最新第三讲固溶体及液态金属凝固PPT课件
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《熔化与凝固》课件ppt
实验操作流程
准备样品
选择纯净的固体样品，研磨成粉末状，并干燥处 理。
凝固点测定
将样品溶液放入保温杯中，插入温度计并记录初 始温度。将保温杯放入冰箱冷却至溶液凝固点以 下，观察温度计的变化。
熔点测定
选择合适的毛细管，将样品放入毛细管中，将毛 细管固定在支架上，记录初始温度。加热毛细管 至样品开始熔化，记录温度变化。
熔点和凝固点在生产生活中的应用
熔点和凝固点在工业生产、医疗、日常生活中有着广泛的应用，例如在冬季利用融雪剂融 化冰雪、利用制冷技术保持食品新鲜等。
03
熔化与凝固现象
生活中的熔化与凝固现象
冰的熔化
冰是水的固态形式，当温度升高到冰的熔点时，冰开始熔化成液态水。
金属的熔化
金属是一种具有特定熔点的物质，当温度升高到金属的熔点时，金属开始由固态 逐渐熔化成液态。
结晶定义
结晶是指物质在溶解度降低时，从溶液中析出晶体的过 程。
重结晶定义
重结晶是指将晶体溶解在溶剂中，然后再次结晶的过程 。它是提纯固体物质的一种重要方法。
结晶与重结晶原理
结晶和重结晶的原理是利用物质的溶解度随着温度变化 而变化的特性，通过控制温度使物质以不同形态分离。
05
熔点与凝固点测定
熔点测定方法
本概念之一。
熔化的条件
02
熔化需要一定的温度下，当温度达到某一点时，固态物质会逐
第三讲固溶体及液态金属凝固
这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的强度硬度提高的现象称为固溶强化副教授金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金一般可用分子式大致表示其组成
第三讲固溶体及液态金属凝固
固溶体的几个基本概念
组元： 组成合金的元素，或稳定化合物。根据 组元的多少合金可分为二元合金、多元合金。 相：组元之间相互作用形成具有同一化学成分、 同一结构和原子聚集状态，并以界面互相分开 的、均匀的组成部分 。 相可以分为固溶体和金属化合物。
△GL→S＝GL－GS＝（HL－HS）－T（SL－SS）。
薛小怀 副教授
一般结晶都发生在金属的熔点附近，故焓
与熵随温度的变化可以忽略不计，则有HL－HS＝ L, SL－SS＝△S，其中，L为结晶潜热、△S为熔 化熵。当T＝T0时, △GL→S＝L-T0△S＝0，所以 有△S ＝L/T0。因此，可得：
薛小怀 副教授
（2）电子化合物
由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素 结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电 子浓度规律。电子浓度指合金中化合物的价电子 数目与原子数目之比。
性能特点：高的熔点和硬度，但塑性较低， 一般只能作为强化相存在于合金特别是有色金属 合金中。
薛小怀 副教授
（3）间隙化合物
性能特点：极高的熔点、硬度和脆性，而且 十分稳定，是高合金工具钢的重要组成相，也是 硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相。
第三讲固溶体及液态金属凝固
固溶体的几个基本概念
组元： 组成合金的元素，或稳定化合物。根据 组元的多少合金可分为二元合金、多元合金。 相：组元之间相互作用形成具有同一化学成分、 同一结构和原子聚集状态，并以界面互相分开 的、均匀的组成部分 。 相可以分为固溶体和金属化合物。
△GL→S＝GL－GS＝（HL－HS）－T（SL－SS）。
薛小怀 副教授
一般结晶都发生在金属的熔点附近，故焓
与熵随温度的变化可以忽略不计，则有HL－HS＝ L, SL－SS＝△S，其中，L为结晶潜热、△S为熔 化熵。当T＝T0时, △GL→S＝L-T0△S＝0，所以 有△S ＝L/T0。因此，可得：
薛小怀 副教授
（2）电子化合物
由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素 结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电 子浓度规律。电子浓度指合金中化合物的价电子 数目与原子数目之比。
性能特点：高的熔点和硬度，但塑性较低， 一般只能作为强化相存在于合金特别是有色金属 合金中。
薛小怀 副教授
（3）间隙化合物
性能特点：极高的熔点、硬度和脆性，而且 十分稳定，是高合金工具钢的重要组成相，也是 硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相。
《金属的凝固特点》课件
《金属的凝固特点》 ppt课件
目录
• 金属凝固概述 • 金属的凝固特性 • 金属的凝固方式 • 金属的凝固工艺 • 金属的凝固应用
01
金属凝固概述
金属凝固的定义
01 金属凝固
金属由液态转变为固态的过程。
02 金属凝固过程中的相变
金属液态时为单相，冷却后转变为固相，同时可 能伴随其他相的生成。
03 金属凝固过程中的组织转变
金属的凝固速率
01
影响因素
冷却速率、金属的纯度和结晶温度。
02
规律
冷却速率越快，凝固速率越高；金属纯度越高， 凝固速率越高；结晶温度越高，凝固速率越高。
金属的凝固缺陷
01 凝固过程中由于各种原因导致金属内部结构的不 完善或异常。
02 主要类型：缩孔、疏松、偏析、裂纹等。
02 对金属的性能产生不良影响，如降低机械性能、 耐腐蚀性能等。
03
金属的凝固方式
平衡凝固
总结词
在平衡凝固过程中，金属从液态向固态转变时，通过缓慢冷却，使金属内部晶核在热力学上稳 定，并逐步扩展形成完整的晶格结构。
详细描述
平衡凝固需要较长时间，通常在液态金属温度降至熔点以下时开始。在此过程中，金属原子逐 渐从液态转变为固态，形成晶体结构。由于晶核形成和晶体生长的时间较长，平衡凝固得到的 金属组织结构较为均匀，且晶格缺陷较少。
目录
• 金属凝固概述 • 金属的凝固特性 • 金属的凝固方式 • 金属的凝固工艺 • 金属的凝固应用
01
金属凝固概述
金属凝固的定义
01 金属凝固
金属由液态转变为固态的过程。
02 金属凝固过程中的相变
金属液态时为单相，冷却后转变为固相，同时可 能伴随其他相的生成。
03 金属凝固过程中的组织转变
金属的凝固速率
01
影响因素
冷却速率、金属的纯度和结晶温度。
02
规律
冷却速率越快，凝固速率越高；金属纯度越高， 凝固速率越高；结晶温度越高，凝固速率越高。
金属的凝固缺陷
01 凝固过程中由于各种原因导致金属内部结构的不 完善或异常。
02 主要类型：缩孔、疏松、偏析、裂纹等。
02 对金属的性能产生不良影响，如降低机械性能、 耐腐蚀性能等。
03
金属的凝固方式
平衡凝固
总结词
在平衡凝固过程中，金属从液态向固态转变时，通过缓慢冷却，使金属内部晶核在热力学上稳 定，并逐步扩展形成完整的晶格结构。
详细描述
平衡凝固需要较长时间，通常在液态金属温度降至熔点以下时开始。在此过程中，金属原子逐 渐从液态转变为固态，形成晶体结构。由于晶核形成和晶体生长的时间较长，平衡凝固得到的 金属组织结构较为均匀，且晶格缺陷较少。
固溶体PPT课件
位离子位离子稀土或碱土离子稀土或碱土离子r位离子位离子过渡金属离子过渡金属离子r051nm22组成元素的离子须满足组成元素的离子须满足容忍因子容忍因子其中其中t23a位元素稳定晶体结构b位元素abo改变氧空位量和阳离子缺陷密度ab1yla1xsrla1xce几乎所有的稳定元素都可以进入几乎所有的稳定元素都可以进入aboabo晶格晶格形成钙钛矿形成钙钛矿结构结构处于处于a位的阳离子都可以被部分取代位的阳离子都可以被部分取代化合价化合比和晶格空位可以在较大的范围内变化化合价化合比和晶格空位可以在较大的范围内变化和控制和控制对缺陷氧和过量氧能够起到稳定作用对缺陷氧和过量氧能够起到稳定作用因而稳定了不寻因而稳定了不寻常价态离子常价态离子少量贵金属的加入可以提高催化活性
例如：HfC(碳化铪) m.p=3890℃；
TaN(氮化钽) m.p=3090℃；
HfB2(硼化铪) m.p=3250℃ 80%mol TaC+20%mol HfC m.p=3930℃
-
47
② 、离子填隙
阳离子填隙：
2 C Z a 2 rC O O i • • C a a Z r 2 O O
-
17
(1)离子大小
相互取代的离子尺寸越接近，就越容易形成固 溶体；
原子半径相差越大，溶解度越小。
若以r1和r2分别代表溶剂和溶质离子半径，则：
r1 r2 r1
例如：HfC(碳化铪) m.p=3890℃；
TaN(氮化钽) m.p=3090℃；
HfB2(硼化铪) m.p=3250℃ 80%mol TaC+20%mol HfC m.p=3930℃
-
47
② 、离子填隙
阳离子填隙：
2 C Z a 2 rC O O i • • C a a Z r 2 O O
-
17
(1)离子大小
相互取代的离子尺寸越接近，就越容易形成固 溶体；
原子半径相差越大，溶解度越小。
若以r1和r2分别代表溶剂和溶质离子半径，则：
r1 r2 r1
第三章凝固与相图
3。两相区内合金的平衡结晶过程： 随温度缓慢下降，液相、固相的成分分别沿着液相线、固 相线变化，两相的相对量也不断变化。温度降至固相线的时候， 液相消失，结晶完成，组织为均匀的固溶体。
匀晶相图： Cu-Ni, Ag-Au,Ag-Pt,Fe-Cr ㈡ 共晶相图：二元合金的两组元液态无限互溶而固 态有限互溶，发生共晶反应。 铅锡（Pb-Sn）, 铅锑（Pb-Sb）, Ag-Cu, Al-Si
构不同，自由能不同
•过冷度 实际结晶温度（T1）与平衡结晶温度（T0）之差： ΔT=T0-T1 过冷度ΔT越大则ΔG越大、则结晶驱动越大，结 晶倾向也越大。
结晶潜热
在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产生的剩余能量将 以热的形式向外界释放，我们称之为“结晶潜热”。
过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外， 结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降， 使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度ΔT 保持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度 是不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。
⑵ 固溶体的分类： ● 置换固溶体：溶质原子处于晶格结点 上。 ● 间隙固溶体：溶质原子处于晶格间隙 中。
⑶固溶体的性能： 因溶质原子的溶入，溶剂晶格产生畸变， 使固溶体的强度、硬度升高，而塑性、 韧性下降。
固溶强化：因形成固溶体使材料的强度、 硬度上升的现象。
第三节固溶体合金的凝固
近于零
（ⅲ）溶质原子扩散得以充分进行，液相和固相中溶 质原子都均匀分布
（ⅳ）随温度降低，液相和固相的溶质原子浓度整体 分别沿着相图中的液相线和固相线相应变化， 即总是满足平衡分配系数
（ⅴ）凝固终了温度低于但趋近于固相线
（ⅵ）凝固后所得固溶体中处处成分均匀，皆等于固 溶体的平均成分，既无微观偏析，也无宏观偏 析
2.气孔
在高温下液态金属中常常有大量气体，但在固态金属 的组织中只能溶解极微量的气体。因而，在凝固过程 中，气体聚集成气孔夹杂在固态材料中。
3.偏析
铸锭中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。
分为：宏观偏析和显微偏析
正常偏析（正偏析） 合金的分配系数小于1，合金铸件中 心所含溶质质量浓度比外层的高
（2）成分过冷的临界条件
（3）影响成分过冷的因素
2. 成分过冷对固溶体生长形态的影响
当液-固界面前沿存在成分过冷时，即便是小的成 分过冷区，也会破坏晶体的平面生长，使界面形成胞 状组织；如果存在大的成分过冷，就会长成树枝状组 织。
成分过冷可使合金在正的温度梯度下凝固得到树 枝状组织，而在纯金属凝固中，要得到树枝状组织， 必须是在负的温度梯度下。
（4）平衡结晶时：
• 液、固两相的成分分别沿着液相线和固相线变化 • 结晶结束获得均匀的单相多晶固溶体
（5）非平衡结晶时： • 已结晶的固相和剩余液相的平均成分分别沿着液 相和固相的平均成分线变化。
（ⅲ）溶质原子扩散得以充分进行，液相和固相中溶 质原子都均匀分布
（ⅳ）随温度降低，液相和固相的溶质原子浓度整体 分别沿着相图中的液相线和固相线相应变化， 即总是满足平衡分配系数
（ⅴ）凝固终了温度低于但趋近于固相线
（ⅵ）凝固后所得固溶体中处处成分均匀，皆等于固 溶体的平均成分，既无微观偏析，也无宏观偏 析
2.气孔
在高温下液态金属中常常有大量气体，但在固态金属 的组织中只能溶解极微量的气体。因而，在凝固过程 中，气体聚集成气孔夹杂在固态材料中。
3.偏析
铸锭中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。
分为：宏观偏析和显微偏析
正常偏析（正偏析） 合金的分配系数小于1，合金铸件中 心所含溶质质量浓度比外层的高
（2）成分过冷的临界条件
（3）影响成分过冷的因素
2. 成分过冷对固溶体生长形态的影响
当液-固界面前沿存在成分过冷时，即便是小的成 分过冷区，也会破坏晶体的平面生长，使界面形成胞 状组织；如果存在大的成分过冷，就会长成树枝状组 织。
成分过冷可使合金在正的温度梯度下凝固得到树 枝状组织，而在纯金属凝固中，要得到树枝状组织， 必须是在负的温度梯度下。
（4）平衡结晶时：
• 液、固两相的成分分别沿着液相线和固相线变化 • 结晶结束获得均匀的单相多晶固溶体
（5）非平衡结晶时： • 已结晶的固相和剩余液相的平均成分分别沿着液 相和固相的平均成分线变化。
材料的凝固PPT课件
B： ΔTC=TC-TG TC：非晶态的晶化温度 ΔTC增加，非晶态的稳定性增加
材料的凝固
2、急冷凝固技术
急冷凝固技术
是设法将熔体分割成尺寸很小的部分，增大熔 体的散热面积，再进行高强度冷却，使熔体在短时间 内凝固以获得与模铸材料结构、组织、性能显著不同 的新材料的凝固方法。采用急冷凝固技术可以制备出 非晶态合金、微晶合金及准晶态合金，为高技术领域 所需的新材料的获取开辟了一条新路。
材料的凝固
三、准晶合金
•
晶体物质的点阵具有周期性的对称性。对称性是指晶体
经某种对称操作后能复原的一种属性。例如在晶体中取一直
线令晶体绕该轴转动，若晶体转360°复原一次称为该晶体
具有一次对称轴，复原两次称为具有二次对称轴，依此类推。
•
理论证明，晶体物质只有 1、2、3、4、6五种对称轴。
没有五次及高于六次的对称轴，否则晶胞不能填满空间，而形 成空隙破坏晶体的周期性。
材料的凝固
第六节 材料的同素异构
Allotropy Transformation on Metal
1、同素异构
有些材料在固态时仅有一种晶体结构，如铝、铜、银、 金等等，可是有些材料则不然，在固态时有两种或多种 晶体结构，如铁、锰、钴等。 固态材料在不同温度或压强下具有不同晶体结构的现象， 称为材料的同素异构现象，也叫做材料的多晶型性。 具有多晶型性的金属，当温度或压强改变一定值时其结 构会发生变化，从一种晶格转变为另一种晶格，（即原 子排列方式发生变化）这叫同素异构转变，也叫多晶型 性转变。
材料的凝固
2、急冷凝固技术
急冷凝固技术
是设法将熔体分割成尺寸很小的部分，增大熔 体的散热面积，再进行高强度冷却，使熔体在短时间 内凝固以获得与模铸材料结构、组织、性能显著不同 的新材料的凝固方法。采用急冷凝固技术可以制备出 非晶态合金、微晶合金及准晶态合金，为高技术领域 所需的新材料的获取开辟了一条新路。
材料的凝固
三、准晶合金
•
晶体物质的点阵具有周期性的对称性。对称性是指晶体
经某种对称操作后能复原的一种属性。例如在晶体中取一直
线令晶体绕该轴转动，若晶体转360°复原一次称为该晶体
具有一次对称轴，复原两次称为具有二次对称轴，依此类推。
•
理论证明，晶体物质只有 1、2、3、4、6五种对称轴。
没有五次及高于六次的对称轴，否则晶胞不能填满空间，而形 成空隙破坏晶体的周期性。
材料的凝固
第六节 材料的同素异构
Allotropy Transformation on Metal
1、同素异构
有些材料在固态时仅有一种晶体结构，如铝、铜、银、 金等等，可是有些材料则不然，在固态时有两种或多种 晶体结构，如铁、锰、钴等。 固态材料在不同温度或压强下具有不同晶体结构的现象， 称为材料的同素异构现象，也叫做材料的多晶型性。 具有多晶型性的金属，当温度或压强改变一定值时其结 构会发生变化，从一种晶格转变为另一种晶格，（即原 子排列方式发生变化）这叫同素异构转变，也叫多晶型 性转变。
材料的凝固
❖ Ⅲ.对于2＜α＜5，情况比较复 杂，往往形成以上两种类型的 混合界面。
金属和某些有机化合物的α＜2;故其液固相界面为粗糙界面； 对于多数无机非金属，α＞5，其液-固相界面为光滑界面；而 对于某些亚金属Bi Sb、Ga、Ge、Si等，α在2～5之间，其 界面多为混合型
晶体长大机制
❖ 二维生长
❖ 螺旋生长
❖ 当晶胚长成临界r*;有两种可能： A继续长大 B重溶消失
❖ 从理论上讲：临界晶胚只要增加一个原子，就成 为稳定长大的晶核；临界晶胚失去一个原子，则 重溶消失。
影响形核率的两个因素
形核率与两个因子有：关
G*
形核功因子N：1 e kT
Q
扩散几率因子N：2 ekT Q为原子从液相扩散到相固的激活能， k为玻尔兹曼常数 G*与(T)2成反比，T升高，T减小，N1下降 Q可看作常数T，升高，T减小，N2升高
形核功－－形核的能量来源
临界晶核的表面积
A*
4
r
* 2
16
2
T
2 m
(LmT )2
G*
16
3
T
2 m
3(LmT )2
G* A* 3
体积自由能的降低只能补偿表面自由能的三分之二;而 另外三分之一由系统中存在的能量起伏来补偿
❖ 形核条件＝过冷度＋结构起伏＋能量起伏
形核率
金属和某些有机化合物的α＜2;故其液固相界面为粗糙界面； 对于多数无机非金属，α＞5，其液-固相界面为光滑界面；而 对于某些亚金属Bi Sb、Ga、Ge、Si等，α在2～5之间，其 界面多为混合型
晶体长大机制
❖ 二维生长
❖ 螺旋生长
❖ 当晶胚长成临界r*;有两种可能： A继续长大 B重溶消失
❖ 从理论上讲：临界晶胚只要增加一个原子，就成 为稳定长大的晶核；临界晶胚失去一个原子，则 重溶消失。
影响形核率的两个因素
形核率与两个因子有：关
G*
形核功因子N：1 e kT
Q
扩散几率因子N：2 ekT Q为原子从液相扩散到相固的激活能， k为玻尔兹曼常数 G*与(T)2成反比，T升高，T减小，N1下降 Q可看作常数T，升高，T减小，N2升高
形核功－－形核的能量来源
临界晶核的表面积
A*
4
r
* 2
16
2
T
2 m
(LmT )2
G*
16
3
T
2 m
3(LmT )2
G* A* 3
体积自由能的降低只能补偿表面自由能的三分之二;而 另外三分之一由系统中存在的能量起伏来补偿
❖ 形核条件＝过冷度＋结构起伏＋能量起伏
形核率
3第三章--材料的凝固ppt课件(全)
物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而
结晶过程是相变过程。
非 晶
水
体
凝 固
结 晶 液 体
结晶 = 相变
晶
体
冰
一、晶体的结晶
同一物质的液态和固态 自由能与温度的关系曲 线，如右图所示。
液体和固体自由能与温度的关系曲线
纯金属 的冷却曲
线
纯金属的冷却曲线
1、冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关
系曲线称冷却曲线。曲线上水 平阶段所对应的温度称实际结 晶温度T1。
率、长大速度的系，如图所示。
2.难熔杂质的影响
金属结晶过程中，非自发形核
的作用往往是主要的。所以，某 些高熔点的杂质，特别是杂质的 晶体结构与金属的晶体结构有某 些相似时将强烈地促使非自发形 核，大大提高形核率。
过冷度与形核率、长 大速度的关系
三、晶粒大小及其控制
1、晶粒度 表示晶粒大小的尺度
成分（wt%Sn）
Sn
Pb-Sn合金相图
⑴ 相图分析
① 相：相图中有L、、 三种相, 是溶质Sn 在 Pb中的固溶体， 是溶质Pb在Sn中的固溶体。
② 相区：相图中有:
三个单相区： L 、
A
、 ；
B
三个两相区：L+ 、 L+ 、 + ；
一个三相区：即水 平线CED。
无机材料科学基础第五章 固溶体PPT课件
2021精选ppt36对于金属氧化物系统最可靠而简便的方法是写出生成不同类型固溶体的缺陷反应方程根据缺陷方程计算出杂质浓度与固溶体密度的关系并画出曲线然后把这些数据与实验值相比较哪种类型与实验相符合即是什么类型
第五章 固溶体
将外来组元引入晶体结构，占据主晶相质 点位置一部分或间隙位置一部分，仍保持一个 晶相，这种晶体称为固溶体(即溶质溶解在溶 剂中形成固溶体），也称为固体溶液。 一、固溶体的分类
rCo2+=0.80埃，rMg2+=0.80埃，形成无限固溶体，分子式 可写为MgxCo1-xO，x=0~1；
PbTiO3与PbZrO3也可形成无限固溶体，分子式写 成：Pb（ZrxTi1-x）O3，为锆钛酸铅压电陶瓷。 广泛应用于电子、无损检测、医疗等技术领域。
可编辑课件PPT
6
第二节 置换型固溶体
可编辑课件PPT
14
缺陷反应如下：
4 A l2 O 3 3 M g A l2 O 4 2 A lM • g V M " g 6 A lA l 1 2 O O
类似这种固溶体的情况还有MgCl2固溶到LiCl中，CaCl2固 溶到KCl中，Fe2O3固溶到FeO中等。
高价离子置换低价离子。产生带有效正电荷的杂质缺陷， 补偿缺陷带负电荷。
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5
2、无限固溶体（连续固溶体、完全互溶固溶体），
第五章 固溶体
将外来组元引入晶体结构，占据主晶相质 点位置一部分或间隙位置一部分，仍保持一个 晶相，这种晶体称为固溶体(即溶质溶解在溶 剂中形成固溶体），也称为固体溶液。 一、固溶体的分类
rCo2+=0.80埃，rMg2+=0.80埃，形成无限固溶体，分子式 可写为MgxCo1-xO，x=0~1；
PbTiO3与PbZrO3也可形成无限固溶体，分子式写 成：Pb（ZrxTi1-x）O3，为锆钛酸铅压电陶瓷。 广泛应用于电子、无损检测、医疗等技术领域。
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6
第二节 置换型固溶体
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14
缺陷反应如下：
4 A l2 O 3 3 M g A l2 O 4 2 A lM • g V M " g 6 A lA l 1 2 O O
类似这种固溶体的情况还有MgCl2固溶到LiCl中，CaCl2固 溶到KCl中，Fe2O3固溶到FeO中等。
高价离子置换低价离子。产生带有效正电荷的杂质缺陷， 补偿缺陷带负电荷。
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5
2、无限固溶体（连续固溶体、完全互溶固溶体），
3第三章 材料的凝固1(芦凤桂)
杠杆定律
在合金的结晶过程中，各相的成分及其相对质量都在 不断变化。在某一温度下处于平衡状态的两相的 成分和相对质量可用杠杆定律确定，杠杆定律适 用于两相区。 在温度t1时合金浓度为x的合金总重量为W0，液相重 量为WL，固相重量为Ws
x1 o
x
x2
成份/%
不平衡结晶
在合金的实际冷却过程中，由于冷却速度较快使原子的扩散受到影 响，致使合金晶粒内部分成分不一致，枝状晶的晶轴含有较多高熔 点元素。
合金在tI温度时首先结晶出a1的固相成分，由于a1固相中含镍较合金I高得多，故 与a1固相相邻的液体含镍量降低变为LI。继续冷却至32温度时，固相的平衡成分 应为a2，液相的成分变至L2。但由于快速冷却，固相和掖相中的原子来不及充分 扩散，其内部含镍仍高于a2，使整个结晶体的平均成分为在a1和a2之间,而整个液 体的平均成分是Ll与L2之间。同理，快速冷t3，结晶出的固相成分不是平衡状态结 晶的成分a3，合金冷却至t4时结晶完毕。这样就形成了先结晶的晶体中总比后结晶 的晶体中含有较多高熔点组元。 这种现象称作枝晶偏析或晶内偏析。冷却速度越快，成分的偏差越大，这种偏 析对合金的性能有很大影响。这种不均匀性可通过适当的加热、保温使原子得到充 分扩散消除之。
合金II的结晶过程
II合金冷却到1点开始发生共晶反应，LE=aC＋D，用杠杆定律可以 求出aC和D的量， aC=ED/CD%，D=CE/CD%，温度继续冷却，在aC 和D中进一步析出二次晶2和a2， 2和a2量少不易分辨，其室温组 织为a ＋ 。
熔化和凝固PPT课件完美版
B
C
D
0
2
4
6
8
10
12
14
36
40
44
48
52
56
60
62
A
B
C
D
海波的熔化图像
时间/分
比较两幅图像，你们能发现些什么？
海波的凝固图像
硫代硫酸钠温度随时间变化的图像
温度℃
同种物质的熔点和凝固点相同
1、上科学复习课时，老师写下了一副对联，上联是“杯中冰水，水结冰冰温未降”；下联是“盘内水冰，冰化水水温不升”。对联包含的物质变化是______ 和 ，反映一个共性是 。
探究问题:
2、固体在熔化过程中是一下变成液体还是有一个过程？ 3、固体在熔化过程中温度是如何变化的呢？
1、物质熔化和凝固需要什么条件？不同的物质熔化和凝固的规律一样吗？
熔化实验
海波(硫代硫酸钠）
石棉网
试管夹
铁架台
铁圈
试管
烧杯
酒精灯
酒精灯
石棉网
烧杯
试管
温度计
铁架台
火柴
实验器材：
实验装置图
（1）由图判断出 图线是晶体，该晶体的熔点是 ，熔化时间是 分钟，另一图线的物质可能是 。
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海波的熔化图像
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比较两幅图像，你们能发现些什么？
海波的凝固图像
硫代硫酸钠温度随时间变化的图像
温度℃
同种物质的熔点和凝固点相同
1、上科学复习课时，老师写下了一副对联，上联是“杯中冰水，水结冰冰温未降”；下联是“盘内水冰，冰化水水温不升”。对联包含的物质变化是______ 和 ，反映一个共性是 。
探究问题:
2、固体在熔化过程中是一下变成液体还是有一个过程？ 3、固体在熔化过程中温度是如何变化的呢？
1、物质熔化和凝固需要什么条件？不同的物质熔化和凝固的规律一样吗？
熔化实验
海波(硫代硫酸钠）
石棉网
试管夹
铁架台
铁圈
试管
烧杯
酒精灯
酒精灯
石棉网
烧杯
试管
温度计
铁架台
火柴
实验器材：
实验装置图
（1）由图判断出 图线是晶体，该晶体的熔点是 ，熔化时间是 分钟，另一图线的物质可能是 。
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结晶。
薛小怀 副教授
系统的自由能变化由两部分构成，液相与 固相的体积自由能之差，它是相变的驱动力； 另一部分是出现了界面使系统增加了表面能， 它是相变的阻力。前者与晶胚半径的三次方成 正比，后者与其平方成正比。
G3 4r3G V4r2SL
薛小怀 副教授
晶胚半径r较小 时，表面能占优势； r较大时负值的体 积自由能变化占优 在液体中，由于形成不同半径的球形 势。
△GL→S＝GL－GS＝（HL－HS）－T（SL－SS）。
薛小怀 副教授
一般结晶都发生在金属的熔点附近，故焓
与熵随温度的变化可以忽略不计，则有HL－HS＝ L, SL－SS＝△S，其中，L为结晶潜热、△S为熔 化熵。当T＝T0时, △GL→S＝L-T0△S＝0，所以 有△S ＝L/T0。因此，可得：
晶胚所引起的自由能变化的示意图。
薛小怀 副教授
当温度低于T0时，晶胚半径r大于临界半径 r*时，晶胚才是稳定的。比临界半径更小的晶胚 如果要继续长大，则相应的自由能也要增加，不 符合热力学条件所以是不可能的。即小于r*的晶 胚要分解，大于r*的晶胚可以继续长大。
下面来求出临界半径r* ：
薛小怀 副教授
薛小怀 副教授
（3）间隙化合物
由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原 子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。
根据组成元素原子半径比值及结构特征的 不同，可将间隙化合物分为间隙相和具有复杂 结构的间隙化合物。
薛小怀 副教授
间隙相
当非金属原子半径与金属原子半径比值小于 0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为 间隙相，如TiC、TiN、ZrC、VC、NbC、Mo2N、 Fe2N等。
第三讲固溶体及液态金属 凝固
固溶体的几个基本概念
组元： 组成合金的元素，或稳定化合物。根据 组元的多少合金可分为二元合金、多元合金。 相：组元之间相互作用形成具有同一化学成分、 同一结构和原子聚集状态，并以界面互相分开 的、均匀的组成部分 。 相可以分为固溶体和金属化合物。
薛小怀 副教授
固溶体：相的晶体结构与某一组成元素的晶 体结构相同 。 固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体。
性能特点：极高的熔点、硬度和脆性，而且 十分稳定，是高合金工具钢的重要组成相，也是 硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相。
薛小怀 副教授
具有复杂结构的间隙化合物
当非金属原子半径与金属原子半径的比值 大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。 如钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。 Fe3C称为渗碳体，具有复杂的斜方晶格。
进行的过程。系统的自由能G可由下式表示：
GHTS
H为焓、T为绝对温度、S为熵
薛小怀 副教授
GL
自 由 G能
GS
T0 温度 T
纯金属液、固两相体积 自由能与温度的关系
在温度T0处GL＝GS，
固、液两相处于热
力学平衡状态。T0
即为纯金属的平衡
结晶温度。
薛小怀 副教授
当T>T0时，GL<GS，液相源自文库于自由能更低的稳 定状态，结晶不可能进行；只有当T<T0时， GL>GS，结晶才可能自发进行。这时两相自由能 的差值ΔG就构成相变（结晶）的驱动力：
把一种固态转变为另一种固态 称为二次结晶。
液态金属一般为非晶态，并非 完全无序排列，在很小范围 内有序，即近程有序，远程 无序。
液态金属结构示意图
薛小怀 副教授
结晶过程能量状态与温度的关系： 结晶过程是一个自发过程，所以该过程是 高能状态向低能状态的转变。
薛小怀 副教授
液态金属结晶的热力学条件
液态金属的结晶是系统降低自由能的自发
性能特点：高的硬度和脆性。弥散分布于 固溶体基体中时，将起到强化相的作用，使合 金强化。
薛小怀 副教授
（2）电子化合物
由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素 结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电 子浓度规律。电子浓度指合金中化合物的价电子 数目与原子数目之比。
性能特点：高的熔点和硬度，但塑性较低， 一般只能作为强化相存在于合金特别是有色金属 合金中。
G3 4r3G V4r2sL
对r求导数，并令其等于0，即可得出临界形核半径r*:
r G r( 3 4r3 G V 4r2s L ) 0
GV
L T Tm
薛小怀 副教授
r* 2LC2LCT0
Gv LT
表明临界半径r*与过冷度成反比，即过冷 度越大，形成晶核的晶胚的临界半径越小。
薛小怀 副教授
薛小怀 副教授
具有复杂结构的间隙化合物性能特点：
具有很高的熔点、硬度和脆性，但与间隙 相相比要稍低一些，加热时也易于分解。这类 化合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。金属 化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金 属化合物为基的固溶体。
薛小怀 副教授
纯金属的结晶
金属由液态转变为晶体状态的 过程称为结晶或一次结晶。
GL S
L(T0T)LT
T0
T0
薛小怀 副教授
GL S
L(T0T)LT
T0
T0
△T=T0-T，为过冷度。对于给定金属，L与T0均为 定值，故△GL→S仅与△T有关。因此，液态金属结
晶的驱动力是由过冷提供的，过冷度越大，结晶
驱动力也就越大。过冷度为零时，驱动力就不复
存在。所以液态金属不会在没有过冷度的情况下
薛小怀 副教授
固溶体的性能
由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格 都会产生畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的 阻力，使滑移变形难以进行，因此固溶体的强度 和硬度提高，塑性和韧性则有所下降。
这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而 使金属的强度、硬度提高的现象称为固溶强化 。
薛小怀 副教授
金属化合物
人民解放军百万大军横渡长江
——毛泽东
了解新闻
要求：
标题 请同学们用一个短语或一句 事件提要 话说出这则新闻的主要事件。
金属化合物是合金组元间相互作用所形成的 一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金 固相。
一般可用分子式大致表示其组成。金属化 合物一般有较高的熔点、较高的硬度和较大的 脆性。
合金中出现化合物时，可提高强度、硬度 和耐磨性，但降低塑性。
薛小怀 副教授
（1）正常价化合物
周期表上相距较远，电化学性质相差较大 的两元素容易形成正常价化合物。其特点是符 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Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。