第二章 纯金属与合金的基本知识
工程材料 第2章 纯金属和合金的结晶-part1
水晶
结晶crystallization： 液体 凝固solidfication： 液体
晶体 固体
结晶
一、结晶的宏观现象
结晶过程的分析方法——热分析法（thermal analysis）
（一）
过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关系曲线
温 度 To T1
理论冷却曲线
G=H-TS 式中，H是焓，T是绝对温度，S是熵，可推得 dG＝Vdp－SdT 在等压时，dp=0，故上式简化 为：（dG/dT）P=-S
由于熵恒为正值，所以自由能 是随温度增高而减小。 熵的物理意义是表征系统中原 子排列混乱程度的参数。
交点温度（Tm）：两相自由能相等。
GL=GS 固态金属自由能与液态金 属的自由能之差ΔG构成了 金属结晶的驱动力。 由于金属在结晶前后液固 体积发生变化。因此，可 以通过液固单位体积自由 能的变化ΔGV来描述相变 过程。
二、晶核的长大机制
——指液态原子以什么方式添加到固相上去 （1）二维晶核长大机制 （2）螺型位错长大机制 （3）垂直长大机制 横向长大机制
（一）二维晶核长大机制 ——具有光滑界面的物质的长大机制 晶体的长大只能依靠液相中的结构起伏和能量起伏，使 一定大小的原子集团几乎同时降落到光滑界面上，形成 具有一个原子厚度并且有一定宽度的平面原子集团，使 △GS↑＜△GV↓ ，液态原子不断降落在原始原子集团周 围，自发形成了一个大于临界晶界面的稳定状态。这晶 核即为二维晶核。 晶体以这种方式长大时，其长大速度十分缓慢（单位时 间内晶体长大的线速度称为长大速度，用G表示，单位 为cm/s）。
S1 2r 2 (1 cos )
L L cos
纯金属与合金的凝固 (2)
相组成物： α+β
59
d．过共晶合金
60
➢平衡凝固过程总结： ➢（1） 各相的成分可由相图确定 ➢（2） 成分不同，凝固过程不同，组织
不同 ➢（3） 室温组织中均含有α，β两相，其
以不同的数量、形态、分布等形式体现 出不同的组织。具有不同的性能。
61
3.共晶形态
62
金属-金属共晶的常见形态
63
共晶形成的搭桥机制
64
层片共晶凝固时的原子扩散
65
➢凝固速度与共晶组织细小程度的关系
可用层片间距λ与凝固速度R之间关系描述：
λ=K R-n
➢减小层片间距可以提高共晶组织的强度
66
4．共晶合金的非平衡凝固
a．伪共晶（ I合金）
67
几种可能的伪共晶区
68
b.不平衡共晶体 （ II合金）
T4
T4
T4
T4
44
➢ 产生成分过冷的条件
G mc0 g1 - k0 R D k0 G : 液相温度梯度
R：凝固速度
m：液相线斜率
k0：平衡分配系数
c0：合金成分
D：溶质原子在液相中的扩散系数
45
成分过冷会改变晶体生长的形态
46
47
48
4.2.2 共晶相图及其合金凝固
1.共晶相图分析
基本概念：共晶转变，共晶体，共晶合金系
可通过扩散退火消除包晶偏析。
81
➢Al-Mn
82
➢Al-Cu
83
4.3二元相图的分析和使用
4.3.1 其他类型的二元相图 1.其他类型的恒温转变相图
84
（1） 具有熔晶转变的相图
高中化学《金属材料》知识点总结
高中化学《金属材料》知识点总结一、金属材料：金属材料可分为纯金属和合金。
新型金属材料是具有特殊性能的金属结构材料。
1、合金(1)概念：合金是指两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质(2)性能：合金具有不同于各成分金属的物理、化学性能或机械性能。
①熔点：合金的熔点比各成分金属低②硬度和强度：合金的硬度比各成分金属大(3)易错点：①构成合金的成分不一定是两种或两种以上的金属，也可以是金属与非金属，合金中一定含金属元素②合金的性质不是各成分金属的性质之和。
合金具有许多良好的物理、化学和机械性能，在许多方面不同于各成分金属，不是简单加合；但在化学性质上，一般认为合金体现的是各成分金属的化学性质③并非所有的金属都能形成合金，两种金属形成合金，其前提是两种金属在同一温度范围内都能熔化，若一种金属的熔点大于另一种金属的沸点，则二者不能形成合金④合金一定是混合物⑤常温下，多数合金是固体，但钠钾合金是液体2、常见的金属材料(1)金属材料分类①黑色金属材料：铁、铬、锰以及它们的合金②有色金属材料：除黑色金属以外的其他金属及其合金(2) 黑色金属材料——钢铁①生铁：含碳量在2%～4.3%的铁的合金。
生铁里除含碳外，还含有硅、锰以及少量的硫、磷等，它可铸不可煅。
根据碳的存在形式可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等几种②钢：含碳量在0.03%～2%的铁的合金。
钢坚硬有韧性、弹性，可以锻打、压延，也可以铸造。
钢的分类方法很多，如果按化学成分分类，钢可以分为碳素钢和合金钢两大类。
碳素钢就是普通的钢，碳素钢又可以分为低碳钢、中碳钢和高碳钢，低碳钢韧性、焊接性好，强度低；中碳钢强度高，韧性及加工性好；高碳钢硬而脆，热处理后弹性好。
合金钢也叫特种钢，是在碳素钢是适当地加入一种或几种，如锰、铬、镍、钨、铜等合金元素而制成的。
合金元素使合金钢具有各种不同的特殊性能，用于制不锈钢及各种特种钢③钢是用量最大，用途最广的合金(3) 有色金属材料——铜和铝①铝及铝合金：Al 是地壳中含量最多的金属元素，纯铝的硬度和强度较小，有良好的延展性和导电性，通常用作制导线。
纯金属与合金的晶体结构
图2—4 立方晶格中的几个晶向
返回
图2—5 体心立方晶胞返回来自图2—6 面心立方晶胞
返回
图2—7密排六方晶胞
返回
2.1.1晶体结构
1.晶体与非晶体
在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。如 普通玻璃、松香、树脂等。凡原子呈有序、有规则排列的物 体称为晶体，如金刚石、石墨等。金属在固态下一般均属于 晶体。
晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能差异 很大。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；非晶体没 有固定熔点，表现为各向同性。
下一页 返回
2.1.1晶体结构
2.晶格与晶胞
晶体内部原子在空间是按一定的几何规律排列的。为了便 于理解与研究，我们把原子看成是一个小球，金属晶体就 是由这些小球有规律地堆积而成的，如图2—1所示。 为了清楚地表示晶体中原子排列的规律，可以将原子简化 成一个点，用假想的线将这些点连接起来，构成有明显规 律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间 格架叫做晶格，如图2—2a所示。晶格是由许多形状、大小 相同的最小几何单元重复堆积而成的。这种能够完整地反 映晶格特征的最小几何单元称为晶胞，如图2—2b所示。
下一页 返回
2.2合金的晶体结构
2.2.2合金的结构
根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的组织可分为固 溶体、金属化合物和混合物三类。
1.固溶体 （1）间隙固溶体 （2）置换固溶体
2.金属化合物 3.混合物
上一页 返回
上一页 下一页 返回
2.1.1晶体结构
3.晶面和晶向
在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。图2—3所 示为一些简单立方晶格的晶面。通过两个或两个以上原子中 心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向，如 图2—4所示。由于在晶体的各个晶面和晶向上原子排列的疏 密程度不同，原子密度及原子间结合力大小也就不同，从而 在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有 各向异性的原因。
热处理课后练习题
第二章纯金属与合金的基本知识一、填空题：1.根据原子在空间排列的特征不同，固态物质可分为：和。
2.金属中常见的晶格类型有：、和。
3.金属中常见的晶体缺陷有：、和。
4.按合金组元间相互作用不同，合金在固态下的相结构分为和两类。
5.根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，固溶体可分为和。
6.金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为。
7.在纯金属的结晶过程中，理论结晶温度与实际结晶温度之差，称为。
8.金属的结晶过程包括和两个基本过程。
9.为了细化铸件的晶粒，改善其性能，在铸造过程中常采用的方法有：______________________、______________________、______________________。
10.Cu-Ni合金构成的相图是:_____________________。
二、判断题：1.晶体的原子排列有序，并具有各向同性的特点。
2.晶体缺陷越多，实际金属的力学性能一定也越差。
3.间隙固溶体和置换固溶体均可形成无限固溶体。
4.一般情况下，金属的晶粒越细小，其力学性能越好。
5.所谓共晶转变，是指一定成分的液态合金，在一定的温度下同时结晶出两种不同固相的转变。
6.合金是指由两种或两种以上的金属元素组成的，具有金属特性的新物质。
三、选择题：1.位错是一种（）。
A. 点缺陷B. 线缺陷C. 面缺陷D. 不确定2.固溶体的晶体结构（）A. 与溶剂的相同B. 与溶质的相同C. 与溶剂、溶质的都不相同D. 是两组元各自结构的混合3.合金发生固溶强化的主要原因（）。
A. 晶格类型发生变化B. 晶粒细化C. 晶格发生畸变D. 晶界面积发生变化4.实际生产中，金属冷却时，实际结晶温度总是（）理论结晶温度。
A. 低于B. 等于C. 高于D. 不能确定5.α-Fe是具有（）晶格的铁。
A. 体心立方B. 面心立方C. 密排六方D. 无规则几何形状第三章铁碳合金相图一、填空题：1.金属在态下，随温度的改变，由转变为的现象称为同素异晶转变。
高考化学合金知识点
高考化学合金知识点合金是由两种或两种以上的金属元素组成的固溶体。
在合金中，不同的金属元素以晶格混合的形式存在，并在晶格中形成固溶体结构。
合金具有许多优良的物理和化学性质，广泛应用于各个领域，例如航空、汽车、电子等。
一、合金的分类根据合金成分和性质的不同，合金可以分为以下几类：1. 纯金属合金：由多个金属元素组成，如黄铜（铜和锌的合金）、青铜（铜和锡的合金）等。
2. 互溶合金：由两种或两种以上的金属元素组成，相互溶解形成固溶体。
3. 互不溶合金：由两种或两种以上的金属元素组成，但不能形成均匀的固溶体结构。
4. 间隔合金：在晶格中，夹杂着其他非金属元素的合金，如不锈钢（铁、铬、镍等元素的合金）等。
二、合金的性质与应用不同的合金具有不同的性质和应用。
以下列举几种常见的合金及其应用：1. 钢：是由铁和一定量的碳组成的合金。
钢具有高强度、优良的可塑性和可焊性，广泛应用于建筑、机械、汽车等领域。
2. 铝合金：由铝和其他金属元素（如铜、锰等）组成。
铝合金具有低密度、高强度、良好的导电性和导热性，常用于航空航天、汽车制造等高科技领域。
3. 铜合金：是由铜和其他金属元素（如锌、锡等）组成的合金。
铜合金具有良好的导电性和导热性，广泛应用于电子、化工、船舶等领域。
4. 镍钛记忆合金：具有形状记忆效应的合金，可以根据温度和应力发生形状变化。
常用于医疗器械、航空航天等领域。
5. 铁铌合金：由铁和铌元素组成，具有高温强度和耐热性，常用于航空发动机、航天器等高温环境中。
三、合金的制备方法合金的制备方法主要有以下几种：1. 熔融法：将合金中的金属材料加热至熔点，通过熔融混合形成合金。
2. 粉末冶金法：将金属粉末混合均匀，再进行冶金处理，形成合金。
3. 沉淀法：通过溶液中的金属离子沉淀形成合金颗粒。
4. 溶液法：将金属溶解在溶剂中，形成合金溶液。
四、合金的应用举例合金在生活中有着广泛的应用，以下举例说明：1. 钢结构建筑：钢材作为一种常见的合金，在建筑行业中被广泛应用于大型建筑物的结构中，如桥梁、高楼等。
第2章金属材料的基础知识
相是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组 成部分。按照相的形态划分，分为液相和固相。固态合金中的相 结构，分为固溶体和金属化合物。
组织是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征 的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它 是决定材料最终性能的关键。
金属材料的基本知识
金属材料在不同的使用场合下，所要求的力 学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能各 不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同 状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性 能差异的主要原因是由于金属材料内部结构的 不同。
2.1 金属材料的基础知识
按照物质原子在三维空间排列方式的不同， 材料可分为晶体材料与非晶体材料两大类。
3）面缺陷
面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸 很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类 缺陷主要是指晶界和亚晶界。
晶界和亚晶界处区域内的原子排列不整齐， 偏离其平衡位置，产生晶格畸变。
面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作用， 强度、硬度较晶内高。因此金属内部的晶粒越 细小，晶界就越多，强度和硬度就越高。
（2）金属的实际晶体结构
在理想状态下，金属的晶体结构是原子排 列的位向或方式完全一致的晶格，这种晶体称 为单晶体。
单晶体需要通过特殊的方法才能获得，例 如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。
单晶体在不同方向上具有不同性能的现象 称为各向异性。
多晶体：由许多位向不同的晶粒构成 的晶体。
晶粒：多晶体是由许多微小的单晶体 构成的，这单晶体称为晶粒。
液体
2.1.1 纯金属的晶体结构与结晶
纯金属是指仅由同一种金属元素组成的金属。 汽车中的各种导电体、传热器等大多由纯铜、 纯铝等纯金属材料制成。纯金属是典型的晶体材料。
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。
2 金属和合金的晶体结构
面心立方结构 fcc 密排六方结构 hcp
单斜
三斜
二、典型的金属晶体结构
§1纯金属的结构
1.体心立方晶格：bcc（body centred cubic）
具有bcc结构的金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、 Nb等。
a
体心立方晶体模型
体心立方晶格
a
原子半径: 晶胞原子数: 配位数: 致密度:
r ( 3 / 4) a
空位
置换原子
晶体中的点缺陷
2）线缺陷—位错(dislocation)
§2实际金属的结构
E
EF—位错线
§2实际金属的结构
位错对晶格规律性的影响
在位错线附近，原子的错排使晶格发生畸变。
位错对晶体性能的影响
位错的存在可降低晶体
的强度。当位错大量产生后， 又可提高强度，同时使晶体 的塑性和韧性降低。
位错对晶体强度的影响
3）面缺陷：
§2实际金属的结构
晶体中存在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相 对较大，呈面状分布的缺陷。有晶界、亚晶界和相界等。
>10 ＜10
晶界示意图
亚晶界示意图
晶界等面缺陷对晶体性能的影响
晶界等面缺陷能同时提高晶体的强度和塑性。 细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段
总结：
实际的金属是一个多晶体，内部存在晶体缺陷。 空位
三、实际金属的结构
1.单晶体—晶格位向（或方 位）一致的晶体。 单晶体的特性：各向异性 现象。
§2实际金属的结构
原因：各晶面和各晶向上 原子排列的密度不一致。
z
0 x
y
2.多晶体
§2实际金属的结构
一块金属材料中包含着许多 小晶体，每个小晶体内的晶格 位向是一致的。
第二章纯金属与合金的基本知识
第二章纯金属与合金的基本知识第一节纯金属与合金的晶体结构一、金属的性能取决于化学成分和组织结构：1、态度确定性格——组织确定性能。
2、不同的材料组织不同，性能不同。
3、同种材料，采用不同的加工工艺、热处理改变组织了组织，进而改变了性能。
二、纯金属（理想金属）的晶体结构物质是由原子组成，根据原子在空间中的排列的特征不同，固体物质可分为晶体和非晶体。
1、晶体：原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性非晶体：原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。
所有金属和合金都是晶体2、晶格：把原子看成刚性小球，再将钢球视为一个点，用线条连接起来，形成空间格架。
原子排列形成的空间格子。
3、晶胞：原子的排列具有周期性变化特点，为了方便，选取一个能够完全反应晶格特征的最小的几个单元。
组成晶格最基本单元。
（实际上，整个晶格就是有许多大小、形状、位向相同的晶胞在空间重复排列而成的）4、晶格常数：为了描述晶胞的结构，选取晶胞角上一个节点，作坐标原点，三条棱边作为X、Y、乙棱边的长度a、b、c,夹角a、B、Y。
单位1A=1X 10-1°=0.1 nm5、金属中常见的晶格类型：原子的排列方式不同，晶格类型也不同。
①体心立方晶格：立方体，中心一个原子，八个角上各有一个原子。
晶格常数a=b=c,棱边夹角a = B = Y =90°。
典型金属：Cr、Mo W V、a -Fe。
②面心立方晶格：立方体，每一个面的中心和八个角各有一个原子。
晶格常数a=b=c,棱边夹角a *二丫=90°。
典型金属：Cu Ni、Ag、Au 。
③密排六方晶格：六方柱体，六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面组成。
十二个节点、上下底面中心各一个原子，晶胞中间还有三个原子。
晶格常数a=b^ c,棱边夹角a =B =90°, 丫=120°。
典型金属：Mg Be Zn、a -Ti、［3 -Cr。
原子排列不同，晶格类型不同，组织不同。
金属和合金
青铜器时 代
司母戊鼎是中国目 前已发现的最重的 青铜器。司母戊鼎 含铜84.77％、锡 11.64％、铅27.9 ％。充分显示出商 代青铜铸造业的生 产规模和技术水平。
开封﹒初中化学
铁器时 代
铁耙 两汉时期 西汉 农具
开封﹒初中化学
一架波音767大 型飞机约由 70%的铝及其 合金构成。
20世纪，铝和 铝合金的ห้องสมุดไป่ตู้用
钢的用途：钢有良好的延展性，机械性能好，用于制造机械和交通
工具。
开封﹒初中化学
⑵铜合金 铜合金 主要成 掺入成分 分 Cu 少量Zn 黄铜 Cu 少量Sn(锡) 青铜 Cu 少量Ni(镍) 白铜 ⑶钛合金：熔点高、密度小、抗腐蚀性好。 用途： 作航天、航海材料、 通迅设备、人造骨等。
开封﹒初中化学
白
金
白金是黄金和其它金属熔炼而成的白色合金。选用黄金 和钯金或镍、银、铜、锌等金属熔炼成一种白色的合金，
称之为“K白金”。
开封﹒初中化学
在铁、铝、铜、锌、钛五种金属中：
锌 常用于电镀和作干电池电极的金属是＿ 铁 生铁和钢是哪种金属的合金＿＿＿
铝 包装糖果、香烟的银白色金属材料＿＿
铜铝 常用于制造电线和电缆的金属＿＿＿
医疗材料。
低温下
用钛-镍形状记忆合金制成的人造卫星天线
开封﹒初中化学
生活小常识
黄
金
金是一种贵重金属，是人类最早发现和开发利用的金属之
一。它是制作首饰和钱币的重要原料，又是国家的重要储
备物资，以“金属之王”著称。黄金的延展性好，具有良 好的导电及导热性能。金的化学性质非常稳定，在低温或 高温时都不会被氧直接氧化。黄金可与其他金属组成合金， 如金银合金、金铜合金、金银铜合金。
第2章金属学的基本知识
（1）点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。 最常见的点缺陷是空位和间隙原子。 点缺陷可提高材料的强度和硬度。
（2）线缺陷 线缺陷的特征是在两个方向的 尺寸很小，在另一个方向的尺寸相对很大。 晶体中的线缺陷实际上就是位错，也就是说 在晶体中有一列或若干列原子，发生了有规律的 错排现象。分为刃型位错和螺型位错。
（3）晶格常数 在三维空间中，晶胞的几何 特征即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来描述，其中晶胞的棱边长 度a、b、c一般称为晶格常数。
3.金属常见的晶体结构 （1）体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是一 个立方体，在立方体的中心有一个原子，在立方体 的八个角上分别有一个与其他晶胞共有的原子。其 晶格常数a＝b＝c，棱边夹角α＝β＝γ＝90°。属于 体心立方晶格的金属有α－Fe、Cr、W、Mo等。
2.2
金属与合金的结晶
结晶 金属与合金在液态转变为固态晶体的过 程中，其原子是由不规则排列的液体状态逐步过渡 到原子作规则排列的晶体状态，这一过程称为结晶。 一、纯金属的结晶 1.冷却曲线和过冷现象 纯金属都有一个固定的熔点（或结晶温度）， 因此纯金属的结晶过程是在一个恒定的温度下进行 的，其结晶过程可以用冷却曲线来描述。
臵换固溶体
②间隙固溶体 间隙固溶体是指溶质原子溶入 溶剂晶格的间隙而形成的固溶体。 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。
柱状晶区 由于模壁温度升高，结晶释放 出的潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小， 形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶 体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。
第2章 合金的结构与结晶
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
返回
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%
返回
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
返回
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
返回
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
返回
二、共晶系合金的平衡结晶及组织
过共晶合金
返回
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
返回
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。
初中化学专题金属和金属材料知识点
中考化学专题三 金属和金属材料[考点梳理] 考点一、金属材料（一）、纯金属材料：纯金属（90多种）重金属：如铜、锌、铅等有色金属轻金属：如钠、镁、铝等（二）、合金（几千种）：由一种金属跟其他一种或几种金属（或金属与非金属）一起熔合而成的具有金属特性的物质。
1. 金属材料包括纯金属和合金两类。
金属属于金属材料，但金属材料不一定是纯金属，也可能是合金。
2. 合金可能是金属与金属组成，也可能是金属与非金属组成。
金属材料中使用比较广泛的是合金。
合金的优点：（1）熔点高、密度小；（2）可塑性好、易于加工、机械性能好；（3）抗腐蚀性能好；有色金属：通常是指除黑色金属以外的其他金属。
黑色金属：通常指铁、锰、铬及它们的合金。
纯金属钛和钛合金：被认为是21世纪的重要金属材料，钛合金与人体有很好的“相容性”，因此可用来制造人造骨等。
钛合金的优点：①熔点高、密度小；②可塑性好、易于加工、机械性能好；③抗腐蚀性能好钛镍合金具有“记忆”能力，可记住某个特定温度下的形状，只要复回这个温度，就会恢复到这个温度下的形状，又被称为“记忆金属”。
此外，钛还可制取超导材料，美国生产的超导材料中的90%是用钛铌合金制造的。
3.注意：（1）合金是金属与金属或金属与非金属的混合物。
（2）合金的很多性能与组成它们的纯金属不同，使合金更容易适于不同的用途。
（3）日常使用的金属材料，大多数为合金。
（4）金属在熔合了其它金属和非金属后，不仅组成上发生了变化，其内部组成结构也发生了改变，从而引起性质的变化。
4.2.合金的形成条件：其中任一金属的熔点不能高于另一金属的沸点（当两种金属形成合金时）。
5.青铜是人类历史上使用最早的合金；生铁和钢是人类利用最广泛的合金．6.合金都属于混合物。
考点2金属的物理性质（1）常温下一般为固态（汞为液态），有金属光泽。
（2）大多数呈银白色（铜为紫红色，金为黄色）（3）有良好的导热性、导电性、延展性（4）密度和硬度较大，熔沸点较高。
第二章 金属学的基本知识
§ 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。
上一页 下一页
§ 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
下一页
§ 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
第二章金属与合金的晶体结构及铁碳相图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.2 实际金属的晶体结构
2.2.2金属的结晶
1.结晶的基本概念 物质由液态转变为固态的过程称为凝固，如果通过凝固形成
晶体，则又称为结晶。晶体物质都有一个平衡结晶温度(熔 点)，液体只有低于这一温度时才会结晶，固体高于这一温度 时才能发生熔化。在平衡结晶温度，液体与晶体同时共存， 处于平衡状态。而非晶体物质无固定的凝固温度，凝固总是 在某一温度范围逐渐完成。 纯金属的实际结晶过程可用冷却曲线来描述。冷却曲线是描 述温度随时间而变化的曲线，是用热分析法测绘的。从图26的冷却曲线可以看出，液态金属随时间冷却到某一温度时， 在曲线上出现了一个平台，这个平台所对应的温度就是
1.单晶体和多晶体 晶体内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体，金属的单
晶体只能靠特殊的方法制得。实际使用的金属材料都是由许 多晶格位向不同的微小晶体组成的，每个小晶体都相当于一 个单晶体，内部的晶格位向是一致的，而小晶体之间的位向 却不相同。这种外形呈多面体颗粒状的小晶体称为晶粒;晶粒 与晶粒之间的界面称为晶界；由许多晶粒组成的晶体称为多 晶体，如图2-5所示，实际金属就是多晶体。 2.晶体缺陷 第一节介绍的金属晶体内部原子规则有序地排列是理想晶体 的状态。实际上金属由于结晶或其他加工等条件的影响，内 部原子排列并不是理想的，存在着大量的晶体缺陷(点缺陷、 线缺陷和面缺陷)。这些缺陷的存在，对金属性能会产生显著 的影响。
上一页
下一页 返回
2.2 实际金属的晶体结构
(2)晶核的长大 如图2-7所示，当第一批晶核形成后液体中的原子便不断
地向晶核沉积长大，与此同时又有新的晶核生成并长大， 形核与长大这两个过程是同时在进行着的，直至每个晶核 长大到互相接触，而每个长大了的晶核也就成为了一个晶 粒。
第二章 金属与合金的晶体结构和二元合金相图 (1)
过冷度
信息商务学院
2、结晶过程
1) 2) 3) 当t℃时↓，原子活动能力↓，原子间的吸引 力↑； 当t℃＝凝固℃时，液态金属的原子中，有少 数局部原子作规则排列，形成晶核； 邻近的原子以晶核为中心，继续作规则排列， 晶体迅速长大；同时，新的晶核又不断生成， 重复以上过程；
4)
这样，各小晶体长大，并相互抵触，形成许 多外形不规则的晶体，称为晶粒，晶粒间相 交形成的界面，称为晶界。
信息商务学院
第二章 金属与合金的晶体结构 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。 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。
信息商务学院
合金举例：
碳钢（carbon steel）：是铁与碳所组成的合金。 白铜：主要是铜与镍所组成的合金。 黄铜(brass)：是铜与锌等元素组成的合金。
合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有
纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如 高强度、高硬度、高耐磨性、 强磁性、耐蚀性等。
如何得到细晶粒?
金属晶粒的粗细对其力学性能影响很大。同 一成分的金属，晶粒愈细，其强度、硬度愈高， 且塑性和韧性也愈好。细化铸态金属晶粒的主要 途径是： 1) 增加过冷度(增加冷却速度) 2) 变质处理 3) 附加振动
信息商务学院
(1)增大过冷度:加快冷却速度，以增加晶核的数目；
(2)变质处理:利用异质形核的原理，在浇注前在金属液中加 入某些高熔点的物质作为结晶核心，以获得细晶粒组织，也 称孕育处理。加入的物质称为变质剂，也称孕育剂 ； (3)附加振动:对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动 和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高 形核率，使晶粒细化。
- 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)。
三、合金的晶体结构 （一）合金的基本概念 合金：由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属 元素）组成的，具有金属特性的物质。 组元 合金系 相 组织 （二）合金的相结构 固态下的相结构：固溶体、金属化合物。 1.固溶体 合金在固态下，组元间能相互溶解而形成的 均匀相。 固溶体的分类：置换固溶体和间隙固溶体。 化学工业出版社
化学工业出版社
第二节 纯金属与合金的结晶
结晶：金属与合金由液态转变为固态晶体的过程中。 一、纯金属的结晶过程 （一）冷却曲线和过冷现象 纯金属的冷却曲线。 过冷现象：金属的实际结晶温度低于理论结晶温度 的现象。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差： △T＝T0－Tn
化学工业出版社
二、纯金属的实际晶体结构 （一）多晶体结构 晶粒、晶界、显微组织 （二）晶体缺陷 分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 1.点缺陷 空位和间隙原子 2.线缺陷 位错。 刃型位错 金属强度与位错密度的关系 3.面缺陷 晶界和亚晶界。 晶粒大小与金属力学性能之间的关系。
化学工业出版社
三、合金性能与相图间的关系 （一）合金力学性能与相图的关系 （二）锻压性能与相图的关系 （三）合金铸造性能与相图的关系出版社
化学工业出版社
②两平衡相相对量的确定 mL＋mα＝m mL· x1%＋mα· x2%＝m· x% 液、固两相的相对量
mL bc mL % 100% 100% m ba
m % m ca 100% 100% m ba
（4）枝晶偏析
化学工业出版社
（1）置换固溶体 无限固溶体、有限固溶体。 （2）间隙固溶体 间隙固溶体都是有限固溶体。 形成间隙固溶体的条件：r溶质/r溶剂≤0.59。 固溶强化。 2.金属化合物 金属化合物的晶格类型和性能完全 不同于任一组元。 金属化合物的性能：高熔点、硬度和稳定性，但脆 性较大。 弥散强化。
化学工业出版社
（2）典型Pb-Sn合金的冷却过程分析 ①合金Ⅰ（E、D点之间的合金） 二次β（或次生β相），用βⅡ表示。 合金冷却到室温时的组织为α＋βⅡ。 成分位于F~G点之间的合金，室温的组织为β＋αⅡ。 ②合金Ⅱ（C点的合金） 共晶合金， 室温组织为（α＋β）共晶体。 ③合金Ⅲ（C、E点之间的合金） 亚共晶合金 室温组织为α初生＋βⅡ+（α＋β）。 ④合金Ⅳ（C、F点之间的合金） 过共晶合金 室温的组织为β初生＋αⅡ＋（α＋β）。 （3）合金的相组分与组织组分
化学工业出版社
（三）二元合金相图的基本类型及应用 二元匀晶相图和二元共晶相图。 1.二元匀晶相图 二元合金系中，两组元在液态和固态下均可以任何比例相 互溶解所构成的合金相图。
（1）相图分析 （2）合金冷却过程分析
化学工业出版社
（3）杠杆定律 作用 确定任一成分的合金在某一温度下，两个平衡相 的化学成分和每个的相对量。 ①两平衡相成分的确定
化学工业出版社
二、合金的结晶与二元合金相图 合金相图：表示在平衡状态下（缓慢冷却或缓慢加 热条件下），合金的组成相、温度、成分三者之间关系 的图形。又称为合金平衡图或合金状态图。 （一）合金的结晶 合金的冷却曲线 （二）二元合金相图 1.二元合金相图的表示方法 2.二元合金相图的建立
2.二元共晶相图 凡是在二元合金系中两组元在液态能 完全互溶，而固态下相互有限溶解或是不溶，并发生共 晶转变的相图。如Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Au-Cu等。 （1）相图分析 Pb-Sn二元共晶合金相图。 特性点、特性线 共晶转变：在一定温度 下，由一定成分的液相 同时结晶出两种成分不 同固相的转变。
化学工业出版社
（三）金属中常见的晶格类型 1.体心立方晶格 a=b=c，α=β=γ=90°， 体心立方晶格结构的金属α-Fe、Cr、W、Mo、V等。 2.面心立方晶格 a=b=c，α=β=γ=90°， 面心立方晶格的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、 Ag、Pb等。 3.密排六方晶格 a=b≠c，α=β=90°，γ=120°， 密排六方晶格的金属有Mg、Zn、Cd、Be等。 致密度：体心立方晶格的致密度为68％；面心立方 晶格和密排六方晶格的致密度均为74％。
第一节 纯金属与合金的晶体结构 一、纯金属的晶体结构 晶体与非晶体。 晶体：指在其内部原子按一定几何规律作有规则的周 期性排列的物质。各向异性。 非晶体：内部的原子是无规则地堆积在一起。各向同 性。 （一）晶格 晶格：用以描述原子在晶体中排 列形式的空间格架 （二）晶胞 晶胞：能够完全反映晶格结 构特征的最小的几何单元。
化学工业出版社
（二）纯金属的结晶过程 纯金属的结晶过程：晶核的不断形成和长大的过程。 枝晶 （三）金属晶粒大小与控制 金属晶粒的大小对常温下金属的强度、塑性和韧性的 影响。 影响金属结晶后晶粒的大小的因素：形核率N和长大速 率G 。 在工业生产中，常采用以下方法： 1.增大过冷度 2.变质处理 3.附加振动