材料科学基础 课件 第1-5章 固体材料的结构- 三元相图

材料科学基础1绪论2材料分类金属材料陶瓷材料高分子材料晶体材料非晶体材料结构材料功能材料性能（使用性能、工艺性能）化学成分结构（晶体的结合类型、晶体结构、微观结构、和宏观结构）制备加工工艺、服役环境绪论1、研究对象：3绪论2、学习目的3、学习内容5、学习要求4、学习方法4第一章固体材料的结构

§1.1原子的电子构型和元素的电负性§1.2原子间的结合

§1.3金属和陶瓷的晶体结构§1.4高聚物的微观结构

5

原子的电子构型——原子核外电子排布，遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则。§1.1原子的电子构型和元素的电负性6

元素的电负性——原子吸引成键电子能力的相对标度。其数值越大，表示其原子吸引成键电子的能力越强。

价电子——能决定元素化合价的电子。可以是化学反应中可失去的电子，也可是能与其他原子相互作用形成化学键的电子。

由于不同元素原子的电子构型不同，使原子间的相互结合方式产生了很大差别。原子间的结合方式和结合力大小称为结合键。结合键可分为主价键和次价键两大类，主价键即化学键，是相邻原子之间形成的强键，包括金属键、共价键和离子键；次价键即物理键，包括范德华力和氢键。§1.2原子间的结合7

贡献出价电子的金属原子成为正离子，沉浸在电子气中，并依靠与运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。图1-1金属键模型气8图1-2共价键模型

原子间通过共用电子对（或电子云交叠）所形成的强烈的相互作用称为共价键。9杂化轨道——同一原子中不同类型但能量相近的原子轨道混合起来，重新分配能量和调整空间伸展方向，组成数目不变、能量完全相同的新的轨道。10图1-3sp3杂化示意图图1-4离子键模型

带异电性电荷的离子之间的静电相互作用称为离子键。原子间并不形成“纯粹的”离子键，所有的离子键都或多或少带有共价键的成分。11金属键共价键离子键无饱和性、无方向性有饱和性和方向性无饱和性、无方向性金属晶体具有良好的导电性、导热性和延展性、正的电阻温度系数、不透明并散发金属光泽。共价晶体具有很高的硬度和熔点，常温和熔融状态下均不导电。离子晶体熔点和硬度较高，无延展性，常温下不传热不导电，是良好的绝缘体，熔融状态下产生自由离子而导电。典型的离子晶体无色透明。12如何评估晶体的弹性模量和理论抗拉强度？图1-5双原子作用模型（键-力曲线）1314图1-6两种材料A和B的键-力曲线比较如何评估晶体的熔点和热膨胀系数？15图1-7双原子作用模型§1.3金属和陶瓷的晶体结构一、晶体学基础（一）晶体的特性是原子在三维空间按一定规律呈周期性重复排列的固体；具有固定的熔点；单晶体各向异性，多晶体伪各向同性。16（二）晶体结构与空间点阵晶体结构——晶体中原子、原子集团、离子或分子在三维空间有规律的周期性的具体排列方式。每一种晶体有自己的晶体结构。17图1-8晶体中原子排列示意图18空间点阵——阵点有规则地周期性重复排列所形成的三维空间阵列。反映结构基元在晶体中的周期性重复方式，只有14种。每个阵点都有相同的周围环境，并不直接与原子相关联。19图1-9阵点代表的具体内容晶体结构=空间点阵+结构基元每个阵点所代表的具体内容，包括原子（或原子集团、离子对）的种类、数量及其在空间按一定方式排列的基本结构，称为晶体的结构基元。20图1-10晶胞的晶格常数和轴间夹角表示法晶格常数/点阵常数：a、b、c轴间夹角：α、

β、

γ空间点阵的晶胞具有平移性、必须是平行六面体：21选择晶胞遵循下列3条原则:(1)所选的平行六面体应能反映晶体的对称性;(2)晶胞中轴间夹角α、β、γ为90°的数目最多;(3)在满足上述2个条件下,所选的平行六面体的体积最小。22三方晶系23晶系布拉维点阵(1)三斜简单三斜(2)单斜简单单斜底心单斜(3)正交简单正交底心正交面心正交体心正交(4)六方简单六方(5)三方简单三方(6)四方简单四方体心四方(7)立方简单立方体心立方面心立方24≠面心立方点阵可绘出(a=b=c，α=β=γ=90º)简单三方晶胞(a=b=c，α=β=γ=60º≠90º)25图1-11空间点阵的对称性Ⅰ

面心立方点阵还可绘出

(a=b=c，α=β=γ=90º)

体心四方晶胞(a=b≠c，α=β=γ=90º)26图1-12空间点阵的对称性Ⅱ图1-13晶体结构相似而空间点阵不同Cr27CsCl图1-14空间点阵相同的晶体结构Cu28NaCl；

（三）晶向指数和晶面指数

晶体中，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向，由一系列原子所组成的平面称为晶面。为了便于研究和表述不同晶向和晶面的原子排列情况及其在空间的位向，需要有一种统一的表示方法，这就是晶向指数和晶面指数。29H[210][101]oZYX[100][111][110][001][010][112]AFGEDCBI图1-15晶向指数[uvw]的确定30；

晶向指数特点：（1）晶向指数表示一组平行晶向的位向。（2）同一直线上有两个相反的晶向，它们的晶向指数的数字和顺序完全相同，只是符号相反。（3）晶向族<uvw>:31原子排列完全相同但空间位向不同的所有晶向，可归为同一晶向族<uvw>。32图1-16立方晶系<111>晶向族中的4个晶向XYZ图1-17晶面指数(hkl)的确定33；

晶面指数特点：（1）晶面指数表示一组平行晶面的位向。（2）两个晶面指数的数字和顺序完全相同而符号相反时，这两个晶面互相平行。（3）晶面族{hkl}:34原子排列完全相同但空间位向不同的所有晶面，可归为同一晶面族{hkl}。35图1-18立方晶系的{111}晶面族图1-19立方晶系中晶向指数与晶面指数的关系在立方结构的晶体中，当一晶向[uvw]位于或平行于某一晶面(hkl)时，必须满足以下关系：hu+kv+lw=0。当某一晶向与某一晶面垂直时，则其晶向指数和晶面指数必须完全相等，即u=h、v=k、w=l。36YXZ图1-20六方晶系的三轴坐标系37图1-21六方晶系的一些晶面指数

X3ZX1X2四轴坐标系晶面指数标定方法：38四轴坐标系晶向指数标定方法：(1)标定待定晶向的三轴坐标系晶向指数[UVW]；(2)由[uvtw]与[UVW]之间的关系,分别

求u、v、t、w；(3)化为互质整数；(4)加方括号[uvtw]。39XXXZ图1-22六方晶系的一些晶向指数

[111]401、晶面间距d(hkl)——两个相邻的平行晶面之间的垂直距离。（四）晶面间距和晶面夹角41简单立方晶体晶面间距d与点阵常数之间的关系：面心立方晶体（FCC）晶面间距与点阵常数a之间的关系：若h、k、l均为奇数，则否则，

体心立方晶体（BCC）晶面间距与点阵常数a之间的关系：若h+k+l=偶数，则否则，

42图1-23简单立方点阵不同晶面的平面图432、晶面夹角——两晶面之间的夹角。立方晶系晶体的晶面夹角与晶格常数无关：设晶面（h1k1l1）和晶面（h2k2l2）的夹角为φ，则44共带面晶带——凡相交于或平行于某一晶向直线的所有晶面构成一个晶带。晶带轴（五）晶带和晶带轴45晶带定律——晶带轴[uvw]与共带面(hkl)之间存在以下关系46图1-24共带面和晶带轴确定晶带轴的晶向指数：

已知两个不平行的晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)同属一个晶带,设晶带轴为[uvw]或h1u+k1v+l1w=0h2u+k2v+l2w=0根据晶带定律，47弹性模量（GPa）135290图1-37晶向原子密度与单晶体的各向异性（六）晶体的各向异性（单）晶体具有各向异性是由于在不同晶向上原子排列的紧密程度不同。48（七）多晶型性

少数纯金属（如Fe、Mn、Zr、Ti、Co、Sn）和一些工程陶瓷晶体（如Al2O3、ZrO2、Si3N4、BN、SiC）等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型性，这种现象称为同质异晶或同质多象。

当外部条件（如温度和压力）改变时，晶体由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变、同质异晶转变或同质多象转变。49图1-25纯铁加热时的热膨胀曲线50图1-26常见金属晶体结构的刚球模型二、金属晶体的晶体结构（一）三种典型的金属晶体结构体心立方结构面心立方结构密排六方结构51晶体结构基本参数：

1、晶格常数2、原子半径

3、晶胞原子数n——一个晶胞包含的原子数目。4、配位数——晶体结构中与任一原子最近邻且等距的原子数目。5、致密度——晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，

。52图1-27体心立方结构晶胞53图1-28面心立方结构晶胞54图1-29面心立方结构的配位数55图1-30密排六方结构晶胞56

密排六方结构的空间点阵类型为简单六方点阵。

图1-31密排六方结构质点模型57图1-32密排六方结构的配位数58体心立方结构(BCC)面心立方结构(FCC)密排六方结构(HCP)晶格常数aaa、c(c/a≈1.633

)原子半径晶胞原子数246配位数81212致密度0.680.740.7459图1-33密排面原子排列示意图图1-34密排结构的原子堆垛方式60bcbcbcABAABB图1-35HCP密排面的堆垛顺序AB61bcbcbc62图1-36FCC密排面的堆垛顺序ⅠABCAABCBC63图1-37FCC密排面的堆垛顺序Ⅱ图1-38体心立方结构原子的堆垛方式64八面体间隙：位于由6个原子围成的八面体中心。四面体间隙：位于由4个原子围成的四面体中心。晶体结构中的间隙65八面体间隙位置：

面心和棱边中点晶胞间隙数：八面体间隙八面体间隙

金属原子1、体心立方结构的间隙间隙半径：rR66四面体间隙位置：面中分线距棱1/4处晶胞间隙数：间隙半径：1、体心立方结构的间隙四面体间隙四面体间隙

金属原子

67八面体间隙位置：体心和棱边中点晶胞间隙数：间隙半径：八面体间隙八面体间隙

金属原子2、面心立方结构的间隙68四面体间隙位置：体对角线距顶点1/4处晶胞间隙数：间隙半径：四面体间隙四面体间隙

金属原子2、面心立方结构的间隙

69晶胞间隙数：间隙半径：间隙位置：3、密排六方结构的间隙

70晶胞间隙数：3、密排六方结构的间隙间隙位置：间隙半径：71晶体结构间隙种类间隙半径r间隙数目BCC八面体间隙<100>0.155R<110>0.633R6四面体间隙0.291R12FCC八面体间隙0.414R4四面体间隙0.225R8HCP八面体间隙0.414R6四面体间隙0.225R12间隙半径r=原子中心与间隙中心的距离-原子半径（R——原子半径；并假设HCP结构的R=FCC结构的R）72晶体缺陷——晶体中原子偏离规则排列的不完整区域。分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。（二）实际金属的晶体结构731-461.点缺陷74图1-47点缺陷造成晶格畸变产生应力场的示意图（a）拉应力场（b）压应力场a)b)75空位平衡浓度：设由N个原子组成的晶体中含有n个空位,若形成一个空位所需能量为Ev,则晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡浓度。式中，A是由振动熵决定的系数,其值在1～10之间；

k

为玻尔兹曼常数，其值为,或

。76（自）间隙原子平衡浓度：（异类）间隙原子或置换原子平衡浓度：一定温度下的固溶度晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡浓度。77

点缺陷对金属晶体性能的影响：2、体积膨胀；1、电阻率增加；3、屈服强度提高；4、加速扩散过程。78位错（线）——晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中已滑移区与未滑移区的界线。一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道。位错线运动的方向垂直于位错线。2.线缺陷79图1-48刃型位错的原子模型位错的基本类型——刃型位错和螺型位错。80图1-49刃型位错示意图81图1-50晶体局部滑移造成的刃型位错82图1-51螺型位错示意图B图1-51螺型位错示意图B83柏氏矢量b(BurgersVector)：一个可描述位错的性质及其引起的晶格畸变大小的参量。柏氏矢量可表示晶体滑移的方向和大小。一条（不分叉）位错线的柏氏矢量是唯一且固定不变的。同时包含位错线及其柏氏矢量b的晶面是该位错线潜在的滑移面。柏氏矢量表示位错引起的晶格畸变总量的大小。84根据柏氏矢量与位错线的位向关系可判断位错类型。刃型位错线⊥b85图1-52刃型位错柏氏矢量的确定螺型位错线∥b86图1-53螺型位错柏氏矢量的确定图1-54混合型位错示意图87位错（线）是晶体中已滑移区和未滑移区的边界。必然在晶体中构成一个闭合环线或终止于晶体表面/晶界，决不能终止于晶体内部。88

图1-55

金属晶体中的三维位错网络示意图

图1-56

金属晶体中的位错（TEM）89图1-57晶体的强度与位错密度

的关系

位错强化——晶体的强度随位错密度的增加而增加的现象。90刃型位错l螺型位错l直线、折线、曲线、环线直线l⊥bl∥b滑移面唯一位错线所在的滑移面不唯一可滑移（l滑移面即晶体滑移面）、可攀移（l攀移面即额外半原子面）、不可交滑移可滑移（l滑移面即晶体滑移面）、可交滑移（l滑移面可转移）、不可攀移l滑移方向平行于晶体滑移方向bl滑移方向垂直于晶体滑移方向bl运动方向（滑移或攀移）均始终垂直于l91①外表面/自由界面:晶体材料与气体或液体的分界面。②晶界:属同一固相（晶体结构相同）但位向不同的晶粒之间的界面。④相界:不同晶体结构的两相之间的界面。3.面缺陷③晶内面缺陷:亚晶界、堆垛层错、孪晶界等。内界面92（1）晶体表面影响表面能的因素有：外部介质的性质、裸露晶面的原子密度、晶体表面的曲率、晶体结合能及熔点。

93（2）晶界分类：大角度晶界（位向差>10˚）和小角度晶界（位向差˂10˚），小角度晶界又分为倾侧晶界和扭转晶界。94图1-58晶界的原子模型95小角度晶界倾侧晶界

扭转晶界96不对称倾侧晶界对称倾侧晶界97图1-60倾侧晶界98图1-61螺型位错形成的扭转晶界图1-62金相显微镜观察纯铁的晶界991、存在晶界能。高的晶界能具有向低的晶界能转化的趋势，可引起晶界的迁移。晶粒长大和晶界的平直化都可减少晶界的总面积，从而降低晶界能。2、由于晶界能的存在，当金属材料中存在可降低晶界能或提高晶界能的异类原子时，这些原子就向晶界偏聚或晶内偏聚，这两种现象分别称为内吸附和反内吸附，对金属材料的性能和相变过程有着重要的影响。3、晶界强化/细晶强化：由于晶界上存在着晶格畸变，因而在室温下对金属材料的塑性变形起着阻碍作用，在宏观上表现为金属材料具有更高的强度和硬度。显然，金属材料的晶粒越细，则强度和硬度越高。4、由于晶界能的存在，使晶界的熔点低于晶粒内部，且易于腐蚀和氧化。5、晶界上的空位、位错等缺陷较多，因此原子的扩散速度较快，在发生相变时，新相晶核往往首先在晶界形成。晶界特性：100晶界强化/细晶强化——常温下，金属晶体中晶界增多/晶粒细化，使金属材料的强度、硬度增加，塑性、韧性改善的现象。101图1-63金属晶粒内的亚结构示意图（3）亚晶界晶粒内位向差极小（通常˂2˚）的亚结构之间的内界面。102（4）堆垛层错晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷称为堆垛层错，简称层错。通常发生于FCC金属。103图1-64密排面堆垛顺序发生局部错排产生堆垛层错晶体中形成堆垛层错时几乎不引起晶格畸变，只是破坏了晶体的周期性和完整性，引起能量升高。通常把产生单位面积层错所需的能量称为层错能，单位为J/m2。（4）堆垛层错104（5）相界105（5）相界*不同晶体结构的两相之间的界面称为相界。*相界的形成会引起系统自由能的升高。相界能包括两部分的能量：界面附近原子间化学键的数目、强度甚至类型变化而产生的化学作用能和界面两侧晶体晶格常数不同所产生的弹性应变能。对于共格界面，其相界能以弹性应变能为主；而非共格界面的相界能以化学作用能为主。*三种相界中，非共格界面的相界能最高，部分共格界面的相界能次之，共格界面的相界能最低。106（三）合金相结构1.合金、组元和相合金——由一种金属元素与一种或几种其他元素（金属、非金属元素）所组成的具有金属特性的物质。组元——组成合金的独立存在的基本物质。一般地，组元就是组成合金的元素，稳定化合物也可作为一个组元。107（三）合金相结构1.合金、组元和相相——合金中具有相同凝聚状态、相同晶体结构、同一化学成分，并有界面相互分开的均匀一致的组成部分。水（液相）冰（固相）SnSb108（三）

合金相结构2.固溶体：溶质组元溶解于溶剂金属中，形成与溶剂金属晶体结构相同的均匀一致的固态相。

按溶解度/固溶度分为无限固溶体和有限固溶体。固溶度常用溶质组元的质量百分数或物质的量百分数表示。109图1-67固溶体的两种类型置换固溶体间隙固溶体按溶质原子位置分为置换固溶体和间隙固溶体。110图1-68置换固溶体中大(a)、小(b)溶质原子引起的点阵畸变示意图111（三）

合金相结构固溶强化——固溶体中随溶质组元固溶度的增加，固溶体强度、硬度增加而塑性、韧性降低的现象。影响固溶度的因素有原子尺寸、电负性、电子浓度和点阵类型。112溶质原子价对Cu基合金固溶度的影响113图1-69奥氏体的晶格常数与溶碳量的关系114图1-70固溶体中溶质原子分布情况示意图按溶质原子分布分为无序固溶体和有序固溶体。115有序固溶体的溶质原子是长程有序分布。图1-71有序固溶体结构示意图116图1-72Cu-Au合金的相结构(a)一般固溶体（b）CuAu有序结构（c）Cu3Au有序结构AuCu1173.金属化合物/中间相：

合金组元间相互作用，形成晶体结构和性能不同于任一组元的新的固态相，可用分子式来大致表示其组成。1、正常价化合物2、电子化合物3、间隙相和间隙化合物118铜合金中常见的电子化合物无119三、

离子晶体结构离子晶体——离子化合物结晶形成的晶体，或者说是由正、负离子或离子集团按一定比例通过离子键结合形成的晶体。120离子晶体的晶体结构取决于离子的组成和数量关系、离子半径的大小关系和离子间的极化作用。这使得离子晶体容易产生同质异晶现象。

离子半径比r+/r-0.225~0.4140.414~0.7320.732~1.0正离子配位数468典型离子晶体的空间点阵ZnS（闪锌矿-面心立方点阵或纤锌矿-六方晶系）NaCl（面心立方点阵）、TiO2（简单四方点阵）或α-Al2O3（简单三方点阵）CsCl（简单立方点阵）、CaF2（面心立方点阵）离子半径比规则121离子配位数——在离子晶体中，每个离子周围所接触到的异号离子的个数。Na+Cl-图1-73NaCl型晶体结构1.NaCl型晶体结构*空间点阵类型为面心立方点阵，Na+全部占据由Cl¯组成的面心立方结构的正八面体间隙。*晶胞离子数为8，即每个晶胞内含有4个Na+和4个Cl¯。*Na+/Cl¯≈0.525，Na+和Cl−的配位数均为6。1222.闪锌矿型晶体结构*又称为立方ZnS型晶体结构，是离子键与共价键混合的混合键结构，空间点阵类型为面心立方点阵。*S2-占据面心立方结构的结点位置，Zn2+占据四个不相邻的四面体间隙位置。*晶胞离子数为8个，即每个晶胞中含Zn2+和S2-各4个。*Zn2+/S2-≈0.414，Zn2+和S2-配位数均为4。123图1-74闪锌矿型晶体结构3.刚玉型晶体结构*刚玉即α-Al2O3，其晶体结构的空间点阵类型为简单三方点阵。*晶胞离子数为10个，即每个晶胞中含4个Al3+和6个O2-。*Al3+/O2-=0.419，Al3+和O2-的配位数之比为3:2。124图1-75刚玉型晶体结构四、共价晶体结构共价晶体——相邻原子直接通过共价键结合形成的晶体。包括单质晶体(如金刚石、Si、Ge、α-Sn）和化合物晶体（如立方BN、AlN、GaAs、InSb、β-SiC、SiO2、Si3N4等）。125(1)金刚石型晶体结构共价晶体中的单质晶体，其晶体结构都是金刚石型结构，空间点阵类型为面心立方点阵，金刚石结构是每个碳原子通过sp3杂化轨道与相邻的4个C原子形成共价键，可以看作是四个碳原子分布于正四面体的顶点，一个碳原子在正四面体的中心。金刚石的结构基元是2个C原子，晶胞原子数为8，致密度约为0.34。图1-76金刚石晶体结构126(2)闪锌矿型晶体结构共价晶体中的化合物晶体，其晶体结构大多数是闪锌矿型结构，与金刚石型结构很相似。例如，β-SiC中的Si原子和C原子都通过sp3杂化轨道与相邻的异类原子形成共价键，晶胞原子数为8，每个晶胞内有4个Si原子和4个C原子。图1-77β-SiC晶体结构127128§1.4高聚物的微观结构晶态结构非晶态结构取向态结构化学组成立体构型支化和交联共聚物的序列结构构象柔顺性高分子链的近程结构高分子链的远程结构高分子聚集态结构高分子链结构

高分子链结构——单个高分子链的结构和形态，分为近程结构（属于化学结构，是指高分子链中由化学键所连结的原子或基团在空间的几何排列）和远程结构（属于物理结构，是指单个高分子链的形态和尺寸）。129

高分子聚集态结构——很多高分子链之间的排列和堆砌结构，包括晶态结构、非晶态结构和取向态结构等。§1.4高聚物的微观结构第二章纯金属的结晶§2.1金属结晶的现象§2.2金属结晶的热力学条件

§2.3金属结晶的结构条件§2.4晶核的形成§2.5晶核长大130图2-1

热分析装置示意图§2.1金属结晶的现象131图2-2

纯金属结晶时的冷却曲线示意图对于某种确定的金属材料，结晶时冷却速度越大，则过冷度ΔT越大，实际结晶温度Tn越低。132图2-4

纯金属结晶过程示意图图2-3

氯化铵的形核与长大过程133§2.2金属结晶的热力学条件134图2-5

液相和固相自由能随温度变化示意图135136图2-6

金属熔体中的相起伏示意图结构起伏/相起伏——熔体中不断变化的短程有序的（成键的）原子集团。§2.3金属结晶的结构条件137结构起伏/相起伏——熔体中不断变化的短程有序的（成键的）原子集团。晶胚——过冷熔体中的结构起伏/相起伏。138均质形核：

完全依靠液态金属/金属熔体中的晶胚形成晶核的过程，液相中各区域出现新相晶核的几率相同。又称自发形核。§2.4晶核的形成139140图2-8

晶胚引起的自由能变化与其半径的关系曲线（结晶的阻力）（结晶的驱动力）晶核形成能：也称形核激活能、形核功，是过冷熔体中形成稳定晶核必须克服的能垒。141形核率：

单位时间内单位体积金属熔体中形成的晶核数目，取决于金属熔体的过冷度。142图2-9

形核率与温度的关系曲线143图2-10

均匀形核率与过冷度的关系曲线144145非均质形核：

实际金属熔体结晶时晶胚可依附于现成的固体表面形核的方式。又称非自发形核。146曲率半径图2-11

非均匀形核示意图胚147148完全浸润/附着完全不浸润/附着图2-12

不同浸润角的晶胚形状149图2-13

非均匀形核率(1)和均匀形核率(2)与过冷度的关系曲线150图2-14

不同形貌固体质点表面形成的晶胚体积151图2-15

固液界面的微观结构小平面界面非小平面界面§2.5晶核长大152图2-16

光滑界面向液相的推移依赖于台阶图2-17光滑界面的二维晶核长大机制、螺型位错长大机制和孪晶凹槽长大机制153图2-19

螺旋长大的SiC晶体图2-18螺型位错长大机制示意图154图2-20粗糙界面向液相的推移可以连续进行155图2-21

晶体长大速度G与过冷度的关系曲线156157158159正温度梯度下具有光滑界面的晶体以密排面为表面，具有规则的几何外形。160负温度梯度下具有粗糙界面的晶体呈树枝状长大161

细化铸态晶粒的方法：1.控制过冷度；2.加入晶粒细化剂；3.振动、搅动。162第三章二元合金的结晶§3.1二元合金相图的建立§3.2匀晶相图及固溶体合金的结晶

§3.3共晶相图及其合金的结晶§3.4包晶相图及其合金的结晶§3.5其它类型的二元合金相图§3.6二元相图的分析和使用§3.7铸锭的宏观组织与缺陷163图3-1

二元合金相图的坐标合金或相的状态点§3.1二元合金相图的建立164液相线：冷却时合金结晶开始的温度或加热时熔化终了的温度。固相线：冷却时合金结晶终了的温度或加热时熔化开始的温度。165吉布斯相律：F=C−P+2F（DegreesofFreedom）——平衡条件下系统的自由度数，或者说是维持系统原有相数不变，可自由变化的独立变量（即温度、压力或平衡相的成分）的数目。C（Components）——系统的组元数，通常是合金元素或稳定化合物的数目。P（Phases）——平衡条件下系统的相数。166167图3-3

杠杆定律的证明168§3.2匀晶相图及固溶体合金的结晶

图3-4Cu-Ni相图异分结晶：固溶体合金结晶时结晶出的固相成分与液相的成分不同，这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶或选择结晶。

因此，固溶体合金结晶时除了要求过冷、结构起伏、能量起伏，还要求成分起伏。169溶质平衡分配系数k0值为一常数，其大小反映了溶质组元重新分配的强弱程度。

170图3-5

溶质平衡分配系数固溶体合金平衡结晶时需要一定的温度范围：

1、一定温度下，合金熔体只能结晶出一定数量的固相。

2、一定温度下，晶核的形成和长大使固液界面的两相成分满足平衡条件

液相或固相内的浓度梯度，引起原子扩散破坏了相界面处的平衡晶体必须长大以恢复平衡。171172图3-6固溶体合金的平衡结晶过程173图3-7

固溶体合金在温度t1时的结晶过程174图3-8

固溶体合金在温度t2时的结晶过程枝晶偏析：非平衡结晶时，在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象。

175176图3-9

固溶体合金的不平衡结晶过程图3-10Cu-Ni合金的铸态组织与微区分析图3-11经扩散退火后Cu-Ni合金的组织与微区分析177区域偏析：非平衡结晶时，晶体中大范围内化学成分不均匀的现象。

178179L图3-12

固溶体合金单向平衡结晶时的溶质分布L图3-13

固溶体合金形成区域偏析的结晶过程固液界面满足相平衡固相内无扩散、液相内充分扩散180L图3-14

固溶体合金液相中扩散不充分的单向结晶过程固相内无扩散、液相内扩散不充分稳定态凝固181182图3-15成分过冷：非平衡结晶时，由于固液界面前沿液相的溶质浓度变化，引起理论结晶温度的变化而产生的过冷。

183G图3-16k0<1合金固液界面前沿液体产生成分过冷示意图稳定态凝固184图3-17Al-Cu合金的三种晶粒组织G1G2G3185胞状偏析：非平衡结晶时，在胞状组织（亚结构）的交界面上存在溶质的富集（k0<1）或贫乏（k0﹥1）。186图3-18

Pb-98%Sn合金

Pb-62%Sn合金相是指合金中具有相同凝聚状态、相同晶体结构、同一化学成分，并有界面相互分开的均匀一致的组成部分。187相与显微组织的关系相是合金显微组织中的一部分，或者说显微组织是由相组成的。

数量、大小、形态、分布变化

显微组织变化合金性能变化结构、性能不变

相显微组织定义为合金中相的数量、大小、形态和分布。188§3.3共晶相图及其合金的结晶189图3-19Pb-Sn合金相图二元共晶反应/共晶转变：二元合金平衡结晶时，在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相。

脱溶/二次结晶：由固溶体中析出另一个固相的过程。二次结晶析出的固相称为二次相，可以是固溶体，也可以是金属化合物。

190191图3-20wSn=10%的Pb-Sn合金显微组织192193图3-21Pb–Sn共晶合金的显微组织194图3-22层片状共晶组织的形核与生长示意图195图3-23各种形态的共晶组织196197图3-24wSn=50%的Pb–Sn合金的显微组织相组成物是指组成合金的各个相。组织组成物是指组成合金的各个显微组织，是在金相显微镜下具有一定（金相）组织特征的各个独立的组成部分。198199图3-25wSn=85%的Sn–Pb合金的显微组织图3-26过共晶Pb–Sb合金的显微组织200伪共晶组织定义非共晶成分的合金在快速冷却条件下结晶得到100%共晶组织。形成条件：接近共晶成分的合金快速冷却到伪共晶区。产物：形态与共晶组织相同，但成分有差别。性能：强度增加。201图3-27伪共晶组织示意图202图3-28两类伪共晶区相图203图3-29Al-Si合金系的伪共晶区图3-30铸造Al-Si共晶合金经变质处理后的显微组织204离异共晶1、定义：两相分离的共晶组织。2、形成条件：平衡条件或非平衡条件下，与共晶成分差别较大的合金结晶时，在先共晶相较多而共晶组织甚少的情况下，共晶组织中与先共晶相相同的一相依附于先共晶相上生长，另一相则分布于晶界或枝间。3、性能：不利。205图3-31可能产生离异共晶示意图图3-322%Pb+98%Sn合金的离异共晶206二元包晶反应/包晶转变：二元合金平衡结晶时，在一定温度下，由一定成分的液相与一定成分的固相作用，形成另一个成分一定的固相。

§3.4包晶相图及其合金的结晶207208图3-33Pt-Ag合金相图包晶偏析：某些合金的包晶转变温度较低，包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不均匀的现象。

209210图3-34适合用作轴承合金的成分范围§3.5其它类型的二元合金相图211图3-35Fe-B相图212图3-36Sn-Sb合金相图213214图3-37215图3-38铸锭的宏观组织通常由三个晶区所组成，即外表层的细晶区、中间的柱状晶区和心部的等轴晶区。§3.7铸锭的宏观组织与缺陷216图3-39图3-40铜锭宏观组织217218正偏析负偏析重力偏析枝晶偏析胞状偏析微观偏析宏观偏析成分偏析晶内偏析晶界偏析219图3-41220图3-42第四章铁碳合金相图§4.1铁碳合金的组元及基本相§4.2Fe-Fe3C相图分析

§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织§4.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响221L+Fe3C质Fe-Fe3C相图222Fe-Fe3C相图（局部）纯铁的冷却曲线ANG223Fe-Fe3C相图共晶反应包晶反应包析反应共析反应共晶体