第三章材料的凝固与相图

第三章 材料的凝固与相图
典型的共晶组织形态 （a）层片状；（b）棒状（条状或纤维状）；（c）球状
（d）针状；（e）螺旋状
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⑵合金Ⅱ（亚共晶合金）
结晶过程：冷却至 1点时开始结晶出固溶体 α，在183℃时 剩余液相的成分到达 E 点 ，这些液相便发生共晶转变，变成 共晶体。共晶转变完成后温度继续下降，初晶α的溶解度发生 变化，其内析出二次相 βⅡ。 至室温，合金Ⅲ的平衡组织是α + βⅡ + （α + β）
合金Ⅳ的 平衡结晶 示意图
则合金Ⅳ的室温平衡组织是α + βⅡ。
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3.共晶相图小结
●在共晶线上都有共晶转变发生。 ●要区分共晶组织、先共晶相（初晶）、二次相的概念。 ●相组成物：组织中的组成相。
组织组成物：组织中有确定性质和特殊形态并在显微镜下 能明显区分的组成部分。
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㈠ 包晶相图
T,C 以铂-银合金相图为例 T,C
L
L+ a
a c
f
Pt Ag%
L
L+
L+ a
L+ a
e
d
a+

g
Ag
+ a Ⅱ
t
包晶转变： Ld + ac e
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㈡共析相图
共析转变： (a + ) 共析体
T,C
L
L+
a
A
+a c
d a+
细化晶粒的方法和措施：

1. 提高冷却速度(增加过冷度） ； 2. 进行变质处理：在液体金属中加入变质剂(孕育剂)， 以细化晶粒和改善组织的工艺措施。 3. 机械振动、超声波振动或电磁搅拌。

振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。 细晶强化 — 晶粒细化使金属机械性能提高的现象。
因此工程上细化晶粒是提高金属力学性能的重要 途径之一 。
（21/14）
（21/12）
Si
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③ 间隙化合物：由过渡族金属元素（原子半径较大）与非 金属元素（原子半径较小，如C、N、B等）组成的金属化合 物。 间隙化合物又分为间隙相和复杂结构的间隙化合物。 间隙相（简单结构的化合物）：R非金属/R金属﹤0.59； 复杂结构的间隙化合物： R非金属/R金属﹥0.59。
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、韧性有所下降。 固溶强化：通过形成固溶体使金属材料 的强度、硬度提高的强化方法。
间隙固溶体
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2. 金属化合物
⑴ 定义：指合金组元相互作用而形成的晶格类型和特性完全 不同于任一组元的新相。 ⑵ 分类：根据形成条件和结构特点分成三类。 ① 正常价化合物：符合一般化合物的原子价规律，成分固 定且可用化学式表示，如： Mg2Si, ZnS,…… ② 电子化合物：符合电子浓度规律， 其晶体结构由电子浓 度（价电子总数与原子总数之比）决定。
自发形核和非自发形核同时存在，非自发形核起主导作用。
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（2）晶核长大
晶核长大：晶核形成以后，液相中的原子或原子团通过 扩散不断地依附于晶核表面上，使固液界面向液相中移 动，从而晶核就逐渐长大。
长大方式：树枝状长大。
Байду номын сангаас
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晶核按树枝状方式长大
金属的树枝晶
金属的树枝晶
两相相对质量分数：
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杠杆定律的应用
(1)确定两平衡相的成分； (2) 确定两平衡相的相对重量。
0.58 - 0.53 ×100% = 38.5% QL = 0.58 - 0.45 0.53 - 0.45 × Qa = 100% = 61.5% 0.58 - 0.45
杠杆定律只适用于两相区。
2.组元：组成合金的独立的最基本物质。 组元可以是元素，也可以是稳定的化合物。 3.相：指合金中，化学成分和晶体结构相同，并且以明显的界 面相互分开的各个均匀组成部分。 4.组织（显微组织） 指在金相显微镜下观察到的金属材料内部所具有的某种形 态特征或微观形貌。
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T8钢(硝酸酒精溶液腐蚀) 990℃炉冷 500× 组织：片状珠光体
⑴ 单相固溶体的合金： 性能随成分呈曲线变化，随 溶质含量增加，σ、HB增加， 塑性下降。 ⑵ 具有共晶组织的合金: 性能与合金成分呈直线关系， 是两相性能的算术平均值。
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2. 合金的工艺性能与相图的关系
⑴ 铸造性能 单相固溶体的铸造性能差： 熔点高，结晶温度范围大， 流动性差，易形成分散缩孔， 而不易形成集中缩孔。 共晶和接近共晶成分的合金 铸造性好：熔点低，结晶温度 低，结晶温度间隔小。 ⑵ 锻造和焊接性能 单相固溶体具有良好的锻 造性和焊接性，变形抗力小 ，变形均匀，不易开裂。
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第三章 材料的凝固与相图
§3.2 纯金属的结晶
§3.3 合金的结晶
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§3.2 纯金属的结晶
一．结晶时的过冷现象 二．结晶的条件 三．结晶的过程 四．结晶后的晶粒大小
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一、结晶时的过冷现象
1. 凝固与结晶的概念
凝固：指物质由液态转变成固态的过程。 结晶：指物质由液态凝固为固态晶体的过程。 金属的结晶：指液态金属凝固成固态金属晶体的过程。
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§3.3 合金的结晶
一、固态合金中的相结构 二、二元合金相图的建立 三、匀晶相图 四、二元共晶相图 五、其他合金相图 六、合金的性能与相图的关系
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一、固态合金中的相结构
㈠基本概念
1.合金：指由两种或两种以上的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。
ωNi/％
0
25
50
○
75
100
○
○ ○ ○ ○
○
○
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三、匀晶相图 ㈠ 匀晶相图——指合金的两组元在液态和固态均可以
无限互溶，且只发生匀晶转变的相图称为匀晶相图。
匀晶转变： 指从液相中只结晶出单一固溶体的转变。
㈡ 相图分析
1.点、线、区的意义
点：A、B点分别是Cu和Ni的熔点； 线：AaB是液相线，AbB是固相线； 相区： 液相区：单相液态合金L； 固相区：单相固溶体α； 两相区： L+ α。
+
e
B
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（三）形成稳定化合物的相图
稳定化合物在相图中表现为一垂线，可将其视为独立组 元，并以其为界将相图分开进行分析。 如Mg - Si相图，以Mg2Si 为界分为两个简单的共晶相图进 行分析。
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六、相图与性能的关系
1. 合金的力学性能与相图的关系
称为溶质。 ● 固溶度：在一定条件下，溶质原子在溶剂中的最大
浓度，叫做溶解度，也称固溶度。
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⑵ 固溶体的分类：
● 置换固溶体：溶质原子位于晶格结点上。 ● 间隙固溶体：溶质原子位于晶格间隙中。
有限固溶体：溶质原子在溶剂中有一定 的固溶度。 无限固溶体：溶质原子可以任意比例与 溶剂原子互溶。
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四、二元共晶相图
共晶相图：指组成二元合金的两组元，在液态无限互溶而
在固态只能有限互溶，并发生共晶转变时，所构成的相图。
共晶转变：由一定成分的液相在恒温下同时结晶出两种成 分一定固相的反应。 1. 相图分析
点：
a、b：分别是Pb和Sn的熔点； d：共晶点； c：Sn在α中的溶解度最大点； e：Pb在β中的溶解度最大点； f：Sn室温下在α中的溶解度点； g：Pb室温下在β中的溶解度点；
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2.合金的平衡结晶过程
0-1点间为液相，冷却至1点，开始结晶出α相；1和2点间， 随温度缓慢下降，α相逐渐增多，液相逐渐减少；温度降至2 点的时候，液相消失，结晶完成，得到的组织为均匀单相α 固溶体。
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3、杠杆定律
杠杆定律：合金在某温度下两平衡相的重量比等于该 两相质量比： 温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
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共晶相图形成
二元共晶相图可分为三部分： 水平线以上为匀晶转变部分；
水平线上为共晶转变部分；
水平线以下为脱溶转变部分。
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线：
相图分析
adb； 固相线： acdeb； ●溶解度线（固溶线）： cf: Sn在α中的溶解度线 ， eg: Pb在β中的溶解度线 。
第三章 材料的凝固与相图 金属结晶过程示意图
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四、结晶后的晶粒大小：形核率N和长大率G。
晶粒大小：单位面积内的晶粒个数。一般用晶粒度来 在一般工业条件下，△T增大，N、G值增大，但N的 增长率大于 表示。 G的增长率。
标准晶粒度一般分为八级，一级最粗，八级最细。
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●共晶线：一条水平线 ●液相线：
cde。
相区：
α, β； ●双相区：L + α； L + β； α + β； ●三相区： L + α + β。
●单相区：L,
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2.典型合金平衡结晶分析
⑴合金Ⅰ(共晶合金)
冷却至E点（183℃）发生共晶转变，产物是（ αC + βD ），则 室温时的组织为：（α + β） 。
●平衡条件：指极缓慢冷却或加热，即在每一温度都 停留足够长时间，使合金中的原子充分扩散，组织 中各相的化学成分和相对量最终达到动态平衡。
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3.相图的建立
⑴ 配制几种不同成分的Cu – Ni合金； ⑵ 在极缓慢的冷却方式下，测出各合金的冷却曲线。冷却曲线 分组号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ ；Ⅳ Ⅴ 上的转折点表示结晶开始和结束的温度 成分 ⑶在温度－成分坐标系中，分别作出各组合金的成分垂线并标注 各临界温度点； 75 50 25 0 ωCu/％ 100 ⑷ 将相同意义的点连成线，并标明各区域内所存在的相。
标注了组织组成物的共晶相图
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课堂练习：
依据Pb-Sn相图，说明合金Ⅲ（含32%Sn ）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。
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五、其他合金相图
2.结晶时的过冷现象（图） 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。
△T = T0 – Tn
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结晶时的过冷现象
温 度
To Tn 理论结晶温度
△T
△T = T0 – Tn
实际结晶温度
时间
过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。
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冷却速度越大，则过冷度越大。
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⑶ 合金Ⅲ（过共晶合金）
结晶过程：
L→L+β→（α + β）+β→（α + β）+β + αⅡ。 室温平衡组织是： αⅡ + β + （α + β）。
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⑷合金Ⅳ
1点时，从液相中开始结晶出α相；
2点时全部转变成α相；
3点时，α相达到饱和，继续冷却， 则从α相中析出βⅡ相。
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二、结晶的条件
1. 能量条件 能量条件：Gl﹤Gs。 自由能G是表示物质能量状态的函数。
G
△G
L S
△T
Tn
T0
T
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2. 结构条件：
液体金属的原子排列结构特点：短程有序，长程无序， 存在结构起伏。
液态中的短 程有序结构
固态中的长 程有序结构
结构条件：液体金属内部存在瞬时呈现的短程有序原 子集团。
20号钢(硝酸酒精溶液腐蚀) 910℃空冷 400× 组织：铁素体+珠光体
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㈡ 合金的相结构
按相的晶体结构的特点分成两大类：固溶体和金属化合物。 1. 固溶体 ⑴ 定义：指合金结晶时所形成的在某组元的晶格中含有 其它组元原子的新固相。
与固溶体的晶体结构相同的组元称为溶剂，其它组元
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三、结晶的过程
1. 结晶的一般过程：晶核形成（形核）和晶核长大。
⑴ 晶核形成：自发形核和非自发形核。
自发形核：指在一定过冷度下，由液态金属内部规则排列的
微小原子集团稳定后转为晶核的形核方式。
非自发形核：指在一定的过冷度下，液态金属依附于外来微 小颗粒或铸型型壁形成晶核的方式。
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⑶ 性能：高硬度、高脆性、高熔点。
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二、二元合金相图的建立
1.合金系：指两个或两个以上的组元按不同比例配制成 的一系列不同成分的合金，总称合金系。 2.相图：用来表示同一合金系在平衡状态下相的组成 状态，以及相组成与温度和成分之间关系的图形。
相图，亦称相态图、相平衡状态图。