金属的结晶与二元合金相图ppt

（二）共晶相图
共晶相图——具有两相机械混合物的合金相图 。 （或者说以共晶转变为主的相图） 共晶转变——一定化学成分的合金在一定的温 度下（恒温），同时由液相中结晶出两种不同 成分和不同晶体结构的固相。
LE
恒温
αF+βG
（ α F&化学成分的基本组织，称为共晶体。
晶粒度 1 2 3 4 5 6 7 8
单位面积晶粒数 16 32 64 128 256 512 102 2048 4 （个/mm2） 22 晶粒平均直径 250 177 125 88 62 44 31 （μm）
比较： 细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑
固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓
细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力 学性能提高的方法。 晶粒越细小，材料的强度、硬度越高，塑 性越好。（这是其它强化方法所不能的）
2、典型合金的结晶过程 （1）固溶体合金
f
合金I的结晶过程：L
L+α
α
α+βII
2、典型合金的结晶过程 （1）固溶体合金
室温下合金I 的显微组织： a）相组成 α 、β ； b）组织组成 α 、β II
f
2、典型合金的结晶过程 （2）共晶合金
f
合金II的结晶过程：L
L+（α+β）
α+β
2、典型合金的结晶过程 （2）共晶合金
第2章 金属材料的组织与性能控制
主要内容 2.1 纯金属的结晶过程 2.2 二元合金相图 2.3 铁碳合金相图 2.4 金属的塑性变形及再结晶过程 2.5 钢的热处理
重点与难点
1.金属结晶过程及细化晶粒途径 2.掌握杠杆定律及其应用； 3. Fe-Fe3合金冷却过程相变分析及利用杠杆定 律计算室温相的相对含量； 4. 塑性变形材料组织性能影响及再结晶以后组 织性能演变； 5. 掌握马氏体、贝氏体、珠光体等概念及组织 特征 6. 掌握退火、正火、淬火及回火特点及对组织 性能影响
影响晶粒大小的因素
1、成核率（N）——在单位时间和单位母相 体积内所形成晶核的数目。 成核率越大，晶粒越细小。
2、长大率G——（晶核长大线速度）是指单 位时间晶核界面向母相中推进的距离。 长大率越大，晶粒越粗大。
过冷度与晶粒大小的关系
增加过冷度，成核率N与长大率G均会 增加，但成核率N的增加速度更快些。所以 增加过冷度会细 化晶粒。
四、金属铸锭的铸态组织及缺陷
铸态组织——金属结晶后其晶粒的形态、 大小、取向、缺陷和界面的形貌。 铸态组织缺陷——疏松、夹渣、气孔和偏 析等。
金属铸锭典型的铸态组织
典型的铸锭晶粒形 态示意图:
表层细晶区 柱状晶区 中心等轴晶区
1－细晶区 2－柱状晶区 3－等轴晶区
2.2 合金结晶与二元合金相图
2、晶内偏析——枝晶偏析
晶内偏析: 在一个晶粒内，各处 成分的不均匀现象。 因为金属通常以枝晶 方式结晶，先形成的 主干和后形成的支干 就会有化学成分之差， 所以也称枝晶偏析。
消除枝晶偏析的措施
枝晶偏析会降低合金的力学性能（尤其是 塑性和韧性）和工艺性能。 均匀化退火（扩散退火）:把有枝晶偏析 的合金放在低于固相线100~200℃的温度 下进行较长时间的加热，通过原子的相互 扩散而使成分趋于均匀。
第2章 金属材料的组织与性能控制
材料的化学成分 组织结构
性能
工艺（化学成分一定）
2.1 纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )
本讲主要内容
一. 纯金属结晶的条件 二. 纯金属的结晶过程 三. 细化晶粒的途径 四. 铸锭的组织及结构简介 重点和难点：过冷度对结晶过程的影响规 律及其获得细晶的方法。
所以铸造合金的成分常取共晶成分和接近 共晶成分或选择结晶温度区间较小的合金。
三、压力加工性能与相图的 关系
固溶体合金具有良好的塑性，因而压力加工性 能好，可以进行锻、轧、拉拔、冲压等。 两相机械混合物的合金，其压力加工性能不如 单相固溶体。
这是因为主要混合物各相的变形能力不同，造 成一相阻碍另一相的变形，使塑性变形阻力增 加，因而共晶体的压力加工性最差。
匀晶转变——由液相直接结晶成单相固溶 体的结晶转变。 L α
（一）匀晶相图
1、相图分析及合金结晶过程
液相区L 双相区L+α 固相区α 液相线 固相线
液相区
双相区
固相区
匀 晶 相 图 合 金 的 结 晶 过 程
☆在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是 不相同的，其变化规律是沿着固相线变化。与此同 时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化。
1、当合金形成单 相固溶体时，由于溶质 原子使基体晶格畸变， 溶质元素浓度越高，引 起晶格畸变越大，则合 金的强度、硬度越高。 2、当合金形成为 两相机械混合物的组织 时，合金的强度和硬度 随成分的变化呈直线关 系，大致是两相性能的 算术平均值。
二、合金铸造性能与相图的 关系
铸造性能主要表现在流动性、偏析、 缩孔等方面，主要决定与液相线与固相线 之间的温度间隔。
一、纯金属结晶的条件
1.相关概念 ● 凝固 ( coagulation ) 物质由液态转变成固态的过程。
● 结晶 ( crystal ) *物质由液态转变成固态（晶态）的过程。
*物质中的原子由近程有序排列向远 程有序排列的过程。
结晶：液体 --> 晶体
凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
（三）晶核的长大
晶核长大就是晶核的固体界面向母相内不 断地推进。 晶核长大 方式
☆树枝状长大； ☆平面长大。
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
（四）金属结晶后的晶粒大小
晶粒的大小通常以晶粒度来表示。而晶粒度又 以单位截面内晶粒的数目的多少来划分的。
Pb—Sn合金系相图
（三）包晶相图
包晶相图——具有液固两相共同转变成为 另一固相的合金相图 包晶反应： L+α
恒温
β
恒温下，一种液相与一种固相互相作用生 成一种新的固相。
第三节 合金性能与相图的关系
力学性能与相图的关系
合金铸造性能与相图的关系 压力加工性能与相图的关系
一、力学性能与相图的关系
N 晶粒度 Z s 1.1 G
变质处理
增加冷却速度虽然可以细化晶粒，但同时 使结晶时的铸造应力增加；对于较大体积 的铸锭与铸件提高冷却速度是困难的。
变质处理——即在浇铸之前向金属液中加 入某些物质（变质剂）来促进晶粒细化。
三、细化晶粒的主要方法 （总结）
1、增加冷却速度: 例如：由砂型铸造改为 金属模铸造，可以提高铸件的力学性能。 2、变质处理: 例如钢水中加入钛、钒、铝 等都可使晶粒细化；铸铁中加入硅铁、硅 钙等细化石墨 3、物理方法: 振动、搅拌等
（二）共晶相图 1、相图分析
1）α固溶体：Pb为溶剂，Sn为溶质 2）β固溶体：Sn为溶剂，Pb为溶质 3）共晶体(α+β)
4）共晶点——d 5）铅的溶点——a 6）锡的溶点——b
（二）共晶相图 1、相图分析
7）α固溶体溶解度变化曲线——cf 8） β固溶体溶解度变化曲线——eg 9）三个单相区：L、α、β
过冷度（△T）:理论结晶温度与实际结晶温度 之差。对于纯金属： △T= T0－ Tn 金属的结晶都 是在一定的过冷 度下进行的，这 种现象称过冷现 象。
3、影响过冷度大小的主要因素: 1）金属液的 冷却速度； 2）金属液中 杂质含量。
4、金属结晶的两个条件:
1）能量条件: △T＞0 （△F＜0）
△F:两相的 自由能差值
ΔT ΔF Lm Tm
F固
F液
温度
2）金属结晶的结构条件
近程有序结构 远程有序结构
结晶
结构起伏
二、金属的结晶的一般过程
金属的结晶过程 包括成核和长大 两个基本过程。
晶核:作为结晶 核心的极细小的 固相晶体。
结晶的一般规律
形核 长大
（二）晶核的形成
1、均匀（自发）成核——在均匀的液态母相中自 发形成新相晶核的过程。 γc=（2σTm）/（LΔT） γc—临界晶核半径； σ—表面能；L—熔化潜热； Tm—熔点 2、非均匀成核——依附于母相中某些现成界面而 成核的过程。
3、杠杆定律
杠杆定律可以计算匀晶相图中两相区中两 平衡相的相对质量。 也可以用于计算其它类型二元合金相图两 相区中两平衡相的相对质量。
3、杠杆定律
QL+Qα=Q合 QL=(Xα-X)/(Xα-XL)=bc/ac QL×XL+Qα×Xα=Q合.X Q =(X-X )/(X -X )=ab/ac α L α L
f
2、典型合金的结晶过程 （3）过共晶合金
室温下过共晶合 金的显微组织： a）相组成 α 、β ； b）组织组成 β 、（α +β ） α II
f
2、典型合金的结晶过程 用组织组成物标注相图
合金的相组成物：
在合金的显微组织 中的基本相，如α 、 β 固溶体相。
合金的组织组成
物：由基本相组成 的单相组织和共晶 体等基本组织，如 亚共晶合金的组织 组成物 α +β II+ （α +β ）。
液体 晶体
2、 纯金属宏观现象
1、电炉 2、坩锅 3、熔融金属 4、热电偶热端 5、热电偶 6、保护管 7、热电偶冷端 8、检流计
热分析装置
纯金属结晶的条件就 是应当有一定的过冷 度（克服界面能）
过冷度
T= T0 - Tn
理论结晶温度 开始结晶温度
T
T0 0
T
Tn n