第三章材料的凝固与相图
物理冶金原理 3-二元合金相图与凝固
L
L+a TE a
A a+b
E L+b Bb
完全离异形核、离异生长的共晶组织
－球墨铸铁组织：Ductile Cast Iron
Binary Peritectic Phase Diagrams and Solidification of
Binary Peritectic Alloys
二元包晶合金相图及二元 包晶合金的凝固
NiTi2
二元系中的三相平衡
F = 2 –3 + 1 = 0
共晶转变 L a + b 共析转变 a b + g 包晶转变 L + a b 包析转变 a + b g
共晶转变 L a + b 共析转变 a b + g 包晶转变 L + a b
包析转变 a + b g
L36 + (Cr5Si3)27 Cr(3SCi rSi)35
1)、液固界面处两相局域平衡：
Local equilibrium at S/L interface Cs/CL=k
2)、液相线及固相线均为直线：k=constant 3)、液-固界面保持平面：Planar S/L interface
固相无扩散、液相完全混合
No Diffusion in Solid and Complete Mixing in Liquid
Segregation-Induced Interdendritic Eutectics
Primary Dendrite
Solidification Segregation
凝固偏析的分类：
晶内偏析（枝晶偏析） 晶界偏析 宏观偏析 微观偏析
减轻或消除凝固偏析的方法：
09-03结晶相图
G = U-T·S
GS = U - T·SS 液态 GL = U–T·SL
固态
温度在理论熔点以下
6
U…体系自由能
S…体系熵
2.结构条件 (1)在一定的过冷度下,固、液两相共存 时, 液体→固体,体积自由能下降; 液－固相界面增加, 表面自由能增 加,总的吉布斯自由能变化量为: (2)金属结晶的结构条件: 液态金属 结晶 固态金属
10
11
(4)枝晶：晶体按树枝方式生长的, 先凝固的称为主干, 随后是 分支, 再分支. 注: ① 纯净的材料结晶完毕见不到树枝晶, 但凝固过程中一般体积收缩, 树枝之间若得不到充分的液体 补充,树枝晶可保留下来; ②当材料中含有杂质,在结晶时固 体中的杂质比液体少,最后不同层次的分枝杂质含量不相同, 其组织中可见树枝晶. (5)长大线速度：凝固过程中, 晶体在不断长大, 界面在单位时 间向前推移的垂直距离(G＝dx/dt)称为长大线速度. (6)晶体缺陷：生长中晶体分支受液体流动、温差、重力等影 响,同方向的分支可能出现小的角度差,互相结合时会留下 位错; 树枝之间若得不到充分的液体补充, 出现缩孔、疏松 和空位; 此外还有气孔 、夹杂物 、成分偏析等宏观缺陷。
1级
2级
3级
Байду номын сангаас
4级 13
5级
6级
7级
8级
(2)影响晶粒大小的因素
晶粒的大小取 决于形核率N和晶核 的长大速率G. 单位体积中的晶 粒数Z与形核率N成 正比,与长大速率G 成反比,即:
一般过冷度下
很大过冷度下
Z=K(N/G)1/2
14
(3)铸件晶粒大小的控制
常温下的金属材料,晶粒愈小,其强度、塑性和韧性愈好 (表3-1)；高温下,金属材料的晶粒粗些(为什么？). 控制晶粒尺寸的方法有: a. 降低浇注温度和加快冷却速度: 如用金属模或加快散 热； b. 进行变质(孕育)处理加: 变质剂即人为加入帮助形核的 其它高熔点细粉末,如在铜中加少量铁粉或铝中加Al2O3粉 等,以非均匀方式形核并阻碍长大； c. 铸件凝固中用机械或超声波震动等也可细化晶粒尺寸； d. 若希望晶粒粗大,则对这些因素进行相反的操作。
三、二元合金相图和合金的凝固
2018/3/29
金属学与热处理
14
二、固溶体的平衡结晶过程
2018/3/29
金属学与热处理
15
在1点温度以上, 合金为液相L。 缓慢冷却至1～2温度之间时, 合金发生匀晶反应: L→α , 从液相中逐 在1~2点之间任意温度都可以用杠杆定理确定液相L和固相α 的相对
渐结晶出α 固溶体。
含量和成分。
2018/3/29
金属学与热处理
5
2018/3/29
金属学与热处理
6
三、相律及杠杆定理
1.相律及其应用
f c p 2
f —自由度数 c—系统的组元数 p—平衡条件下系统的相数 当系统的压力为常数时
f c p 1
2018/3/29 金属学与热处理 7
自由度是指在保持合金系中相的数目不变的条件下，合 金系中可以独立改变的影响合金状态的内部和外部因素 的数目。 影响合金状态的因素有合金的成分、温度和压力，当压 力不变时，则合金的状态由成分和温度两个因素确定。 纯金属的自由度最多只有一个； 二元系合金的自由度最多为2个； 三元系合金的自由度最多为3个。
的成份是不同的，它应按固相 线变化。如果冷却速度较快，
固体中原子难以通过扩散满足
相图中的平衡成份，则就产生 了不平衡凝固过程。此时，通 常先结晶的固溶体内部含高熔 点组元，而后结晶的外部则富 含低熔点组元。 这种在晶粒内部出现的成份
下图是在金相显微镜下观察 到的Cu-Ni合金不平衡凝固的 铸态组织，Ni熔点高，先结晶 出的枝干富含Ni，耐浸蚀，呈 白亮色枝间后结晶含Cu多，易 受浸蚀，呈黑色。 扩散退火的方法可消除晶内 偏析。
成全部共晶组织的成分和 温度范围称为伪共晶区。
第三章 材料的凝固与铁碳合金相图
• 一切物质从液态到固态的转 变过程称为凝固，如凝固后 形成晶体结构，则称为结晶。 金属在固态下通常都是晶体， 所以金属自液态冷却转变为 固态的过程，称为金属的结 晶。它的实质是原子从不规 则排列状态(液态)过渡到规 则排列状态(晶体状态)的过 程。
玻璃制品 水晶
• 冷却曲线与过冷
• 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。
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 入的非均匀形核物质叫变 质剂（或称孕育剂）。
• 1 影响晶核形成和长大的因素 • (1)过冷度的影响(2)未熔杂质的影响 • 2 铸态金属晶粒细化的方法 • (1)增大过冷度 • (2)变质处理 • (3)振动、搅拌
非自发形核更为普遍。
均匀形核
• 晶核的长大方式
• 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状 长大。
树枝状长大的实际观察
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
• 曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.
纯金属的冷却曲线
• 2、过冷与过冷度
• 纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶 温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。
• 结晶只有在T0以下的实际
雾
凇
结晶温度下才能进行。
• 液态金属在理论结晶温 度以下开始结晶的现象 称过冷。
• 铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成: • ⑴ 表层细晶区：浇注时， 由于冷模壁产生很大的过 冷度及非均匀形核作用， 使表面形成一层很细的等 轴晶粒区。
第03章 结晶相图
第二节 纯金属的结晶
八、铸件晶粒大小的控制
决定晶粒尺寸的要素： 从液体凝固后，每个晶核生长成一个晶 粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理论分析表明晶粒尺寸决 定于N/G，即形核率高晶粒细小，而长大速度快，晶粒尺寸增大。 控制原理与方法：生产过程通常希望材料得到细小的尺寸，为此 控制晶粒尺寸的方法有：第一，降低浇注温度和加快冷却速度， 如金属模、或加快散热，尽管形核率和长大速度都提高，但形核 率的提高快得多，所得到的晶粒将细化，可是快冷却速度会增加 零件的内应力有时甚至可能造成开裂，有时因生产环境和零件尺 寸达不到快速冷却。第二，加变质剂即人为加入帮助形核的其它 高熔点细粉末，如在铜中加少量铁粉或铝中加Al2O3粉等，以非 均匀方式形核并阻碍长大。第三，铸件凝固中用机械或超声波震 动等也可细化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高温的材料， 对这些因素进行相反的操作。
组织：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、光学显微镜、电子 显微镜等）所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、 形状、大小、数量、分布等。 组织组成物：组织中形貌相同的组成部分。
第三节
材料的相结构
二、固溶体
1. 固溶体：
当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样 互相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元 素原子的新相，称为固溶体。与固溶体的晶格相同的组成元 素称为溶剂，在固溶体中一般都占有较大的含量；其它的组 成元素称为溶质，其含量与溶剂相比为较少。固溶体即一些 元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶体结构，形成的均 匀相。
凝结－蒸发 凝固－熔化 凝华－升华
意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用 冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才 得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过 程有关，从而也影响材料的性能。
第三章 二元合金相图和合金的凝固
第三章二元合金相图和合金的凝固一．名词解释相图、相律、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、异晶转变、平衡结晶、不平衡结晶、异分结晶、平衡分配系数、晶内偏析、显微偏析、区域偏析、区域提纯、成份过冷、胞状组织、共晶组织、亚共晶组织、过共晶组织、伪共晶、离异共晶、二．填空题1.相图可用于表征合金体系中合金状态与和之间的关系。
2.最基本的二元合金相图有、、。
3.根据相律，对于给定的金属或合金体系，可独立改变的影响合金状态的内部因素和外部因素的数目，称为，对于纯金属该数值最多为，而对于二元合金该数值最多为。
4.典型的二元合金匀晶相图，如Cu-Ni二元合金相图，包含、两条相线，、、三个相区。
5.同纯金属结晶过程类似，固溶体合金的结晶包括和两个基本过程。
6.勻晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为________ 。
7.共晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为___________ _。
8.共析反应的特征为_____________，其反应式可描述为_____________。
9.金属或合金在极缓慢冷却条件下进行的结晶过程称为。
纯金属结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为；而固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为。
10.固溶体合金经不平衡结晶所产生的两类成分偏析为、。
11.固溶体合金产生晶内偏析的程度受到溶质原子扩散能力的影响，若结晶温度较高，溶质原子的扩散能力小，则偏析程度。
如磷在钢中的扩散能力较硅小，所以磷在钢中的晶内偏析程度较，而硅的偏析较。
12.固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，结晶树枝主轴含有较多的________组元。
严重的晶内偏析降低合金的，为消除枝晶偏析，工业生产中广泛采用的方法。
13.根据区域偏析原理，人们开发了，除广泛用于提纯金属、金属化合物外，还应用于半导体材料及有机物的提纯。
通常，熔化区的长度，液体的成分，提纯效果越好。
3.--材料的凝固与铁碳相图资料
一、冷却曲线与过冷
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。 曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.
纯金属的冷却曲线
2、过冷与过冷度 纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶
PQ—碳在-Fe中的固
溶线。
⒊ 相区
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
三、典型合金的平衡结晶过程
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴ 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。
亚共析钢的结晶过程
含0.20%C钢的组织
亚共析钢室温下的组织 为F+P。
在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
含0.45%C钢的组织
含0.60%C钢的组织
㈣ 过共析钢的结晶过程
合金在1~2点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏
体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示, 其沿晶 界呈网状分布.
含1.4%C钢的组织
工业纯铁的结晶过程
从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ 表示。 Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。
随温度下降，
Fe3CⅢ量不断 增加，合金的
固体物理 第三章 相图
相图分析（相图三要素） （1）点：纯组元熔点；共晶点等。 （2）线：结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。 （3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。
（1）Sn<2％的合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
共晶合金
%
de cd 100%; % 100% ce ce
合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）
（4）亚共晶合金 ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相对量计算。
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. (c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
+ Ld c
+ e
共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相 的转变。 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。 （液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共 晶反应）。 共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）
特征：三相点的温度低于A 和B的纯组元的凝固点
材料的凝固与铁碳相图资料课件
总结词
总结词
凝固过程中溶质再分配和成分过冷现象影响晶体形貌和相组成。
工艺制定
通过铁碳相图可以控制材料的熔炼、浇注、冷却等过程，确保获得高质量的铸件或锻件。
质量控制
铁碳合金的凝固过程
03
铁碳合金的凝固点取决于其成分，随着碳含量的增加，凝固点温度逐渐降低。
凝固点
形核与长大
热力学条件
在液态向固态转变过程中，铁碳合金中的原子首先形成晶核，随后晶核逐渐长大形成固态结构。
液态向固态的转变需要满足一定的热力学条件，如温度和压力等。
成分不均
由于合金在液态和固态下各组分扩散速度的差异，导致合金内部各部分成分分连续或断续的缝隙，通常是由于热应力和组织应力共同作用的结果。
变形
铸件在凝固和冷却过程中，由于各部位收缩不均匀或受到外力作用而产生的形状和尺寸变化。
铁碳合金的凝固工艺
06
合金元素可以改变材料的物理性能、机械性能和加工性能等，通过合理添加合金元素，可以提高材料的综合性能。
详细描述
总结词：结晶动力学是研究晶体生长速度、晶体形态和晶体结构随时间变化的科学。
铁碳相图
02
铁碳相图是表示铁碳合金在平衡状态下，温度、压力和各相之间关系的图形。
定义
铁碳相图由水平线（温度）、垂直线（压力）和曲线组成，其中曲线表示不同成分的铁碳合金在不同温度和压力下的平衡状态。
组成
铁碳相图反映了不同成分的铁碳合金在不同温度下的相变规律，如熔化、结晶、固态转变等。
工程材料学 第03章 结晶相图
二、二元相图
1. 概念： 所谓二元相图就是指仅含两个组元的合金体系对应的相图。相图 通常是通过测量不同成分的合金液体在冷却过程中的相变来获得的。 组元: 组元大多数情况下是元素。
2、相图特征（构成）
：
（1）7条线 AE、BE为液相线，温度在液相线上， 为单一液态； AC、BD为固相线，温度在此以下为 单一固溶体； CED：共晶反应线， 对应L+； CG、DH为 ， 固溶体的溶解度变 化线， 即：，固溶体的溶解度 随温度变化而发生变化的曲线。 （2） 6个相区 3个单相区：L、 、 3个两相区： L+, L+ 、 + 注：两个单相区由一个双相区分隔 (相律） （3）一个点 E：共晶成分点， 液体温度最低点。 成分在E点以左，为亚共晶（成分在 CE 范围） 成分在E点以右，为过共晶（成分在 ED 范围）
（2）间隙固溶体：一些小原子 （如C，O，N，H，Be）位于金 属晶格的间隙中，而不占据 晶格结点位置。形成的固溶 体（如：钢）。
2、金属间化合物：合金组元之间发 生相互作用，发生化学反应而生成一 种不同于各组元晶格的新的晶格结构 的相——金属间化合物，又称为中间 相（一般位于相图的中间位置） 金属间化合物类别：正常价化合物 电子化合物 间隙化合物
U——内能， S——熵 对于固态: GS＝US－TSS
从图中可以看出，在温度Tm处，两条曲线相交，在此温度处，两相
自由能相同
当T>Tm，GL<GS 液态稳定 当T<Tm，GL>GS 固态稳定 所以，只有当 T 在 Tm 以下， 才能保证液态转变为固态时自由 能是降低的，如在 Tn 温度处，两 者能量差为 Gv ，这能量差为液 →固转变的驱动力。 T ＝Tm－Tn 为过冷度，过 冷度愈大，Δ G愈大，结晶驱动 力愈大。
第三章 材料的凝固与相图
第三章材料的凝固与相图讲授重点：固溶体、化合物的晶体结构及性能特点；固溶强化及其实际应用；二元合金相图的基本概念。
本章难点：过冷度的概念；相、相图。
§3-1金属的结晶一、结晶的概念物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。
如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。
1．结晶与凝固的区别——前者的产物是晶体，后者可以是非晶体。
2．结晶条件——结晶温度 T ＜理论结晶温度 To（克服界面能）。
过冷度：ΔT = To–Tn （Tn：实际结晶温度）金属在无限缓慢冷却条件下(即平衡条件下)所测得的结晶温度Ｔ0称为理论结晶温度。
但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时冷却速度都是相当快的，金属总是要在理论结晶温度Ｔ0以下的某一温度Ｔn才开始进行结晶，温度Ｔn 称为实际结晶温度。
实际结晶Ｔn温度低于理论结晶温度Ｔ0的现象称为过冷现象。
而Ｔ0与Ｔn之差ΔＴ称为过冷度，即ΔＴ＝Ｔ0－Ｔn。
过冷度并不是一个恒定值，液体金属的冷却速度越大，实际结晶的温度Ｔ1就越低，即过冷度ΔＴ就越大。
实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。
3、过冷度与冷却曲线——冷速越快，过冷度越大。
4.过冷度对形核、长大的影响（见下图）二、金属结晶的过程纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的。
实验证明，金属结晶时，首先从液体金属中自发地形成一批结晶核心，形成自发晶核，与此同时，某些外来的难熔质点了可充当晶核，形成非自发晶核；随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，并继续产生新的晶核，直到液体金属全部消失，晶体彼此接触为止。
所以结晶过程，就是不断地形核和晶核不断长大的过程（如下图所示）。
结晶时由每一晶核长成的晶体就是一个晶粒。
晶核在长大过程中，起初是不受约束的，能够自由生长，当互相接触后，便不能再自由生长，最后即形成由许多向位不同的晶粒组成的多晶体。
1. 形核 —— 自发形核、非自发形核。
三元合金相图和凝固
2．固态有限溶解三元共晶合金的凝固过程和组织
合金IV L→α，L→α+γ，α→γ， 合金VI：L→α，L→α + γ，
L→β+α+γ α → β 同析反应
→ γ →
固态有限溶解三元共晶合金的凝固过程和 组织
2 4
3
3．
固态有限溶解三元共晶合金的等温截面
4．
固态有限溶解三元共晶合金的变温截面
三元相图
一、三元相图的成分表示法 二、杠杆定律及重心法则 三、匀晶三元相图 四、简单三元共晶相图 五、固态有限溶解的三元共晶相图 六、有包共晶反应的三元相图 七、 三元包晶相图 八、形成稳定化合物的三元相图 九、三元相图分析法总结 十、三元相图实例
必要性：工业材料为多元合金 本章主要内容： 1. 三元相图的表达方式，使用方法 2．几种基本的三元相图立体模型 3．各种等温截面，变温截面及各相区在浓 度三角形上的投影图 4．典型合金的凝固过程及组织，各种相变过程及 相平衡关系。
一、三元相图的成分表示法
1．浓度等边三角形：
三个顶点为纯组元，三条边为二元合金，三角形内任一点为三 元合金
一．三元相图的成分表示法：等腰三角形
一．三元相图的成分表示法：直角坐标系
三、匀晶Байду номын сангаас元相图
1． 立体模型 液相区，固相区，液、固两相区
匀晶三元相图---合金凝固过程及组织 a.平衡凝固 b.蝶形法则：如图
L→A+B+C， 练习：分析p-f之间合金的结晶过程
五、固态有限溶解的三元共晶相图
1． 固态有限溶解三元共晶立体模型 三个液相面，三个固溶体相面，一个三元共晶固相面 三个二元共晶完毕固相面， 三组二元共晶开始面
华科-工程材料学-思维导图-三.材料的凝固与相图
长大
分类
树枝状(非均匀)，存在杂质或成分过冷，不均 匀散热
结晶过程
等轴状(对称长大)，纯度高，凝固时不断地液 体补充
单位面积晶粒数量，1-8级
晶粒越细，强度越高，塑，韧性越好
晶粒大小
影响因素(形核率，长大速度)
过冷度，越大越细 杂质，细化晶粒 凝固条件(机械振动，超声波振动，细化晶粒)
加变质剂(孕育剂)
三.材料凝固与相图
晶体(有明显的熔点)，非晶体
基本概念
影响因素
粘度，越大越难成为晶体 冷却速度，越大越难成为晶体
过冷曲线，t-T
过冷过Biblioteka ，低于理想结晶温度才结晶过冷度
结晶条件
能量条件 结构条件
液体的自由能和固体有交点 过冷度越大，ΔG越大，驱动力越大 结构遗传性 一定条件下(尺寸大于临界尺寸)有晶核
工艺性能
铸造，共晶成分或纯金属(塑性好) 锻造，单相固溶体(晶粒细，塑性好)
合金的形式
相，化学成分和晶体结构均相同的组成成分， 分为固溶体与化合物
组织，微观相貌
合金的结晶 相
固溶体
间隙固溶 置换固溶
正常价化合物
金属间化合物
电子化合物 间隙化合物
性能，高硬，高脆，高熔
相图。成分，(P,T)，相之间的关系
二元相图，仅含两个组元的合金体系对应相图
如何建立，热分析法
匀晶相图，合金的二组元在液态和固态均无限 互溶，凝固时发生匀晶反应(液体直接结晶成 固溶体)
杠杆定律
相的成分确定 相的质量之比
液体无限互溶，固体有限互溶
合金相图
二元相图
二元共晶相图
共晶反应，从液体直接析出两种固溶体，形成 交替的片层组织
第三章凝固与相图
2。相图的建立 ：二元合金的结晶状态与温度和成分有关 用实验方法测绘，如Cu – Ni合金系。 热分析法（相变温度）、膨胀法、磁性法、X射线结构分析法 ⑴ 配置不同成分的Cu – Ni合金； ⑵ 将各液态合金自高温缓慢冷却，作冷却曲线。冷却曲线上 的转折点表示相变开始、终了的温度。记下这些临界点； ⑶ 连点成线。
2。两相区内的相平衡关系 ⑴ 两相的成分 过T1作水平线交液相线、固相线于a、c，则a、c的成分就分别 是液相和固相的成分。 ⑵ 两相的相对量（质量分数）满足杠杆定律： mL˙ax＝mα˙ xc ，若 mL ＋ mα ＝ 100%， 则： mL ＝xc/ac ˙ 100%， mα ＝ax/ac ˙ 100%
非 均 匀 形 核 示 意 图 均匀形核
3、晶核的长大方式 • 晶核的长大方式有两种，即 均匀长大和树枝状长大。
均匀长大
树枝状长大
• 在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。
正温度梯度
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。
可能发生晶轴转动或偏折，在晶
粒内部形成亚晶粒、位错等缺陷。
负温度梯度
树枝状长大的实际观察
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
四、晶粒的大小及其影响因素
晶粒度 就是晶粒大小，一般以单位面积的晶粒 数或以晶粒的平均直径表示。工业上采 用晶粒度等级来表示。GB6394-2002: 标 准晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。 晶粒度与材料性能 一般金属材料晶粒愈小，其强度、塑性、 韧性愈好。但高温下工作的金属 ，晶粒 应粗一些。
3.二元相图及合金的凝固
第三章二元相图及合金的凝固第三章二元相图及合金的凝固相图：phase diagram 描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。
又称状态图（state diagram）或平衡图（equilibrium diagram）。
¾二元系相图是研究二元体系在热力学平衡条件下，相与温度、成分之间关系的有力工具。
¾根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。
¾仅在热力学平衡条件下成立，不能确定相结构、分布状态和具体形貌。
3.1 相图的基本知识3.1.1 合金与相的概念（1）合金合金（alloy）组元（component）（元）二元合金三元合金多元合金合金系（alloy system）二元系三元系多元系（2）相相（phase）单相合金多相合金（3）相律（phase rule）相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。
吉布斯相律(Gibbs phase rule):F＝C一P十2式中，C：系统的组元数P：平衡共存的相的数目F：自由度。
取最小值F＝0，得出：P＝C十2若压力给定，应去掉一个自由度，P＝C十1公式表明：在压力给定的情况下，系统中可能出现的最多平衡相数比组元数多一个。
例如：一元系：C＝1，P＝2，即最多可以两相平衡共存。
如纯金属结晶时，其温度固定不变，同时共存的平衡相为液相和固相。
二元系：C＝2，P＝3，最多三相平衡共存；三元系：C＝3，P＝4，最多四相平衡共存；依此类推，n元系，最多n十1相平衡共存。
¾确定系统中可能存在的最多平衡相数。
应用：¾解释纯金属与合金的结晶差别。
应当注意，相律的限制性：1）相律只适用于热力学平衡状态。
平衡状态下各相的温度应相等(热量平衡)；各相的压力应相等(机械平衡)；每一组元在各相中的化学位必须相同(化学平衡)；2）相律只能表示体系中组元和相的数目，不能指明组元或相的类型和含量；3）相律不能预告反应动力学(速度)；4）自由度F不得小于零。
3第三章 材料的凝固1(芦凤桂)
3.1.4金属的同素异构转变
同素异构转变：在固态下随温度的改变由一种晶格转变成另一种晶格 的现象。具有同素异构转变的金属有：Fe、Mn、Co、Ti、Sn等。 1. 铁的同素异构转变： 纯铁液体
同素异构转变时，发生原子重新排列，是一种 结晶过程，称为二次结晶 其发生结构转变的温度称为临界温度或临界点
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。
上节内容回顾
化学键的分类 晶体、非晶体及各自特点 金属具有导电性、电阻、光泽和传递热能 常见的晶格类型 晶面指数、晶向指数 固溶体的概念和分类 金属间化合物概念和分类
第三章 材料的凝固 I
芦凤桂
内容提要
金属结晶过程 金属结晶的热力学条件 形核与长大 晶粒大小控制 合金的凝固：二元相图、二元匀晶相图、 二元共晶相图、二元包晶相图
金属结晶过程包括形核和晶粒长大 1.晶核的形成： （1）自发形核：近程有序的原子集 团达到一定过冷度时成为结晶核心而 长大，由液态内部自发长出结晶核心 的形核方式叫做自发形核。△T越大， 金属液体向固态转变的驱动力越大， 能稳定存在的近程有序的原子集团的 尺寸越小，生成的自发形核越多；但 △T过大时，原子扩散能力减弱，形 核率降低。 （2）非自发形核：依靠悬浮在熔体 中难熔杂质的固态颗粒或有意加入固 态微粒形成的晶核。符合“结构相似、 尺寸相当”原则。
合金的结构与相图(材料第三章)
x x1 x2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。
23
因此两相的相对 重量百分比为：
QL
xx 2 x1x2
ob ab
Q
x1x x1x2
ao ab
两相的重量比为：
Q Q Lx x1x 2x (a o)o b或 Q Lx1xQ x2x
化， Ⅱ的重量增加。
F4
室温下Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ
F
1 G
0% 0
由于二次
相析出温
度较低，
一般十分
细小。
Q
Q Ⅱ
36
Ⅰ合金室温组织
为 + Ⅱ 。
A C
F
B 成分大于 D点合金结晶
E
D
过程与Ⅰ合金相似，室
温组织为 + Ⅱ 。
G 37
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
第三章 合金的结构与相图
第一节 固态合金中的相结构 第二节 二元合金相图的建立 第三节 匀晶相图 *第四节 二元共晶相图 *第五节 二元包晶相图 *第六节 形成稳定化合物的二元合金相图 *第七节 具有共析反应的二元合晶相图 第八节 合金的性能与相图之间的关系
1
第一节 固态合金中的相结构
合金是指由两种或两种以上 元素组成的具有金属特性的 物质。
固态合金中的相分为固溶体
和金属化合物两类。
两相 合金
3
一、 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固
相称固溶体。习惯以、、表示。
与合金晶体结构相同的元素称溶 剂。其它元素称溶质。
材料的相结构及相图材料科学基础
第三章材料的相结构及相图第一节材料的相结构1.1置换固溶体当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。
金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解度视不同元素而异，有些能无限溶解，有的只能有限溶解。
影响溶解度的因素很多，主要取决于以下几个因素：(1)晶体结构晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。
只有当组元A和B的结构类型相同时，B原子才有可能连续不断地置换A原子，如图3-1所示。
(2)原子尺寸因素(3)化学亲和力(电负性因素)(4)原子价合金中的电子浓度可按下式计算:月(10口-工)+正工* (100 (3-1)式中A--分别为溶剂；B--溶质的原子价；x--为溶质的原子数分数(％)。
图3-2元素的电负性(虚线表示铁的电负性数值)1.1.2间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。
在间隙固溶体中，由于溶质原子一般都比晶格间隙的尺寸大，所以当它们溶人后，都会引起溶剂点阵畸变，点阵常数变大，畸变能升高。
因此，间隙固溶体都是有限固溶体，而且溶解度很小。
1.1.3固溶体的微观不均匀性为了了解固溶体的微观不均匀性，可引用短程序参数。
短程序参数a定义为1.1.4固溶体的性质(1)点阵常数改变(2)产生固溶强化(3)物理和化学性能的变化1.2中间相1.2.1正常价化合物1.2.2电子化合物1.2.3原子尺寸因素有关的化合物(1)间隙相和间隙化合物(2)拓扑密堆相1.2.4超结构(有序固溶体)金属间化合物由于原子键合和晶体结构的多样性，使得这种化合物具有许多特殊的物理、化学性能，已日益受到人们的重视，不少金属间化合物特别是超结构已作为新的功能材料和耐热材料正在被开发应用。
第二节二元系相图2.1固溶体的类型置换固溶体示意图间隙固溶体示意图缺位固溶体示意图2.2杠杆规则杠杆规则示意图2.3二元系相图的热力学性质2.3.1由吉布斯自由能曲线作公切线的方法绘制相图液态和固态的吉布斯自由能曲线规定纯液态NiO 作为NiO 的标准态，纯固态MgO 作为MgO 的标准态，则形成1mol 固态理想溶液时，体系的吉布斯自由能为 1mol 液态理想溶液 时，体系的吉布斯自由能为匚万）=戌丁（吟/n 端白1/1^白1门五瓢白）—12500人源日I 5.6A ^OZ 母份二磕？%兄 ++尺^（七白1口 忒口+x 篇目In x 短 J1嬴r + Ktigo把各个温度下不同的xNiO、xMgO值代入上列两式中，就可得到各个温度下液相和固相的吉布斯自由能曲线。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
第三章 材料的凝固与相图
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。
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
第三章 材料的凝固与相图
㈡共析相图
共析转变： (a + ) 共析体
T,C
L
L+
a
A
+a c
d a+
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
第三章 材料的凝固与相图
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。
第三章 材料的凝固与相图
冷却速度越大，则过冷度越大。
第三章 材料的凝固与相图
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。
第三章 材料的凝固与相图
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
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
第三章 材料的凝固与相图
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）
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。
第三章 材料的凝固与相图
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。
第三章 材料的凝固与相图
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
第三章 材料的凝固与相图
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。
+
e
B
第三章 材料的凝固与相图
（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。
第三章 材料的凝固与相图
六、相图与性能的关系
1. 合金的力学性能与相图的关系
（21/14）
（21/12）
Si
第三章 材料的凝固与相图
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。
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。
第三章 材料的凝固与相图
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。
两相相对质量分数：
第三章 材料的凝固与相图
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。
第三章 材料的凝固与相图
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）。
第三章 材料的凝固与相图
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。
第三章 材料的凝固与相图
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
第三章 材料的凝固与相图
§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
第三章 材料的凝固与相图
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。
自发形核和非自发形核同时存在，非自发形核起主导作用。
第三章 材料的凝固与相图
（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。
第三章 材料的凝固与相图
晶核按树枝状方式长大
金属的树枝晶
金属的树枝晶
第三章 材料的凝固与相图
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。
第三章 材料的凝固与相图
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。
ωNi/％025源自50○75
100
○
○ ○ ○ ○
○
○
第三章 材料的凝固与相图
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。
标注了组织组成物的共晶相图
第三章 材料的凝固与相图
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。
第三章 材料的凝固与相图
五、其他合金相图
●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。
第三章 材料的凝固与相图
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。
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 。
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。
第三章 材料的凝固与相图
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。