3 材料的凝固与结晶
第四章 凝固与结晶
Vs 令 s V ，则
4 3 s v g ( t ) 3 Ndt 0 3
t
由于在任意时间，每个真实晶核与虚拟晶核的体积相同， 故得:
dnr dvr d r dns dvs d s
令在时间dt内单位体积中形成得晶核数dP，
于是：dnr=VudP
dns=VdP 如果是均匀形核，dP不会随形核地点而有变化，此时可 得： dn V V Vr u r 1 r dns V V 合并二式，得 解为
2. 晶体长大方式和生长速率
a. 连续长大（Continous growth)
连续长大的平均生长速率由下式决定：
vg 1TK
b. 二维形核((Two-dimensional nucleation)
二维形核的平均生长速率由下式决定：
b vg 2 exp( ) TK
二维形核的生长方式由于其形核较大，因此实际上甚少见到。
V：晶体的配位数, η ：晶体表面的配位数，
N AV
的乘积，
Lm ：摩尔熔化潜热，即熔化时断开 1mol 原子的固态键 所需要的能量，
设NT=NA(每摩尔原子数)，是内能变化。
2 Lm Lm U 0.5 N T (1 x )x Lm x(1 x ) x(1 x ) RTm N AV V RTm V
界面上空位数(未占据位置分数)为：1-x，
空位数为：NT(1-x)。 形成空位引起内能和组态熵的变化，相应引起表面吉布斯 自由能的变化： Δ GS=Δ H-TΔ S=(Δ U+PΔ V)-TΔ S≈Δ U-TΔ S (1)
形成NT(1-x)个空位所增加的内能为其所断开的固态键数
0.5NT(1-x)η x 和一对原子的键能 2 Lm
第三章凝固与结晶
整体、长时间原子无规则排列------长程无序
局部、短时间原子有规则排列------短程有序-------结构起伏（相起伏）
3两种模型
1） 微晶无序模型（准晶模型）---属于晶体，存在大量的，不断变化的缺陷
2） 随机密堆模型-----------------------升，σsl降，σsw降即s相与基底越浸润，形核功越小
4非均匀形核率
1） 特点：随ΔT升，N增大较平缓
有下降阶段，并中断---基底用尽
2） 影响因素：ΔT升---N升
θ降---A’降---N升
表面形状：凸-----N小 平----N中 凹---N大
物理因素：外加物理场能---N大
一、 均匀形核
1晶胚形成时的能量变化
总能量变化=驱动力+阻力
驱动力---体系体积自由能差 阻力---表面自由能
ΔG=ΔGv+ΔGb
=VΔGb+Sσ
=4/3 πr^3ΔGb+4πr^2σ
0<r<rk r增----ΔG升---不能长大
R=rk ΔG=ΔGmax----临界状态
----光滑界面----小锯齿界面
负梯度：
突出部分过冷度增大---优先生长---粗糙界面----树枝
---光滑界面----小平面树枝
第六节结晶理论的应用
一、 铸件晶粒细化---形成大量晶核
∵rk=(2Tmσ/Lm)*(1/ΔT) 又ΔGb=-LmΔT/Tm
∴A=16/3（πσ^3 Tm^2/Lm^2）*（1/ΔT^2）
结论：A∝1/ΔT^2，ΔT升-----A降
临界过冷度：ΔT*
材料科学基础-第二章-材料的凝固
制备材料的典型工艺过程：
金属材料：凝固 陶瓷材料：烧结 聚合物：反应合成
凝固与结晶：
凝固（Solidification） 物质从液态转变为固态的过程。
自由能大于体积自由能，即阻力大于驱动力，
那么尺寸在rK～ r0 范围的晶核能够成为稳定的 晶核吗？
当r ＝ rK 时，G 有极大值GK
GK
4 3
2σ
GV
3 GV
4
2σ
GV
2 σ
1 3
4
2σ
GV
2
σ
1 3
4rK2σ
1 3
SKσ
结论：
晶核半径与G的关系
当形成临界晶核时，体积自由能的降低只补偿了表面自由能的2/3，还有 1/3的表面自由能需要另外供给，即需要对形核做功。称GK为形核功。
③形核率（Nucleation Rate）
单位时间、单位体积液相中形成的晶核数目，即晶核形成的速率，记
作
•
N
，单位为cm－3·s－1。
影响形核率的因素：
形核功
随过冷度的增加，即随温度的降低，形核 功减小，形核率增大。
原子扩散能力
随过冷度的增加, 即随温度的降低, 原子
扩散能力下降, 形核困难, 形核率减小。
当 r＞rK时，随 r 的增加，体系自由能减 小，晶胚转变为晶核；
当 r＝rK时，晶胚处于亚稳状态，即可能消 失，也可能长大成为晶核；
把半径为rK的晶胚称为临界晶核，rK称为临 界晶核半径。
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。
材料的凝固与结晶组织
二、晶态
1. 晶态结构
§1 基本概念
（1）晶态是原子在三维空间中有规则地周期性重复排列的物质。 （2） 非晶态是一种短程有序、长程无序的混合结构。
非晶态硒 硒鼓静电成像、
图书馆、 超市物品中用非晶态软磁材料条带（传感器标签）。
2. 晶态物理性能
（1） 有各向异性； （2） 有固定的熔点； （3） 在一定条件下有规则的几何外形。
§3 合金的结晶与相图
一、合金相结构 二、二元合金相图
（一）匀晶相图 （二）共晶相图 （三）共析相图
一、合金相结构
具有金属特性的物质。
§3 合金的结晶与相图
1. 合金 两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成的 2. 组元 组成合金的最基本独立物质。 相 合金中具有同一化学成分、同一聚集状态、同一结构且以界面
互相分开的各个均匀的组成部分。
4. 组织 用肉眼或显微镜所观察到的材料的内部微观形貌。 合金中的基本相结构：固溶体和金属间化合物 A(B) AxBy
一、合金相结构
§3 合金的结晶与相图
相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化
的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是 两个不同的相。
5 256 0.062
6 512 0.044
7 1024 0.031
8 2048 0.022
三、结晶晶粒大小及控制
§2 纯金属的结晶
晶粒的大小对金属性能的影响：
（1）常温下，晶粒越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。 （2）高温下工作的金属晶粒过于细小反而不好，晶粒大小适中即可。
（3）对于用来制造电机和变压器的硅钢片来说，晶粒粗大反而好。
材料的凝固与结晶组织
金属的结晶与凝固
-Fe
-Fe
2.3 碳钢中杂质
2.3 碳钢中杂质
2.3 碳钢中杂质
杂质：碳钢在冶炼和加工过程中，由原材料、 冶炼方法、工艺操作等原因，而残留或带入钢中 的其他金属和非金属元素以及化合物等。
锰Mn
在碳钢中的含量一般小于0.8%, 是有益元素。 可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。 主要作用： ①溶于铁素体, 起固溶强化作用； ②使硫的有害作用减弱； ③MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发 生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧 的 树 枝 晶
2.1 结晶过程
铸锭（件）的组织： 液态金属被浇注到锭模中 便得到铸锭，而注入到铸型 模具中成型则得到铸件。 铸锭（件）的宏观组织通 常由三个区域组成。
2.1 结晶过程
表层细晶区： 浇注时，由于冷模壁产 生很大的过冷度及异质形 核作用，使表面形成一层 很细的等轴晶粒区。 柱状晶区： 由于模壁温度升高，结晶放出潜热，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。
2.1 结晶过程
晶核长大是具有方向性的渐进过程。一般沿过 冷度大的方向生长，直到液相消耗完毕。 在正温度梯度下，晶核长大以平面状态推进， 称为均匀长大。在负温度梯度下，由于晶核棱角 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…，称为树枝状长大。
2.1 结晶过程
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
溶化 结晶
T1
T0
2.1 结晶过程
自发形核：液态金属中的原子排列不规则，但 也存在着一些原子排列规则的极小原子团，时聚 时散，称为晶坯。在实际结晶温度下，经孕育期 时间后，有些晶坯开始稳定并长大，形成晶核。 异质形核：更为普遍的是液体中存在的高熔点 固态杂质形成的晶核。 晶核形成后便向各个方 向生长，同时又有新的晶 核生成。直到液体完全消 失。每个晶核最终长成一 个晶粒，晶粒相接触后形 成晶界。
材料科学基础I 第四章 (凝固与结晶)
本章应掌握以下内容： 本章应掌握以下内容： 1. 金属凝固的过程和现象 2. 凝固和结晶的热力学条件 3. 几个重要概念：过冷度，临界晶核半径，临界形核功， 几个重要概念：过冷度，临界晶核半径，临界形核功， 形核率，均匀形核，非均匀形核， 形核率，均匀形核，非均匀形核，成分过冷 4. 冷却速度、过冷度对凝固过程和凝固组织的影响 冷却速度、 5. 液—固界面的结构及晶体生长形态 固界面的结构及晶体生长形态 6. 成分过冷对晶体生长形态的影响 7. 单相固溶体的长大 8. 两相共晶体的长大
三、近程有序(Short range order) 近程有序
由于有序原子集团的尺寸很小， 由于有序原子集团的尺寸很小，所以把液态金属结构的特点 概括为近程有序 温度降低，这些近程有序的原子集团（ 近程有序。 概括为近程有序。温度降低，这些近程有序的原子集团（又称 晶胚Embryo）尺寸会增大；当具备结晶条件时，大于一定尺 为晶胚 ）尺寸会增大；当具备结晶条件时， 寸的晶胚就会成为晶核 晶核(Nucleus)。晶核的出现就意味着结晶开 寸的晶胚就会成为晶核 。 始了。 始了。 综上所述，接近熔点的液态金属是由许多“原子集团”组成， 综上所述，接近熔点的液态金属是由许多“原子集团”组成， 其中原子呈规律排列，结构与原固体相似（近程有序）；但是 其中原子呈规律排列，结构与原固体相似（近程有序）；但是 ）； 金属液体中存在很大的能量起伏，热运动激烈。 金属液体中存在很大的能量起伏，热运动激烈。原子集团的大 小不等，存在时间很短，时聚时散，空位较多。 小不等，存在时间很短，时聚时散，空位较多。原子集团之间 存在“空穴”和一些排列无序的原子。 存在“空穴”和一些排列无序的原子。
三、结晶的驱动力
∆G=GS‒GL<0，符合热力学第二定律。 ，符合热力学第二定律。 单位体积金属结晶时自由能的变化： 单位体积金属结晶时自由能的变化： ∆Gv=GS‒GL=(HS‒TSS) ‒(HL‒ TSL)= (HS‒ HL) ‒T (SS ‒ SL) = ‒∆Hm+ T∆S = ‒∆Hm+T(∆Hm/Tm) = ‒∆Hm(Tm‒T)/Tm =(‒∆Hm/Tm) ∆T ‒ ∆T=Tm‒T，称为过冷度 ，称为过冷度 ∆Hm，即结晶潜热 m 即结晶潜热L ∆Gv(<0)就是结晶的驱动力，∆T越大，结晶的驱动力越大。 就是结晶的驱动力， 越大 结晶的驱动力越大。 越大， 就是结晶的驱动力
金属的结晶与凝固
2.1 结晶过程
晶核长大是具有方向性的渐进过程。一般沿过 冷度大的方向生长，直到液相消耗完毕。 在正温度梯度下，晶核长大以平面状态推进， 称为均匀长大。在负温度梯度下，由于晶核棱角 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…，称为树枝状长大。
2.1 结晶过程
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
2.4 碳钢中杂质
氧O
是有害杂质气体元素。 在钢中以氧化物的形 式存在，形成硅酸盐 2MnO•SiO2、MnO•SiO2或 复合氧化物MgO•Al2O3、 MnO•Al2O3，它们与基体 结合力弱，不易变形， 易成为疲劳裂纹源。
2.2 同素异晶转变
纯铁在固态冷却 过程中发生两次晶 体结构的转变。 由于纯铁能够发 生同素异晶转变， 生产中才有可能使 用热处理等方法， 来改变钢的组织和 性能。所以它具有 重要的实际意义。
2.2 同素异晶转变
-Fe为体心立方晶体结构，-Fe为高温体心 立方晶体结构，-Fe为面心立方晶体结构。都 是铁的同素异晶体。
-Fe
-Fe
2.3 碳钢中杂质
2.3 碳钢中杂质
2.3 碳钢中杂质
杂质：碳钢在冶炼和加工过程中，由原材料、 冶炼方法、工艺操作等原因，而残留或带入钢中 的其他金属和非金属元素以及化合物等。
锰Mn
在碳钢中的含量一般小于0.8%, 是有益元素。 可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。 主要作用： ①溶于铁素体, 起固溶强化作用； ②使硫的有害作用减弱； ③MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发 生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。
2.4 碳钢中杂质
磷P
是有害杂质元素。一般控制在0.045%以下。 可全部固溶入α- 铁素体中，使钢在常温下硬度 提高，但剧烈地降低钢 的韧性和塑性，特别是 低温韧性，称冷脆性。 可提高钢在大气中的 抗腐蚀性能。 可改善钢的切削加工 性能。
材料的凝固ppt
材料的晶体结构决定了其物理和化学性质，如硬 度、电导率、光学性能等。
03
材料凝固过程中的显微组 织与性能
材料的显微组织
01
晶粒大小
晶粒大小对材料的力学性能和传热性能有显著影响。细小的晶粒可以
提高材料的强度和韧性，同时降低材料的热导率。
02 03
晶界特性
晶界是材料中的界面，其结构和特性对材料的性能具有重要影响。例 如，大角度晶界可以阻碍位错运动，提高材料的强度，而小角度晶界 则有助于热扩散。
为一致的凝固组织。
在航空航天、汽车等领域，定向凝固 技术被广泛应用于制备高性能的金属
材料和合金。
通过定向凝固技术，可以获得具有优 良力学性能和抗疲劳性能的材料，提
高产品的可靠性和安全性。
快速凝固技术
快速凝固技术是一种材料加工 技术，它通过高冷却速率使材 料在短时间内凝固。
快速凝固技术可以制备出具有 微纳结构、高强度、高韧性的 材料，广泛应用于航空航天、 汽车、电子等领域。
相组成
材料的显微组织通常由多种相组成，不同相的体积分数和分布对材料 的性能产生显著影响。例如，硬质相可以提高材料的硬度，而软质相 则有助于提高材料的韧性。
材料凝固对性能的影响
力学性能
材料凝固过程中的组织演变对其力学性能具有重要影响。例如，粗大的柱状晶组 织可以提高材料的拉伸强度，但降低其韧性；而细小的等轴晶组织则可以提高材 料的韧性和冲击强度。
快速凝固技术具有短时间、高 效率的优点，可以降低生产成 本，提高材料性能。
消失模铸造技术
消失模铸造技术是一种近无余量的精确铸造方法，它采用泡沫塑料模样 代替传统金属模样，使液态金属在凝固过程中将模样全部气化消失。
消失模铸造技术具有生产周期短、成本低、精度高等优点，广泛应用于 航空航天、汽车、船舶等领域。
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。
材料的凝固
第四章材料的凝固材料由液相至固相的转变成为凝固，如果凝固后的固体是晶体，则凝固又称为结晶。
在恒压条件下，晶体的凝固需要过冷度，即实际凝固温度应低于理论凝固温度（即熔点）。
材料的凝固经历了形核与生长两个过程。
形核可分为均匀形核与非均匀（异质）形核。
对于均匀形核，当过冷液体中出现晶胚时，一方面，体系的体积自由能下降，这是凝固的驱动力，另一方面，由于形成了新的表面而增加了表面能，这成为凝固的阻力；综合驱动力和阻力的作用，可导出晶核的临界半径，临界半径对应的自由能称为形核功，其值等于表面能的三分之一，这部分的能量必须依靠液相中存在的能量起伏来补偿。
显然，材料的凝固需要过冷度、结构起伏和能量起伏。
纯金属在实际凝固时所需的过冷度很小，其原因是实际凝固时发生的是非均匀（异质）形核，异质基底通常可有效地降低单位体积的表面能，从而降低形核功。
影响形核后的晶体生长方式的重要因素是液-固界面的微观结构。
液-固界面的微观结构可分为光滑界面和粗糙界面。
连续生长方式对应的是粗糙界面，而二维形核和藉螺型位错生长二者对应的是光滑界面。
凝固时晶体的生长形态不仅与液-固界面的微观结构有关，而且取决于界面前沿液体中的温度分布情况：在正的温度梯度下，光滑界面结构的晶体其生长形态呈台阶状，而粗糙界面的晶体其生长形态呈平面状；在负的温度梯度下，光滑界面和粗糙界面结构的晶体其生长形态多呈树枝状。
材料的凝固速度是由形核率和晶体长大速度两个因素决定的。
形核率受形核功因子和扩散几率因子两个因素控制，而晶体的长大速度则与生长方式有关。
材料凝固后的晶粒尺寸随形核率的增加面减小，随晶体长大速度的增加面增大，控制晶粒尺寸主要从控制这两个因素着手，主要原因的途径有增大过冷度、加入形核剂以及采用振动或搅拌等物理方法。
(PPT).凝固与结晶的理论
冷却，长大成一块单晶体。 2、垂直提拉法 籽晶与液面接触，缓冷，旋转上升，长大
成单晶体。可获得大尺寸单晶体。
三、定向凝固技术
通过控制冷却方式，使铸件从一端开始凝 固，并向另一端发展的结晶过程。
获得单向的柱状晶，在柱状晶轴方向上具 有较好的性能。
如涡轮叶片等。
作业
P58：2、3、13、15、17
Thank you!
N G
过冷度ΔT
图2－28 ΔT对N和G的影响
控制晶粒度的措施
1、控制过冷度 ΔT越大，N/G越大，晶粒越细小。 2、化学变质处理 加入变质剂，促进非自发晶核，拟制晶粒长大，
细化晶粒。 3、增强液体流动 振动、搅拌、超声波处理使液体流动，形核、破
碎枝晶。
二、单晶体的制备
1、尖端形核法 见图2－29，尖端产生一个晶核，容器外移
2.4 凝固与结晶理论的应用
一、铸态晶粒度的控制 金属的晶粒越细小，强度、度越高，塑
性、韧性越好。 细晶强化 通过细化晶粒来提高材料强度
的方法。 硅钢片，晶粒越大其磁滞损耗小、磁效应
越高。
晶粒度的控制
形核率N 长大速率G
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 平均线长度。
3第三章--材料的凝固ppt课件(全)
溶体转变线
温N
度
J A+
L D
相区标注
L+A AE
C L+ Fe3C F
组织组成物标注 G
A+ Fe3C
A+
Le
复相组织组成物：
F
珠光体P(F+ Fe3C)
A+F S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Le Le+ Fe3CⅠ K
P P
F+ Fe3C
P+
Le’
莱氏体Le(A+ Fe3C)
QP+F Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+Le’ Le’+ Fe3CⅠ
混合物，称作莱氏体，用Le 表示。为蜂窝状。以Fe3C为 基，性能硬而脆。
莱氏体
PSK：共析线
S ⇄FP+ Fe3C 共析转变的产物是与
Fe3C的机械混合物, 称 作珠光体，用P表示。
L+δ
δ+
L+
+
L+ Fe3C + Fe3C
F+ Fe3C
扫描电镜形貌 珠光体(光镜)
珠光体的组织特点是 两相呈片层相间分布, 性能介于两相之间。 PSK线又称A1线 。
Q
不易分辨。室温组织为P.
珠光体
共析钢的结晶过程
㈢ 亚共析钢的结晶过程 0.09~0.53%C亚共析钢
冷却时发生包晶反应。
Ⅲ
A
H
B
J
以0.45%C的钢为例 合金在 4 点以前通过匀
晶→包晶→匀晶反应全
部转变为。到4点，由
G S
P
+Fe3C
机械工程材料历年试题题库汇总(答案)
塑性和韧性）。 64、刀具的使用性能要求主要是：（高硬度）、（高耐磨性）和（高热硬性）。制造刀具的
钢，其含碳量大体在（0.6~1.5%）范围。 65、金属和合金的腐蚀一般有（ 化学 ）腐蚀和（电化学）腐蚀两种，其中以（电化学）
(一) 材料的性能
1、同一牌号的普通灰口铸铁铸件，薄壁和厚壁处的抗拉强度值是相等的。（ × ） 2、用布氏硬度测量硬度时，压头为硬质合金球，用符号 HBW 表示。（√） 3、用布氏硬度测量硬度时，压头为钢球，用符号 HBS 表示。（√）
(二) 材料结构
4、工业金属大多为单晶体。（ × ） 5、间隙固溶体的机械性能和间隙化合物的机械性能是相似的。（×） 6、同一种固相，它的初生相和次生相在化学成分、晶体结构上是不同的。（×） 7、金属或合金中，凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为
60Si2Mn 为（弹簧）钢。 58、写出下列各类钢的一个常用钢号：普通低合金结构钢（16Mn），合金调质钢
（40Cr），滚动轴承钢（GCr15），耐磨钢（ZGMn13）。 59、60Si2Mn 钢制载重汽车板簧，其常规热处理为（淬火+中温回火），最终组织为（回火
屈氏体），硬度大致为（39-52HRC）。 60、普通低合金结构钢的使用状态为（热轧或正火的），锰的作用是（固溶强化）。 61、高速工具钢经（高温淬火）加多次（回火）后，具有很高的强度、硬度和较好的（塑
40、共析钢淬火后回火，低温回火室温组织为（回火 M），中温回火室温组织为（回火 T），高温回火室温组织为（回火 S）。
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第三章材料的凝固物质由液态转变为固态的过程称为凝固。
物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。
物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。
因而结晶过程是相变过程。
3.1 纯金属的结晶一.结晶的热力学条件结晶的驱动力是实际结晶温度（T 1）下晶体与液体的自由能差ΔGV。
而理论结晶温度（T 0）与实际结晶温度（T 1）的差值称作过冷度（ΔT），即ΔT= T 0-T1。
过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。
液体和晶体的自由能-温度曲线纯金属的冷却曲线二、纯金属的结晶过程1、结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。
在T 0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。
晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。
晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。
每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。
气体、液体、晶体的结构纯金属结晶过程示意图气体晶体液体 2、晶核的形成方式形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。
由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。
以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
非均匀形核更为普遍。
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。
实际金属结晶主要以树枝状长大。
6三、凝固组织及其控制1、晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。
可用晶粒的平均面积或平均直径表示。
工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。
z标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。
通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。
z（一）结晶后的晶粒大小及其控制72、决定晶粒尺寸的因素晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。
z单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。
z单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。
zN/G比值越大，晶粒越细小。
因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。
83、控制晶粒度的方法⑴控制过冷度：随过冷度增加，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自发形核物质从而细化晶粒的方法。
所加入的物质叫变质剂（或称孕育剂）。
⑶振动、搅拌：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。
9铸铁变质处理前后的组织变质处理前变质处理后变质处理使组织细化。
变质剂为硅铁或硅钙合金。
10 4、晶粒大小对金属性能的影响常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属强度、硬度越高，同时塑性、韧性越好。
称为细晶强化。
高温下，晶粒过粗、过细都不好。
11（二）铸锭组织及其控制在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。
铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。
121、铸锭的组织铸锭(件)的宏观组织通常由表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区三个区组成:铸锭三区13⑴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。
14⑵柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，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。
⑶中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T 1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。
15z 2、铸锭的缺陷z铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析等，它们对性能是有害的。
⑴缩孔：金属凝固时体积收缩，如果没有足够的液体补充便会形成孔隙。
如果孔隙集中在凝固的最后部位，则称缩孔。
可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。
钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。
缩孔16⑵偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。
铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。
适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。
⑶气孔: 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡。
铸锭内表面未被氧化的气孔可在热加工时可焊合，如发生氧化则必须去除。
2、固态转变的特点z⑴形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等），因为这些部位或与新相结构相近，或原子扩散容易。
z ⑵由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大，固态相变组织通常要比结晶组织细。
z⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力，使材料发生变形或开裂。
3.2 合金的结晶合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。
又称状态图或平衡图。
合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。
组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。
相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
一、二元相图的建立几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例]1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。
2.将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。
3.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。
相图中，结晶开始点的连线叫液相线。
结晶终了点的连线叫固相线。
Cu-Ni合金二元相图建立示意图二、二元相图的基本类型与分析z两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。
z以Cu-Ni合金为例进行分析。
Cu -Ni 合金相图1、二元匀晶相图相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。
相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为α固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ α）。
αLL+α液相线固相线⑴合金的结晶过程当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为α1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分，这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。
Cu-Ni二元合金的结晶过程z随温度下降，固溶体质量增加，液相质量减少。
同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化，成分变化是通过原子扩散完成的。
当合金冷却到t 3时，最后一滴L 4成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分α4上来。
z液固相线不仅是相区分界线, 也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。
固溶体结晶时成分变化。
慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀。
快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀。
枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀。
对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。
扩散退火：把合金加热到低于固相线100 ℃左右, 长时间保温, 原子充分扩散, 获得成分均匀的固溶体。
z （2）枝晶偏析Cu-Ni合金枝晶偏析示意图26（3）杠杆定律设合金总量为1，液相重量W L ，固相α重量为Wα。
已知液相L中Ni的重量分数为C L ，相α中N i的重量分数为Cα,合金中N i的重量分数量为C,则：bcab CC C C W W C C C C W C C CC W CW C W C W W W L L L LL L L L L ==⇒==⇒=•+•=+ααααααααα12、二元共晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。
Pb-Sn 合金相图共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应，生成的两相混合物叫共晶体。
发生共晶反应时三相共存, 三相各自成分确定, 恒温进行。
以Pb-Sn 相图为例进行分析。
⑴相图分析①相：相图中有L、α、β三种相,α是溶质Sn在Pb中的固溶体，β是溶质Pb在Sn中的固溶体。
②相区：相图中有三个单相区：L、α、β；三个两相区：L+α、L+β、α+ β；一个三相区：即水平线CED。
水平线cde 为共晶反应线, 成分在ce 之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。
cf 线为Sn在Pb中的溶解度线(α相的固溶线)。
Sn含量大于f 点的合金从高温冷却到室温时, 从α相中析出β相，叫二次β：α→βII 。
eg 线为Pb在Sn中溶解度线。
Sn含量小g 点的合金, 冷却过程中同样发生二次结晶, 析出二次α。
⑵合金的结晶过程 ①合金Ⅰ的结晶过程 合金I的室温组织为α+βII成分大于D点合金结晶过程与Ⅰ合金相似，室温组织为β+ αⅡ。
.2②合金Ⅱ(共晶合金)的结晶过程 合金的室温组织：共晶体(α+β)组织组成物：(α+β) 组成相：α和β相析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。
19.2wt%Sn温度, ℃1’共晶合金组织的形态③合金Ⅲ(亚共晶合金) 的结晶过程 合金室温组织：初生α+二次β+(α+β)组织组成物：α、二次β、(α+β)组成相：α、β④过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为β, 二次相为αⅡ室温组织为βⅠ+(α+β)+αⅡ。
亚共晶合金组织过共晶合金组织亚共晶合金和过共晶合金组织初生α+二次β+(α+β)初生β+二次α+(α+β)⑶组织组成物在相图上的标注组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。
3、二元包晶相图Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合金具有包晶相图。
Pt-Ag 合金相图Pt-Ag合金相图中存在三种相:L相:Pt与Ag形成的液溶体α相:Ag溶于Pt中的有限固溶体β相:Pt溶于Ag中的有限固溶体e 点为包晶点。
e 点成分的合金冷却到e 点温度(包晶温度)时发生包晶反应：L+α→β。
反应时三相共存, 它们的成分确定, 恒温进行。
水平线ced 为包晶反应线。
cf 为Ag在α中的溶解度线,eg 为Pt在β中的溶解度线。
4、形成稳定化合物的二元相图稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg 2Si和Fe-C系的Fe 3C) 。
其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区)。
垂足是其成分, 顶点是其熔点, 结晶过程同纯金属.z分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析.Mg 2SiMg 2Si+SiMg+ Mg 2SiSiL+ Mg 2SiL+ SiL+ Mg 2SiL+ Mg共析转变也是固态相变。
最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:γS ⇄αP + Fe 3C 。
5、具有共析反应的二元相图z共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。