第二章(2)金属的结晶及二元相图
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第2章 金属与合金的晶体结构和相图--定稿
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2、晶体缺陷
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3）面缺陷（晶界和亚晶界）
晶界 ：位向不同的相邻晶粒之间的接触界面，属于 面缺陷。
亚晶粒：每个晶粒可分为若干个位向相差很小(一般
θ<1～3o)的亚晶粒。
亚晶界：亚晶粒之间的边界叫亚晶界。
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3）面缺陷：
a）在常温下，晶界对滑移起阻碍作用，即表现为 晶界强度高。
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第2章 金属晶体结构和二元合金相图
金属材料有纯金属和合金两种。纯金属是由一种元素 组成的（如Fe、Cu、Al等）；合金则是以一种金属元素 作为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经过熔合 而获得具有金属特性的材料（如碳钢、铜合金等）。因 为合金比纯金属有更好的力学性能和工艺性能，且成本 低，故常用于工业生产。
C（石墨）、Mg、Zn 等
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晶格常数
底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90
（3）密排六方晶格 hcp
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晶胞中的原子个数？ 致密度？
晶格常数：c/a≈1.633； 原子半径：r=1/2a
？
原子个数：12X1/6+2X1/2+3=6 致 密 度：0.74
二、多晶体结构与晶体缺陷
不同的纯金属与合金，由于其内部组织结构不同，性能 也不一样。为了了解金属和合金的性能，就必须了解其内 部构造。
本章要点： ➢ 金属的晶体结构
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➢ 铁和碳的合金称为铁碳合金，钢和铸铁都是 铁碳合金。 ➢ 要掌握各种钢和铸铁加工方法，必须首先了 解铁碳合金中化学成分、组织与性能之间的关 系。
b）容易满足固态相变所需的能量起伏，新相往往 在晶界处形核。
二元合金相图
第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。
合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。
合金相图正是研究这些规律的有效工具。
一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。
其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。
组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。
由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
二元以上的合金称多元合金。
合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。
利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。
掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。
在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。
本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。
2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。
液态物质为液相，固态物质为固相。
相与相之间的转变称为相变。
在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。
由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。
组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。
由不同组织构成的材料具有不同的性能。
金属学与热处理课件 02金属的结晶
1.10
第2章 金属的结晶 2.1 纯金属的结晶与铸锭
过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大， 过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大，能稳定存在的短程有 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是， 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是，当过冷度过大或 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻， 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻，形 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质，杂质的存在常常促使金属 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触， 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触，于是晶核就依附 于这些现成的固体表面形成。 于这些现成的固体表面形成。这种依靠外来质点作为结晶核心的方式称为非自 发形核。 发形核。 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近， 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近，它们的原 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小， 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小，从而可以减少形核 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此， 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此，当 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时， 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时，有利于形成非自发形 晶核就优先依附于这些现成的表面而形成， 核，晶核就优先依附于这些现成的表面而形成，也有些难熔金属的晶体结构与 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属， 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属，也可以成 为非自发形核的核心。在生产实际中， 为非自发形核的核心。在生产实际中，液态金属结晶时形核方式主要是非自发 形核。 形核。
第2章 金属的结晶 2.1 纯金属的结晶与铸锭
过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大， 过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大，能稳定存在的短程有 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是， 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是，当过冷度过大或 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻， 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻，形 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质，杂质的存在常常促使金属 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触， 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触，于是晶核就依附 于这些现成的固体表面形成。 于这些现成的固体表面形成。这种依靠外来质点作为结晶核心的方式称为非自 发形核。 发形核。 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近， 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近，它们的原 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小， 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小，从而可以减少形核 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此， 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此，当 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时， 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时，有利于形成非自发形 晶核就优先依附于这些现成的表面而形成， 核，晶核就优先依附于这些现成的表面而形成，也有些难熔金属的晶体结构与 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属， 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属，也可以成 为非自发形核的核心。在生产实际中， 为非自发形核的核心。在生产实际中，液态金属结晶时形核方式主要是非自发 形核。 形核。
二元相图及合金的结晶
潍坊学院教案
有三种类型：
①正常价化合物
组成元素严格按原子价规律结合，成分固定，用分子式表示。
如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg3Sb2等。
一般都是金属元素与4、5、6族元素组成，在元素周期表中相距较远，
电负性差较大。
以金属键或离子键结合。
②电子化合物
= 价电子数/ 原子数）组成的具有一定晶根据一定的电子浓度比（C
电
体结构的化合物，不遵守原子价规律，成分可变。
=21/14，β相（b.c.c. 结构）；
C
电
=21/13，γ相（复杂立方结构）；
C
电
=21/12，ε相（h.p.c.结构）。
C
电
③间隙相与间隙化合物
一般是直径较大的过渡族元素（Fe、Cr、Mo、W、V）和原子直径小的
非金属元素（H、C、N、O、B）组成。
间隙相：r x/r M<0.59，具有简单晶体结构，如：WC、Ti、VC等。
间隙化合物：r x/r M>0.59，具有复杂晶体结构，如：Fe3C、Cr23C6、
Cr7C3等
金属间化合物的性能：熔点高，硬且脆，一般作强化相。
二、二元合金相图
1、合金的结晶特点
也是形核与长大，但有自己的特点：
（1）不是恒温下进行的，有一定的结晶温度范围。
（2）结晶过程中不只有一个固相和液相，而是在不同范围内有不同的相，各相成分也变化。
因此，合金的结晶过程要复杂些，单用一条冷却曲线难以说清楚。
为了
研究合金的结晶过程及合金组织的变化规律，需借用一个工具——相图。
第2章合金的相结构与二元合金相图
缓冷
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
第二章金属与合金的晶体结构和二元合金相图教材
金属的结构
Si2O的结构
2、晶格与晶胞
晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的 三维空间格架。直线的交点（即原子中心）称结点。 由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。
晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元 .
晶 体 晶 格 晶 胞 示 意 图
晶格常数：晶胞各边的
尺寸 a、b、c。各棱间
位 错 壁
亚晶粒
大角度和小角度晶界
晶界的特点：
① 原子排列不规则。 ② 熔点低。 ③ 耐蚀性差。
④ 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。
⑤ 阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用 的金属力求获得细晶粒。
⑥ 是相变的优先形核部位。
第二节 金属的结晶与同素异晶转变
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 结晶： 液体 --> 晶体 凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc
1394 C
912 C
912 C
-Fe，fcc
-Fe，bcc
2、固态转变的特点
固态下的相变也是一个形核和长大的过程，但有
着与结晶不同之处，其特点为：
（1）形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶 内缺陷、特定晶面等）。
（2）由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 （3）固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应
属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族
元素。
形成间隙固溶体的一般规律 为r质/r剂<0.59。
Hale Waihona Puke ⑶ 固溶体的溶解度
第2章金属的结晶与铁碳相图分析
铸锭的组织主要有三个晶区：表面细 晶层、柱状晶区、中心等轴晶区。
1、表面细晶层 组织致密，力学性能好。但由于该区 很薄，故对铸锭性能影响不大。
2、柱状晶区 组织致密，但晶粒间常存有非金属夹杂物 和低熔点杂质，形成脆弱区，在轧制或锻 压时，易产生开裂。因此，对于塑性差、 熔点高的金属，不希望产生柱状晶粒区。 不过，柱状晶粒沿长度方向力学性能较高， 所以对于塑性好的有色金属及其合金或承 受单向载荷的零件，如汽轮机叶片等，常 采用定向凝固法而获得柱状组织。
注意： 1、自发形核与非自发形核同时存在，非 自发形核占主导地位。 2、晶核形成与长大两个过程同时进行。
2、形核率与长大率 1）形核率N 指在单位时间和单位体积内所产生的晶核数。 2）长大率G 指单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。 3）晶粒的粗细是由形核率N和长大率G 的比 值N/G决定。
2.3
铁碳合金相图
钢和铸铁是现代工业中应用最广泛的金 属材料,形成钢和铸铁的主要元素是铁和 碳。不同成分的铁碳合金，在不同温度 下，具有不同的组织，因而表现出不同 的性能。为了解铁碳合金成分、组织和 性能之间的关系，必须研究铁碳合金相 图。
2.3.1 纯铁的同素异晶转变
大多数金属在结晶后晶格不再发生变化，但少数金属，如 铁、钛、钴等再结晶后会随着温度的改变而发生变化，这种变 化称为同素异晶（构）转变。同素异晶转变时，有结晶潜热产 生，同时也遵循晶核形成和晶核长大的结晶规律，与液态金属 的结晶相似，所以又称为重结晶。
1、二元合金相图的建立
1、相图的表示方法
纯金属的结晶过程可用冷却曲线来研 究。由于二元合金在结晶过程中除温度变 化外，还有合金成分的变化，因而需用两 个坐标轴来表示二元合金相图。通常纵坐 标表示温度，横坐标表示成分。
第二章 纯金属的结晶
1）光滑界面： 以原子尺寸观察时，表现为固 相界面上原子排列的光滑、平 整，固液两相以界面分开，界 面以上，所有原子处于液体状 态；在界面以下，所有原子处 于固体状态。 显微尺度：参差不齐的锯齿状。
界面-密排面
小平面界面
2） 粗糙界面：
以原子尺寸观察时，固相界 面上的原子高低不平，犬牙 交错分布。 微观上：平整
第二章
纯金属的结晶
第一节 金属的结晶现象
1、概念：
由液态转变为固态的过程，称凝固。如果转变成的固态是 晶体，这个过程就是结晶。
特点：(2个) 1）存在过冷现象和过冷度： 过冷现象：由热分析法测得纯金属的冷却曲线
看出：金属结晶前，温度连续下降，冷却到理论结晶温度 Tm（熔点）时，并未结晶，需继续冷却到Tm之下某一温度 Tn（实际结晶温度）时，才开始结晶，此过程称过冷现象。
N2：受原子扩散能力影响的形核率因子。温度越 高，原子的扩散能力越大，则N2越大。
N、N1、N2与温度关系的示意图如下：
由图ａ：△Ｔ↗→Ｔ↘→Ｎ１↗，△Ｔ↘→Ｔ↗→Ｎ2↗， 即结晶刚开始，Ｎ随△Ｔ的增大而增大；超过极大值时，Ｎ 又随△Ｔ的增大而减小 大多数金属的形核率总是随过冷度的增大而增大，如图ｂ。 在开始一段过冷度范围内，几乎不产生晶核；当降低到某一 温度，形核率急剧增加，对应温度称有效成核温度。
过冷度：金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，
称过冷度，以△T表示。△T=Tm－Tn；
结晶的必要条件：有一定过冷度
影响过冷度的因素：
金属的本性：金属不同，过冷度不同；
金属的纯度：纯度越高，过冷度越大； 冷却速度：冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低；
界面-密排面
小平面界面
2） 粗糙界面：
以原子尺寸观察时，固相界 面上的原子高低不平，犬牙 交错分布。 微观上：平整
第二章
纯金属的结晶
第一节 金属的结晶现象
1、概念：
由液态转变为固态的过程，称凝固。如果转变成的固态是 晶体，这个过程就是结晶。
特点：(2个) 1）存在过冷现象和过冷度： 过冷现象：由热分析法测得纯金属的冷却曲线
看出：金属结晶前，温度连续下降，冷却到理论结晶温度 Tm（熔点）时，并未结晶，需继续冷却到Tm之下某一温度 Tn（实际结晶温度）时，才开始结晶，此过程称过冷现象。
N2：受原子扩散能力影响的形核率因子。温度越 高，原子的扩散能力越大，则N2越大。
N、N1、N2与温度关系的示意图如下：
由图ａ：△Ｔ↗→Ｔ↘→Ｎ１↗，△Ｔ↘→Ｔ↗→Ｎ2↗， 即结晶刚开始，Ｎ随△Ｔ的增大而增大；超过极大值时，Ｎ 又随△Ｔ的增大而减小 大多数金属的形核率总是随过冷度的增大而增大，如图ｂ。 在开始一段过冷度范围内，几乎不产生晶核；当降低到某一 温度，形核率急剧增加，对应温度称有效成核温度。
过冷度：金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，
称过冷度，以△T表示。△T=Tm－Tn；
结晶的必要条件：有一定过冷度
影响过冷度的因素：
金属的本性：金属不同，过冷度不同；
金属的纯度：纯度越高，过冷度越大； 冷却速度：冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低；
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶第一节 金属的晶体结构自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。
晶体与非晶体的区别表现在许多方面。
晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。
此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。
在一般情况下的固态金属就是晶体。
一、晶体结构的基础知识（1）晶格与晶胞为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1）晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。
（2）晶胞表示方法不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。
结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示，称为晶格常数。
晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。
当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===︒时，这种晶胞称为简单立方晶胞。
（3）致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。
二、三种典型的金属晶格1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。
它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。
属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。
2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。
它的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。
属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。
3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。
其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。
属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。
第2章 合金的结构与结晶
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二、共晶系合金的平衡结晶及组织
共晶合金
f
图2-10 共晶合金结晶示意图
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二、共晶系合金的平衡结晶及组织
共晶合金
图2-11
Pb-Sn共晶合金组织示意图
返回
室温下：相组成物α，β
组织组成物：（α+β）共晶体 （α+β）%=100%
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二、共晶系合金的平衡结晶及组织
成分小于C点的合金
返回
2．典型合金平衡结晶过程分析
合金I结晶过程示意图
图2-18
合金1结晶过程示意图
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2．典型合金平衡结晶过程分析
合金Ⅱ结晶过程示意图
图2-19 合金Ⅱ结晶过程示意图
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2．典型合金平衡结晶过程分析
合金Ⅲ结晶过程示意图
图2-20 合金Ⅲ结晶过程示意图
返回
§6 其他类型的二元系合金相图
室温下：相组成物α，β
在共晶温度时组织相对量：
室温下：a初--->α+βII
图2-14
亚共晶合金组织示意图
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二、共晶系合金的平衡结晶及组织
过共晶合金
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三、伪共晶和密度偏析
伪共晶：非共晶成分的合金获得全部共晶组织的现象。
伪共晶示意图
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三、伪共晶和密度偏析
比重偏析：结晶的晶体密度与其剩余的液体密度相差较大， 晶体上浮或下沉。凝固后合金的上下部分不同的现象，称 之为“密度偏析”
枝晶偏析(晶内偏析)：在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝 晶偏析。 出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加工工 艺性能变坏。
二、共晶系合金的平衡结晶及组织
共晶合金
f
图2-10 共晶合金结晶示意图
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二、共晶系合金的平衡结晶及组织
共晶合金
图2-11
Pb-Sn共晶合金组织示意图
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室温下：相组成物α，β
组织组成物：（α+β）共晶体 （α+β）%=100%
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二、共晶系合金的平衡结晶及组织
成分小于C点的合金
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2．典型合金平衡结晶过程分析
合金I结晶过程示意图
图2-18
合金1结晶过程示意图
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2．典型合金平衡结晶过程分析
合金Ⅱ结晶过程示意图
图2-19 合金Ⅱ结晶过程示意图
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2．典型合金平衡结晶过程分析
合金Ⅲ结晶过程示意图
图2-20 合金Ⅲ结晶过程示意图
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§6 其他类型的二元系合金相图
室温下：相组成物α，β
在共晶温度时组织相对量：
室温下：a初--->α+βII
图2-14
亚共晶合金组织示意图
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二、共晶系合金的平衡结晶及组织
过共晶合金
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三、伪共晶和密度偏析
伪共晶：非共晶成分的合金获得全部共晶组织的现象。
伪共晶示意图
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三、伪共晶和密度偏析
比重偏析：结晶的晶体密度与其剩余的液体密度相差较大， 晶体上浮或下沉。凝固后合金的上下部分不同的现象，称 之为“密度偏析”
枝晶偏析(晶内偏析)：在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝 晶偏析。 出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加工工 艺性能变坏。
金属及合金的结晶
（2）热力学条件 △Gv=－Lm△T/Tm
a △T>0, △Gv<0－过冷是结晶的必要
条件（之一）。 b △T越大, △Gv越小－过冷度越大， 越有利于结晶。 c △Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。
第二节 结晶的基本条件
2 结构条件 （1）液态结构模型 微晶无序模型 拓扑无序模型 （ 2 ）结构起伏（相起伏）： 液态材料中出现的短程有序 原子集团的时隐时现现象。 是结晶的必要条件（之二）。
第五节 凝固理论的应用
增大过冷度的主要办法是提高液态金属的 冷却速度，采用冷却能力较强的模子。例 如采用金属型铸模，比采用砂型铸模获得 的铸件晶粒要细小。
第五节 凝固理论的应用
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，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大， 以细化晶粒和改善组织。 例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中 加入钛、钒、铝等。
第五节 凝固理论的应用
二、 单晶体制备 1、意义：单晶是电子元件和激光元件的重要原料。金属单晶也 开始应用于某些特殊场合如喷气发动机叶片等。 2、基本原理：根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时 只存在一个晶核，要严格防止另外形核。 3、制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。
第五节 凝固理论的应用
物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质 为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体， 所以它们的凝固过程就是结晶。 凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。 凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。 金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。
第一节 结晶的基本规律
一 、液态金属的结构 结构：长程有序而短程有序。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较 小、原子排列较混乱。
a △T>0, △Gv<0－过冷是结晶的必要
条件（之一）。 b △T越大, △Gv越小－过冷度越大， 越有利于结晶。 c △Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。
第二节 结晶的基本条件
2 结构条件 （1）液态结构模型 微晶无序模型 拓扑无序模型 （ 2 ）结构起伏（相起伏）： 液态材料中出现的短程有序 原子集团的时隐时现现象。 是结晶的必要条件（之二）。
第五节 凝固理论的应用
增大过冷度的主要办法是提高液态金属的 冷却速度，采用冷却能力较强的模子。例 如采用金属型铸模，比采用砂型铸模获得 的铸件晶粒要细小。
第五节 凝固理论的应用
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，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大， 以细化晶粒和改善组织。 例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中 加入钛、钒、铝等。
第五节 凝固理论的应用
二、 单晶体制备 1、意义：单晶是电子元件和激光元件的重要原料。金属单晶也 开始应用于某些特殊场合如喷气发动机叶片等。 2、基本原理：根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时 只存在一个晶核，要严格防止另外形核。 3、制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。
第五节 凝固理论的应用
物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质 为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体， 所以它们的凝固过程就是结晶。 凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。 凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。 金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。
第一节 结晶的基本规律
一 、液态金属的结构 结构：长程有序而短程有序。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较 小、原子排列较混乱。
第二章 金属学的基本知识
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫相。合金中相
与相之间有明显的界面。液态合金通常为单相液体。合金在固态下，
由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合 金。
组成合金各相的成分、结构、形态、性能和各相的组合情况构成
了合金的组织。组织是合金的内部情景，还包括晶粒的大小、形状、 种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布，可以用肉眼或借助各
固溶体，如图2-10(b)所示。
由于溶剂晶格的间隙有限，因此间隙固溶体都是有限固溶体。形成间 隙固溶体的条件是溶质原子与溶剂原子的比值r溶质/r溶剂≤0. 59。因此
形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如氢、
硼、碳、氮、氧等。
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
应当指出，所形成的固溶体虽然仍保持着溶剂金属的晶格类型， 但由于溶质与溶剂原子尺寸的差别，必然会造成晶格的畸变，如图 2-11。晶格畸变使合金的强度、硬度和电阻升高。这种通过溶人 溶质元素使固溶体的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强 化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制
态的金属和合金。晶体具有一定的熔点，并具有各向异性的特征。
晶体中的原子排列情况如图2-1(a)所示。 2.晶体结构的基本知识 (1)晶格为了便于描述晶体中原子排列的规律及几何形状，人 为地将原子看作一个点，再用一些假想的线条，将原子的中心
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
连接起来，使之构成一个空间格子，如图2-1 ( b)。这种抽象 的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间格子叫做“晶格”。 晶格中的每个点叫做晶格结点。 (2)晶胞由于晶体中原子排列具有周期性特点，因此在研究晶 体结构时，为方便起见，通常只从晶格中选取一个能够完全反映 晶格特征的最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个 最小的几何单元称为晶胞，如图2-1 (c)。实际上整个晶格就是 由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶 胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a,b,c及棱边夹角α,β,γ来
§ 2.1 金属与合金的晶体结构
合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫相。合金中相
与相之间有明显的界面。液态合金通常为单相液体。合金在固态下，
由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合 金。
组成合金各相的成分、结构、形态、性能和各相的组合情况构成
了合金的组织。组织是合金的内部情景，还包括晶粒的大小、形状、 种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布，可以用肉眼或借助各
固溶体，如图2-10(b)所示。
由于溶剂晶格的间隙有限，因此间隙固溶体都是有限固溶体。形成间 隙固溶体的条件是溶质原子与溶剂原子的比值r溶质/r溶剂≤0. 59。因此
形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如氢、
硼、碳、氮、氧等。
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
应当指出，所形成的固溶体虽然仍保持着溶剂金属的晶格类型， 但由于溶质与溶剂原子尺寸的差别，必然会造成晶格的畸变，如图 2-11。晶格畸变使合金的强度、硬度和电阻升高。这种通过溶人 溶质元素使固溶体的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强 化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制
态的金属和合金。晶体具有一定的熔点，并具有各向异性的特征。
晶体中的原子排列情况如图2-1(a)所示。 2.晶体结构的基本知识 (1)晶格为了便于描述晶体中原子排列的规律及几何形状，人 为地将原子看作一个点，再用一些假想的线条，将原子的中心
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
连接起来，使之构成一个空间格子，如图2-1 ( b)。这种抽象 的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间格子叫做“晶格”。 晶格中的每个点叫做晶格结点。 (2)晶胞由于晶体中原子排列具有周期性特点，因此在研究晶 体结构时，为方便起见，通常只从晶格中选取一个能够完全反映 晶格特征的最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个 最小的几何单元称为晶胞，如图2-1 (c)。实际上整个晶格就是 由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶 胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a,b,c及棱边夹角α,β,γ来
2.2合金的结晶
第二节 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶
2.2.2 合金的性能与相图的关系
2.2.3 铁碳合金的结晶
匀晶相图
L→α
共晶相图
T,C
Ld (c e )
恒温
183
L+
c
L
d
L+
e
+
Pb Sn
包晶相图
T,C
Ld c e
恒温
L+
点：d(共晶点)
★cde上合金均共晶反应 ★d 点合金称为共晶合金 ★cd段—亚共晶合金 ★de段—过共晶合金
图2-15 Pb-Sn共晶相图
★cf—α相的固溶线。T降低，溶解度下降。α→βⅡ 。 二次结晶；次生相或二次相βⅡ
★eg—β相的固溶线。冷却β→αⅡ。
2、典型合金的结晶 合金Ⅰ的结晶过程
95 50 ( ) 100% 56.25% 95 15 ( ) 1 ( ) 43.75%
第二节 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶
2.2.2 合金的性能与相图的关系
2.2.3 铁碳合金的结晶
2.2.3 铁碳合金的结晶
一、铁碳相图
铁和碳→Fe3C、 Fe2C、 FeC ω(C) >Fe3C成分（6.69%），太脆
恒温 Ld c e
图2-15 Pb-Sn共晶相图
共晶体（α + β）——两相（α 、β）的混合物
1. 相图分析
adb acdeb
液相线 固相线
线 cf Sn在Pb溶解度线
eg Pb在Sn溶解度线 cde 三相共存、共晶线
区:
单相区：L、α(Sn在Pb中的固溶体)、β (Pb在Sn中的固溶体) 两相区： L+α、 L+β、 α + β 三相共存区：cde(三相共存水平线、共晶线)
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
2-3 根据组元数, 一般分为二元相图、三元相图。 三元相图
Fe-C二元相 图
2-3 同素异构转变 有些物质在固态下其晶格类型会随温度变化而发生变化，这 种现象称为同素异构转变。 锡，四方结构的白锡在13℃下转变为金刚石立方结构的灰 锡。 同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个 固态下的相变过程，即固态相变。 除锡之外，铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转变。
位错密度增加，能提高金属强度。
2-1
（3）面缺陷
呈面状分布的缺陷，主要是晶界和亚晶界。 晶体缺陷产生晶格畸变，使金属的强度、硬度提高，韧性下降。
2-1
二、合金的晶体结构 1.合金的基本概念
合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的 具有金属特性的物质。 例如，钢和生铁是Fe与C的合金，黄铜是Cu和Zn的合金。 组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以是化合物。 黄铜的组元是铜和锌；青铜的组元是铜和锡。铁碳合金中的Fe3C，镁硅合 金中的Mg2Si。 合金系：组元不变，当组元比例发生变化，可配制出一系列不同成分、不 同性能的合金，这一系列的合金构成一个“合金系统”，简称合金系。
2-1
（2）金属化合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质。
1.正常价化合物：如Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb, Cu2Se等。
2.电子化合物：不遵守原子价规律，但有一定的电子浓度的化合物。
如Cu3Al, CuZn3, Cu5Zn8等。
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
通常在钢中加入铝、钒，向铸铁液中加入硅铁合金。
（3）机械振动、超声振动、电磁搅拌： 使结晶过程中形成的枝晶折断裂碎，增加晶核数，达到细化晶粒的目的。
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工程材料与机械制造基础
主讲教师-高丽
纯金属的结晶
1.凝固：物质由液态转变为固态的过程。 2.结晶：物质由液态转变为晶态的过程。 3.相变：物质由一个相转变为另一个相的过程。 因而结晶过程是相变过程。
结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 度
理论冷却曲线 结晶平台(是由结晶潜热导致) 实际冷却曲线
和韧性。为了提高金属的力学性能，希
望得到细晶组织。
3、决定晶粒度的因素
晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核 的数目； 长大速度（G）：晶核单位时间生长的长度
N/G越大，晶粒越细小。
细化晶粒的途径
过冷度对N、G的影响
提高冷却速度、增大过冷度
V冷
△T
N/G
枝晶偏析组织 平衡组织 Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
2、二元共晶状态图
• 定义：两个组元在液态完全互溶，但固态只能 有限互溶且发生共晶反应，构成的相图为二元 共晶相图。
如：Pb-Sb、Pb-Sn
（1）状态图分析
液固相线： 液相线AEB，固相线ACEDB。 A、B分别为Pb、Sn的熔点 CF线：Sn在Pb中的溶解度线（α相 固溶线） DG线：Pb 在Sn中的溶解度线（β相 B A
t
1 2
其与液固相线交点a、b所
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
理论结晶温度 To 实际结晶温度 Tn
时间
• 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的
现象称过冷。 • 理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过 冷度 T= T0 –Tn 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大， 过冷度越大。
•
纯金属的结晶过程
1、结晶的基本过程：
液态金属结晶时，都是首先在液态中出现一些微小的晶体－晶 核，它不断长大，同时新的晶核又不断产生并继续长大，直至液 态金属全部消失为止。
合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成 分变化到C点，液相成分变化到E点, 发生共晶反应。 L ⇄( + ), 此时两相的相对重量为：
C2 2E QL ( QE ) 100%, Q 100% CE CE
• 在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应： L ⇄( + ) ，转变为共晶组织，共晶体的重量与转 变前的液相重量相等, 即QE =QL • 反应结束后，在共晶温度下、 两相的相对重量百 分比为： Q 2 D 100%, Q C 2 100%
Q
Q Ⅱ
2）共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 • 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共 晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’
19.2
wt%Sn
• 在共晶转变过程中，L、 、 三相共存, 三个相的 量在不断变化，但它们各 自成分是固定的。 • 共晶组织中的相称共晶相. 共晶转变结束时， 和 相的相对重量百分比为：
合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各 自相区距离较远的成分线段之比。 • 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。 杠杆定律只适用于两相区。 • 例（如图）
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
CD CD
温度继续下降，将从初生相
中不断析出Ⅱ，其室温组织为
+ ( + ) + Ⅱ 。
亚共晶合金 的结晶过程
④ 过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似，不同的 是一次相为 , 二次相为Ⅱ 室温组织为+(+)+Ⅱ。
Pb-Sn合金的结晶过程
3、二元包晶相图
当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反 应时所构成的相图称作包晶相图。 水平线HJB称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包
共晶反应
包晶反应
L+ ⇄
共析反应
恒温下由一个固相同时 ⇄ + 析出两个成分结构不同 的新固相。
• 计算各相、各组织组成物 相1成分
合金成分 •
相2成分 •
相对重量百分比：
相1重 合金成分为杠杆的支点， 量 相2重 量 合金成分 •
相或组织组成物的成分
为杠杆的端点。
组织1成分 •
结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.
（1）晶核的匀形核。 • 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 • 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。 非均匀形核更为普遍。
均匀形核
非 均 匀 形 核 示 意 图
(2) 晶核的长大
晶核的长大方式有两种， 即均匀长大和树枝状长大。
3) 枝晶偏析
1）定义：由于冷却速度快，造成晶体中晶粒内化学成分 不均匀的现象。 例如在Cu-Ni合金中，先结晶出 的枝晶轴含有较多的高熔点元 素(如Cu-Ni合金中的Ni)，后结 晶的枝晶间含有较多的低熔点 元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。
3) 枝晶偏析
枝晶偏析不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 2）缺点：严重降低合金的力学性能和加工工艺性能。 3）消除办法：扩散退火
均匀长大
实际金属结晶主要以树枝状长大. 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好， 生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝 间最后被填充。
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
（3）金属结晶后的晶粒大小
一般来说，细晶粒金属具有较高的强度
LE ⇄(C + D)
共晶反应：在一定温度
A B
下，由一定成分的液相
同时结晶出两个成分和
结构都不相同的新固相
共晶合金: 具有共晶成分的合金。
亚共晶合金: 在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金
过共晶合金：位于共晶
A
点以右的合金。
L+
C D B
1）合金冷却过程分析
合金Ⅰ的结晶过程 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种 直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
Cu
L
液相线 +
L
固相线
成分（wt%Ni）
Ni
(2) 合金的结晶过程
⑵ 杠杆定律
• 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的 成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。 现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律： • ① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成 分垂线。在成分垂线相当 于温度t 的o点作水平线，
式中的x2-x (ob) 、x2-x1 (ab) 、x-x1 (ao)
• 因此两相的相对重量百分比为：
xx 2 ob QL x1 x 2 ab x1 x ao Q x1 x 2 ab
QL xx 2 ob ( ) 或QL x1 x Q xx 2 Q x1 x ao
.2
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格 不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相— 相。 由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 由 析出的二次 用Ⅱ 表示。
H
随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变 化， Ⅱ的重量增加。 F4 100% 室温下Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ FG • 由于二次 相析出温 度较低， 一般十分 细小。
组织2成分 •
组织1 重量
组织2 重量
相图与铸造性能的关系
①固溶体合金液固相
线间距越大、偏析倾
向大, 树枝晶发达, 流
动性降低, 补缩能力
下降, 分散缩孔增加.
②共晶合金结晶温度
低，流动性好，缩孔 集中， 偏析小， 铸 造性能好。
晶反应：LB+Hδ⇄AJ
包晶反应: 在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固 相的反应。
5具有共析反应的二元相图
共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成 分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固 相的过程。
• 共析转变也是固
态相变。
• 最常见的共析转
变是铁碳合金中
的珠光体转变:
晶粒细小
加入一些细小变质剂，增大形核率， 变质处理：
减低长大速率。
机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
三、合金的结晶
合金的结晶也是在过冷条件下形成晶核与晶核长大 的过程，但因组元较多，合金的结晶过程比纯金属 复杂，常用相图进行分析. 相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶 过程的简明图解。又称状态图或平衡图。
• 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度 变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工 艺的重要依据。 • 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
三元相图
Fe-C二元相图
二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
二.相图的建立
温 度 温 度 温 度
S
P
S ⇄ P+ Fe3C
。
(—奥氏体，—铁素体，Fe3C—渗碳体)
• 共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线 )、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合 金(共析成分合金)、 亚共析合金(共析线 上共析点以左的合
主讲教师-高丽
纯金属的结晶
1.凝固：物质由液态转变为固态的过程。 2.结晶：物质由液态转变为晶态的过程。 3.相变：物质由一个相转变为另一个相的过程。 因而结晶过程是相变过程。
结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 度
理论冷却曲线 结晶平台(是由结晶潜热导致) 实际冷却曲线
和韧性。为了提高金属的力学性能，希
望得到细晶组织。
3、决定晶粒度的因素
晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核 的数目； 长大速度（G）：晶核单位时间生长的长度
N/G越大，晶粒越细小。
细化晶粒的途径
过冷度对N、G的影响
提高冷却速度、增大过冷度
V冷
△T
N/G
枝晶偏析组织 平衡组织 Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
2、二元共晶状态图
• 定义：两个组元在液态完全互溶，但固态只能 有限互溶且发生共晶反应，构成的相图为二元 共晶相图。
如：Pb-Sb、Pb-Sn
（1）状态图分析
液固相线： 液相线AEB，固相线ACEDB。 A、B分别为Pb、Sn的熔点 CF线：Sn在Pb中的溶解度线（α相 固溶线） DG线：Pb 在Sn中的溶解度线（β相 B A
t
1 2
其与液固相线交点a、b所
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
理论结晶温度 To 实际结晶温度 Tn
时间
• 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的
现象称过冷。 • 理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过 冷度 T= T0 –Tn 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大， 过冷度越大。
•
纯金属的结晶过程
1、结晶的基本过程：
液态金属结晶时，都是首先在液态中出现一些微小的晶体－晶 核，它不断长大，同时新的晶核又不断产生并继续长大，直至液 态金属全部消失为止。
合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成 分变化到C点，液相成分变化到E点, 发生共晶反应。 L ⇄( + ), 此时两相的相对重量为：
C2 2E QL ( QE ) 100%, Q 100% CE CE
• 在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应： L ⇄( + ) ，转变为共晶组织，共晶体的重量与转 变前的液相重量相等, 即QE =QL • 反应结束后，在共晶温度下、 两相的相对重量百 分比为： Q 2 D 100%, Q C 2 100%
Q
Q Ⅱ
2）共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 • 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共 晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’
19.2
wt%Sn
• 在共晶转变过程中，L、 、 三相共存, 三个相的 量在不断变化，但它们各 自成分是固定的。 • 共晶组织中的相称共晶相. 共晶转变结束时， 和 相的相对重量百分比为：
合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各 自相区距离较远的成分线段之比。 • 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。 杠杆定律只适用于两相区。 • 例（如图）
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
CD CD
温度继续下降，将从初生相
中不断析出Ⅱ，其室温组织为
+ ( + ) + Ⅱ 。
亚共晶合金 的结晶过程
④ 过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似，不同的 是一次相为 , 二次相为Ⅱ 室温组织为+(+)+Ⅱ。
Pb-Sn合金的结晶过程
3、二元包晶相图
当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反 应时所构成的相图称作包晶相图。 水平线HJB称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包
共晶反应
包晶反应
L+ ⇄
共析反应
恒温下由一个固相同时 ⇄ + 析出两个成分结构不同 的新固相。
• 计算各相、各组织组成物 相1成分
合金成分 •
相2成分 •
相对重量百分比：
相1重 合金成分为杠杆的支点， 量 相2重 量 合金成分 •
相或组织组成物的成分
为杠杆的端点。
组织1成分 •
结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.
（1）晶核的匀形核。 • 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 • 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。 非均匀形核更为普遍。
均匀形核
非 均 匀 形 核 示 意 图
(2) 晶核的长大
晶核的长大方式有两种， 即均匀长大和树枝状长大。
3) 枝晶偏析
1）定义：由于冷却速度快，造成晶体中晶粒内化学成分 不均匀的现象。 例如在Cu-Ni合金中，先结晶出 的枝晶轴含有较多的高熔点元 素(如Cu-Ni合金中的Ni)，后结 晶的枝晶间含有较多的低熔点 元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。
3) 枝晶偏析
枝晶偏析不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 2）缺点：严重降低合金的力学性能和加工工艺性能。 3）消除办法：扩散退火
均匀长大
实际金属结晶主要以树枝状长大. 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好， 生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝 间最后被填充。
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
（3）金属结晶后的晶粒大小
一般来说，细晶粒金属具有较高的强度
LE ⇄(C + D)
共晶反应：在一定温度
A B
下，由一定成分的液相
同时结晶出两个成分和
结构都不相同的新固相
共晶合金: 具有共晶成分的合金。
亚共晶合金: 在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金
过共晶合金：位于共晶
A
点以右的合金。
L+
C D B
1）合金冷却过程分析
合金Ⅰ的结晶过程 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种 直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
Cu
L
液相线 +
L
固相线
成分（wt%Ni）
Ni
(2) 合金的结晶过程
⑵ 杠杆定律
• 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的 成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。 现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律： • ① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成 分垂线。在成分垂线相当 于温度t 的o点作水平线，
式中的x2-x (ob) 、x2-x1 (ab) 、x-x1 (ao)
• 因此两相的相对重量百分比为：
xx 2 ob QL x1 x 2 ab x1 x ao Q x1 x 2 ab
QL xx 2 ob ( ) 或QL x1 x Q xx 2 Q x1 x ao
.2
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格 不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相— 相。 由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 由 析出的二次 用Ⅱ 表示。
H
随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变 化， Ⅱ的重量增加。 F4 100% 室温下Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ FG • 由于二次 相析出温 度较低， 一般十分 细小。
组织2成分 •
组织1 重量
组织2 重量
相图与铸造性能的关系
①固溶体合金液固相
线间距越大、偏析倾
向大, 树枝晶发达, 流
动性降低, 补缩能力
下降, 分散缩孔增加.
②共晶合金结晶温度
低，流动性好，缩孔 集中， 偏析小， 铸 造性能好。
晶反应：LB+Hδ⇄AJ
包晶反应: 在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固 相的反应。
5具有共析反应的二元相图
共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成 分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固 相的过程。
• 共析转变也是固
态相变。
• 最常见的共析转
变是铁碳合金中
的珠光体转变:
晶粒细小
加入一些细小变质剂，增大形核率， 变质处理：
减低长大速率。
机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
三、合金的结晶
合金的结晶也是在过冷条件下形成晶核与晶核长大 的过程，但因组元较多，合金的结晶过程比纯金属 复杂，常用相图进行分析. 相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶 过程的简明图解。又称状态图或平衡图。
• 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度 变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工 艺的重要依据。 • 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
三元相图
Fe-C二元相图
二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
二.相图的建立
温 度 温 度 温 度
S
P
S ⇄ P+ Fe3C
。
(—奥氏体，—铁素体，Fe3C—渗碳体)
• 共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线 )、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合 金(共析成分合金)、 亚共析合金(共析线 上共析点以左的合