固溶体的强度常比纯金属高为什么固溶体的强度常比纯金属高?10 相同过冷度下比较均匀形核与非均匀形核的临界半径、相同过冷度下比较均匀形核与非均匀形核的临界半径、临界形核功、临界晶核体积，哪个大临界形核功、临界晶核体积，哪个大? 合金凝固时的液固合金凝固时的液固界面前沿通常比纯金属液固界面前沿更容易出现过冷界面前沿通常比纯金属液固界面前沿更容易出现过冷?为为什么什么? 典型的金属典型的金属(如铁如铁)和典型的非金属和典型的非金属(如硅，石墨如硅，石墨)在液在液相中单独生长时的形貌差异是什么相中单独生长时的形

47、貌差异是什么? 临界半径相同；临界形核功是均匀形核时高；临界晶核体积也是均临界半径相同；临界形核功是均匀形核时高；临界晶核体积也是均匀形核时大。匀形核时大。 合金界面前沿会出现组成过冷，即界面前溶质的富集改变了局部区合金界面前沿会出现组成过冷，即界面前溶质的富集改变了局部区域的熔点，所以更易出现过冷。域的熔点，所以更易出现过冷。 因两者分别是粗糙型因两者分别是粗糙型(铁铁)和光滑型界面和光滑型界面(硅等硅等)，前者是外形均匀的等，前者是外形均匀的等轴晶或枝晶，后者为规则多边形、有棱角的形状。轴晶或枝晶，后者为规则多边形、有棱角的形状。11 列举三种增加凝固过程中核心数的方法，简要分析其增列举三

48、种增加凝固过程中核心数的方法，简要分析其增加核心数的原因。加核心数的原因。 提高冷却速度从而加大过冷度提高冷却速度从而加大过冷度, 相变驱动力加大，提高了形核率。相变驱动力加大，提高了形核率。 加孕育剂。提供大量的非均匀形核地点，降低了形核位垒，提高加孕育剂。提供大量的非均匀形核地点，降低了形核位垒，提高了形核率。了形核率。 机械或电磁搅拌。将枝晶振碎增加核数目或加强热激活能量涨落，机械或电磁搅拌。将枝晶振碎增加核数目或加强热激活能量涨落，提高了形核率。提高了形核率。12 叙述钢锭中常见的宏观组织缺陷，消除或改善方法。叙述钢锭中常见的宏观组织缺陷，消除或改善方法。 宏观缺陷有：宏观偏析宏观缺陷

49、有：宏观偏析(如正常偏析、反常偏析、比重偏析如正常偏析、反常偏析、比重偏析)和带状和带状组织以及缩孔、疏松、气泡等。严格讲，也包括三晶区的组织不均匀组织以及缩孔、疏松、气泡等。严格讲，也包括三晶区的组织不均匀性。性。 宏观缺陷宏观缺陷(化学不均匀性、物理不均匀性和组织不均匀性化学不均匀性、物理不均匀性和组织不均匀性)往往是相往往是相互联系的，对于钢锭，一般希望尽可能多而细的中心等轴晶，可采用互联系的，对于钢锭，一般希望尽可能多而细的中心等轴晶，可采用加孕育剂、加大冷速、加强液体运动加孕育剂、加大冷速、加强液体运动(如电磁搅拌、机械搅拌如电磁搅拌、机械搅拌)等方法，等方法，细化晶粒，消除柱状晶，

50、这样与柱状晶或枝状晶区相伴随的宏观偏析细化晶粒，消除柱状晶，这样与柱状晶或枝状晶区相伴随的宏观偏析和缩孔、气泡也就明显改善了。和缩孔、气泡也就明显改善了。13 利用图利用图10-1的自由能的自由能-成分曲线说明，公切线将成分范围成分曲线说明，公切线将成分范围分成三个区域，各区域内哪些相稳定分成三个区域，各区域内哪些相稳定?为什么为什么?。 左侧左侧ANB范围是范围是相稳相稳定，因它的自由能最低；右侧定，因它的自由能最低；右侧NBB范围是范围是相稳定，也因其相稳定，也因其自由能最低；两公切点之间范围自由能最低；两公切点之间范围是是+两相共存稳定，因任意一两相共存稳定，因任意一个单相存在时的自由能都不如它个单相存在时的自由能都不如它分解为成分为公切点处的分解为成分为公切点处的+时时两相自由能的加权值（在公切线两相自由能的加权值（在公切线直线上）低。直线上）低。14 何谓正温度梯度？何谓负温度梯度何谓正温度梯度？何谓负温度梯度? 纯金属枝晶的形纯金属枝晶的形成条件是什么？长大过程如何？成条件是什么？长大过程如何？ 答：在结晶前沿液相中，温度由固一液界面向液相内部逐渐升高答：在结晶前沿液相中，温度由固一液界面向液相内部逐渐升高(过冷过冷度逐渐减小度逐渐减小)，此种温度分布称为正温度梯度。，此种温度分布称为正温度梯度。