金属凝固、结晶与相图介绍解读
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第三章材料的凝固与相图
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。
第二章(2)金属的结晶及二元相图
工程材料与机械制造基础
主讲教师-高丽
纯金属的结晶
1.凝固：物质由液态转变为固态的过程。 2.结晶：物质由液态转变为晶态的过程。 3.相变：物质由一个相转变为另一个相的过程。 因而结晶过程是相变过程。
结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 度
理论冷却曲线 结晶平台(是由结晶潜热导致) 实际冷却曲线
和韧性。为了提高金属的力学性能，希
望得到细晶组织。
3、决定晶粒度的因素
晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核 的数目； 长大速度（G）：晶核单位时间生长的长度
N/G越大，晶粒越细小。
细化晶粒的途径
过冷度对N、G的影响
提高冷却速度、增大过冷度
V冷
△T
N/G
枝晶偏析组织 平衡组织 Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
2、二元共晶状态图
• 定义：两个组元在液态完全互溶，但固态只能 有限互溶且发生共晶反应，构成的相图为二元 共晶相图。
如：Pb-Sb、Pb-Sn
（1）状态图分析
液固相线： 液相线AEB，固相线ACEDB。 A、B分别为Pb、Sn的熔点 CF线：Sn在Pb中的溶解度线（α相 固溶线） DG线：Pb 在Sn中的溶解度线（β相 B A
t
1 2
其与液固相线交点a、b所
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
主讲教师-高丽
纯金属的结晶
1.凝固：物质由液态转变为固态的过程。 2.结晶：物质由液态转变为晶态的过程。 3.相变：物质由一个相转变为另一个相的过程。 因而结晶过程是相变过程。
结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 度
理论冷却曲线 结晶平台(是由结晶潜热导致) 实际冷却曲线
和韧性。为了提高金属的力学性能，希
望得到细晶组织。
3、决定晶粒度的因素
晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核 的数目； 长大速度（G）：晶核单位时间生长的长度
N/G越大，晶粒越细小。
细化晶粒的途径
过冷度对N、G的影响
提高冷却速度、增大过冷度
V冷
△T
N/G
枝晶偏析组织 平衡组织 Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
2、二元共晶状态图
• 定义：两个组元在液态完全互溶，但固态只能 有限互溶且发生共晶反应，构成的相图为二元 共晶相图。
如：Pb-Sb、Pb-Sn
（1）状态图分析
液固相线： 液相线AEB，固相线ACEDB。 A、B分别为Pb、Sn的熔点 CF线：Sn在Pb中的溶解度线（α相 固溶线） DG线：Pb 在Sn中的溶解度线（β相 B A
t
1 2
其与液固相线交点a、b所
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
5 第四章 金属的凝固与固态相变
晶核形成： 自发形核（均匀形核）； 非自发形核（非均匀形核）。 晶核长大： 平面状长大； 树枝状长大。
9
4.1纯金属的结晶
形核与长大：
10
4.1纯金属的结晶
树枝状长大
11
4.1纯金属的结晶
影响形核和长大的因素：
过冷度 难熔杂质
12
4.1纯金属的结晶
晶粒度：单位体积或单位面积上的晶粒 数目/晶粒尺寸。晶粒 平衡结晶过程：
ＬＬ＋
25
1.匀晶相图
杠杆定律：结晶过程中的成分变化和两 相相对量的变化。 两相区中Q/QＬ＝ab/bc
26
1.匀晶相图
原因：固相中原子扩散速 度慢，跟不上结晶速度
晶内偏析（属于微观偏析）
枝晶偏析
消除办法：高温扩散退火
27
2.共晶相图
亚共晶合金
44
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M L
L+
(M+N )+ M 冷却 曲线
45
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M
( M+ N )
46
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M 过共晶合金L L+ (M+N )+ N
液相线与固相线之间为 两相区，液相与固相平 衡共存
22
4.2.1二元合金相图与凝固（结晶）
相图的分类： 匀晶相图 共晶相图 包晶相图 其它相图
第三章 材料的凝固与相图-1
金属化合物
间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等 原子半径较小的非金属元素形成的化合物。 尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸 较小的非金属原子则有规则嵌入晶格的间隙中。 根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同，间隙化 合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。
金属化合物
相:指合金中晶体结构相同、成分和性能均一并以界面与其他部 分分开的均匀组成部分。 组织:指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、 大小和分布的组合。 固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。
固溶体
合金组元通过溶解形成一种成分和性能均 匀的、且结构与组元之一相同的固相。 一般用α、β、γ…来表示。
二元匀晶相图
匀晶相图：只发生匀晶反应的相图。 特点：匀晶相图中两组元在液态、固态下都能无限互溶。
Cu-Ni合金、Au-Ag合金、W-Mo、Fe-Cr合金等
Cu-Ni合金相图为典型的匀晶相图
二元匀晶相图
1） 相图分析
Cu-Ni合金相图
a：Cu的熔点，c：Ni的熔点。
aa1c 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；该 线以上合金处于液相区L。
量为Q。则 ： QL + Q =1
QL X1 + Q X2 =X
解方程组得：
QL
X2 X X2 X1
QαX X1 X2 X1X2-X、X2-X1、X-X1为相图中线段XX2 (ob)、X1X2 (ab)、 X1X(ao)的长度。
杠杆定律
QL XX2 ob Qα X1 X oa
F S dv
dx
粘度越大，F越大，原子扩散越困难，难于结晶。 原子排列越紧密，粘度越大；温度越高，粘度越小。
第二章 金属材料的凝固与固态相变
1.合金的使用性能与相图的关系 溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则 合金的强度、硬度越高，电阻越大。
两相组织合金的力学和物理性能与成分 呈直线关系变化。
2 .合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能：纯组元和共晶成分的合金的流动 性最好，缩孔集中，铸造性能好。 锻造性能：单相合金的锻造性能好。单相组 织时变形抗力小，变形均匀，因而变形能力 大。双相组织的合金变形能力差些，特别是 组织中存在有较多的化合物相时。
固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充 分进行，则形成成分不均匀的固溶体。
2 .共晶相图
(1)相图分析 在共晶合金相图中，acb为液相线，adceb为固相线，合金系有 三种相，相图中有三个单相区（L、α 、β ）；三个两相区（L+α 、 L+β 、α +β ）；一条三相(L+α +β )共存线（水平线dce）。 dce为共晶线（ c点为共晶点）。 Lc → α d+ β
2.2.3 铸锭(件)的凝固
把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做 铸造。 1.铸锭（件）结晶组织 最典型的铸造结构，整 个铸锭明显地分为三个各具 特征的晶区。 ⑴细等轴晶区 在铸锭的 表层形成的一层厚度不大、 晶粒很细的区域。
⑵柱状晶区
⑶粗等轴晶区
2.3 铁碳合金 2.3.1 Fe-Fe3C相图
2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变
根据Fe—Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： 1)工业纯铁[wc ≤0.0218%] 2)钢[0.0218%< wc ≤2.11%
3)白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]
工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强 度低、硬度低、不宜用作结构材料。
两相组织合金的力学和物理性能与成分 呈直线关系变化。
2 .合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能：纯组元和共晶成分的合金的流动 性最好，缩孔集中，铸造性能好。 锻造性能：单相合金的锻造性能好。单相组 织时变形抗力小，变形均匀，因而变形能力 大。双相组织的合金变形能力差些，特别是 组织中存在有较多的化合物相时。
固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充 分进行，则形成成分不均匀的固溶体。
2 .共晶相图
(1)相图分析 在共晶合金相图中，acb为液相线，adceb为固相线，合金系有 三种相，相图中有三个单相区（L、α 、β ）；三个两相区（L+α 、 L+β 、α +β ）；一条三相(L+α +β )共存线（水平线dce）。 dce为共晶线（ c点为共晶点）。 Lc → α d+ β
2.2.3 铸锭(件)的凝固
把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做 铸造。 1.铸锭（件）结晶组织 最典型的铸造结构，整 个铸锭明显地分为三个各具 特征的晶区。 ⑴细等轴晶区 在铸锭的 表层形成的一层厚度不大、 晶粒很细的区域。
⑵柱状晶区
⑶粗等轴晶区
2.3 铁碳合金 2.3.1 Fe-Fe3C相图
2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变
根据Fe—Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： 1)工业纯铁[wc ≤0.0218%] 2)钢[0.0218%< wc ≤2.11%
3)白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]
工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强 度低、硬度低、不宜用作结构材料。
第2章2 凝固与相图1
2.可锻性：C%↓，γ状态下，可锻性↑；白口铁不可锻。 3.铸造性：视其相图形状。在相图中，固相线与液相线的水平距离和
垂直距离越大，枝晶偏析越严重；另外，结晶温度间隔越
小，溶液的流动性越好。因此共晶成分区附近，铸造性最好
性能： 固溶强化不明显， 硬度低、塑性高
（硬度50-80HBS、伸长率δ=30-50％）
1. 铁碳合金的基本组织
b. 奥氏体（Austenite ,A） 碳在r- Fe中的固溶体，FCC结构，是存在于727℃ 以上的组织。 性能：高塑性,是理想的锻造组织 ② 金属化合物— 渗碳体 （Fe3C,或Cementite,） 成分：含碳6.69％ 结构：碳在铁中的间隙化合物，复杂斜方结构。 性能：硬度高、脆性大、强度低
（硬度800HBS、伸长率δ ≈0、бb=30MPa）
③ 混合物
a.珠光体（Pearlite, P） 成分： 含碳0.77％ 组织： F（88%）＋Fe3C 混合物， 片层状结构
性能： 硬度 180 – 220 HBS 延伸率 10 ％ 抗拉强度 бb= 750 MPa
铁碳合金相图
铁碳合金相图
b. 亚共析钢 （＜0.77％c ）
图2.29 亚共析钢结晶过程示意图
图2.30 45钢显微组织
显微组织 铁素体F ＋ 珠光体P
c.过共析钢
（0.77 ＜％C＜2.11 ）
与亚共析钢不同的是共 析反应前先发生A→Fe3CⅡ 接着发生共析转变，其显微 组织为 Fe3CⅡ ＋ P
它揭示了合金系的成分、 温度、组织、性能之间的 关系。
1、相图的建立
二元相图的测定方法 相图的建立一般采用热分析法，其基本思路是先配制 一系列不同成分的给定合金，绘制它们各自的冷却曲 线，然后由冷却曲线上的临界点绘制相图。
最全二元相图及其合金凝固知识点总结
最全二元相图及其合金凝固知识点总结匀晶相图与固溶体凝固匀晶相图两组元在液态、固态均能无限互溶的二元系所组成的相图称为匀晶相图。
匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。
匀晶转变是变温转变。
以w(N i)为30%C u-N i二元合金相图为例说明匀晶相图。
点：T C u、T N i分别为C u、N i熔点。
线：TCuBTNi 为液相线。
TCuCTNi 为固相线。
区： L、L+α、α固溶体的平衡凝固平衡结晶：在极缓慢冷却条件下进行的结晶。
以w(N i)为30%C u-N i二元合金为例分析结晶过程：t1温度以上为L；t1温度时，L→α，成分为：B、C。
固溶体平衡冷却结晶过程归纳总结：冷却时遇到液相线开始结晶，遇到固相线结晶终止，形成单相均匀固溶体。
在结晶过程中每一温度，其液相、固相成分和相对量可由该温度下做水平线与液相线、固相线的交点及杠杆定理得出随温度下降，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变化，且液相成分减少，固相成分增加，直至结晶完毕。
固溶体合金的结晶特点：1.异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同。
2.结晶需要一定的温度范围。
固溶体非平衡凝固非平衡凝固：偏离平衡条件的结晶。
在实际生产中，由于冷却速度较快，内部原子的扩散过程落后于结晶过程，使合金的成分均匀化来不及进行，使凝固偏离了平衡条件，这称为非平衡凝固。
非平衡凝固导致先结晶部分与后结晶部分成分不同，这种一个晶粒内部或者一个枝晶间的化学成分不同的现象，叫做枝晶偏析或晶内偏析。
各个晶粒之间化学成分不均匀的现象叫做晶间偏析。
枝晶偏析是非平衡凝固的产物，在热力学上是不稳定的，可以通过均匀化退火消除。
1.液相线与固相线间的水平距离(成分间距)↑，先后结晶的成分差别↑，偏析严重。
2.溶质原子的扩散能力↑，偏析↓。
3.冷却速度↑，偏析↑。
共晶相图与合金凝固共晶相图组成共晶的两组元液态时无限互溶，固态时有限固溶或完全不溶，且发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图。
金属的凝固与相图ppt课件
第三章 材料的凝固与相图
凝固与结晶的基本概念 纯金属的结晶 合金的结晶与相图 铸态组织与冶金缺陷
1
3.1 凝固与结晶的概念
1.凝固
物质由液态转变成固态的过程。
晶体？ 非晶体？
2.结晶
*由液态转变成晶体固态物质的过程。
工程上一般把金属由液态转变为固态的加工过程 称为铸造。
将液态金属浇铸到锭模或铸模中冷却为一定形状 的块体称为铸锭。也可以直接浇注成铸件。
14
结晶的热力学条件及结构条件
1.金属结晶的热力学条件: G=H–ST
G– 物体的自由能 H – 物体的焓值 S–熵 T – 温度 K
15
G/ T=-S
F
液相
ΔG
固相
ΔT
Tn To TL
T
16
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
17
二.结晶过程
形核 长大
18
结晶的一般规律: 形核、长大。
28
29
细化铸态金属晶粒措施之一： 增大过冷度
过冷度ΔT增大,形核速 率N和长大速度G都会增大。
ΔT较小时，N的增长率 小于G；
ΔT较大时，N的增长率 大于G。
30
增大过冷度的主要办法： 1、降低浇注温度。 2、提高浇注后的冷却速度（如采用金属型铸模）。
高速急冷可获得超细晶或纳米晶粒。 超高速急冷可使液态金属难以结晶而得到非晶 态结构。非晶态金属具有很高的强度和韧性及优异 的电磁性能和高的抗腐蚀性能等。
液态金属结构
11
当温度下降至结晶温度以下时，原子团不再消失并迅 速长大形成规则排列的பைடு நூலகம்胚→晶核→晶粒→固态晶体 金属。规则排列的原子结构，称长程有序。。
凝固与结晶的基本概念 纯金属的结晶 合金的结晶与相图 铸态组织与冶金缺陷
1
3.1 凝固与结晶的概念
1.凝固
物质由液态转变成固态的过程。
晶体？ 非晶体？
2.结晶
*由液态转变成晶体固态物质的过程。
工程上一般把金属由液态转变为固态的加工过程 称为铸造。
将液态金属浇铸到锭模或铸模中冷却为一定形状 的块体称为铸锭。也可以直接浇注成铸件。
14
结晶的热力学条件及结构条件
1.金属结晶的热力学条件: G=H–ST
G– 物体的自由能 H – 物体的焓值 S–熵 T – 温度 K
15
G/ T=-S
F
液相
ΔG
固相
ΔT
Tn To TL
T
16
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
17
二.结晶过程
形核 长大
18
结晶的一般规律: 形核、长大。
28
29
细化铸态金属晶粒措施之一： 增大过冷度
过冷度ΔT增大,形核速 率N和长大速度G都会增大。
ΔT较小时，N的增长率 小于G；
ΔT较大时，N的增长率 大于G。
30
增大过冷度的主要办法： 1、降低浇注温度。 2、提高浇注后的冷却速度（如采用金属型铸模）。
高速急冷可获得超细晶或纳米晶粒。 超高速急冷可使液态金属难以结晶而得到非晶 态结构。非晶态金属具有很高的强度和韧性及优异 的电磁性能和高的抗腐蚀性能等。
液态金属结构
11
当温度下降至结晶温度以下时，原子团不再消失并迅 速长大形成规则排列的பைடு நூலகம்胚→晶核→晶粒→固态晶体 金属。规则排列的原子结构，称长程有序。。
3.--材料的凝固与铁碳相图资料
一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变
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
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
第三章 金属的结晶与二元合金相图
液相区L 双相区L+α 固相区α 液相线 固相线
固相区
匀 晶 相 图 合 金 的 结 晶 过 程 (P33)
☆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.
2,晶内偏析——枝晶偏析 (P33)
晶内偏析: 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, 枝晶偏析. 所以也称枝晶偏析 枝晶偏析
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 3,过冷度(△T):理论结晶温度与实际结 过冷度( 晶温度之差.对于纯金属: △T= T0- Tn 4,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 过冷现 象.
第一节 金属结晶的基础知识
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
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
10)液相线——adb 11)固相线——acdeb 12)共晶线——cde
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
13)三个两相区:L+α,L+β,α+β 14)一个三相区:L+α+β,在共晶转变过程中三相同时存在.
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 1,理论结晶温度 0: 又称平衡结晶温度. 理论结晶温度T 理论结晶温度 (冷速极慢)也就是金属的熔点Tm. 2,实际结晶温度 n:在某一实际冷却速度下 实际结晶温度T 实际结晶温度 的结晶温度.
第2章金属的结晶与铁碳相图分析
铸锭的组织主要有三个晶区：表面细 晶层、柱状晶区、中心等轴晶区。
1、表面细晶层 组织致密，力学性能好。但由于该区 很薄，故对铸锭性能影响不大。
2、柱状晶区 组织致密，但晶粒间常存有非金属夹杂物 和低熔点杂质，形成脆弱区，在轧制或锻 压时，易产生开裂。因此，对于塑性差、 熔点高的金属，不希望产生柱状晶粒区。 不过，柱状晶粒沿长度方向力学性能较高， 所以对于塑性好的有色金属及其合金或承 受单向载荷的零件，如汽轮机叶片等，常 采用定向凝固法而获得柱状组织。
注意： 1、自发形核与非自发形核同时存在，非 自发形核占主导地位。 2、晶核形成与长大两个过程同时进行。
2、形核率与长大率 1）形核率N 指在单位时间和单位体积内所产生的晶核数。 2）长大率G 指单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。 3）晶粒的粗细是由形核率N和长大率G 的比 值N/G决定。
2.3
铁碳合金相图
钢和铸铁是现代工业中应用最广泛的金 属材料,形成钢和铸铁的主要元素是铁和 碳。不同成分的铁碳合金，在不同温度 下，具有不同的组织，因而表现出不同 的性能。为了解铁碳合金成分、组织和 性能之间的关系，必须研究铁碳合金相 图。
2.3.1 纯铁的同素异晶转变
大多数金属在结晶后晶格不再发生变化，但少数金属，如 铁、钛、钴等再结晶后会随着温度的改变而发生变化，这种变 化称为同素异晶（构）转变。同素异晶转变时，有结晶潜热产 生，同时也遵循晶核形成和晶核长大的结晶规律，与液态金属 的结晶相似，所以又称为重结晶。
1、二元合金相图的建立
1、相图的表示方法
纯金属的结晶过程可用冷却曲线来研 究。由于二元合金在结晶过程中除温度变 化外，还有合金成分的变化，因而需用两 个坐标轴来表示二元合金相图。通常纵坐 标表示温度，横坐标表示成分。
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。
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03章 凝固与相图
17
三、金属化合物(中间相)
1. 概念
金属化合物是合金组元之间相互作用而生成的一种晶格类型和 性能完全不同于原来任一组元的的新固相。 特点：除离子键和共价键外，金属键也在不同程度上参与作用， 使其具有一定的金属性质。在相图中，金属化合物的位臵都在 相图的中间，所以也称为中间相。
2. 金属化合物的类型
2) 固溶体的性能与原溶剂性能的差别，随着溶质的浓度(含量)的 增加而加大。
3) 以金属元素为溶剂的固溶体，溶质的溶入可造成晶格畸变，强 度、硬度加大，塑性、韧性稍微下降。—固溶强化
臵换固溶体的晶格畸变 间隙固溶体中的晶格畸变
16
固溶强化
通过形成固溶体使金属强度、硬度提高的现象称为固 溶强化。是有效提高金属材料力学性能的途径之一。 1、产生固溶强化的原因： 溶质溶入—→晶格畸变—→位错运动阻力增加—→金 属塑性变形困难（抗力↑）—→高强度、硬度（能量 ↑—→其他性能↓）。 2、固溶强化效果： 间隙式固溶体的晶格畸变大—→固溶强化效果明显。
11
第三节 合金的结晶
一、概念
合金：由一种金属与一种或多种其它元素经熔炼、烧结 或其它方法结合在一起形成的具有金属性质的 物质称为合金。按所含组元数目分为二元、三 元及多元合金。Cu-Sn，Cu-Zn，Cu-Ni,18K白 金(Pt-Pd/Ni) 组元：组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物 质称为组元。组元大多数情况下是元素，如 Pb-Sn。 相： 凡成分相同、结构相同、并与其它部分有界面分 开的各均匀组成部分，称之为相。
第三章 金属的凝固与相图
概述 纯金属的结晶 材料的相结构
二元合金相图
1
第一节 概述
一、凝固与结晶
凝固：物质从液态转变成固态的过程，可以是晶 体，也可为非晶体 晶体：原子排列具有周期平移对称性，长程有序； 具有严格的熔点 结晶：通过凝固形成晶体的过程，金属 非晶——原子排列长程无序，但可能有短程有序， 没有明显的平衡结晶温度，玻璃
三、金属化合物(中间相)
1. 概念
金属化合物是合金组元之间相互作用而生成的一种晶格类型和 性能完全不同于原来任一组元的的新固相。 特点：除离子键和共价键外，金属键也在不同程度上参与作用， 使其具有一定的金属性质。在相图中，金属化合物的位臵都在 相图的中间，所以也称为中间相。
2. 金属化合物的类型
2) 固溶体的性能与原溶剂性能的差别，随着溶质的浓度(含量)的 增加而加大。
3) 以金属元素为溶剂的固溶体，溶质的溶入可造成晶格畸变，强 度、硬度加大，塑性、韧性稍微下降。—固溶强化
臵换固溶体的晶格畸变 间隙固溶体中的晶格畸变
16
固溶强化
通过形成固溶体使金属强度、硬度提高的现象称为固 溶强化。是有效提高金属材料力学性能的途径之一。 1、产生固溶强化的原因： 溶质溶入—→晶格畸变—→位错运动阻力增加—→金 属塑性变形困难（抗力↑）—→高强度、硬度（能量 ↑—→其他性能↓）。 2、固溶强化效果： 间隙式固溶体的晶格畸变大—→固溶强化效果明显。
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第三节 合金的结晶
一、概念
合金：由一种金属与一种或多种其它元素经熔炼、烧结 或其它方法结合在一起形成的具有金属性质的 物质称为合金。按所含组元数目分为二元、三 元及多元合金。Cu-Sn，Cu-Zn，Cu-Ni,18K白 金(Pt-Pd/Ni) 组元：组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物 质称为组元。组元大多数情况下是元素，如 Pb-Sn。 相： 凡成分相同、结构相同、并与其它部分有界面分 开的各均匀组成部分，称之为相。
第三章 金属的凝固与相图
概述 纯金属的结晶 材料的相结构
二元合金相图
1
第一节 概述
一、凝固与结晶
凝固：物质从液态转变成固态的过程，可以是晶 体，也可为非晶体 晶体：原子排列具有周期平移对称性，长程有序； 具有严格的熔点 结晶：通过凝固形成晶体的过程，金属 非晶——原子排列长程无序，但可能有短程有序， 没有明显的平衡结晶温度，玻璃
金属凝固、结晶与相图介绍解读
2.5 材料的非晶态
2.4.1 材料的非晶态特性 1. 非晶态形成能力对合金组分的依赖性 材料不同，临界冷却速度不同，组成是关键 纯金属>1012K/s, 合金 108K/s 非晶合金组成：金属-金属 金属-类金属(B Si P Ge) 锆铝镁铜体系 2. 非晶态的结构特性 结构长程无序和短程有序 热力学亚稳定性
观表征，其大小表示了液体中发生相对运动的难易程度。 （ 2 ）外部因素 —— 冷却速度。冷速越大，则在单位时间内 逸散的热量越多，熔体温度降得越低，这直接关系其中原子 或分子的扩散能力。冷速〉107oC/s ，可抑制金属熔体重原 子扩散，制得非晶合金。
2.1 材料的制备过程
2.1.2 金属材料的制备 1. 金属的冶炼
（1）有限固溶体合金Ⅰ
图2*-1
10%Sn有限固溶体合金的冷却曲线及组织
（1）有限固溶体合金Ⅰ
杠杆定律的应用 在室温下，计算相百分 含量.
（1）有限固溶体合金Ⅰ
①平衡结晶过程分析
•文字说明
•冷却曲线描绘
②反应性质 匀晶反应 + 二次析出反应 ③组织特征 α +β Ⅱ 或（β +α Ⅱ） ④杠杆定律的应用
2.1 材料的制备过程
2.1.1凝固与结晶的条件
2.1.2 金属材料的制备
1. 金属的冶炼 2. 纯金属的结晶规律
2.1.1 凝固与结晶的条件
1. 凝固与结晶的概念 2. 凝固与结晶的条件
主要取决于熔融液体的粘度和冷却速度。
（ 1 ）内因 —— 粘度是材料内部结合键性质和结构情况的宏
仅适用于两相区，用
来求两个平衡相的化 学成分和相对百分含 量。 注意支点的位置，一 般是合金的成分点； 两个端点一定处在两 相区和单相交界处。
金属的凝固与相图
1点以上液体冷却 1点开始凝固，固体成 分在对应固相线处
1－2之间，温度下降， 液体数量减少，固 体数量增加，成分 沿液相线和固相线 变化
到2点，液体数量为0，固体成分回到合金原始成分，凝固完成
2点以下固体冷却，无组织变化
58
匀晶转变特点：
1.与纯金属凝固一样由形核和长大来完成结晶过程，实际进行在 一定的过冷度下。 2.凝固在一温度范围内进行。只有在温度不断下将时固体量才增 加，温度不变，液固数量维持平衡不变。 3.凝固过程中液体和固体的成分在不断变化。 如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀，除晶粒细小 外，固体中的成分会出现不均匀，树枝晶中成分也不均匀，产 生晶内偏析； 冷却慢了会出现区域偏析。工程中采用先快冷，再在固态较高 温度下让成分均匀。
第三章 材料的凝固与相图
凝固与结晶的基本概念 纯金属的结晶 合金的结晶与相图 铸态组织与冶金缺陷
3.1 凝固与结晶的概念 1.凝固
物质由液态转变成固态的过程。
晶体？ 非晶体？
2.结晶
*由液态转变成晶体固态物质的过程。 工程上一般把金属由液态转变为固态的加工过程 称为铸造。 将液态金属浇铸到锭模或铸模中冷却为一定形状 的块体称为铸锭。也可以直接浇注成铸件。
27
晶粒的大小对金属性能有重要影响！
细化晶粒是提高金属机械性能的重要途径。这
种方法称为细晶强化。
细晶强化是同时可以提高金属强度、硬度、塑
性及韧性的唯一有效方法。。
金属强化方向之一：
晶粒细化→超细化→纳米晶→ 非晶态
28
29
细化铸态金属晶粒措施之一：
增大过冷度
过冷度ΔT增大,形核速
率N和长大速度G都会增大。
1－2之间，温度下降， 液体数量减少，固 体数量增加，成分 沿液相线和固相线 变化
到2点，液体数量为0，固体成分回到合金原始成分，凝固完成
2点以下固体冷却，无组织变化
58
匀晶转变特点：
1.与纯金属凝固一样由形核和长大来完成结晶过程，实际进行在 一定的过冷度下。 2.凝固在一温度范围内进行。只有在温度不断下将时固体量才增 加，温度不变，液固数量维持平衡不变。 3.凝固过程中液体和固体的成分在不断变化。 如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀，除晶粒细小 外，固体中的成分会出现不均匀，树枝晶中成分也不均匀，产 生晶内偏析； 冷却慢了会出现区域偏析。工程中采用先快冷，再在固态较高 温度下让成分均匀。
第三章 材料的凝固与相图
凝固与结晶的基本概念 纯金属的结晶 合金的结晶与相图 铸态组织与冶金缺陷
3.1 凝固与结晶的概念 1.凝固
物质由液态转变成固态的过程。
晶体？ 非晶体？
2.结晶
*由液态转变成晶体固态物质的过程。 工程上一般把金属由液态转变为固态的加工过程 称为铸造。 将液态金属浇铸到锭模或铸模中冷却为一定形状 的块体称为铸锭。也可以直接浇注成铸件。
27
晶粒的大小对金属性能有重要影响！
细化晶粒是提高金属机械性能的重要途径。这
种方法称为细晶强化。
细晶强化是同时可以提高金属强度、硬度、塑
性及韧性的唯一有效方法。。
金属强化方向之一：
晶粒细化→超细化→纳米晶→ 非晶态
28
29
细化铸态金属晶粒措施之一：
增大过冷度
过冷度ΔT增大,形核速
率N和长大速度G都会增大。
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观表征，其大小表示了液体中发生相对运动的难易程度。 （ 2 ）外部因素 —— 冷却速度。冷速越大，则在单位时间内 逸散的热量越多，熔体温度降得越低，这直接关系其中原子 或分子的扩散能力。冷速〉107oC/s ，可抑制金属熔体重原 子扩散，制得非晶合金。
2.1 材料的制备过程
2.1.2 金属材料的制备 1. 金属的冶炼
2. 匀晶相图分析
Cu-Ni合金的显微组织示意图
3. 固溶体合金的平衡结晶规律
（1）变温结晶 （2）在结量是不断变化的。液相的 成分沿着液相线变化，固相的成分沿着 固相线变化；此间的任一温度瞬时，都 可应用杠杆定律计算液固两相的相对百 分含量。
4. 杠杆定律 及应用
金属材料制备过程：
热轧→ 型材→ 加工→ 零件 铸锭→ 热锻→机加工→零件 冶炼→ 铸造→ 铸件→ 机加工→ 零件
2.1 材料的制备过程
1. 金属的冶炼
(1) 金属冶炼方法：火法冶炼、湿法冶炼、电冶炼。 火法冶炼：高温下进行，钢铁、有色金属。 分：熔炼、吹炼、精炼。 湿法冶炼：接近于常温进行，在溶液中进行。 电冶炼：电热熔炼、电解。
的各相的成分和相对重量不再变化所达到一 种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间 而改变。合金在极其缓慢冷却的条件下的结 晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。
2.2 二元相图的基本类型
2.2.1
相图的建立 1. 相图的表示方法 •纯质材料 •二元合金 2. 相图的建立 •原理 •步骤
水的相图
P
液相 固相 609Pa 273.16 K 气相 T
临界点
水的三相点：
T3 273.16K
2.2.1 相图的建立
几种不同配比的铜镍合金
用热分析法建立Cu-Ni相图
（a）冷却曲线
（b）测定的相图
2.2.2 匀晶相图（学习的基础）
1. 相图分析 •特性点 •特性线 •基本相 •相区 2. 典型合金的平衡结晶过程分析 1).文字说明 2).冷却曲线描述 3. 固溶体合金结晶规律 4. 杠杆定律及其应用 1)推导 2)主要内容 3)适用条件 5. 不平衡结晶—枝晶偏析 1)含义 2)产生原因 3)消除办法
（1）. 充分条件：液态物质结构特点（结构起伏）
2 纯金属的结晶规律
(2). 必要条件： 过冷与过冷度（ΔT）
不同冷速下的冷却曲线示意图
（图2-3）
自由能与温度的关系曲线
（图2-4）
2 纯金属的结晶规律
(3). 结晶的普遍规律——形成晶核与晶
核不断长大的连续过程
单晶体与多晶体示意图
2.1 材料的制备过程
(2) 炼钢方法： 转炉炼钢法：钢水吹氧，周期30~40min，成本低
电弧炉炼钢法：废钢，合金钢和高质量钢种。
平炉炼钢法：以煤气为燃料 (3) 钢液浇注方法：模铸法、连续铸钢法。
（4）钢的炉外精炼方法：
真空精炼法、惰性气体稀释法、喷粉精炼法
2 纯金属的结晶规律
钢的平衡结晶过程，正确利用杠杆定律计算室温下钢 的相组分、组织组分的相对百分含量以及掌握铁碳合 金的成分一组织一性能之间关系)。
★本章学习重点
物质由液态转变为固态过程称为凝固，物质由液态转变为固态
晶体的过程称作结晶，而相图则是研究材料的成分、组织结构 与性能之间相互关系和变化规律的有力工具。 本章在确定工程材料结晶的一般规律，剖析金属结晶的充分、 必要条件、结晶规律及控制结晶后晶粒大小的途径、方法，介 绍匀晶、共晶型两类基本形式相图分析方法的基础上，重点讨 论了铁碳合金相图。 铁碳合金相图是本课程的第一个重点章节，因为铁碳合金相图 是研究钢铁材料的成分、相和组织的变化规律以及与性能之间 关系的重要理论基础与有力工具。 此外，金属结晶的条件、结晶的一般规律及控制结晶后晶粒大 小的途径与方法等亦应十分明确。
（图2-6）
3. 纯质材料结晶的普遍规律
（1）形核的方式
① 自发形核 ② 非自发形核 （2）晶核长大的方式 ① 平面方式长大 ② 树枝晶方式长大
3. 纯质材料结晶的普遍规律
（1）形核规律（以自发形核为主）
非自发形核示意图
（2）晶核长大规律
① 平面方式长大
（2）晶核长大规律
2.1 材料的制备过程
2.1.1凝固与结晶的条件
2.1.2 金属材料的制备
1. 金属的冶炼 2. 纯金属的结晶规律
2.1.1 凝固与结晶的条件
1. 凝固与结晶的概念 2. 凝固与结晶的条件
主要取决于熔融液体的粘度和冷却速度。
（ 1 ）内因 —— 粘度是材料内部结合键性质和结构情况的宏
仅适用于两相区，用
来求两个平衡相的化 学成分和相对百分含 量。 注意支点的位置，一 般是合金的成分点； 两个端点一定处在两 相区和单相交界处。
第二章 材料的制备与相图
Chapter2 Materials Preparation and Phase Diagram
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
材料的制备过程 二元相图的基本类型 典型二元相图的应用——Fe-C相图分析 凝固与结晶理论的应用 材料的非晶态
★本章学习要求
1. 明确金属结晶的充分、必要条件，结晶的一般规律 以及影响金属结晶后晶粒大小的途径与方法； 2. 熟悉匀晶、共晶（包括共析）这两类基本形式的二 元合金相图（其中包括相图分析，典型合金的平衡结 晶过程分析，杠杆定律的应用，以及利用与区分相组 分和组织组分这两种填写相图的方法等）； 3. 熟练地掌握铁碳合金相图( 包括默画铁碳合金相图、 掌握α、Ｆｅ3Ｃ、γ等基本相，熟知相图中重要点、线 的含义, 能以冷却曲线及语言文字分析典型合金尤其是
② 以树枝晶方式长大为主
金属锑锭的组织示意图
预习
准备 “2.3 铁碳合金相图分析”
内容的课堂讨论
参见“学习指导”P16~17中的 课堂讨论（铁碳合金相图）提纲 进行充分准备。
2.2 二元相图的基本类型
2.2.1 相图的建立 相图的定义： 相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和 相与相之间关系的一种简明示图，也称为平 衡图或状态图。 平衡 是指在一定条件下合金系中参与相变过程