第二章金属材料的凝固与固态相变(20200517154202)
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相图
成分间关系的图解，又称为平衡相图。如：铜－镍合金相图 。
作用：设计和确定合金的成分，获得不同性能的合金材料；
为合金的熔炼、铸造、锻造、热处理工艺制定提供依据。
液态
固态
碳的相图 水的相图 铜－镍合金相图
二、合金相图的建立
[ 以Cu-Ni合金(白铜)为例 ]
Ⅰ：纯铜 Ⅱ：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni Ⅳ：25%Cu+75%Ni Ⅴ：纯Ni
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 杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。
以Cu-Ni合金相图为例推导杠杆定律：
rb C - C 液相：WL％＝ 100% m rb ab CL CL - mL m m C - C r a ra m m C m C mC L L 相：W％＝ 100% ab C - CL
共析反应:
γd αc+β（恒温、可逆） e 共析体
共析反应
与共晶反应
的有何不同 之处?
共析组织
反应名称
图形特征
反应式
说
明
共晶反应
L ⇄ +
恒温下，一个液相同时 结晶出两个成分和结构 不同的固相。
共析反应
恒温下，一个固相同时 ⇄ + β 析出两个成分和结构不 同的固相。
4.包晶相图
过冷度T ：指理论结晶温度与实际结晶
温度之差， T= To –Tn
结晶的必要条件： 必须有过冷度T
V冷
T
Tn
三、金属的结晶过程
1.结晶的基本过程
由晶核的形成和晶核的长大两
个基本过程组成。 液态金属中存在着时聚时散的原 子集团，它们规则排列形成晶坯。在 To 以下，一定时间后（即孕育期）， 一些大尺寸的晶坯将会长大成为晶核。 晶核形成后便向各方向生长；同时， 又有新的晶核产生。晶核不断形成和 长大成为晶粒，直到晶粒相互接触， 液体完全消失，形成多晶体。 即：
作用：设计和确定合金的成分，获得不同性能的合金材料；
为合金的熔炼、铸造、锻造、热处理工艺制定提供依据。
液态
固态
碳的相图 水的相图 铜－镍合金相图
二、合金相图的建立
[ 以Cu-Ni合金(白铜)为例 ]
Ⅰ：纯铜 Ⅱ：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni Ⅳ：25%Cu+75%Ni Ⅴ：纯Ni
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 杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。
以Cu-Ni合金相图为例推导杠杆定律：
rb C - C 液相：WL％＝ 100% m rb ab CL CL - mL m m C - C r a ra m m C m C mC L L 相：W％＝ 100% ab C - CL
共析反应:
γd αc+β（恒温、可逆） e 共析体
共析反应
与共晶反应
的有何不同 之处?
共析组织
反应名称
图形特征
反应式
说
明
共晶反应
L ⇄ +
恒温下，一个液相同时 结晶出两个成分和结构 不同的固相。
共析反应
恒温下，一个固相同时 ⇄ + β 析出两个成分和结构不 同的固相。
4.包晶相图
过冷度T ：指理论结晶温度与实际结晶
温度之差， T= To –Tn
结晶的必要条件： 必须有过冷度T
V冷
T
Tn
三、金属的结晶过程
1.结晶的基本过程
由晶核的形成和晶核的长大两
个基本过程组成。 液态金属中存在着时聚时散的原 子集团，它们规则排列形成晶坯。在 To 以下，一定时间后（即孕育期）， 一些大尺寸的晶坯将会长大成为晶核。 晶核形成后便向各方向生长；同时， 又有新的晶核产生。晶核不断形成和 长大成为晶粒，直到晶粒相互接触， 液体完全消失，形成多晶体。 即：
第二章 金属材料的凝固与固态相变
1.合金的使用性能与相图的关系 溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则 合金的强度、硬度越高，电阻越大。
两相组织合金的力学和物理性能与成分 呈直线关系变化。
2 .合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能：纯组元和共晶成分的合金的流动 性最好，缩孔集中，铸造性能好。 锻造性能：单相合金的锻造性能好。单相组 织时变形抗力小，变形均匀，因而变形能力 大。双相组织的合金变形能力差些，特别是 组织中存在有较多的化合物相时。
固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充 分进行，则形成成分不均匀的固溶体。
2 .共晶相图
(1)相图分析 在共晶合金相图中，acb为液相线，adceb为固相线，合金系有 三种相，相图中有三个单相区（L、α 、β ）；三个两相区（L+α 、 L+β 、α +β ）；一条三相(L+α +β )共存线（水平线dce）。 dce为共晶线（ c点为共晶点）。 Lc → α d+ β
2.2.3 铸锭(件)的凝固
把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做 铸造。 1.铸锭（件）结晶组织 最典型的铸造结构，整 个铸锭明显地分为三个各具 特征的晶区。 ⑴细等轴晶区 在铸锭的 表层形成的一层厚度不大、 晶粒很细的区域。
⑵柱状晶区
⑶粗等轴晶区
2.3 铁碳合金 2.3.1 Fe-Fe3C相图
2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变
根据Fe—Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： 1)工业纯铁[wc ≤0.0218%] 2)钢[0.0218%< wc ≤2.11%
3)白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]
工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强 度低、硬度低、不宜用作结构材料。
两相组织合金的力学和物理性能与成分 呈直线关系变化。
2 .合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能：纯组元和共晶成分的合金的流动 性最好，缩孔集中，铸造性能好。 锻造性能：单相合金的锻造性能好。单相组 织时变形抗力小，变形均匀，因而变形能力 大。双相组织的合金变形能力差些，特别是 组织中存在有较多的化合物相时。
固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充 分进行，则形成成分不均匀的固溶体。
2 .共晶相图
(1)相图分析 在共晶合金相图中，acb为液相线，adceb为固相线，合金系有 三种相，相图中有三个单相区（L、α 、β ）；三个两相区（L+α 、 L+β 、α +β ）；一条三相(L+α +β )共存线（水平线dce）。 dce为共晶线（ c点为共晶点）。 Lc → α d+ β
2.2.3 铸锭(件)的凝固
把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做 铸造。 1.铸锭（件）结晶组织 最典型的铸造结构，整 个铸锭明显地分为三个各具 特征的晶区。 ⑴细等轴晶区 在铸锭的 表层形成的一层厚度不大、 晶粒很细的区域。
⑵柱状晶区
⑶粗等轴晶区
2.3 铁碳合金 2.3.1 Fe-Fe3C相图
2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变
根据Fe—Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： 1)工业纯铁[wc ≤0.0218%] 2)钢[0.0218%< wc ≤2.11%
3)白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]
工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强 度低、硬度低、不宜用作结构材料。
工程材料-第二章 金属材料的凝固与固态相变
T/℃
L
K'
tx X
L+α
X'
a α
b 因此，两相的相对质量百分比为：
Qα KX QL X K
X
或 QL • KX Qα • X K
K
X'
L
α
QL
Q
A
X K X' B
上式与力学中的杠杆定律相似，因
ωB /% →
此称之为杠杆定律。
支点为合金的成分点，两个端点为给定温度时两相的成分
提示： 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，支点
1500 1400
相区：两个单相区、一个两相区 。 1300
T/℃
单相区 L相：液相，Cu和Ni
形成的液态溶体
1200
1100a 1083 1000
L a1
L+α
c1
α
α相：Cu和Ni形成的
900
无限固溶体
0 20 40 60
Cu
1455 c 80 100
Ni
两相区 L + α 相区
Cu-Ni匀晶相图
组元： 组成合金最基本的、独立的物质。
合金系 ：有两个或两个以上的组元按不同配比，配制出 一系列不同成分、不同性能的合金。这一系列合金构成了 一个合金系统，简称合金系。
相：成分相同，结构相同，与其他部分有界面分开的均匀组 成部分。 组织：指显微镜所观察到的材料的微观形貌。
合金结晶过程复杂， 用合金相图来分析。
T/℃
L
K′
b
X
tx
L+α
X′
则 QL + Q =1 QLX + Q X′ =K 解方程组得
材料的凝固PPT课件
dG S dT P
在交点温度（Tm ）：两相自由 能相等，即GL=GS平衡共存 T<Tm：液、固两相的自由能差 值是两相间发生相转变（L—S〉 的驱动力。
材料的凝固
液 固，单位体积自由能的变化Δ Gv为
（1）
G V G S G L H S T S ( S H L T L )S (H S H L ) T (S S S L )
一、液态金属的结构
1 .模型 a. 微晶无序模型（准晶体模型） b. 随机密堆模型
2 结构起时而产生，时 而消失，此起彼伏，与无序原子形成动态平衡，这种结构不 稳定现象称为结构起伏。温度越低，结构起伏尺寸越大。
材料的凝固
二、结晶过程的分析方法------热分析
材料的凝固
由模冷技术和雾化技术所得的制品 多为薄片、线体、粉末。
要得到尺寸较大得急冷凝固材料的 制品用于制造零件，还需将粉末等利用 固结成型技术如冷热挤压法、冲击波压 实法等使之在保持快冷的微观组织结构 条件下，压制成致密的制品。
材料的凝固
4、急冷凝固技术——表面快热技术
表面快热技术
即通过高密度的能束如激光或高能电子束扫描 工件表面使工件表面熔化，然后通过工件自身吸热散 热使表层得到快速冷却。
材料的凝固
一次对称轴
二次对称轴
三次对称轴
四次对称轴
五次对称轴
六次对称轴
七次对称轴
材料的凝固
八次对称轴
五次对称轴——准晶体
急冷技术的发展和研究，1984年发现了有五次对称轴的晶体，，原子 在晶体内部长程有序，具有准周期性，介于晶体与非晶体之间。
遵循形核、长大规律完成液、固转变，相变受原子扩散控制 准晶必须在一定冷速范围内形成。 Al-Mn, Al –Co , Al-Mn -Fe , Al – V , Al-Mn -Si , Pd-U-Si 合金中发现了准晶体
在交点温度（Tm ）：两相自由 能相等，即GL=GS平衡共存 T<Tm：液、固两相的自由能差 值是两相间发生相转变（L—S〉 的驱动力。
材料的凝固
液 固，单位体积自由能的变化Δ Gv为
（1）
G V G S G L H S T S ( S H L T L )S (H S H L ) T (S S S L )
一、液态金属的结构
1 .模型 a. 微晶无序模型（准晶体模型） b. 随机密堆模型
2 结构起时而产生，时 而消失，此起彼伏，与无序原子形成动态平衡，这种结构不 稳定现象称为结构起伏。温度越低，结构起伏尺寸越大。
材料的凝固
二、结晶过程的分析方法------热分析
材料的凝固
由模冷技术和雾化技术所得的制品 多为薄片、线体、粉末。
要得到尺寸较大得急冷凝固材料的 制品用于制造零件，还需将粉末等利用 固结成型技术如冷热挤压法、冲击波压 实法等使之在保持快冷的微观组织结构 条件下，压制成致密的制品。
材料的凝固
4、急冷凝固技术——表面快热技术
表面快热技术
即通过高密度的能束如激光或高能电子束扫描 工件表面使工件表面熔化，然后通过工件自身吸热散 热使表层得到快速冷却。
材料的凝固
一次对称轴
二次对称轴
三次对称轴
四次对称轴
五次对称轴
六次对称轴
七次对称轴
材料的凝固
八次对称轴
五次对称轴——准晶体
急冷技术的发展和研究，1984年发现了有五次对称轴的晶体，，原子 在晶体内部长程有序，具有准周期性，介于晶体与非晶体之间。
遵循形核、长大规律完成液、固转变，相变受原子扩散控制 准晶必须在一定冷速范围内形成。 Al-Mn, Al –Co , Al-Mn -Fe , Al – V , Al-Mn -Si , Pd-U-Si 合金中发现了准晶体
第2章 金属材料的凝固与固态相变
晶核的长大方式通常是树枝状长大，即枝晶长 大。因为晶核的棱角具有较好的散热条件，而 且缺陷多，易于固定转移来的原子，再加上枝 晶结构表面积大，便于从周围液体获得生长所 需的原子。
第9页，共111页。
晶核长大过程 长大方式 ——树枝状生长
第10页，共111页。
2．影响形核和长大的因素 金属的结晶过程是晶核不断形成、长大的过
第23页，共111页。
⑵杠杆定律：在合金的结晶过程中，液、固 两相的相对量是在变化的，在某一温度下液、 固两相的相对量可用杠杆定律来计算。
设一合金的含B量为K，质量为1。在某温度 下液相的相对量为L%，固相的相对量为α%。 已知液相的含B量为XL，固相的含B量为Xα。 根据质量守恒定律得下列方程：
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083
L
L+
1455
Cu 20
40 60 Ni%
Ni 80 100
第21页，共111页。
液相线
铜-镍合金匀晶相图
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083
熔点
液相区 L
1455
L+
纯镍 熔点
第34页，共111页。
X1合金结晶过程分析
L
T,C T,C
1
L
2
L
L+
L
L+
183 c
L+
d
e
{
3
f4
Pb X1
+
g
Sn
+ Ⅱ 冷却曲线 t Ⅱ
第35页，共111页。
X1合金结晶特点 L
第9页，共111页。
晶核长大过程 长大方式 ——树枝状生长
第10页，共111页。
2．影响形核和长大的因素 金属的结晶过程是晶核不断形成、长大的过
第23页，共111页。
⑵杠杆定律：在合金的结晶过程中，液、固 两相的相对量是在变化的，在某一温度下液、 固两相的相对量可用杠杆定律来计算。
设一合金的含B量为K，质量为1。在某温度 下液相的相对量为L%，固相的相对量为α%。 已知液相的含B量为XL，固相的含B量为Xα。 根据质量守恒定律得下列方程：
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083
L
L+
1455
Cu 20
40 60 Ni%
Ni 80 100
第21页，共111页。
液相线
铜-镍合金匀晶相图
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083
熔点
液相区 L
1455
L+
纯镍 熔点
第34页，共111页。
X1合金结晶过程分析
L
T,C T,C
1
L
2
L
L+
L
L+
183 c
L+
d
e
{
3
f4
Pb X1
+
g
Sn
+ Ⅱ 冷却曲线 t Ⅱ
第35页，共111页。
X1合金结晶特点 L
凝固与固态相变
通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶液态金属中金属原子作丌规则运动但并非完全呈丌规则排列在小范围内原子会出现规则排列
凝固与固态相变
机设13-A1 朱铭书
凝固与固态相变
• 内容提要：纯金属的结晶部分主要介绍纯 金属结晶的条件和结晶过程，同素异构转 变，细化铸态金属晶粒的措施。 合金的结晶部分主要介绍发生匀晶反应 的合金的结晶过程和发生共晶反应的合金 的结晶过程。 铁碳合金的结晶部分主要介绍铁碳相图、 典型铁碳合金的平衡结晶过程。并介绍铁 碳合金的成分-组织-性能关系。
3. 振动或搅拌 在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波 振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体， 形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。另一方 面可靠外部输入的能量来促进形核。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
四、晶粒大小对金属性能的影响
常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的 强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好。即细 晶强化。 高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生 滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力 集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。
细化铸态金属晶粒的措施
在一般情况下, 晶粒越小, 则金属的强 度、塑性和韧性越好。工程上使晶粒细 化, 是提高金属机械性能的重要途径之 一。这种方法称为细晶强化。细化铸态 金属晶粒有以下措施。
1. 增大金属的过冷度 加冷铁
2. 变质处理 变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变 质剂，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用在 于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。 例如高熔点杂质，特别是当杂质的晶体结构与金 属的晶体结构相同时，将强烈地促使非自发形核。 例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入 钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合 金，都可使晶粒细化。
凝固与固态相变
机设13-A1 朱铭书
凝固与固态相变
• 内容提要：纯金属的结晶部分主要介绍纯 金属结晶的条件和结晶过程，同素异构转 变，细化铸态金属晶粒的措施。 合金的结晶部分主要介绍发生匀晶反应 的合金的结晶过程和发生共晶反应的合金 的结晶过程。 铁碳合金的结晶部分主要介绍铁碳相图、 典型铁碳合金的平衡结晶过程。并介绍铁 碳合金的成分-组织-性能关系。
3. 振动或搅拌 在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波 振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体， 形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。另一方 面可靠外部输入的能量来促进形核。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
四、晶粒大小对金属性能的影响
常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的 强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好。即细 晶强化。 高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生 滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力 集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。
细化铸态金属晶粒的措施
在一般情况下, 晶粒越小, 则金属的强 度、塑性和韧性越好。工程上使晶粒细 化, 是提高金属机械性能的重要途径之 一。这种方法称为细晶强化。细化铸态 金属晶粒有以下措施。
1. 增大金属的过冷度 加冷铁
2. 变质处理 变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变 质剂，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用在 于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。 例如高熔点杂质，特别是当杂质的晶体结构与金 属的晶体结构相同时，将强烈地促使非自发形核。 例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入 钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合 金，都可使晶粒细化。
金属材料的凝固与相变
特点：
1）与纯金属凝固一样，结晶过程包括形核和长大；结晶需要 一定的过冷度才能开始。
2）结晶在一温度范围内进行。只有在温度不断下降时固体量 才增加，温度不变，结晶数量维持平衡不变—可利用杠杆定 律计算两相相对量。
3）结晶过程中液体和固体的成分分别沿液、固线不断变化。
枝晶偏析：如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀， 除晶粒细小外，固体中的成分会出现不均匀，树枝晶中成分 也不均匀，产生晶内偏析。
1. 细等轴晶区：锭模温度低， 模壁异质形核，晶粒细小，取 向随机；
2. 柱状晶区：模具温度的升 高，形核困难，散热方向垂直 模壁，形成较粗且方向基本相 同的长形晶粒区。
3.中心等轴晶区：液体对流， 中心温度均匀，缓慢降至凝固 点，向四周均匀生长，形成等 轴晶。晶核数量的有限，该区 间的晶粒通常较粗大。
四、二元共晶相图
• 两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解。
L
L+α
L+β
L+α+β
α
α+β
β
A
B
• 如Pb—Sn、Ag—达TE温度，发生共 晶转变，L→α+β，得到两固相的 混合物，称为共晶体，一般呈层 片分布。
• TE以下：固溶体的冷却，共晶体 中的α相和β相成分分别沿CG线和 DH线变化，并析出βII 和αII。
化晶粒和改善组织。
三、金属的同素异构
同素异构现象：外界条件变化，晶体结构变化。
同素异构转变 实质上也是一
温 度 1500
种广义的结晶
过程：也就是
原子重新排列 1000
的过程,它也遵
循生核与长大
的基本规律。
500
1534℃ 1394℃
固态相变概论
6) 调幅分解:某些合金在高温时形成单相的均匀的固溶体，缓慢冷却 到某一温度范围内时，分解为两相（或两个微区），其结构与原固 溶体相同，但成分不同的转变称为调幅分解。用反应式α→α1+α2 表示。
7) 有序化转变:在平衡条件下，固溶体（包括以中间相为基的固溶体） 中各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序（指长程有序） 的转变过程。表示为α→α 。
变。
6
一、按平衡状态分类
1、平衡转变：是指在极为缓慢的加热或冷却条件下，所发生
的能够获得符合平衡状态图的平衡组织的转变。
1) 纯金属的同素异构转变：纯金属在温度和压力改变时，由一种晶 体结构转变为另一种晶体结构的过程。可表示为αγ
2) 多形性转变 ：在固溶体中发生的同素异构转变。可表示为αγ 3) 共析转变：冷却时，固溶体同时析出并分解为两个不同成分和结
相图：在热力学平衡条件下，描述合金中所应该存在的 相与成分、温度（压力）等之间关系的图。
热处理过程：通过控制温度变化来控制固态相变的发生。 相变热力学的研究内容：通过计算平衡或亚稳平衡系统
的能量，给出相变发生的方向和驱动力大小。 相变动力学的研究内容：研究相变发生的过程、速度、
程度等，与时间变化有关的内容。 相变晶体学的研究内容：研究新相与母相之间的各种晶
V T
p
V V
V T
p
V
Cp称为材料的等压比热 称为材料的体积压缩系数
称为材料的热膨胀系数
14
二级相变时一级偏导数相等，二级偏导数不相等，则有：
S1= S2；V1= V2； Cp1≠Cp2；α1≠ α2 ；β1≠β2
说明：二级相变时，没有体积和熵的突变，即没有体积的胀缩 和相变潜热的释放和吸收。但是体积压缩系数β 、热膨胀 系数α、等压比热Cp有突变。材料的部分有序化转变、磁性 转变均属于二级相变。
7) 有序化转变:在平衡条件下，固溶体（包括以中间相为基的固溶体） 中各组元原子在晶体点阵中的相对位置由无序到有序（指长程有序） 的转变过程。表示为α→α 。
变。
6
一、按平衡状态分类
1、平衡转变：是指在极为缓慢的加热或冷却条件下，所发生
的能够获得符合平衡状态图的平衡组织的转变。
1) 纯金属的同素异构转变：纯金属在温度和压力改变时，由一种晶 体结构转变为另一种晶体结构的过程。可表示为αγ
2) 多形性转变 ：在固溶体中发生的同素异构转变。可表示为αγ 3) 共析转变：冷却时，固溶体同时析出并分解为两个不同成分和结
相图：在热力学平衡条件下，描述合金中所应该存在的 相与成分、温度（压力）等之间关系的图。
热处理过程：通过控制温度变化来控制固态相变的发生。 相变热力学的研究内容：通过计算平衡或亚稳平衡系统
的能量，给出相变发生的方向和驱动力大小。 相变动力学的研究内容：研究相变发生的过程、速度、
程度等，与时间变化有关的内容。 相变晶体学的研究内容：研究新相与母相之间的各种晶
V T
p
V V
V T
p
V
Cp称为材料的等压比热 称为材料的体积压缩系数
称为材料的热膨胀系数
14
二级相变时一级偏导数相等，二级偏导数不相等，则有：
S1= S2；V1= V2； Cp1≠Cp2；α1≠ α2 ；β1≠β2
说明：二级相变时，没有体积和熵的突变，即没有体积的胀缩 和相变潜热的释放和吸收。但是体积压缩系数β 、热膨胀 系数α、等压比热Cp有突变。材料的部分有序化转变、磁性 转变均属于二级相变。
金属的相变行为从液态到固态的转变
金属的相变行为从液态到固态的转变金属是一种常见的材料，具有良好的导电性和导热性，因此被广泛应用于工业生产和日常生活中。
然而，金属在不同温度下会出现相变现象，其中从液态到固态的转变是最常见的相变行为之一。
本文将探讨金属从液态到固态转变的过程以及相关的因素。
一、凝固过程金属从液态到固态的转变被称为凝固，这是因为在此过程中，金属的原子或离子聚集在一起形成结晶体。
凝固过程可以分为三个阶段：液态阶段、凝胶阶段和固态阶段。
在液态阶段，金属原子或离子呈无序排列，并具有较高的动能。
当金属温度下降到一定程度时，原子或离子开始逐渐接近，并逐渐形成有序的结构。
在凝胶阶段，金属原子或离子的排列变得更加有序，结晶核形成并逐渐生长。
最后，在固态阶段，金属原子或离子完全有序地排列形成晶体结构。
二、凝固的影响因素金属从液态到固态的凝固过程受到多种因素的影响，其中最主要的因素是温度、压力和成分。
1. 温度：温度是金属凝固的关键因素之一。
一般来说，金属的凝固温度是指金属从液态向固态转变的温度，称为凝固点。
不同金属具有不同的凝固点，例如，铅的凝固点约为327摄氏度，而铁的凝固点约为1538摄氏度。
凝固点的升高或降低可能是由于杂质的存在或添加了其他元素。
2. 压力：压力对金属凝固的影响不如温度显著。
然而，在高压下，金属原子或离子更容易接触和聚集，因此凝固速度可能会加快。
此外，压力的变化也可能导致凝固点的变化。
3. 成分：金属合金的凝固行为比纯金属更加复杂。
合金中不同元素的含量会影响凝固点和凝固过程。
例如，铜和锌的合金黄铜的凝固点会随着铅含量的增加而降低。
三、实际应用金属的相变行为从液态到固态的转变在实际应用中具有重要意义。
1. 铸造工艺：在金属加工中，铸造是一种常见的制造工艺，它涉及到将液态金属倾注入模具中，并通过凝固使其变成固态。
凝固的过程可以控制金属的形状和结构，从而得到所需的产品。
2. 金属合金制备：金属合金是由两种或更多金属元素组成的材料。
工程材料及成形技术基础(第三版)教学课件8
第二章金属的凝固与固态相变
1.晶体的结晶
第二章金属的凝固与固态相变
2.非晶体的凝固
第二章金属的凝固与固态相变
2.1.2金属的结晶
1.金属的结晶过程
2.影响形核和长大的因素
过冷度的影响
难熔杂质的影响
3.晶粒大小及控制 晶粒度的概念
ZV 0.9(N / G)3/4 Zs 1.1(N / G)1/2
2.同分异构
第二章金属的凝固与固态相变
2.2合金的凝固
2.2.1二元合金相图与凝固 1.匀晶相图
匀晶相图的建立 杠杆定律 枝晶偏析 2.共晶相图 3.包晶相图 4其他相图 2.2.2合金的性能与相图的关系 2.2.3铸锭(件)的凝固
第二章金属的凝固与固态相变
匀晶相图的建立
第二章金属的凝固与固态相变
第二章金属的凝固与固态相变
1.铁碳合金的相结构与性能
•铁素体 F •奥氏体 A •渗碳体 Fe3C
2.相图分析
第二章金属的凝固与固态相变
2.3.2在铁碳合金平衡状态下的相变
铁碳合金的分类
种类
工业纯铁
亚共析钢
钢 共析钢
过共析钢
白口铸铁
亚共晶白 共晶白
口铁
口铁
过共晶 白口铁
含碳 <0.0218 0.0218 0.77 0.77- 2.11
2.3.3含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
1.含碳量对平衡组织的影响
2.含碳量对力学性能的影响
第二章金属的凝固与固态相变
2.含碳量对力学性能的影响
第二章金属的凝固与固态相变
2.3.4Fe-Fe3C相图的应用
1.在选材上的应用 2.在铸造工艺制订上的应用 3.在塑性加工工艺制订上的应用 4.在热处理工艺制订上的应用
第2章 金属材料的凝固与固态相变
• • •
•
•
• 2.1 纯金属的结晶 2.1.1 凝固的基本概念 1.晶体的结晶 金属自液态（晶态或非晶态）经冷却转 变为固态晶体的过程称为金属的结晶过程。 金属由液态转变为固态的结晶过程，实质 上就是原子由不稳定的近程有序状态过渡为稳 定的长程有序状态的过程。 金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一 次结晶，而金属从一种固态过渡为另一种固体 的转变称为二次结晶。
1. 过冷度影响 一定体积的液态金属中,若成核速率N越大, 则结晶后的晶粒越多, 晶粒就越细小; 晶体长大速度G越快, 则晶粒越粗。 核速率N: 个/m3· s 单位时间单位体积形成的晶核数,
晶体长大速度G：单位时间晶体长大的长度, m/s
随着过冷度的增加, 成核速 率和长大速度均会增大。但当过 冷度超过一定值后，成核速率和 长大速度都会下降。这是由于液 体金属结晶时成核和长大，均需 原子扩散才能进行。当温度太低 时，原子扩散能力减弱，因而成 核速率和长大速度都降低。 对于液体金属，一般不会得 到如此大的过冷度，通常处于曲 线的左边上升部分。所以, 随着 过冷度的增大，成核速率和长大 速度都增大，但前者的增大更快， 因而比值N/G也增大, 结果使晶 粒细化。
晶体长大速度G：单位时间晶体长大的长度, m/s
随着过冷度的增加, 成核速率和长大速度 均会增大。但当过冷 度超过一定值后，成 核速率和长大速度都 会下降。这是由于液 体金属结晶时成核和 长大，均需原子扩散 才能进行。当温度太 低时，原子扩散能力 减弱，因而成核速率 和长大速度都降低。
2. 变质处理 变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变 质剂，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用 在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。例 如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入 钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡 合金，都可使晶粒细化。
第02章-金属材料的凝固与固态相变
2.2 合金的凝固
杠杆定律 • 在杠杆定律中，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。 例：求30%Ni合金在1280时相的相对量 T,C L 1455 c 1500 1400 a1 b1 c1 1280 C 1300 L+ 1200 1100 a 1083 1000 Cu
金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，称为二 次结晶或重结晶。 同素异构转变属于相变之一—固态相变。 1、铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，变化为：
2.1 纯金属的结晶
同素异构转变
纯铁的同素异构转变
质量一定的纯铁，发 生α-Fe→γ-Fe时，其体积 如何变化？ 体积缩小。因为质量 一定，原子个数一定， 而γ -Fe的排列比α -Fe 紧密，占空间小，所以 体积减小。
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
2.2 合金的凝固
二元匀晶相图 • 两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称之为二元 匀晶相图。 • 合金系有Cu-Ni，Cu-Au，Au-Ag，Fe-Ni，W-Mo等
细化铸态金属晶粒的措施 晶粒越小, 则金属的强度、塑性和韧性越好。工程上使晶粒细 化, 是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细 晶强化。 ⑴ 增大过冷度： 随过冷 度增加，N/G值增加，晶粒
变细。
⑵ 变质处理： 又称孕育 处理。即有意向液态金属内 加入非均匀形核物质从而细 化晶粒的方法。所加入的非
固溶体的成分又变回到 合金成分3上来。
液固相线不仅是
相区分界线, 也是结
02第二章__金属固态相变基础(1)
枝晶偏析示意图
固溶体结晶时成分是变化的，冷却时由于原子的扩散 充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却较 快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固 溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（Ni）较多， 后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元（Cu）较多。结果 造成在一个晶粒之内化学成分的分布不均,这种现象称 为枝晶偏析.
(2)不平衡转变
不平衡转变：固态金属在快速加热和冷却时， 由于平衡相变受到抑制，可能发生某些不平衡 转变而得到在相图上不能反应的不平衡组织。
不平衡转变
Ⅰ
伪共析相变 马氏体相变 贝氏体相变 不平衡脱溶转变(时效)
L T A >> ’ >> + + B
2. 按原子迁移情况分类 （1）扩散型相变 温度足够高、原子活动能力足够强、时间足够长情 况下发生的相变。 特点： 相变过程有原子扩散，相变速率受原子扩散速度控制； 新、旧相成分不同；
把OP的另一结点P的坐标经等比例化简后按X、Y、Z坐标轴 的顺序写在方括号[ ]内，则[uvw]即为OP的晶向指数。
晶面：晶体点阵在任何方向上分解为相互平行的 结点平面称为晶面，即结晶多面体上的平面。 晶面指数：结晶学中经常用（hkl）来表示一组平 行晶面，称为晶面指数。数字hkl是晶面在三个坐 标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。
3.按相变方式分类 (1)有核相变 形核----长大方式进行相变。 (2)无核相变
条件：可以以成分起伏或能量起伏为开始，直 接长大形成新相过程。
如：调幅分解以成分起伏为开始，进行上坡扩 散，形成两个成分不同的新相； 马氏体相变以能量起伏为开始，靠共格切变直接长 大形成新相过程。
工程材料及成形技术基础 金属材料的凝固与固态相变
棒状或条状 （Sb-MnSb）
球状或短棒状 （Cu-CuO）
针状 （Al-Si） 螺旋状 （Zn-Mg） Fe-C(石墨) 共晶组织
铁碳相图
2）亚共晶合金（位于M、E间）
室温时：α +（α+β）+βⅡ
亚共晶合金组织
过共晶合金组织
铁碳相图
3）M点以左的合金 室温时：α+βⅡ
铁碳相图
3.包晶相图及其它相图
一个三相区（MEN水平线）： L + α+ β
铁碳相图
(2)典型合金的平衡结晶分析
1）共晶合金的结晶过程 (E点，含锡61.9%）
Le
183°C（α +β ） m n
室温时：100%共晶体(片状结构) Q α/ Q β = EN / ME
铁碳相图
Pb-Sn 共晶组织
铁碳相图
层片状 （Al-CuAl2）
（1）珠光体 ( Pearlite ) P:
Ar1 ~ 650 ℃ 之间，d＞0.5um, 500X , 15HRC （2）索氏体 ( Sorbite ) S 650 ~ 600 ℃ 之间，d=0.2~0.4um, 1000X , 25~35HRC （3）屈氏体 ( Troostite ) T 600 ~ 550 ℃ 之间，d<0.2um, 2000X , 35~40HRC
QF = 1 – QP = 41.6%
其相组成：F + Fe 3C 45钢： QF =（6.69 – 0.45) ÷（6.69 – 0.0008） = 93.3%
QFe3C = 1 – QF = 6.7%
铁碳相图
20钢的室温组织
QP = 23.8%, QF = 76.2% σs = 205, δ = 24, HB105-156
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