机械工程材料-2015-第二章

1、实际金属晶体中的缺陷点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷Allotropy and polymorphism 具有同一化具有同一化学组成却有不同晶体结构的材料，即称为学组成却有不同晶体结构的材料，即称为固态下的同素异构转变与液态结晶一样，也是固态下的同素异构转变与液态结晶一样，也是形核与长大的过程。为了与液态结晶加以区别，形核与长大的过程。为了与液态结晶加以区别，将这种固态下的晶体结构变化过程称为将这种固态下的晶体结构变化过程称为。同素异构转变也需要过冷，而且过冷倾向很大。同素异构转变也需要过冷，而且过冷倾向很大。由于晶格类型的改变必然伴随着体积的变化，所由于晶格类型的改变必然伴随着体积的变化

2、，所以造成很大的内应力。但在工程上，同素异构转以造成很大的内应力。但在工程上，同素异构转变又具有重大实际意义。因为化学组成相同的材变又具有重大实际意义。因为化学组成相同的材料，可以具有不同的晶体结构，因而所获得的性料，可以具有不同的晶体结构，因而所获得的性能也迥然不同。能也迥然不同。 Allotropy and polymorphism 可以看出，可以看出，纯铁在纯铁在15381538结晶为结晶为-Fe,-Fe,具有具有BCCBCC结构；当结构；当温度继续冷却至温度继续冷却至13941394时，时，-Fe-Fe转变为转变为FCCFCC的的-Fe-Fe，通常把，通常把-Fe=-Fe-Fe=-Fe

3、的转变称为的转变称为A4A4转变转变，转变的平衡临界点称为，转变的平衡临界点称为4 4点点。当温度。当温度继续冷至继续冷至912912时，时，FCCFCC的的-Fe-Fe又转变为又转变为BCCBCC的的-Fe-Fe，把，把-Fe=-Fe-Fe=-Fe的转变称为的转变称为3 3转变转变，转变的平衡临界点称为，转变的平衡临界点称为3 3点点。在。在912912以下，铁的结构不再发生变化。这样一以下，铁的结构不再发生变化。这样一来，纯铁就具有三种同素异构状态，即来，纯铁就具有三种同素异构状态，即-Fe-Fe、-Fe-Fe和和-Fe-Fe。 许多无机材料和聚合物材料也都具有类似同许多无机材料和聚合物材

4、料也都具有类似同素异构转变的特性，如石墨和金刚石同属于碳，素异构转变的特性，如石墨和金刚石同属于碳，但因晶体结构不同而具有截然不同的性能。但因晶体结构不同而具有截然不同的性能。 1.1.组元、相、组织与合金的概念组元、相、组织与合金的概念 组成材料的最基本、独立的物质称为组成材料的最基本、独立的物质称为“组组元元”。组元可以是纯元素，也可是稳定化合物。金属材料的组元多为纯元素。组元可以是纯元素，也可是稳定化合物。金属材料的组元多为纯元素, ,无无机材料则多为化合物。机材料则多为化合物。 材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并与其它部分有界

5、面分开的均匀组成部分并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为称为若材料是由成分、结构相若材料是由成分、结构相同的同种晶粒构成的，尽管各晶粒之间有界面隔开，但它们仍属于同一种相。若同的同种晶粒构成的，尽管各晶粒之间有界面隔开，但它们仍属于同一种相。若材料是由成分、结构都不相同的几部分构成，则它们应属于不同的相。例如工业材料是由成分、结构都不相同的几部分构成，则它们应属于不同的相。例如工业纯铁是单相合金纯铁是单相合金（如左下图所示），（如左下图所示），共析碳钢在室温下由铁素体和渗碳体两相共析碳钢在室温下由铁素体和渗碳体两相（如下图所示）（如下图所示）组成，而陶瓷材料则由晶相、玻璃相组成，而陶瓷材料

6、则由晶相、玻璃相( (即非晶相即非晶相) )与气相三相所组与气相三相所组成成。 1.1.组元、相、组织与合金的概念组元、相、组织与合金的概念指的是相中原子的具体排列规律，即相的晶体结构。指的是相中原子的具体排列规律，即相的晶体结构。 “ “组织组织”是与是与“相相”有紧密联系的概念有紧密联系的概念。“相相”是构成组织的最基本组成部分是构成组织的最基本组成部分; ;但是当但是当“相相”的大小、形态与分布不同时会构成不同的微观形貌的大小、形态与分布不同时会构成不同的微观形貌( (图象图象) )，各，各自成为独立的单相组织，或与别的相一起形成不同的复相组织。自成为独立的单相组织，或与别的相一起形成不

7、同的复相组织。例例如左下图所示工业纯铁的显微组织就是由单相如左下图所示工业纯铁的显微组织就是由单相 构成的组织，而正下构成的组织，而正下图所示共析碳钢的显微组织则是由图所示共析碳钢的显微组织则是由 相与相与FeFe3 3C C相层片交替、相间分相层片交替、相间分布共同构成的组织（即称珠光体）。而普通陶瓷则由右下图所示晶布共同构成的组织（即称珠光体）。而普通陶瓷则由右下图所示晶相、玻璃相和气相所组成。相、玻璃相和气相所组成。 相同条件下，相同条件下，材料的性能随其组织的不同材料的性能随其组织的不同而变化。而变化。因此在工业生产中，因此在工业生产中，由由于一般固体材料不透明，故需先制备金相试样，包

8、括样品的截取、磨光和抛于一般固体材料不透明，故需先制备金相试样，包括样品的截取、磨光和抛光等步骤，把欲观察面制成平整而光滑如镜的表面，然后经过一定的浸蚀，光等步骤，把欲观察面制成平整而光滑如镜的表面，然后经过一定的浸蚀，再在金相显微镜下观察其显微组织再在金相显微镜下观察其显微组织 由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为有金属特性的物质称为例如，黄铜是铜和锌组成的合金，碳钢和例如，黄铜是铜和锌组成的合金，碳钢和铸铁是铁和碳组成的合金。由给定组元可按不同比例配制出一系列不同成分铸铁是铁和碳组成的合金。由给定组

9、元可按不同比例配制出一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成一个合金系统，简称合金系。两组元组成的为的合金，这一系列合金就构成一个合金系统，简称合金系。两组元组成的为二元系，三组元组成的为三元系等。二元系，三组元组成的为三元系等。 按照溶质原子在溶剂晶格中所占据位置分类按照溶质原子在溶剂晶格中所占据位置分类: :i. i.置换固溶体置换固溶体 系指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体，系指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体，犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称为置换固溶体，犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称为置换固溶体，如图如图1-1

10、7a1-17a示。当溶质原子与溶剂原子的直径、电化学性质等较为接近时，示。当溶质原子与溶剂原子的直径、电化学性质等较为接近时，一般可形成置换固溶体。一般可形成置换固溶体。ii.ii.间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是嵌入溶剂溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是嵌入溶剂原子间的一些间隙中，如图原子间的一些间隙中，如图1-17b1-17b示。当溶质原子直径示。当溶质原子直径( (如如C C、N N等元素等元素) )远小远小于溶剂原子于溶剂原子( (如如FeFe、CoCo、NiNi等过渡族金属元素等等过渡族金属元素等) )时，一般形成间隙固溶体。时，一般形成间

11、隙固溶体。置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体 按固态溶解度分类按固态溶解度分类: : 在一定条件下，溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，在一定条件下，溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，超过此限度就不再溶解了。这一限度称为溶解度或固溶度，这种固溶体超过此限度就不再溶解了。这一限度称为溶解度或固溶度，这种固溶体称为有限固溶体，大部分固溶体都属于此类称为有限固溶体，大部分固溶体都属于此类( (间隙固溶体只能是有限固间隙固溶体只能是有限固溶体溶体) )。 溶质原子能以任意比例溶入溶剂溶质原子能以任意比例溶入溶剂, ,固溶体的溶解度可达固溶体的溶解度可达100%100%，这种固溶体称无限固溶体。

12、无限固溶体只能是置换固溶体，且溶，这种固溶体称无限固溶体。无限固溶体只能是置换固溶体，且溶质与溶剂原子晶格类型相同，电化学性质相近，原子尺寸相近等。如质与溶剂原子晶格类型相同，电化学性质相近，原子尺寸相近等。如Cu-NiCu-Ni系合金可形成无限固溶体。系合金可形成无限固溶体。 按溶质原子和溶剂原子的相对分布分类按溶质原子和溶剂原子的相对分布分类: 溶质原子随机分布于溶剂的晶格中，它或占据溶剂溶质原子随机分布于溶剂的晶格中，它或占据溶剂原子等同的一些位置，或占据溶剂原子间的间隙中，看不出什么次原子等同的一些位置，或占据溶剂原子间的间隙中，看不出什么次序或规律性，这类固溶体称无序固溶体。序或规律

13、性，这类固溶体称无序固溶体。 当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布时，这种固溶体称有序固溶体。它既可是置换围绕着溶剂原子分布时，这种固溶体称有序固溶体。它既可是置换式的有序，也可是间隙式的有序。式的有序，也可是间隙式的有序。 形成固溶体时，形成固溶体时，由于溶质原子的溶入而由于溶质原子的溶入而使固溶体的晶格发生畸变，位错运动的阻力增加，从而提高了使固溶体的晶格发生畸变，位错运动的阻力增加，从而提高了材料的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。材料的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。 当元素之间不具备形成固溶体的条件或溶质含量超过

14、了溶剂的溶解度时，当元素之间不具备形成固溶体的条件或溶质含量超过了溶剂的溶解度时，在合金中往往会出现新相，新相的结构不同于合金中任一组元，这种新相在合金中往往会出现新相，新相的结构不同于合金中任一组元，这种新相称为称为。金属材料中的化合物可分为金属化合物和非金属化合物。金属材料中的化合物可分为金属化合物和非金属化合物。, ,例例如碳钢中的渗碳体如碳钢中的渗碳体(Fe(Fe3 3C)C)。凡不是金属键结合又不具有金属特性的化合物。凡不是金属键结合又不具有金属特性的化合物称为称为，例如碳钢中依靠离子键结合的，例如碳钢中依靠离子键结合的FeSFeS和和MnSMnS。 符合一般化合物的原子价规律，成分

15、固定并可用化学式符合一般化合物的原子价规律，成分固定并可用化学式表示，如表示，如MgMg2 2SiSi等。等。 不遵守原子价规律，而服从电子浓度不遵守原子价规律，而服从电子浓度(价电子总数与原子数价电子总数与原子数之比之比)规律。电子浓度不同，所形成化合物的晶格类型也不同。规律。电子浓度不同，所形成化合物的晶格类型也不同。 系由过渡族金属元素与系由过渡族金属元素与C、H、N等原子半径较小非等原子半径较小非金属元素形成的金属化合物。根据非金属元素金属元素形成的金属化合物。根据非金属元素(以以x表示表示)与金属元素与金属元素(以以M表示表示)原子半径的比值，可将其又分为两种：原子半径的比值，可将其

16、又分为两种：a间隙相间隙相(rX/rM0.59） 如如FCC结构的结构的VC，TiC，简单立方结构的，简单立方结构的WC等；等；b复杂晶体结构的间隙化合物（复杂晶体结构的间隙化合物（rX/rM0.59） 如钢中的如钢中的Fe3(复杂复杂的斜方晶格的斜方晶格 ，图，图1-18所示所示)等等。间隙相间隙相VC的结构的结构图图1.18 渗碳体的结构渗碳体的结构：较高的熔点、较高的硬度较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性和较大的脆性( (即硬而脆即硬而脆) )，但塑性很差。，但塑性很差。特别是间隙特别是间隙相具有极高的熔点和硬度。相具有极高的熔点和硬度。 习习 题题 1.已知铁原子直径d=0.254nm

17、，铜原子直径d=0.255nm,试分别求出铁和铜的晶格常数。 2.已知铬的晶格常数为0.28846nm，试求其原子直径。 3.画出立方晶系的下列晶面与晶向：(101), (112), 101, 021。l4.写出BCC晶胞中的110晶面，并绘出其中晶面（110）及其上的晶向。l5.说明晶体缺陷的类型、主要内容以及对性能的影响。l6.简述固溶体及化合物的性能特点。l7.名词解释：相，组织，组元，固溶体，位错，位错密度，金属化合物，固溶强化。第第2 2章章 材料的制备与相图材料的制备与相图Manufacture and Phase Diagram of Materials 1.1.何谓何谓“凝固凝

18、固”、“结晶结晶”？纯质材料结晶的充分、必要条件及一般规？纯质材料结晶的充分、必要条件及一般规律是什么？控制纯金属结晶后晶粒度的途径与具体措施又是什么呢？律是什么？控制纯金属结晶后晶粒度的途径与具体措施又是什么呢？ 2.2.二元合金相图的基本类型有哪几种？固溶体合金结晶（平衡结晶、不二元合金相图的基本类型有哪几种？固溶体合金结晶（平衡结晶、不平衡结晶）的主要特点是什么？平衡结晶）的主要特点是什么？3.3.杠杆定律的适用条件与主要内容是什么？杠杆定律的适用条件与主要内容是什么？4.4.5.5.能熟练地能熟练地. . 对于铁碳相图中对于铁碳相图中6.6.是否能是否能（语言文（语言文字和冷却曲线两种

19、方式）并能字和冷却曲线两种方式）并能7.7.平衡条件下，平衡条件下，各平衡相和组织组分（如各平衡相和组织组分（如A A、F F、FeFe3 3C C、P P、LdLd等）的本等）的本质、形貌特征和性能特点是什么？能否利用其正确分析铁碳合金在平衡状质、形貌特征和性能特点是什么？能否利用其正确分析铁碳合金在平衡状态下各种力学性能的变化吗？态下各种力学性能的变化吗？ Preparation of the metal materials粘度，粘度，是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征。是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征。粘度的大小表示了液体中发生相对运动的难易程度。粘度的大小表示了液体中发生

20、相对运动的难易程度。粘度大，表示液体粘稠，相对运动困难。粘度大，表示液体粘稠，相对运动困难。冷却速度是影响凝固过程的最主要外部因素。冷却速冷却速度是影响凝固过程的最主要外部因素。冷却速度越大，则在单位时间内逸散的热量越多，熔体温度度越大，则在单位时间内逸散的热量越多，熔体温度降得越低。熔体的温度直接关系着其中原子或分子的降得越低。熔体的温度直接关系着其中原子或分子的扩散能力。扩散能力。 可以看出，金属的冶炼是第一道工序，但铸造铸锭铸件铸件铸件铸锭铸件热轧热锻板、型、管、线材机加工零件（机加工）零件焊接机加工冷轧、拔、冲零件 指在高温下进行的冶金过程，例如钢铁和大多数有色金属指在高温下进行的冶金

21、过程，例如钢铁和大多数有色金属冶炼时采用的熔炼、吹炼和精炼等。冶炼时采用的熔炼、吹炼和精炼等。熔炼（熔炼（将经预处理的精矿与熔剂一起高将经预处理的精矿与熔剂一起高温熔化，通过高温化学反应使矿石中金属得以还原，同时产生一定熔渣，使温熔化，通过高温化学反应使矿石中金属得以还原，同时产生一定熔渣，使金属或金属化合物与脉石分离，达到提炼金属目的），金属或金属化合物与脉石分离，达到提炼金属目的），吹炼吹炼（实质是氧化熔（实质是氧化熔炼过程。如在钢的冶炼中，向高碳铁水中吹入氧气，使碳氧化并去除而得到炼过程。如在钢的冶炼中，向高碳铁水中吹入氧气，使碳氧化并去除而得到钢），钢），精炼（精炼（熔炼得到的金属往往

22、含一定杂质，需进一步处理以去除杂质，熔炼得到的金属往往含一定杂质，需进一步处理以去除杂质，这种对金属进行去除杂质提高纯度的过程称为精炼。常用的精练法有这种对金属进行去除杂质提高纯度的过程称为精炼。常用的精练法有、等）。等）。 它是在接近于常温条件下进行的，利用各种溶剂处理矿石它是在接近于常温条件下进行的，利用各种溶剂处理矿石及一些中间产物，通过在溶液中进行的氧化、还原、中和、水解和络合等反及一些中间产物，通过在溶液中进行的氧化、还原、中和、水解和络合等反应使金属得到分离和提取。应使金属得到分离和提取。 指利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精炼金属的冶金指利用电能从矿石或其它原料中提取、回收

23、、精炼金属的冶金过程。主要有过程。主要有电热熔炼电热熔炼（指用各种电加热方法进行金属熔炼的方法，如电弧（指用各种电加热方法进行金属熔炼的方法，如电弧熔炼法、等离子冶金法和电磁冶金法等），熔炼法、等离子冶金法和电磁冶金法等），电解法电解法（对电解质水溶液或熔盐（对电解质水溶液或熔盐等通电，使其发生化学变化，以便进行金属与杂质的分离或提取金属的过程）等通电，使其发生化学变化，以便进行金属与杂质的分离或提取金属的过程）等。等。 由高炉或化铁炉直接供应高温铁水作为原料，由高炉或化铁炉直接供应高温铁水作为原料，熔炼时利用从炉口顶部吹入的高压纯氧来氧化铁水，同时产生热量维持熔炼熔炼时利用从炉口顶部吹入的高

24、压纯氧来氧化铁水，同时产生热量维持熔炼所需的高温。其最大特点是吹炼速度快、生产率特别高。氧化过程大约只需所需的高温。其最大特点是吹炼速度快、生产率特别高。氧化过程大约只需151525min25min，加上放渣、脱氧、出钢水等操作，每炉的生产周期约，加上放渣、脱氧、出钢水等操作，每炉的生产周期约303040min40min。另外，此法炼钢品种多、质量好，可冶炼全部平炉冶炼和部分电炉。另外，此法炼钢品种多、质量好，可冶炼全部平炉冶炼和部分电炉的钢种，而且冶炼中原料消耗少、热效率高、成本低。的钢种，而且冶炼中原料消耗少、热效率高、成本低。 依靠石墨制成的电极与炉料之间产生的高温电弧来进依靠石墨制成的

25、电极与炉料之间产生的高温电弧来进行加热熔炼的。电弧炉炉顶可开启，以便迅速装入原料，整个炉体可前后倾行加热熔炼的。电弧炉炉顶可开启，以便迅速装入原料，整个炉体可前后倾斜，以便出钢、出渣。其原料主要是废钢，氧化介质采用纯氧和铁矿石。其斜，以便出钢、出渣。其原料主要是废钢，氧化介质采用纯氧和铁矿石。其主要特点是冶炼温度高，炉内气氛可控制，钢水成分容易调节，能有效清除主要特点是冶炼温度高，炉内气氛可控制，钢水成分容易调节，能有效清除硫、磷等有害杂质，加入的贵重金属元素损失少，但生产率较低，电能成本硫、磷等有害杂质，加入的贵重金属元素损失少，但生产率较低，电能成本高，此法主要用于生产合金钢和高质量钢种。

26、高，此法主要用于生产合金钢和高质量钢种。 （3 3）钢的炉外精炼方法及其发展）钢的炉外精炼方法及其发展 即把转炉及电炉初炼过的钢液转移到钢包或其它专用容器中即把转炉及电炉初炼过的钢液转移到钢包或其它专用容器中进一步精炼的炼钢过程，也称进一步精炼的炼钢过程，也称“二次精炼二次精炼”。实施炉外精炼可提高钢的冶金质。实施炉外精炼可提高钢的冶金质量，可完成脱碳、脱硫、脱氧、去气、去除夹杂物及成分微调等任务。炉外精量，可完成脱碳、脱硫、脱氧、去气、去除夹杂物及成分微调等任务。炉外精炼的方法主要有：炼的方法主要有： 它主要是通过降低外界它主要是通过降低外界N N2 2、HH2 2等有害气体的分压，达到去除

27、钢等有害气体的分压，达到去除钢中有害气体的目的。在真空条件下，不仅能降低钢中有害气体的浓度，而且可中有害气体的目的。在真空条件下，不仅能降低钢中有害气体的浓度，而且可发生脱氧反应，使熔池产生搅拌，有利于有害气体的排出。发生脱氧反应，使熔池产生搅拌，有利于有害气体的排出。 此法是向钢液中吹入惰性气体，这种气体本身不参与冶金此法是向钢液中吹入惰性气体，这种气体本身不参与冶金反应，每个气泡中的反应，每个气泡中的N N2 2、HH2 2等有害气体分压为零。当其从钢液中上升时，钢液等有害气体分压为零。当其从钢液中上升时，钢液中的有害气体就会向气泡内扩散，并随之带出钢液，就相当于中的有害气体就会向气泡内扩

28、散，并随之带出钢液，就相当于“气洗气洗”作用。作用。若此法与其它方法配合时，精炼效果更好。若此法与其它方法配合时，精炼效果更好。 它是一种快速精炼手段，一般是用氩气作载体，向高温钢水内它是一种快速精炼手段，一般是用氩气作载体，向高温钢水内部喷吹特定的合金粉末或精炼粉剂。此法可较充分地进一步脱硫和去除夹杂物，部喷吹特定的合金粉末或精炼粉剂。此法可较充分地进一步脱硫和去除夹杂物，并且可改变夹杂物的形态，在精炼的同时还可对钢的化学成分进行调整。并且可改变夹杂物的形态，在精炼的同时还可对钢的化学成分进行调整。 虽古老、但现仍占有重要地位，它主要用于浇虽古老、但现仍占有重要地位，它主要用于浇注供锻造用的

29、大型钢锭。注供锻造用的大型钢锭。 是使钢水在连铸机的结晶器里不断地形成是使钢水在连铸机的结晶器里不断地形成一定断面形状和尺寸的钢坯，浇注和出坯是连续不断进行的。一定断面形状和尺寸的钢坯，浇注和出坯是连续不断进行的。此法具有金属收得率高，成本低，生产率高及劳动条件好等此法具有金属收得率高，成本低，生产率高及劳动条件好等优点，并为炼钢生产的连续化、自动化创造了条件。目前连优点，并为炼钢生产的连续化、自动化创造了条件。目前连铸技术还在不断地进步和发展，例如，近终形连铸技术的研铸技术还在不断地进步和发展，例如，近终形连铸技术的研究开发，以及究开发，以及的结合，都已取得成效。的结合，都已取得成效。 液态

30、金属内部的原子并非是完全无规则的混乱排列，而是在短距离的微小液态金属内部的原子并非是完全无规则的混乱排列，而是在短距离的微小范围内原子呈现出短程有序排列，范围内原子呈现出短程有序排列，由于液态金属内部原子热运由于液态金属内部原子热运动较为强烈，在某平衡位置呈短程有序排列的时间甚短，故这种局部的短程动较为强烈，在某平衡位置呈短程有序排列的时间甚短，故这种局部的短程有序排列也是在不断地变动着，它们只能维持短暂的时间就会很快消失，同有序排列也是在不断地变动着，它们只能维持短暂的时间就会很快消失，同时新的短程有许序排列又不断地形成，出现了时新的短程有许序排列又不断地形成，出现了“时起时伏、此起彼伏时起

31、时伏、此起彼伏”的局的局面，将这种结构不稳定的现象称为面，将这种结构不稳定的现象称为 。不同的。不同的结构对应一定的能量状态，加上原子之间能量的不断传递，结构起伏伴随着结构对应一定的能量状态，加上原子之间能量的不断传递，结构起伏伴随着局部能量也在不断变化，这种能量的变化即称为局部能量也在不断变化，这种能量的变化即称为 结晶温度一般是用热分析法测定，测定步骤如下结晶温度一般是用热分析法测定，测定步骤如下: :先将待测的先将待测的金属熔化，然后使其缓慢冷却，记录下液态金属温度随时间变金属熔化，然后使其缓慢冷却，记录下液态金属温度随时间变化的冷却曲线化的冷却曲线。从图中可看出，当冷至。从图中可看出，

32、当冷至TmTm温度温度时，液态金属并不能进行结晶，而必须在时，液态金属并不能进行结晶，而必须在TmTm以下的某一温以下的某一温度度TnTn时才开始结晶，时才开始结晶，TnTn称为实际结晶温度。在实际结晶过程称为实际结晶温度。在实际结晶过程中，中，TnTn总是总是TmTm，这一现象即称为，这一现象即称为因此因此而平衡结晶温度与实际结晶温度之差称而平衡结晶温度与实际结晶温度之差称为为过冷度过冷度(T)(T)，即，即T=Tm-TnT=Tm-Tn。但由于结晶过程中放出结晶潜但由于结晶过程中放出结晶潜热，补偿了向外界散失的热量，所以在冷却曲线上表现为一段热，补偿了向外界散失的热量，所以在冷却曲线上表现为

33、一段低于低于TmTm的恒温的水平线段。当结晶过程完成后，金属继续向的恒温的水平线段。当结晶过程完成后，金属继续向周围散失热量，温度才复下降。周围散失热量，温度才复下降。 过冷度（过冷度（TT）不是一个恒定值，它随纯金属的性质、纯度以及结晶前液体的）不是一个恒定值，它随纯金属的性质、纯度以及结晶前液体的冷却速度等因素而改变。对于同一种物质，冷却速度愈大，冷却速度等因素而改变。对于同一种物质，冷却速度愈大，TnTn愈低，则愈低，则TT愈愈大，冷却曲线上水平台阶温度与大，冷却曲线上水平台阶温度与TmTm间的温度差愈大，间的温度差愈大，在非常缓在非常缓慢的冷却条件下，过冷度极小，可以把平台温度近似看作

34、是慢的冷却条件下，过冷度极小，可以把平台温度近似看作是 图图2-42-4为同一物质液态与固态材料的自由能与温度的关系曲线，为同一物质液态与固态材料的自由能与温度的关系曲线，由于固、液态由于固、液态材料的自由能曲线的斜率不同，故两条曲线相交于一点，如图中材料的自由能曲线的斜率不同，故两条曲线相交于一点，如图中TmTm。在此温。在此温度下，固态与液态的自由能相等，这相当于平衡结晶温度，所以纯金属不会结度下，固态与液态的自由能相等，这相当于平衡结晶温度，所以纯金属不会结晶。当温度低于晶。当温度低于TmTm某一温度时，固态自由能低于液态自由能，就可自发地进某一温度时，固态自由能低于液态自由能，就可自发

35、地进行结晶。温度愈低，自由能差愈大，结晶愈易进行。相反，当温度高于行结晶。温度愈低，自由能差愈大，结晶愈易进行。相反，当温度高于TmTm时，时，即有一定的过热度，液态的自由能低于固态的自由能，金属会由固态变为液态即有一定的过热度，液态的自由能低于固态的自由能，金属会由固态变为液态( (即熔化即熔化) )。 To时间温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台结晶平台(是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致)纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线液态金属当冷却至液态金属当冷却至TmTm温度以下时，经过一段时间温度以下时，经过一段时间( (称为孕育期称为孕育期) )，出，出现一些尺寸极小、

36、原子规则排列的小晶体，称为现一些尺寸极小、原子规则排列的小晶体，称为晶核晶核。接着晶核向各。接着晶核向各个方向生长。同时，又有一些新的晶核出现。就这样不断形核、形成个方向生长。同时，又有一些新的晶核出现。就这样不断形核、形成的晶核又不断长大，直到液体消失为止。每一个晶核成长为一个小晶的晶核又不断长大，直到液体消失为止。每一个晶核成长为一个小晶粒，最后获得粒，最后获得多晶体结构。多晶体结构。晶核可由短程有序结构液体中规则晶核可由短程有序结构液体中规则排列的原子团自发地形成，叫排列的原子团自发地形成，叫; ;但工程实际中更多的情况是由但工程实际中更多的情况是由液体中存在着的固体杂质微粒为现液体中存

37、在着的固体杂质微粒为现成基底的成基底的。在晶核开始成长的初期，由于其内部原在晶核开始成长的初期，由于其内部原子规则排列的特点，其外形也大多较规子规则排列的特点，其外形也大多较规则。但随着晶核的成长，晶体棱角的形则。但随着晶核的成长，晶体棱角的形成，棱角处的散热条件优于其它部位，成，棱角处的散热条件优于其它部位，因而得到优先成长，如树枝一样，先长因而得到优先成长，如树枝一样，先长出支干，再长出分枝，最后再把晶间填出支干，再长出分枝，最后再把晶间填满。这种成长方式叫满。这种成长方式叫冷却速度愈快，过冷度愈大，枝晶方式冷却速度愈快，过冷度愈大，枝晶方式长大的特点便愈明显。长大的特点便愈明显。 Set

38、ting-up of phase diagrams 是表示材料(合金)体系中材料(合金)的状态与温度、成分间关系的简明图解，它清楚地表明了材料中各种相的存在范围以及相与相之间的关系。是指平衡相，它不反映时间因素的影响。材料在一定成分和一定温度下的相状态，以及当成分和温度改变时相状态的变化,可用温度成分坐标系的图示明确而系统地表示出来。 有实验测定和理论计算两种，但目前所使用的相图大部分都是根据大量实验结果绘制出来的。首先配制一系列不同成分的合金，测出其从液态到室温的冷却曲线，求得各相变点，然后把这些特性点标在温度-成分的坐标图纸上，把相同意义的特性点联结成线。这些特性线将相图划分出一些区域，这

39、些区域称为相区;最后，在各相区内填入相应的“相”的名称。在二元相图中，有的相图简单(如Cu-Ni相图)，有的相图很复杂(如Fe-C相图)。但不管多么复杂，任何二元相图都可以看成是由几类基本任何二元相图都可以看成是由几类基本类型的相图迭加、复合而组成的。类型的相图迭加、复合而组成的。图图2-7 2-7 用热分析法建立用热分析法建立Cu-NiCu-Ni相图相图 ( Binary isomorphous diagrams)两组元在液态和固态下均可以以任意比例相互溶解，在固态下形成无限固溶体的合金相图称为匀晶相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr等合金相图均属于此类相图。在这类合金中，结晶时都是从液相结晶出

40、单相固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。应该指出，几乎所有的二元合金相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类相图是学习二元合金相图的基础。 特性点：纯铜的熔点A为1083，纯镍的熔点B为1455。 特性线：液相线 ，固相线。 相区与基本相：液相、固溶体单相以及液固平衡区。图图2-7 2-7 用热分析法建立用热分析法建立Cu-NiCu-Ni相图相图 现以K成分合金为例进行分析。当k合金从高温液态缓慢冷却至t1温度时，开始从液相中结晶出固溶体，此时的成分为1(其含镍量高于k合金的镍含量)，即 。随温度下降，结晶出来的固溶体量逐渐增多，剩余的液相L量逐渐减少。当温度冷至t2时，固溶体的成分为2，液相的

41、成分为L2(镍含量低于合金的镍含量)，即 。为保持相平衡，在t1温度结晶出来的1相，必须改变为与2相一致的成分，液相成分也必须由L1向L2变化。一直冷到t4温度时，其相平衡关系 。最后的相平衡，必然使从液相中结晶出来的全部相都具有4的成分，并使最后一滴液相的成分达到L4的成分。111tl222tl444tl 由以上分析可知，I合金的平衡结晶过程，其特点是:液态金属在无限缓慢冷却条件下，冷却到一定温度范围内进行结晶，而且在结晶过程中(即1234)，而(即l1l2l3l4)，如图2-8（a）所示。 分析成分为K的Cu-Ni合金，见图2-9 (a)，在tx温度时，液相成分为x1，固相成分为x2(通过

42、tx温度作一水平线，此水平线与液、固相线的交点即为L相的成分与相的成分)。现求在该温度下，已结晶出固溶体和剩余液相L的质量分数。 设合金总质量为设合金总质量为W(100%即即1)，液相的质量分数为，液相的质量分数为WL,固相的质量分数为固相的质量分数为W，则则 WL+ W=W(即即1) (2.1)若已知液相中镍的质量分数为若已知液相中镍的质量分数为x1，固溶体中镍的质量分数为，固溶体中镍的质量分数为x2，合金中镍的，合金中镍的质量分数为质量分数为x，则，则 WLx1+ Wx2=Wx (2.2)解解(2.1)和和(2.2)组成的方程组成的方程:WL=（x2-x）/(x2-x1);W=（x-x1）

43、/(x2-x1)。将分子将分子和分母都换成相图中的线段，并将和分母都换成相图中的线段，并将 WL和和W的质量分数用百分数表示时，则的质量分数用百分数表示时，则WL=xx2/x1x2100%，W=x1x/x1x2100%;两相相对质量之比为：两相相对质量之比为：WL/ W=xx2/x1x。由图由图2-9(b)可以看出，可以看出，以上所求得的两平衡相相对质量之间的关系与力学中以上所求得的两平衡相相对质量之间的关系与力学中的杠杆定律颇为相似，因此称为的杠杆定律颇为相似，因此称为“杠杆定律杠杆定律”。杠杆定律说明杠杆定律说明:某合金两平衡某合金两平衡相的质量分数相的质量分数(WL与与W)之比等于该两相

44、成分点到合金成分点距离的反比，之比等于该两相成分点到合金成分点距离的反比，即线段即线段xx2与与x1x之比。之比。 在实际结晶过程中，很难保持体系的平衡状态，冷却过程往往是比较快的（即不平衡结晶），此时原子不能充分进行扩散，这时先结晶出的固相含高熔点组元(镍)较多，后结晶出的固相含低熔点组元(铜)较多，快冷使这种成分不均匀现象保留下来，形成了在同一晶粒中的成分偏析，因结晶一般是以树枝状方式进行，先结晶的主干和后结晶的分支成分不一致，故这种偏析称为因这种偏析发生在一个晶粒内，故枝晶偏析，会使合金的力学性能、耐蚀性和加工工艺性能变坏。为消除枝晶偏析，可采用高温扩散退火(又称均匀化退火)方法，即将合

45、金铸件加热至固相线以下100200长时间保温(一般58h)，使原子充分扩散，从而达成分均匀化的目的。 何谓共晶相图？两组元在液态下能完全互溶，在固态时相互有限互溶并发生共晶反应(转变)、形成共晶组织的二元相图称为 共晶相图可以抽象地看作是两匀晶相图重叠结果，其中(a)图示出从液相内结晶出以A组元为基固溶体;(b)图示为从液相内结晶出以B为基固溶体;(c)图为(a)、(b)两相图重合在一起图示。 根据固溶体结晶规律，固溶体、结晶时，液相成分沿着各自液相线变化。当温度降至两条线交点E时，此时E点成分液相既要与M点成分的平衡，又要与N点成分平衡。液相、与相必处于三相平衡状态，它只能在恒温tE下进行。

46、即在此温度下既要从液相中结晶出相、又要结晶出相，一直进行到液相消失为止。因此，通过E点作水平线交固相线于M点、交固相线于N点，水平线MN即液相存在的最低温度。在此温度以下，不存在液相，不可能再按匀晶转变继续结晶出、相。通常已结晶出的或相可发生溶解度变化(虚线所示)。据上所述，二元共晶相图(d)图示可分解为三部分，即水平线以上为匀晶转变部分、以下为脱溶转变部分，水平线上则为共晶转变部分。 以右图Pb-Sn相图为例，对共晶相图进行分析。 图2.11 Pb-Sn合金相图 相图中有三个单相区，即液相L、固溶体相和相。相是Sn溶于Pb中形成的固溶体，相是Pb溶于Sn中的固溶体。各个单相区之间有三个两相区

47、，即L+、L+和+。在L+、L+和+两相区之间的水平线MEN表示+L三相共存区。在三相共存水平线所对应的温度下，成分相当于E点的液相（LE）同时结晶出与M点相对应的M和与N点所对应的N两个相，即形成两个固溶体的混合物。此转变的反应式是： ,该转变必在恒温下进行，且三个相成分应为恒定值，在相图上的特征是三个单相区与水平线只有一个接触点，其中液体单相区在中间、位于水平线之上，两端是两固相单相区。这种在一定温度下，由一定成分液相同时结晶出成分各自一定的两个新固相的转变，称为共晶转变或共晶反应。共晶转变的产物为两固相的混合物，称为共晶组织. NMEL 183图2.11 Pb-Sn合金相图 （3 3）特

48、性线与特性点）特性线与特性点 相图中MEN水平线称为共晶线，E点称为共晶点，E点对应的温度称为共晶温度，成分对应于共晶点的合金称为共晶合金。成分位于共晶点以左、M点以右的合金为亚共晶合金。成分位于共晶点以右、N点以左的合金称为过共晶合金。AE、BE为液相线，AM、BN线为固相线，MF、NG这两条曲线称为固溶线。M、N点分别表示、相的最大溶解度极限，随温度降低，、相溶解度分别沿曲线MF、NG变化。 2.典型合金的平衡结晶过程典型合金的平衡结晶过程 （1）合金）合金(w（Sn）19w%的合金的合金)合金在3点以上的结晶与固溶体合金结晶过程一样，开始结晶出来的称为初晶或一次晶。在23点间，合金为均匀

49、单相组织。当温度降至3点以下时，相变为过饱和固溶体，过剩Sn以相形式从相中析出，随温度下降相增多。从固态相中析出的相即称为次生相(二次相或二次晶)，用符号表示。这种从单一固溶体相中析出的单一新固相的反应，即称为当冷至室温时，所析出的相对质量分数可用杠杆定律计算出: =F4/FG100%。 由于固态下原子扩散能力小，析出的次生相不易长大，一般都比较细小，分布于晶界或固溶体中。其室温下组织为+。合金I的结晶由两种性质的反应组成:2.典型合金的平衡结晶过程典型合金的平衡结晶过程 （2）合金）合金(共晶合金共晶合金)当合金由液相冷却至E点时，将发生共晶反应: ,在恒温(tE)下一直进行到液相完全消失为

50、止，这时所获得和呈层片状交替分布的细密机械混合物(+)就是共晶组织或称共晶体。其共晶体(M+N)中M和N两相的相对质量分数: WM =EN/MN100% ，WN=ME/MN100%。在E点以下，随温度下降，和的溶解度分别沿各自固溶线MF、NG变化，从中析出，从中析出，但由于和量小且在显微组织中不易分辨，故一般不予考虑。因此，其室温组织为(+)共晶体。合金结晶过程中的反应特征:共晶反应二次析出反应共晶反应二次析出反应。NMEL 183各种形态的共晶组织（1）各种形态的共晶组织（2）2.典型合金的平衡结晶过程 （3）合金(亚共晶合金)当合金自液态缓冷至1点时，开始结晶出初晶固溶体，温度在12点之间

51、为匀晶转变过程，在此阶段中，L+两相共存，且随温度下降，相成分沿AM线向M点变化，L相成分沿AE线向E点变化。当温度降至2点即共晶温度时，L相具有共晶成分E，于是便发生共晶反应: 。共晶反应后，随温度下降，初晶相的成分沿固溶线MF变化，即M+，所以其室温组织为+(+)。合金在NMEL 183 同理，同理，与亚共晶合金相似，只是初晶与亚共晶合金相似，只是初晶( (初生相初生相) )为为 固溶体、固溶体、而不是而不是 固溶体。固溶体。其室温组织为其室温组织为+（ ）。）。2.典型合金的平衡结晶过程 （3）合金(亚共晶合金)初晶树枝晶的截面形态（右上图）；亚或过共晶合金室温组织图（下图）亚共晶合金室

52、温组织过共晶合金室温组织例题2.1 依据Pb-Sn相图(见图2.11)，说明含28Sn的Pb-Sn合金在下列温度时组织中有哪些相，并求出相的相对量。(1) 高于300； (2) 刚冷至183，共晶转变尚未开始；(3) 在183，共晶转变完毕； (4) 冷至室温。参见图2-12，通过Sn的质量分数为28%的合金成分点作一垂线，再与纵坐标温度水平线相交，就可方便地判断在各个温度瞬时，合金所处的状态；杠杆定律应用的前提条件是两相区，一定要牢记。杠杆定律应用的前提条件是两相区，一定要牢记。（1）找到300温度点，然后做一水平线与28%Sn合金成分垂线相交，此交点以上即为题目所要求状态，所以该合金此时处

53、于单一液相状态。其液相的质量分数为100%。（2）此时该合金处于液相L和固溶体两相状态，欲求相的相对量，即求L+两相区中L和两相的质量分数，杠杆的总长度应为ME，合金的成分线与ME水平线的交点即为杠杆的支点位置（设为O点）。因此，W（L）=OM/ME=（28-19）/（61.9-19）= 21% ；W（）=OE/ME=（61.9-28）/（61.9-19）= 79% 。（3）此时该合金处于固溶体+两相状态，即进入+两相区。欲求相的相对量，即求+两相区中和两相的质量分数，杠杆的总长度应为MN，该合金的成分线与FG水平线的交点O即为杠杆的支点位置。因此，W（）=OM/MN=（28-19）/（97.5-19）=11.5% ；W（）=NO/MN=（97.5-28）/（97.5-19）= 88.5% 。 （4）此时合金处于+两相区