合金的晶体结构与结晶过程
合金的结构与结晶
时间
A 90 70 50
S
S
A
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 S : 固相区 L+S:液固共存区
b
B
一）匀晶相图（固溶体结晶）
• 组成二元合金的两组元在液态和固态均能无 限互溶的合金所形成的相图称为二元匀晶相图。
1. 相图分析
温 度
L
2.杠杆定理只适合两相区，并 只能在平衡状态下使用
2 合金的平衡结晶过程及其组织
（1）固溶体合金（合金Ⅰ）
成分位于M点以左（即 wSn≤19%）或N点以右（即 wSn≥97.5%）的合金称为固 溶体合金 合金Ⅰ的冷却曲线和结晶过 程如图所示
液态合金缓冷至温度1，开始从L相中结果出α固 溶体。随温度的降低，液相的数量不断减少，α固 溶体的数量不断增加，至温度2合金全部结晶成α 固溶体。温度2~3范围内合金无任何转变，这是匀 晶转变过程。冷却至温度3时，Sn在α中的溶解度 减小，从α中析出β是二次相（βⅡ）。Α成分沿固 溶线MF变化，这一过程一直进行至室温，所以合 金Ⅰ室温平衡组织为（α+ βⅡ ）。
不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶 剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力 增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶 入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高 的现象，称为固溶强化。
固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体
三、二元合金相图
合金
( alloy ) 组元 ( element ) 相 ( phase ) 显微组织 ( microscopic structure )
二元相图及合金的结晶
潍坊学院教案
有三种类型：
①正常价化合物
组成元素严格按原子价规律结合，成分固定，用分子式表示。
如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg3Sb2等。
一般都是金属元素与4、5、6族元素组成，在元素周期表中相距较远，
电负性差较大。
以金属键或离子键结合。
②电子化合物
= 价电子数/ 原子数）组成的具有一定晶根据一定的电子浓度比（C
电
体结构的化合物，不遵守原子价规律，成分可变。
=21/14，β相（b.c.c. 结构）；
C
电
=21/13，γ相（复杂立方结构）；
C
电
=21/12，ε相（h.p.c.结构）。
C
电
③间隙相与间隙化合物
一般是直径较大的过渡族元素（Fe、Cr、Mo、W、V）和原子直径小的
非金属元素（H、C、N、O、B）组成。
间隙相：r x/r M<0.59，具有简单晶体结构，如：WC、Ti、VC等。
间隙化合物：r x/r M>0.59，具有复杂晶体结构，如：Fe3C、Cr23C6、
Cr7C3等
金属间化合物的性能：熔点高，硬且脆，一般作强化相。
二、二元合金相图
1、合金的结晶特点
也是形核与长大，但有自己的特点：
（1）不是恒温下进行的，有一定的结晶温度范围。
（2）结晶过程中不只有一个固相和液相，而是在不同范围内有不同的相，各相成分也变化。
因此，合金的结晶过程要复杂些，单用一条冷却曲线难以说清楚。
为了
研究合金的结晶过程及合金组织的变化规律，需借用一个工具——相图。
匀晶、共晶、包晶
何谓共晶反应、包晶反应和共析反应? 何谓共晶反应、包晶反应和共析反应?试比较这三种反应的异同点 共晶反应：指一定成分的液体合金，在一定温度下， 共晶反应：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出 成分和晶格均不相同的两种晶体的反应。 成分和晶格均不相同的两种晶体的反应。 包晶反应：指一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另外 包晶反应：指一定成分的固相与一定成分的液相作用， 一种固相的反应过程。 一种固相的反应过程。 共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下， 共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解 成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应。 成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应。 共同点：反应都是在恒温下发生， 共同点：反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定成 分的相，都处于三相平衡状态。 分的相，都处于三相平衡状态。 不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应； 不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应；共 析反应是一种固相在恒温下生成两种固相的反应； 析反应是一种固相在恒温下生成两种固相的反应；而包晶反应是 一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。 一种液相与一种固相在恒温下生成另一种固相的反应。 两组元在液态时无限互溶，固态时也无限互溶，结晶所构成的相 两组元在液态时无限互溶，固态时也无限互溶， 图称为二元匀晶相图 二元匀晶相图。 图称为二元匀晶相图。
三．共晶相图
二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶， 二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态 时有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二 时有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二 元共晶相图。 元共晶相图。 共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相 液相同时结晶出 共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相 的复合混合物的反应。 的复合混合物的反应。 共晶体：共晶反应的产物是共晶体。 共晶体：共晶反应的产物是共晶体。 共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。 共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。
金属材料的结构与结晶
只有当溶质原子尺寸较小，溶剂晶格间隙较大时
才能形成间隙固溶体。
例：Fe和C形成间隙固溶体。
间隙固溶体溶解的溶质数量是有限的。
图2-12（ｂ）
图2-12（ａ）
（2）臵换固溶体：溶质原子占据晶格结点位臵而形 成的固溶体。 （图2-12b）
两组元原子尺寸相近时，易形成臵换固溶体。可形
成有限固溶体和无限固溶体。 例：Cr和Ni等合金元素溶入铁中形成的固溶体为臵
立方晶格中的某些晶面立方晶格中的某些晶面100100面面110110面面111111面面立方晶格中的某些晶向立方晶格中的某些晶向111111向向110110向向在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密不同因此原子结合力也就不同从而在不同的不同因此原子结合力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
1.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。 2.晶胞：反映晶格特征的最小单元。
3. 晶格参数：
晶胞棱边的长度和棱边夹角α、β、γ。
4. 三种典型的金属晶体结构 面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格。 面心立方晶格类型的金属有Cu、Al、Ni等，具有良
好的塑性； 密排六方晶格的金属有 Mg、Zn、Be等
Fe3C组成的机械混合物。
机械混合物的性质，基本上是各组成相性能的
平均值。
35 钢的显微组织
机械混合物P
将黑色部分放大，看到指纹状结构。其中白色
基体是Fe与C形成的固溶体， 含碳0.0218% 体 心立方晶格（称为铁素体F）， 黑色条纹为 渗
碳体（Fe3C）。
黑色部分是F与Fe3C形成的机械混合物，称为
--合金的晶体结构及结晶
定义：当冷却速度较快时，晶粒中先结晶的（高熔点）树 枝晶轴成分和后结晶（低熔点）的树枝晶成分上存在差异 的现象。
影响：枝晶偏析对材料的力学性能、抗腐蚀性能及工艺性 能都不利。
影响因素：
(1)冷却速度 (2)结晶温区（液相与固相的垂直距离）
解决措施：把合金加热到高温（低于固相线100℃左右，并 进行长时间保温，使原子充分扩散，从而获得成分均匀的 固溶体——扩散退火
具体方法： （1）确定两平衡相的成分（浓度） 做通过某点温度的水平线，与液相线交点即 为L相成分；与固相线交点即为α相成分。 （2）确定两平衡相相对含量
T,C
1500
1400
1300
1200
1100 1000
a
Cu
（2）
QL
X1
X
20 b 40 60
Ni%
1455
c
Qα
（1）
T1
X2
Ni 80 100
凝固过程：
水（液相）
水+冰 （双相）
冰（固相）
铁素体（ F ）白色
Fe3 C
Fe-C合金 中的相— —F+Fe3 C
组织—— 相的形状、分布、组合状态。
双相组织（F+ Fe3 C）
单相组织（F）
合金中两类基本相：
固溶体 —— 合金在固态下由组元间相互溶解而形成 的晶体结构与某一组员相同的新相称为固溶体，其中 与合金的晶体结构相同的组元称为溶剂，其余的称为 溶质。
பைடு நூலகம்
eg. 求某含 Ni的量为 X%铜镍 合金，在 T1温度下 液相的重 量为QL 与 α相的 重量为Q α。
（1）做T1温度的水平线，则其与液相线的交点
合金结晶和纯金属结晶的异同
合金结晶和纯金属结晶的异同合金结晶和纯金属结晶是固态金属材料在冷却过程中形成晶体结构的两种不同方式。
虽然它们都涉及到原子的有序排列，但在细节上存在一些差异。
本文将从晶体形成的过程、晶体结构以及性质等方面对合金结晶和纯金属结晶进行比较和分析。
合金结晶和纯金属结晶的形成过程存在一些异同。
合金结晶是由两种或更多种金属元素组成的固态混合物，在冷却过程中形成晶体结构。
纯金属结晶则是由单一金属元素组成的固态材料。
不论是合金还是纯金属，其结晶过程都可以分为凝固和晶体生长两个阶段。
在凝固阶段，金属原子开始有序排列，形成初生晶核。
随着冷却的继续，这些晶核逐渐长大并扩展，直到填满整个材料。
合金结晶和纯金属结晶的晶体结构也存在差异。
纯金属结晶中的金属原子排列规则，通常具有高度的对称性。
常见的金属结晶结构有面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和密堆积六方（HCP）等。
而合金结晶由于含有多种金属元素，其晶体结构往往更为复杂。
合金晶体中金属原子的排列方式取决于不同金属元素之间的相互作用力，可能会形成固溶体、亚稳相或化合物等多种晶体结构。
合金结晶和纯金属结晶的性质也有所差异。
合金的存在可以改变材料的力学性能、热学性质和化学反应性等。
通过调整合金的成分和结构，可以获得不同的材料性能，如提高强度、增加耐腐蚀性等。
纯金属的性质主要取决于其晶体结构和原子间的键合，因此通常具有较高的电导率和热导率，以及良好的延展性和可塑性。
总的来说，合金结晶和纯金属结晶在形成过程、晶体结构和性质等方面存在一些异同。
合金结晶由于含有多种金属元素，其晶体结构较为复杂，而纯金属结晶则具有较高的对称性。
此外，合金的存在可以改变材料的性能，而纯金属的性质主要取决于其晶体结构和原子间的键合。
深入理解合金结晶和纯金属结晶的差异，对于合金材料的设计和应用具有重要意义。
第3章金属与合金的结晶.
晶粒大小的影响因素
• 形核率N——单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。 • 晶核的长大速率G——单位时间内晶核向周围长大的平均 线速度。 晶粒的大小取决于形核率 N和长大速度G的相对大小 ， 34 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目Zv ： N ZV 0.9 12 G 单位面积中的晶粒数目Zs为： N Z S 1.1 G
铁有体心立方晶格的 Fe和面心立方晶格的 Fe 钴有密排六方晶格的 Co和面心立方晶格的 Co
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异构转变。由同素异构转变 所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。
在常温下的同素异构体一般用希腊字母 表示， 较高温度下的同素异构体依次用 、、 等表示。
显然，N/G越大，则Zv、Zs越大，晶粒 越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因 素，都能细化晶粒。
细化晶粒的方法： ①增加过冷度 提高冷却速度和 降低浇注温度。
此法仅对小型或薄壁件有效，对 较大的厚壁铸件不易获得大的过 冷度，整个体积不易实现均匀冷 却，而且冷却速度过大，往往导 致铸件开裂而报废；形状复杂的 件也不适用。为此，工业上还常 常采用其他的处理方法。
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线 和过冷现象 研究液态金属结晶 ——热分析法 冷却曲线平台——金属在
结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了散失的热量，使温度不 随冷却时间的增长而下降，直 至结晶终了，没有结晶潜热补 偿散失的热量，温度又重新下 降。
热电偶 液态金属 坩埚 电炉
结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。
金属的结晶构造和结晶过程
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金属晶体模型
二、晶格、晶胞、晶格常数
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晶体 原子呈有序排列
名 非晶体 原子呈无序排列
词 术 语
晶格 描述原子排列规律的空间格子 晶胞 组成晶格的最基本单元
晶格常数 晶胞的棱边长度
将晶体中原子排列，假想成空间的几何格架
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二、晶格、晶胞、晶格常数
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二、晶格、晶胞、晶格常数
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一、晶体与非晶体
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。有固定熔点。
2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。
长程无序，各向同性。无固定熔点。
3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等） 是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅 酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤 维都是晶体。
1 538℃
1 394℃
912℃
L
δ－Fe
γ －Fe
α－Fe
(体心)
(面心)
(体心)
转变发生于固态 特点：在一定温度下进行
晶格类型发生变化
形核 ＋ 长大
局部
整体
三、金属的同素异晶转变
纯铁的同素异构转变曲线
Logo
Logo
三、金属的同素异晶转变
❖ 金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜 热。
❖ 金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向。
密排六方晶格
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❖十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, 在上 下底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀 分布三个原子。
❖ 密排六方晶胞的特征：
晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间 的距离c来表达, 两相邻侧面之间的夹角为120°, 侧面与底面之间的夹角为90°。
合金的结晶与相图1
相图的用途
铸造生产
成分控制→组织控制 →性能控制。 工艺指定 组织控制
热处理工艺
焊接工艺
第五章 铁碳合金相图
铁碳合金的相结构与性能
铁碳合金相图
相图特点：
３个三相转 变线； ５个单相区； ７个两相区； ３条溶解度 曲线。
Fe-C合金示意图
画出基本形状； 记住关键点的 成分； 会分析典型合 金的结晶过程 会计算平衡组 织的构成。
计算过程
共晶温度下：
相组成： L+ α 成分：L为62% α 为18% 假设： α的重量百分比为x%, 则L相的重量百分比为(1-x)% 溶质总量不变： 18x+62(1-x)=40 X=50%
比重偏析
产生原因：
因组元比重相差较大造成初 晶相与液相的比重相差较大。
危害
材料组织和性能不均匀
冷却速度对金属晶粒度的影响孕育处理加入人工晶核晶粒细化结论金属在一定温度下只能有一种晶体结构但有些金属在不同温度下具有不同的晶体结构
合金的结晶与相图
金属的结晶
一.结晶的概念 二.理论结晶温度 与实际结晶 温度：过冷 度ΔT 三.金属结晶的必 要条件：一 定的过冷度
金属的结晶过程
温度越 高,原子 运动速 度越快
金属的同素异构性
金属在一定温度下 只能有一种晶体结 构，但有些金属在 不同温度下具有不 同的晶体结构。 铁的同素异构体：
同素异构转变过程
形核与长大的过程
α 铁
γ-铁 α-铁晶核
金属的结晶构造和结晶过程
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一、晶体与非晶体
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。有固定熔点。
2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。
长程无序，各向同性。无固定熔点。
3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等） 是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅 酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤 维都是晶体。
➢ 在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时 属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个 晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶 胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。
体心立方晶格
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原子半径
❖晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。 体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对 角线, 所以原子半径与晶格常数a之间的关系 为：
1 538℃
1 394℃
912℃
Lቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
δ－Fe
γ －Fe
α－Fe
(体心)
(面心)
(体心)
转变发生于固态 特点：在一定温度下进行
晶格类型发生变化
形核 ＋ 长大
局部
整体
三、金属的同素异晶转变
纯铁的同素异构转变曲线
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三、金属的同素异晶转变
❖ 金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜 热。
❖ 金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向。
长。
二、金属的结晶过程
晶粒大小及其控制
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细晶强化的基本原理 ↑v形核， ↓v长大
细晶强化的方法 -- 增大过冷度∆T (中、小型零件) ↑形核率， ↓v长大 -- 变质处理 ↑形核率 -- 震动、搅拌结晶 ↓v长大， ↑形核率
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。
合金的结晶过程和特点
合金的结晶过程和特点
合金是由两种或两种以上的金属元素或非金属元素组成的具有金属特性的物质。
合金的结晶过程和特点与纯金属不同，下面将分别进行介绍。
1.合金的结晶过程
合金的结晶过程是在一定温度和压力下，原子从无序排列逐渐形成有序排列的过程。
这个过程可以分为以下几个阶段：
(1)形核阶段：在液态合金中，原子随机排列，当温度降低时，原子开始聚集形成核。
这个阶段是结晶的开始。
(2)长大阶段：在形核后，原子在核上排列，形成晶体。
随着温度下降，晶体不断长大。
(3)相变阶段：当晶体长大到一定阶段时，合金中会出现相变，即新旧相交替出现。
这个阶段是结晶过程中最困难的阶段。
(4)晶粒长大阶段：在相变结束后，晶粒开始长大，最终形成均匀的晶粒结构。
2.合金的结晶特点
合金的结晶特点与纯金属不同，主要包括以下几个方面：
(1)结晶温度范围：合金的结晶温度范围较宽，不像纯金属那样具有明显的结晶点。
(2)晶格结构：合金的晶格结构比纯金属复杂，包含多种元素和原子排列方式。
(3)偏析：合金中常常出现元素偏析现象，即某些元素在晶格中
的分布不均匀。
(4)相变：合金中常常出现相变现象，即不同晶体结构之间的转变。
总之，合金的结晶过程和特点与纯金属不同，具有独特的特征。
这些特征对合金的性能和加工工艺具有重要影响，需要在实际应用中加以考虑和掌握。
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
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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。
第三章 金属与合金的结晶
械 制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
§3.2 合金的结晶
本章小结
习题
机 械
制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
§3.2 合金的结晶
本章小结
习题
机 械
制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
机
合金相图：表达温度、成分与相之间关系，又称为合金平衡图或 械
合金状态图。 合金相图是制订金属冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的理
论基础。
制 造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
习题
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3-1 解释下列名词
结晶 过冷现象 过冷度 变质处理 晶核 同素异构转变 枝晶偏
析 共晶转变
3-2 晶粒大小对金属的力学性能有何影响? 生产中有哪些细化晶粒的
影响过冷度的因素：冷却速度
械 制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
二、纯金属的结晶过程
形核
当液态金属冷却到接近理论结晶温度时，形成一
批类似于晶体中原子有规则排列的小集团。这些
小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当温
度下降到低于理论结晶温度时，这些小集团中的
一部分就稳定下来，成为结晶核心。
理论结晶温度 实际结晶温度
开
结
始
晶
结
终
晶
了
实践证明，金属总是在一定的过冷度下结晶的，
金属材料的晶体结构与结晶
1.1.1 合金的晶体结构
合金是指由两种或两种以上的金属元素或由金属元素与非金属元素 组成的具有金属特性的物质。
组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。由两个组元组成的合 金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组 元组成的合金称为多元合金。
合金中结构相同、成分相同和性能一致，并以界面相互隔开的组成 部分称为相。只有一种相组成的合金为单相合金，由两种或两种以上相 组成的合金为多相合金。用金相观察方法，在金属及合金内部看到的相 的形态、数量、大小和分布及相间结合状态称为显微组织。
非晶体
晶体
金属材料的晶体结构与结晶
1.晶体结构的基本知识
图2-1 晶体结构示意图
金属材料的晶体结构与结晶
1.常见的金属晶格类型 常见的金属晶格类型包括体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方
晶格三大类。 1）体心立方晶格 body—centered cubic lattice 特点：b 较好。如：＜912℃ Fe, Cr, Mo, V等。 含有2个原子体积组成。
图2-7 刃型位错示意图
金属材料的晶体结构与结晶
（3）面缺陷。面缺陷是指在晶体中呈面状分布（在两个方向上尺寸很大，在第 三个方向上尺寸很小）的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。
晶界是位向不同的晶粒间的过渡区，其宽度为5～10个原子间距。晶界区域的晶 粒的位向通过晶界的协调逐步过渡到相邻晶粒的位向，如图2-8（a）所示。亚晶界 是由位向相差很小的亚晶粒组成的，如图2-8（b）所示。晶界和亚晶界的原子排列 都不规则，会产生晶格畸变。因此，晶界和亚晶界均可提高金属的强度，改善塑性 和韧性。
图2-10 液态金属的结晶过程示意图
金属材料的晶体结构与结晶
合金的结晶知识点总结
合金的结晶知识点总结一、结晶的定义与特点结晶是指物质在一定条件下，由无序状态转变为有序状态的过程。
在固态金属和合金中，结晶是一种重要的物理现象，它影响着合金的性能和用途。
结晶的特点包括有序性、周期性、规则性和对称性。
二、合金的结晶方式合金的结晶方式主要包括共晶结晶、析出结晶、扩散控制结晶、再结晶等。
1. 共晶结晶共晶合金是由两种或两种以上的金属元素组成，且在一定温度范围内形成与基体共同结晶的合金。
共晶合金的共晶点温度比升华温度低，使得共晶合金易于结晶。
2. 析出结晶析出结晶是指在固溶体中析出新的相或晶粒，该过程是固溶体中溶质从固溶体中析出的过程。
3. 扩散控制结晶扩散控制结晶是由于界面扩散对固相反应速率的控制，因而在分解时呈现扩散控制的过程。
4. 再结晶再结晶是宏观特征是对晶体变形的恢复。
通过核心再结晶再结晶拟晶长大及晶粒细化，生产出具有良好性能的金属材料。
三、影响合金结晶的因素1. 温度温度是影响合金结晶的最主要因素之一。
合金的熔点、凝固温度和再结晶温度都与结晶过程有关，温度对合金结晶方式和晶粒尺寸都有很大的影响。
2. 成分合金的成分对结晶过程和晶粒尺寸都有重要的影响。
合金的成分不同，其结晶过程、成分的分布和晶粒尺寸都会有所差异。
3. 液态冷却速率冷却速率是指液态金属或合金在冷却过程中的冷却速率。
液态冷却速率对合金的宏观结构和微观结构都会产生重要的影响，从而影响合金的结晶方式和晶粒尺寸。
4. 添加元素合金中添加的元素对其结晶过程和晶粒尺寸都有很大的影响。
添加元素可以改变合金的化学成分和晶粒尺寸，从而对合金的性能产生影响。
四、合金结晶技术1. 凝固技术合金的凝固技术是其中最重要的一项技术，凝固技术可以影响合金的结晶方式、晶粒尺寸和组织结构，从而影响合金的性能和用途。
2. 热处理技术热处理技术包括退火、淬火、固溶处理、时效处理等，通过热处理技术可以改变合金的晶粒尺寸和组织结构，从而影响合金的性能和用途。
项目三 金属的晶体结构与结晶
三、奥氏体
碳溶解于γ-Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。虽然γ-Fe晶格的 原子排列较紧密，但空隙比较集中，因此面心立方结构的γ-Fe可以溶解较多的碳， 在1148 ℃时，最多可以溶解2.11%的碳，随着温度的下降，奥氏体溶解碳的能力减小， 到727 ℃时，碳的质量分数降到0.77%。奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑 性，是大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织，故在轧钢和锻造时，常把钢 加热到高温呈奥氏体状态，奥氏体没有磁性。
目录
CONTENT
CONTENT
01 二元合金相图 02 铁碳合金的基本组织 03 绘制 Fe-Fe3C 相图 04 钢的结晶过程 05 铁的结晶过程 06 Fe-Fe3C 相图的应用
任务一
二元合金相图
合金比纯金属结晶过程复杂，随着合金中元 素种类的变化，其组织和性能随之变 化，这种 变化规律可以借助于相图认识。合金相图是生 产中分析研制合金材料的理论 基础，也是制定 合金熔炼、铸造、焊接、锻造及热处理工艺的 重要依据。
任务三
绘制Fe-Fe3C 相图
铁和碳是铁碳合金中的两种主要元素。铁 碳合金在加热和缓慢冷却的条件下，不 同成分 的铁碳合金，随温度的变化，其状态或组织也 随之发生改变。为了便于同学们了解和学习铁 碳合金在平衡状态下组织、成分与温度之间的 关系，有必要建立一种学习工 具——Fe-Fe3C 相图。
学习目标
四、渗碳体
随着温度的降低，渗碳体会从不同的相中析出，通常把铁碳合金中的渗碳体分为: （1）一次渗碳体，由液体金属中直接结晶出来; （2）二次渗碳体，由奥氏体中析出; （3）三次渗碳体，由铁素体中析出; （4）共晶渗碳体，在共晶转变时形成; （5）共析渗碳体，在共析转变时形成。
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第八节合金的晶体结构与结晶过程
一、基本概念
●组成合金最基本的、独立的物质称为组元。
●由两种或两种以上的组元按不同比例配制而成的一系列不同化学成分的所有合金，称为合金系。
●相是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的部分。
●组织是指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。
二、合金的晶体结构
根据合金中各组元之间的相互作用，合金中的晶体结构可分为固溶体、金属化合物及机械混合物三种类型。
（一）固溶体
●合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体。
根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。
1．置换固溶体
●溶质原子代替一部分溶剂原子，占据溶剂晶格的部分结点位置时，所形成的晶体相，称为置换固溶体。
按溶质溶解度的不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。
a) 置换固溶体 b) 间隙固溶体
图1-32 固溶体的类型
2．间隙固溶体
●溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂晶格的结点位置，而是嵌入溶剂晶格的各结点之间的间隙内时，所形成的晶体相，称为间隙固溶体。
无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，异类原子的插入都将使固溶体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，使固溶体的强度、硬度提高。
这种通过溶入溶质原子形成固溶体，使合
金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。
固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。
a）间隙固溶体 b）置换固溶体（大溶质原子） c）固溶体（小溶质原子）
图1-33 形成固溶体时产生的晶格畸变
（二）金属化合物
●金属化合物是指合金中各组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。
金属化合物具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格，熔点高，硬而脆。
（三）机械混合物
●由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。
在机械混合物中各组成相仍保持着它原有晶格的类型和性能，而整个机械混合物的性能则介于各组成相的性能之间，并与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。
三、合金结晶过程
合金的结晶过程与纯金属一样，也是晶核形成和晶核长大两个过程。
同时结晶时也需要一定的过冷度，结晶后形成由多晶体。
合金的结晶过程中具有如下特点： （1）纯金属的结晶是在恒温下进行，只有一个结晶温度。
而绝大多数合金是在一个温度范围内进行结晶的，一般结晶的开始温度与终止温度是不相同，一般有两个结晶温度。
（2）合金在结晶过程中，在局部范围内相的化学成分（即浓度）有差异，当结晶终止后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。
（3）合金结晶后一般有三种情况：第一种情况是形成单相固溶体；第二种情况是形成单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)；第三种情况是结晶开始时形成单相固溶体，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)。
四、合金结晶冷却曲线
合金结晶过程比纯金属复杂得多，但其结晶过程仍可用结晶冷却曲线来描述。
一般合金的结晶冷却曲线有以下三种形式：
图1-34 合金的结晶冷却曲线
Ⅰ—形成单相固溶体Ⅱ—形成单相金属化合物或析出共晶体Ⅲ—形成机械混合物
●从一定化学成分的液体合金中同时结晶出两种固相物质，则该转变过程称为共晶转变(或称共晶反应)，其结晶产物称为共晶体。
共晶转变是在恒温下进行的。
●在固态下由一种单相固溶体同时析出两相固体物质，称为共析转变(或称共析反应)。
共析转变与共晶转变一样，也是在恒温条件下进行的。