第一节 合金中的成分偏析
合金中的成分偏析
• 微观偏析程度一般用偏析系数|1－k | 微观偏析是一种不平衡状态，在热力学上是不稳定的。可通过扩散退火或均匀化
退火来消除，即将合金加热到低于固相线100～200℃的温度，进行长时间保温0， 使来偏衡析元量素。进|行1－充分k0扩|值散，越以大达，到均固匀相化和。 液相的浓度差越大，晶内偏。
|1－k0|值越大，固相和液相的浓度差越大，晶内偏析越严重。
由当于铸密锭度中的央差部异分，在 先凝凝固固下部沉分时结，晶侧沉面 淀向，斜在下铸方锭产的生下拉半应 部力形，成在低其于上平部均形成 分逆的V形负裂偏缝析，区并，被上 部富则含形溶成质高的于液平相均所 成填分充的，正最偏终析形区成。逆 V形偏析带。
收缩孔 正偏析 逆V偏析 V偏析
负偏析
图11-5 铸锭产生V形和逆V形 偏析部位示意图
• 什么叫偏析？
合金在凝固过程中 发生的化学成分不均 匀现象称为偏析
• 为什么会出现偏析？ 偏析对合金的力学性能、
• 偏析的利弊？
• 偏析的分类
抗裂偏性析能主及要耐是腐蚀由性于能合等金有
程度不同的损害。偏析也有
在凝固过程中溶质再分
有益的一面，如利用偏析现
象配可和以扩净散化或不提充纯分金引属起等的。 .
• 焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固液界面的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。 当焊接速度较大时，成长的柱状晶会在焊缝中心 相遇，在中心形成正偏析。在拉伸应力作用下， 焊缝极易产生纵向裂纹。
电弧位置
图11-6 快速焊时焊缝的区域偏析
Al-4.7Cu 合金铸件的逆偏析
逆偏析的成因在于结晶温度范围宽的固溶体合金， 在缓慢凝固时易形成粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝 晶间富集着低熔点相，当铸件产生体收缩时，低熔点相 将沿着树枝晶间向外移动。
合金中的成分偏析
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
Al-4.7Cu 合金铸件的逆偏析
逆偏析的成因在于结晶温度范围宽的固溶体合金，在缓慢凝固时易形成 粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点相，当铸件产生体收缩 时，低熔点相将沿着树枝晶间向外移动。
青岛科技大学机电工程学院
充分扩散，以达到均匀化。 表11-1 不同元素在铁中的偏析系数
元素 P S
B
C V Ti Mo Mn Ni Si Cr
元素质量 0.01~ 0.01~ 0.002 0.3~ 0.5~ 0.2~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~
分数/% 0.03 0.04 ~0.10
1.0 4.0 1.2 4.0 2.5 4.5 3.0 8.0
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焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固-液界面 的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。当焊接速度较 大时，成长的柱状晶会在焊缝中心相遇，在中心形成正 偏析。在拉伸应力作用下，焊缝极易产生纵向裂纹。
电弧位置
图11-6 快速焊时焊缝的区域偏析
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微观偏析的影响因素与消除措施
合金液、固相线间隔 （宽）
偏析程度 的影响因素
偏析元素的扩散能力 （弱）
冷却条件 （快）
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微观微偏析观是偏一析种程不度平一衡状般态用，偏在析热系力数学上|1是－不k稳0定|来的衡。可 量通过。扩|1散－退k火0或|值均匀越化大退，火固来相消和除，液即相将的合浓金度加差热到越低大于，固 晶相线内1偏00析～2越00严℃重的温。度，进行长时间保温，使偏析元素进行
合金中的成分偏析
元素 S B C V Ti Mo Mn Ni Si Cr 0.01 ~ 0.00 0.01 0.3~ 0.5~ 0.2~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 元素质 2 ~ 1. 4. 1. 4. 2. 4. 3. 8. 量 0. ~ 0 0 2 0 5 5 0 0 分数/% 0.03 0 0.10 4 偏析系
•表11-1
P
不同元素在铁中的偏析系数
二、宏观偏析
宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包 括： • 正常偏析 • 逆偏析
• V形偏析和逆V形偏析
• 带状偏析与层状偏析
系数较大的合金，当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固， a－平衡凝固 b－液相只有扩散 c－液相完全混合 d－液相部分混合 可以利用溶质的正常偏析现象对金属进行提纯精炼。 偏析反而减轻。
微观偏析的影响因素与消除措施
合金液、固相线间隔 （宽）
偏析程度 的影响因 素
偏析元素的扩散能力 （弱） 冷却条件
（快）
•
微观偏析是一种不平衡状态，在热力学上是
不稳定的。可通过扩散退火或均匀化退火来消
微观偏析程度一般用偏析系数|1－k0|
来衡量。|1－k0|值越大，固相和液相的浓 除，即将合金加热到低于固相线100～200℃的 度差越大，晶内偏析越严重。 温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分
正常偏析随着溶质偏析系数|1-k0|的增大而增大。但对于偏析 图11-3 单向凝固时铸棒内溶质的分布 偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消除，但
•
焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固液界面的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。
当焊接速度较大时，成长的柱状晶会在焊缝中心
相遇，在中心形成正偏析。在拉伸应力作用下，
第三章合金的结构与相图本章重点1`固溶体与化合物及其特性
⑤ 温度
固溶体的溶解度受温度的影响较大， 一般温度越高，固溶体的溶解度越大。 如，奥氏体在727℃能溶解0.77%的碳， 而在1148℃则能溶解2.11%的碳。
3、固溶体的性能
当溶质元素的含量极少时，固溶体的性 能与溶剂金属基本相同。随着溶质元素含量 的升高，固溶体的性能发生明显变化，表现 在强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降， →固溶强化。
金属间化合物
FeS, MnS 等
一般化合物
金属间化合物可以作为合金的组 成相（强化相），而非金属化合物在 合金中大多属于有害杂质。如FeS 在 钢中引起热脆。
1、金属间化合物的组织与性能特点
金属间化合物具有复杂的晶格结构， 熔点高，硬而脆，其在合金中的分布形 态对合金的性能影响很大，当金属间化 和物以大块状或成片状形态分布时，合 金的强度、塑性均很差；当金属间化合 物呈弥散状质点分布时，合金的强度高， 塑性、韧性较好。
范围内变化，电子化合物可以溶解一定量的组
元，形成以电子化合物为基的固溶体。
C、间隙化合物
由原子直径较大的过渡族元素与原子直径 很小的C、N、B等元素组成，过渡族元素的原 子占据晶格的正常位置，尺寸较小的非金属元 素原子有规则地嵌入晶格空隙中，形成间隙化 合物。
① 间隙相
当非金属元素原子与过渡族金属元素原 子直径的比值（d非/d过）<0.59时，形成的间 隙化合物具有比较简单的晶格结构，成为间 隙相。 如：W2C, VC, TiC, MoC, TiN, VN 等。
偏析的存在，会使金属强度下降，塑 性较差，耐腐蚀性降低，应采用均匀化退 火（扩散退火）予以消除。
第四节 二元共晶相图 当合金的二组元在液态时无限互溶， 在固态时有限互溶，且发生共晶反应， 此合金系的相图为二元共晶相图。
钛合金熔炼时的偏析
钛合金熔炼时的偏析偏析普遍存在于钛合金中，偏析对合金的力学性能具有较大的影响，甚至可能无法获得合格铸锭。
钛合金的偏析一般分为两类：宏观偏析和微观偏析。
固相无限互溶的合金在三维空间内发生枝晶生长时，引起液体流动的动力将导致宏观偏析。
这些动力包括凝固收缩（或膨胀），冷却时的液相收缩，液体内不同密度引起的重力作用，凝固时固相的收缩及移动，大容积内液体对流向枝晶间的穿透，固-液区内气体的形成。
宏观偏析包括正偏析、负偏析和比重偏析。
微观偏析是指通常的铸件生产中，枝晶干（或胞晶干）心部与枝晶间（或胞晶间）成分上的差异，可以用偏析比S R 表示微观偏析的大小。
微观偏析包括晶内偏析和晶界偏析。
钛合金的偏析影响钛合金组织，钛合金的组织缺陷例如难熔金属夹杂、间隙元素偏析，合金元素偏析引起的组织缺陷，反常态的α相形态等对钛合金的使用寿命、性能方面存在致命的影响。
因此在熔炼过程中如何避免偏析必须引起冶金工作者的注意。
有人研究了Ti-10V-2Fe-3Al合金的熔炼偏析。
实验过程采用电子束冷床炉初熔，VAR二次重熔。
图3-19为距铸锭中心15mm和50mm处合金元素的轴向分布。
可以看出，沿着凝固方向，V和Al元素含量逐渐降低，而Fe元素逐渐升高。
这是因为Fe元素是正偏析元素，朝向熔体方向富集，因此从底部到顶部沿着铸锭凝固方向含量逐渐升高。
下文简要分析几种常见的偏析及形成原因，以帮助在熔炼过程中进行防范。
Ⅰ类α偏析：主要是指O、N、C偏析，最常见的为TiN夹杂，也称为软α型缺陷、间隙元素偏析。
这种偏析通常都很硬，会损害疲劳强度和塑性。
当上述元素浓度很高时，可以观察到包括化合物在内的其他相，这些元素只要很少的量就能对钛的硬度产生显著影响。
钛的氮化物和碳化物以及更难出现的氧化物都有较高的熔点，这些物质在钛熔炼时难于熔化和充分散开，因此原材料中要避免这些间隙元素的浓度过高。
高碳偏析区内粗大晶界、碳化物网等薄弱环节吸收了较多的H，会弱化晶界强度，促进碳化物网的脆性倾向。
【材料科学基础】必考知识点第四章
2020届材料科学基础期末必考知识点总结第四章二元相图相：（概念回顾）相图：描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。
二元相图：第一节相图的基本知识1 相律（1）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。
（2）表达式：f=c-p+2; 压力一定时，f=c-p+1。
（3）应用可确定系统中可能存在的最多平衡相数。
如单元系2个，二元系3个。
可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。
纯金属结晶恒温进行，二元合金变温进行。
2 相图的表示与建立（1）状态与成分表示法状态表示：温度－成分坐标系。
坐标系中的点－表象点。
成分表示：质量分数或摩尔分数。
（2）相图的建立方法：实验法和计算法。
过程：配制合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－绘出曲线。
相图结构：两点、两线、三区。
3 杠杆定律（1）平衡相成分的确定（根据相率，若温度一定，则自由度为0，平衡相成分随之确定。
）（2）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。
（3）注意：只适用于两相区；三点（支点和端点）要选准。
第二节二元匀晶相图1 匀晶相同及其分析（1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。
（2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。
（3）相图分析（以Cu-Ni相图为例）两点：纯组元的熔点；两线：L, S相线；三区：L, α, L+α。
2 固溶体合金的平衡结晶（1）平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。
（2）平衡结晶过程分析①冷却曲线：温度－时间曲线；②相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式，杠杆定律应用。
）；③组织示意图；④成分均匀化：每时刻结晶出的固溶体的成分不同。
（3）与纯金属结晶的比较①相同点：基本过程：形核－长大；热力学条件：⊿T>0；能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。
②不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相率分析，必要性：成分均匀化。
）合金结晶是选分结晶：需成分起伏。
3 固溶体的不平衡结晶（1）原因：冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均匀）。
基于合金中元素的偏析研究
基于合金中元素的偏析研究发布时间：2022-10-21T06:27:35.804Z 来源：《中国建设信息化》2022年11期第6月作者：金鸿飞[导读] 近年来，人们尝试从电子结构的角度来解释元素在钢铁中的致脆机理，一金鸿飞江苏省特种设备安全监督检验研究院江苏省昆山市摘要：近年来，人们尝试从电子结构的角度来解释元素在钢铁中的致脆机理，一般来说，铅、锡、锑、铋和砷等都是典型的导致钢铁脆性的元素，这些元素在晶界偏析的程度越高，表示钢铁的脆性就越大[20]。
本文通过制备一系列Fe-Sn、Fe-Mo、Fe-Mo-Sn系的合金，研究了合金中元素的偏析以及Fe的d电子数的变化，希望从Fe的d电子数的角度来解释杂质元素导致钢铁脆性的物理根源。
关键词：合金元素；Fe-Sn合金；Fe-Sn-Mo合金；1 研究意义自从19世纪末期以来，钢铁开始在世界范围使用，钢铁材料成为近百年来最重要的结构材料之一。
但是一些钢铁材料的脆性断裂曾经给人类社会带来巨大的灾难。
例如，人们所熟知的泰坦尼克号的沉没事件。
作为当时世界上最大的船只，泰坦尼克号号称永远不会沉没，然而却在它第一次航行的途中就葬身大海。
其原因在于它撞上了冰川之后, 构成船身的钢材发生了脆性断裂，从而导致了灾难的发生。
在历史上，由于钢铁脆性断裂带来的安全隐患就更加数不胜数了。
有记录的第一次的事故是在19世纪末期的纽约长岛，那里有一个很大的支柱型钢板铆接水塔，其25.4毫米厚的底部出现了6.1米长的裂纹。
在我国20世纪末期，吉林省的五河大桥也发生了类似事故，大桥的两个斜拉杆发生了脆性断裂，桥节点附近的裂缝达到0.1?0.2米宽，被发现的裂缝多达700多条。
为了避免发生脆性断裂，在工程设计上需要留出大量的余量。
如果能够搞清楚脆性断裂的根源，不仅能够避免重大安全事故，消除隐患，而且能够节约大量的材料，简化工程，大大节约成本。
因而，近百年来，钢铁的脆性问题一直是金属学领域的一个重要研究课题。
合金的结构和相图
1.匀晶相图
（1）匀晶相图分析
匀晶相图分析
图中只有两条曲线，其中Al1B称为液相线，是各 种成分的合金在冷却时开始结晶或加热时熔化终 止的温度；Aα4B称为固相线，是各种成分的合金 在加热时开始熔化或冷却时结晶终止的温度。显 然，在液相线以上为液相单相区，以L表示；在固 相线以下为固相单相区，各种成分的合金均呈α固 溶体，以α表示；在液相线与固相线之间是液相与 α固溶体两相共存区，以α+L表示。A点是Cu的熔 点，B点是Ni的熔点。
共析相图
第三节 合金性能与相图的关系
合金的使用性能决定于合金的成分和组织， 而合金的结晶特点又影响了其工艺性能。由 于相图是表示合金的结晶特点及成分、温度 及组织之间的关系的，因此，相图和合金性 能之间存在着一定的联系。掌握这些规律， 对选用和配制合金是必要的。
一、合金力学性能与相图的关系
二、合金铸造性能与相图的关系
成分
SB
100%B
温 度
L + SA
共晶相图
L
L
+
Y℃ SB
SA+SB
SA+(SA+SB)
SB +(SA+SB)
100%A
X% 成分
100%B
共晶相图
温
LX Y℃ SA+SB
度
SA L
L
L
L
SA +
L
+
SA
SA
L
Y℃ SB
SA+(SA+SB)
SB +(SA+SB)
铝 粗枝晶偏析-概述说明以及解释
铝粗枝晶偏析-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述铝粗枝晶偏析是指在铝合金的凝固过程中，出现晶体生长方向不一致的现象，导致部分晶体枝晶增长较为突出，从而形成不均匀的晶粒结构。
这种偏析现象会对材料的性能以及加工工艺产生不良影响，因此对铝粗枝晶偏析的原因和影响因素进行深入研究，以便采取相应的措施减少偏析现象的发生，具有重要的理论和实际意义。
本文主要围绕铝粗枝晶偏析展开讨论。
首先，我们将介绍铝粗枝晶偏析的定义，明确其概念和特征。
其次，我们将探讨形成铝粗枝晶偏析的原因，包括化学成分、凝固速度等因素的影响。
最后，我们将分析影响铝粗枝晶偏析的因素，如温度、合金成分等因素的作用机制。
通过对铝粗枝晶偏析的全面研究，我们可以更好地了解这一现象对铝合金材料性能的影响，为减少偏析现象提供理论依据。
在结论部分，我们将总结铝粗枝晶偏析的影响，探讨减少铝粗枝晶偏析的方法，并展望未来对铝粗枝晶偏析的研究方向。
通过本文的深入探讨，我们期望能够为铝合金材料的制备和加工提供一定的理论指导，从而提高铝合金的质量和性能。
1.2 文章结构文章结构部分的内容：本文将按照以下结构进行论述：1. 引言：首先对铝粗枝晶偏析进行概述，包括对其定义、形成原因以及影响因素的简要介绍，同时明确本文的目的和意义。
2. 正文：重点分析铝粗枝晶偏析的相关内容，分为以下几个方面进行论述：2.1 粗枝晶偏析的定义：详细解释粗枝晶偏析的概念，包括铝材料中晶粒的生长过程以及晶粒偏析所导致的现象和问题。
2.2 形成铝粗枝晶偏析的原因：深入探讨形成铝粗枝晶偏析的各种原因，包括温度、合金元素含量、凝固速度等因素对晶粒生长和偏析程度的影响。
2.3 影响铝粗枝晶偏析的因素：进一步分析影响铝粗枝晶偏析程度的各种因素，包括材料处理、合金化改性、凝固条件等对晶粒溶质分配和偏析行为的影响。
3. 结论：总结铝粗枝晶偏析对铝材料性能和工艺加工的影响，并提出减少铝粗枝晶偏析的方法和措施。
偏析的分类PPT课件
应该指出的是，Scheil方程是在假定 固相没有溶质扩散的条件下导出的，是 一种极端情况。实际上，特别是在高熔 点合金中，如碳、氮这些原子半径较小 的元素在奥氏体中扩散往往是不可忽视 的。
图6-7表示Cu-Sn8%合金单相
凝固时铸态组织中Sn在枝晶横截
面分布的等浓度线。已知Cu-Sn
微观偏析——晶粒尺寸范围（包括晶界）里的化学成分不均匀 现象。
宏观偏析——铸坯整个断面上化学成分不均匀现象。
偏析的分类
微观偏析 ：晶内偏析（枝晶偏析），晶界偏析
宏观偏析 ：正偏析，逆偏析，V型偏析和逆V型偏析，
带状偏析，重力偏析
化学成分的不均匀性
偏析也可根据铸件各部位的溶质浓度CS与合金原始平均浓度C0的 偏离情况分类。凡CS＞C0者，称为正偏析，CS＜C0者，称为负偏 析。这种分类不仅适用于微观偏析也适用于宏观偏析。
偏析是铸件的主要缺陷之一。偏析对铸件质量影响很大，主要表 现在以下几个方面：
（1）微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异，影响铸件 的力学性能。有时使铸件难于加工。
（2）晶界偏析往往有更大的危害性，由于偏析使得低熔点共晶容易 集中在晶粒边界，即增加铸件在收缩过程中产生热裂的倾向性， 又能降低铸件的塑性。
DS S 2
DS－溶质在固相中的扩散系数 －局部凝固时间 S－枝晶间距一半
各种元素在不同合金系中的分配系数k0和
扩散系数DS是不同的，因此，枝晶偏析程度也
不同。分配系数k0愈小(k0 ＜1时)或k0愈大(k0
＞1时)，或扩散系数DS愈小，则枝晶偏析愈严
重。因此，可用l1- k0l定性地衡量枝晶偏析的 程度。 l1- k0l愈大，枝晶偏析愈严重， l1k0l称为偏析系数。
铸造工艺学讲义一（基础知识）
一.熔模铸造 二.金属型铸造 三.压力铸造
第五节 零件结构的铸造工艺性
一.铸件结构的合理性 二.铸件结构的工艺性 三.铸造方法对铸件结构的特殊要求
2
前言
商代司母戊鼎
中国商代晚期的青铜器。1939年于河南安阳殷墟商代晚期墓 出土。因腹内壁铸有“司母戊”三字而得名。该鼎造型庄严雄伟。 长方形腹，每面四边及足上部饰兽面纹。双耳，外侧饰双虎噬人 首纹。四足中空。高133厘米、口长110厘米、口宽79厘米、重 832.84千克。该鼎的化学成分为：铜84.77%，锡11.64%，铅2.79%， 其他0.8%。是中国目前已发现的最大、最重的古代青铜器。
b) 进行去应力退火 铸件机加工之前应先采用时效或去应力退
液态收缩与凝固收缩 主要表现为体积的缩减，
产生缩孔、缩松 固态收缩
导致尺寸减小，产生内 应力和出现裂纹。
18
（三） 影响合金收缩的因素
1. 化学成分 不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造 合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。 2. 浇注温度 合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。 3. 铸件结构与铸型条件 铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同， 各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之 铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其 自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。
图1-7 缩松形成过程示意图
21
比较缩孔和缩松的特征
缩孔：集中性，位于上部，呈倒锥形，内表面粗糙。
缩松: 分散性，为细小缩孔,位于铸件壁的轴线区域。
22
2.缩孔、缩松的防止措施 1）.定向凝固与同时凝固
按铸件壁厚分布均匀程度不同（即冷却快慢不同）,分为： 定向凝固（或称顺序凝固)-薄部先凝固，厚部后凝固，冒口最后 凝固。 同时凝固（厚薄不同部位趋近同时凝固，金属液从薄部引入）。
材料科学基础基础知识点总结
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。
如复合材料。
3 结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。
长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列一晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。
（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
金属学与热处理-期末复习重点
第一章金属的晶体结构第一节金属1度系数为负值。
第二节金属的晶体结构1、晶体的特征：1、具有一定的熔点2、各向异性非晶体为各向同性23、为了清楚地表明原子在空间排列的规律性，常常将构成晶体的原子抽象为纯粹的几何点，称之为点阵。
这些点阵有规则地周期性重复排列所形成的三维空间阵列称为空间点阵。
常人4567、常见的三种晶体结构主要是指体心立方、面心立方和密排六方结构，其中体心立方结构(BCC)每个晶胞含有2原子，其原子配位数为8，致密度是68%面心立方结构(FCC)每个晶胞含有4原子，其原子配位数为12；致密度是74%密排六方结构(HCP)每个晶胞含有6原子，其原子配位数为12，致密度是74% 。
8、密排面的堆垛顺序是AB AB AB……，构成密排六方结构ABCABCABC……，构成面心立方结构9、通常以[uvw]表示晶向指数的普遍形式原子排列相同但空间位向不同的所有晶向成为晶向族，<uvw>表示晶面指数的一般表示形式为(hkl)晶面族用大括号{hkl}表示10、在立方结构的晶体中，当一晶向[uvw]位于或平行于某一晶面(hkl)时，必须满足以下关系：hu+kv+lw=0当某一晶向与某一晶面垂直时，则其晶向指数和晶面指数必须完全相等，即u=b、v=k、w=l。
12、由于多晶体中的晶粒位向是任意的，晶粒的各向异性被互相抵消，因此在一般情况下整个晶体不显示各向异性，称之为伪等向性。
一般金属都是多晶体第三节实际金属的晶体结构1、晶体中的线缺陷就是各种类型的位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。
2、刃型位错的重要特征：1、刃型位错有一额外半原子面；2、位错线是一个具有一定宽度的管道3、位错线与晶体的滑移方向相垂直，位错线运动的方向垂直于位错线螺型位错的重要特征：1、螺型位错没有额外半原子面；2、螺型位错线是一个具有一定宽度的管道，其中只有切应变，而无正应变3、位错线与晶体的滑移方向平行，位错线运动的方向与位错线垂直4、位错线与柏氏矢量垂直就是刃型位错，位错线与柏氏矢量平行，就是螺型位错。
铝合金成分分析及取样的方法
铝合金成分分析及取样的方法
铝合金成分分析及取样的方法
铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金，其中铝硅合金又有过共晶硅铝合金，共晶硅铝合金，单共晶硅铝合金，铸造铝合金在铸态下使用。
例如：ADC12压铸铝检测鉴定，3003铝板等检测鉴定，铝合金中硅(Si)，铜(Cu)铁(Fr)，锰(Mn)，镁(Mg)，镍(Ni)，锌(Zn)，钛(Ti)，铬(Cr)等合金化元素分析。
下面，我们来简单的了解一下试样的制取方法：
从每个试样坯料上制取等量试样，将它们合并成一个试样（总量不少于80g，且大于四倍分析需要的量），并充分混匀。
应用磁铁去除制样时带进碎屑试样中的所有铁屑，应彻底清除制样时偶然带进试样中的任何其它杂质。
成分偏析
正常偏析随着溶质偏析系数|1-k0|的增大而增大。但对于偏析 的增大而增大。 正常偏析随着溶质偏析系数 的增大而增大 图11-3 单向凝固时铸棒内溶质的分布 偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消除， 偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消除，但
焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固液界面的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。 当焊接速度较大时，成长的柱状晶会在焊缝中心 相遇，在中心形成正偏析。在拉伸应力作用下， 焊缝极易产生纵向裂纹。
什么叫偏析？
合金在凝固过程中 合金在凝固过程中 发生的化学成分不均 匀现象称为偏析
偏析对合金的力学性能、 偏析对合金的力学性能、
为什么会出现偏析？ 偏析的利弊？
抗裂性能及耐腐蚀性能等有 程度不同的损害。 程度不同的损害。偏析也有 有益的一面， 有益的一面，如利用偏析现 象可以净化或提纯金属等。 象可以净化或提纯金属等。
a） b） 图11-7 焊缝的层状偏析 a) 焊条电弧焊 b) 电子束焊
三、焊接熔合区的化学成分不均匀
硫 的 浓 度 wS / % /% 母材 焊缝
母材
Tm 11-9 ( E=11.76kJ/cm
焊
S 母材
P S
,
P
焊
焊缝
E=23.94kJ/cm
)
增碳层
脱碳层
wC %
焊缝金属 －x
x1
x2
母材金属 x
•表11-1
P
不同元素在铁中的偏析系数
二、宏观偏析
宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包 括： 正常偏析 逆偏析 V形偏析和逆V形偏析 带状偏析与层状偏析 重力偏析
系数较大的合金，当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固， 系数较大的合金，液相只有扩散 c－液相完全混合 d－液相部分混合 a－平衡凝固 b－ 当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固， － － － － 可以利用溶质的正常偏析现象对金属进行提纯精炼。 可以利用溶质的正常偏析现象对金属进行提纯精炼。 偏析反而减轻。 偏析反而减轻。
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。
铜晶界中合金元素偏析倾向及其对晶界性能影响的第一性原理研究
铜晶界中合金元素偏析倾向及其对晶界性能影响的第一性原理研究铜晶界中合金元素偏析倾向及其对晶界性能影响的第一性原理研究摘要：合金元素在晶界中的分布对晶界性能具有重要影响。
本研究利用第一性原理计算方法，研究了铜晶界中合金元素的偏析倾向及其对晶界性能的影响。
通过对铜晶界和合金元素的结构特征进行分析，揭示了不同合金元素在铜晶界中的偏析倾向，并分析了其对晶界能量和结构稳定性的影响。
本研究可以为合金设计和晶界工程提供理论指导和基础。
1. 引言晶界是晶体内部的界面区域，在材料性能中起着重要作用。
合金元素的加入可以显著改变晶界的性质，从而影响材料的力学性能、腐蚀行为和电子输运性能等。
合金元素在晶界中的分布情况直接决定了晶界的结构和性能。
因此，研究合金元素在晶界中的偏析行为及其对晶界性能的影响，对于材料的设计和应用具有重要意义。
2. 方法本研究采用第一性原理计算方法，基于密度泛函理论，通过VASP软件包进行计算。
首先，构建了铜晶体的模型，然后将合金元素按不同浓度加入铜晶界中，计算晶界结构和能量。
接着，通过计算不同合金元素在晶界中的形成能，得到合金元素在晶界中的偏析倾向。
最后，分析了合金元素偏析对晶界性能的影响。
3. 结果与讨论通过计算不同组分合金元素在铜晶界中的形成能，可以得到它们在晶界中的偏析倾向。
可以发现，某些合金元素在铜晶界中有强烈的偏析倾向，即更有可能富集在晶界中。
这种偏析行为与合金元素的电子结构和晶界的结构特征密切相关。
进一步分析发现，合金元素的偏析在很大程度上影响了晶界的能量和结构稳定性。
富集在晶界中的合金元素与晶界原子形成化学键，导致晶界能量的增加。
同时，合金元素的富集也引起晶界结构松弛，导致晶界的畸变和扩散行为的改变。
这些因素综合作用，影响了晶界的稳定性和机械强度。
4. 应用前景本研究对于合金设计和晶界工程具有重要意义。
通过研究合金元素在铜晶界中的偏析行为，可以优化合金的结构和性能。
例如，在材料加工过程中，可以合理选择合金元素，控制其在晶界中的偏析行为，从而改善晶体的强度和韧性。
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晶内偏析越严重。
充分扩散，以达到均匀化。 表11-1 不同元素在铁中的偏析系数
元素 P S B C V Ti Mo Mn Ni Si Cr
元素质量 0.01~ 0.01~ 0.002 0.04 ~0.10 分数/% 0.03
0.3~ 0.5~ 0.2~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0~ 1.0 4.0 1.2 4.0 2.5 4.5 3.0 8.0
偏析系数 0.94 0.90 |1－k0|
0.87
0.74
0.62
0.53
0.51
0.86
0.65 0.35
0.34
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普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
二、宏观偏析
宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包括：
正常偏析
逆偏析 V形偏析和逆V形偏析 带状偏析与层状偏析 重力偏析
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焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固-液界面 的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。当焊接速度较 大时，成长的柱状晶会在焊缝中心相遇，在中心形成正
偏析。在拉伸应力作用下，焊缝极易产生纵向裂纹。
电弧位置
图11-6 快速焊时焊缝的区域偏析
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由于密度的差异， 当铸锭中央部分在
先凝固部分结晶沉 凝固下沉时，侧面
淀，在铸锭的下半 向斜下方产生拉应 部形成低于平均成 力，在其上部形成
分的负偏析区，上 逆V形裂缝，并被
部则形成高于平均 富含溶质的液相所 成分的正偏析区。 填充，最终形成逆 V形偏析带。
HAZ中的碳易向焊缝中扩散，在熔合线两侧分别形成增碳区和脱碳区。
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Al-4.7Cu 合金铸件的逆偏析
逆偏析的成因在于结晶温度范围宽的固溶体合金，在缓慢凝固时易形成 粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点相，当铸件产生体收缩 时，低熔点相将沿着树枝晶间向外移动。
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晶内偏析（枝晶偏析） 晶界偏析 微观偏析的影响因素与消除措施
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1、晶内偏析
晶内偏析是在一个晶粒内出现的成分不均匀 现象，常产生于具有结晶温度范围、能够形成固 溶体的合金中。 固溶体合金按树枝晶方式生长时，先结晶的枝 干与后结晶的分枝也存在着成分差异，又称为枝
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第一节 合金中的成分偏析
什么叫偏析？
为什么会出现偏析？ 偏析的利弊？
合金在凝固过程中发生的化学 成分不均匀现象称为偏析 偏析是合金在凝固过程中由于 溶质再分配和扩散不充分引起的
偏析对合金的力学性能、抗裂性能及 耐腐蚀性能等有程度不同的损害。但利 用偏析现象可以净化或提纯金属等。
晶偏析。
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和非金属夹杂物常 富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异， 这种成分不均匀现象称为晶界偏析。 晶界偏析比晶内偏析的危 害更大，既能降低合金的 塑性与高温性能，又增加 热裂纹倾向。
Ni-25% Cu合金快凝后的树枝状偏析 青岛科技大学机电工程学院
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晶粒并排生长，晶
界平行于晶体生长
方向，晶界与液相
的接触处存在凹槽，
溶质原子在此处富
集，凝固后就形成
了晶界偏析。
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晶粒相对生长，在对合 处彼此相遇。晶粒结晶时 所排出的溶质（k0＜1） 和其他杂质元素在固-液界
面前沿富积，在最后凝固
的晶界对合部位将含有较 多的溶质和其他低熔点物 质，造成晶界偏析。
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微观偏析的影响因素与消除措施
合金液、固相线间隔 （宽） 偏析程度 的影响因素 偏析元素的扩散能力 （弱） 冷却条件
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图11-3 单向凝固时铸棒内溶质的分布 正常偏析随着溶质偏析系数|1-k0|的增大而增大。但对于偏析系数较大 偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消除，但可以利用溶质的正 的合金，当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固，宏观偏析反而减轻。 a－平衡凝固 b－液相只有扩散 c－液相完全混合 d－液相部分混合 常偏析现象对金属进行提纯精炼。
层状偏析
a） b） 图11-7 焊缝的层状偏析 a) 焊条电弧焊 b) 电子束焊
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三、焊接熔合区的化学成分不均匀
熔合线 硫 的 浓 度
母材
熔合区是母材与熔池的界面， Tm 温度下由于S、P等杂质元素在固相 熔合区的化学成分不均匀程度与焊接规范有关,大的焊接 图11-9 熔合区中硫的分布 中的平衡含量远低于液相，造成近界面部位母材中的 S、P 向焊缝中 注：上面数字E=11.76kJ/cm 下面数字E=23.94kJ/cm 线能量会使不均匀程度加剧(见图中三组数据中的下行) 转移，在界面前沿的液相中形成杂质元素富集层，随后快速凝固。
偏析的分类
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一、微观偏析
二、宏观偏析 三、焊接熔合区的化学成分不均匀
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一、微观偏析
微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学
成分不均匀现象，按位置不同可分为：
铸锭的宏观 偏析分布示意图
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带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中，有时是连续的，有 时则是间断的，偏析的带状总是和液-固界面相平行。 带状偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在溶质富集 层且晶体生长速度发生变化的缘故。 焊缝凝固中的层状偏析与带状偏析机理相同。
（快）
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微观偏析是一种不平衡状态，在热力学上是不稳定的。可 微观偏析程度一般用偏析系数|1－k0|来衡 通过扩散退火或均匀化退火来消除，即将合金加热到低于固 量。|1－k |值越大，固相和液相的浓度差越大， 相线100～200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素进行
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wS / %
焊缝
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增碳层 脱碳层
wC %
焊缝金属
－x
x1
x2
母材金属
x
实际熔合线
异种钢接头焊材一般采用高韧性的奥氏体焊材，由于焊缝富含碳化物形成
元素，故碳在其内的活度远低于碳钢母材，在焊后加热过程中，固溶在碳钢
结构钢与不锈钢异种钢接头熔合区中碳的分布示意图