第二章 工程材料结构(02 金属及合金的结晶)
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第二章-工程材料结构(金属及合金的晶体结构)
第2章 工程材料结构
金属的结构 高分子材料的结构 陶瓷材料的结构
1
第二章 工程材料的结构
1 课程的目的：
• 1）理解晶体结构，熟悉典型金属与合金的晶体结构特点及表示 方法；
• 2）掌握常见晶体缺陷特征及其几何特征对性能的影响；
2 主要内容：
晶体和点阵的概念
三种常见的金属晶体结构及特征参数：体心立方、面心立 方、密排六方、单胞原子数、致密度、配位数
• 晶界:在晶粒内，由于各个方向原子排列的情况不同，故 而呈现各向异性。在χ射线下分析，每个晶粒内部的原子 排列大都是整齐而有规律的。晶粒与晶粒之间的过渡区称 为“晶界”。
2019年11月9日星期六
9
2 晶格特征参数
立方
六方
四方 菱方
正交
根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。
单斜
90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为 以下三类：点缺陷、线缺陷和面缺陷。
2019年11月9日星期六
38
1、点缺陷——空位和间隙原子↗ ↘ 在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原
子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在 个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格 位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。
24
密排六方晶格的参数
2019年11月9日星期六
25
3．晶面与晶向的表示方法
• 为了便于确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶面，国 际上通用密勒（Miller）指数来统一标定晶向指数与晶 面指数。
• 立方晶系中： 1.晶向指数 2.晶面指数
2019年11月9日星期六
26
晶面指数和晶向指数
2019年11月9日星期六
金属的结构 高分子材料的结构 陶瓷材料的结构
1
第二章 工程材料的结构
1 课程的目的：
• 1）理解晶体结构，熟悉典型金属与合金的晶体结构特点及表示 方法；
• 2）掌握常见晶体缺陷特征及其几何特征对性能的影响；
2 主要内容：
晶体和点阵的概念
三种常见的金属晶体结构及特征参数：体心立方、面心立 方、密排六方、单胞原子数、致密度、配位数
• 晶界:在晶粒内，由于各个方向原子排列的情况不同，故 而呈现各向异性。在χ射线下分析，每个晶粒内部的原子 排列大都是整齐而有规律的。晶粒与晶粒之间的过渡区称 为“晶界”。
2019年11月9日星期六
9
2 晶格特征参数
立方
六方
四方 菱方
正交
根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。
单斜
90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为 以下三类：点缺陷、线缺陷和面缺陷。
2019年11月9日星期六
38
1、点缺陷——空位和间隙原子↗ ↘ 在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原
子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在 个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格 位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。
24
密排六方晶格的参数
2019年11月9日星期六
25
3．晶面与晶向的表示方法
• 为了便于确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶面，国 际上通用密勒（Miller）指数来统一标定晶向指数与晶 面指数。
• 立方晶系中： 1.晶向指数 2.晶面指数
2019年11月9日星期六
26
晶面指数和晶向指数
2019年11月9日星期六
第2章 金属及合金的结构与结晶
cde为共晶线,成分在共晶线上的合金，发生共晶转变
组元: Pb, Sn 相: α,β, L
α是Sn溶于Pb中 的固溶体。
共晶体 亚共晶合金 过共晶合金
β是Pb溶于Sn 中 的固溶体。
固溶度线（溶解度曲线） cf、eg
共晶反应：一定成分的液相在一定温度下同时结晶出两个成分 不同的固相的过程。
工程材料及热加工
1 2
工程材料及热加工
相1成分
•
合金成分
•
相2成 分
•
相1 重量
相2 重量
组织1成分
•
合金成分
•
组织2成分
•
组织1 重量
组织2 重量
工程材料及热加工
2）共晶相图 特点：二组元在液态时无限互溶，在固态时不能无限互溶形成 单相固体，而是形成两个成分不同的固相，且发生共晶反应。 A:相图分析
液相线adb 固相线 acdb
率下降，晶体在各方向均匀生长，形成粗大
的等轴晶粒。
缺陷：缩孔、缩松 、偏析、气孔等。
工程材料及热加工
第二节
1.合金的概念
合金的结构与相图
合金—两种以上金属元素或金属与非金属元素经熔炼或组 成并具有金属性质的物质 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。 二元合金 —两种组元组成的合金 “组元”、 “相”的概念 “组元”—组成合金的元素或稳定的化合物 “相” —有相同的化学成份，结构相同并与其它部分以界 面相互分开的均匀组成部分。
晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移， 滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。
刃型位错
螺型位错
位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度
组元: Pb, Sn 相: α,β, L
α是Sn溶于Pb中 的固溶体。
共晶体 亚共晶合金 过共晶合金
β是Pb溶于Sn 中 的固溶体。
固溶度线（溶解度曲线） cf、eg
共晶反应：一定成分的液相在一定温度下同时结晶出两个成分 不同的固相的过程。
工程材料及热加工
1 2
工程材料及热加工
相1成分
•
合金成分
•
相2成 分
•
相1 重量
相2 重量
组织1成分
•
合金成分
•
组织2成分
•
组织1 重量
组织2 重量
工程材料及热加工
2）共晶相图 特点：二组元在液态时无限互溶，在固态时不能无限互溶形成 单相固体，而是形成两个成分不同的固相，且发生共晶反应。 A:相图分析
液相线adb 固相线 acdb
率下降，晶体在各方向均匀生长，形成粗大
的等轴晶粒。
缺陷：缩孔、缩松 、偏析、气孔等。
工程材料及热加工
第二节
1.合金的概念
合金的结构与相图
合金—两种以上金属元素或金属与非金属元素经熔炼或组 成并具有金属性质的物质 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。 二元合金 —两种组元组成的合金 “组元”、 “相”的概念 “组元”—组成合金的元素或稳定的化合物 “相” —有相同的化学成份，结构相同并与其它部分以界 面相互分开的均匀组成部分。
晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移， 滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。
刃型位错
螺型位错
位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
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。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
工程材料 第2版课件PDF 版02
工程材料
02—金属的晶体结构
与缺陷
图标
XI’AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY
第二章 金属的晶体结构与缺陷
1 材料的结合方式；
2 晶体结构的基本概念；
3 纯金属的晶体结构；
4 金属的实际结构与晶体缺陷；
5 合金的相结构。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.1 材料的结合方式
r=
3
a
4
r=
2
a
4
1
r = 2a
3 配位数 ——晶格中任一原子周围与其最临近且等距离的原子数目。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.3 纯金属的晶体结构
4 致密度
2.3.2 描述晶胞的指标
nv
—— 一个晶胞内原子所占体积的百分数。 K =
×
bcc: =
fcc: =
2.4 实际结构与晶体缺陷
2.4.3 面缺陷
奥氏体不锈钢冷轧100倍
超纯铝阳极化偏振光
Hadfield热变形高锰钢固溶处理
冷拉退火海军黄铜偏光α+β
奥氏体不锈钢热轧及固溶退火
Fe-39%Ni变形退火后奥氏体
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.4 实际结构与晶体缺陷
晶粒由许多尺寸很小、位相差也很小
退火态
105～108/cm2
ρ
金属的塑性变形主要是由位错运动引起的，因此，阻碍位错运动
是强化金属的主要途径。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.4 实际结构与晶体缺陷
2.4.2 位错
Ni
Si
中
02—金属的晶体结构
与缺陷
图标
XI’AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY
第二章 金属的晶体结构与缺陷
1 材料的结合方式；
2 晶体结构的基本概念；
3 纯金属的晶体结构；
4 金属的实际结构与晶体缺陷；
5 合金的相结构。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.1 材料的结合方式
r=
3
a
4
r=
2
a
4
1
r = 2a
3 配位数 ——晶格中任一原子周围与其最临近且等距离的原子数目。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.3 纯金属的晶体结构
4 致密度
2.3.2 描述晶胞的指标
nv
—— 一个晶胞内原子所占体积的百分数。 K =
×
bcc: =
fcc: =
2.4 实际结构与晶体缺陷
2.4.3 面缺陷
奥氏体不锈钢冷轧100倍
超纯铝阳极化偏振光
Hadfield热变形高锰钢固溶处理
冷拉退火海军黄铜偏光α+β
奥氏体不锈钢热轧及固溶退火
Fe-39%Ni变形退火后奥氏体
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.4 实际结构与晶体缺陷
晶粒由许多尺寸很小、位相差也很小
退火态
105～108/cm2
ρ
金属的塑性变形主要是由位错运动引起的，因此，阻碍位错运动
是强化金属的主要途径。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.4 实际结构与晶体缺陷
2.4.2 位错
Ni
Si
中
工程材料第二章-2
(3) 亚共析钢：以W(C)=0.6％
2.2 合金的结晶
2.2.3 铁碳合金的结晶 2、合金的平衡结晶过程
(4) 过共析钢：以W(C)=1.2％
6.69 1.2 w( F ) 100 % 82% 6.69 1.2 w( Fe 3C ) 100 % 18 % 6.69 1.2 0.77 w( Fe3C ) 100 % 7% 6.69 0.77
(2) 结晶过程
合金Ⅰ
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 2、发生共晶反应的合金的结晶
(2) 结晶过程
合金Ⅱ
Ld c
恒温
c+ e cf+ Ⅱ
e
eg+ Ⅱ
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 2、发生共晶反应的合金的结晶
x3 g 100% fg fx3 w( ) 100% fg w( )
以上内容小结2发生共晶反应的合金的结晶3发生包晶反应的合金的结晶4发生共析反应的合金的结晶5含有稳定化合物的合金的结晶二元合金的结晶合金的性能和相图的关系合金的性能和相图的关系1合金使用性能和相图的关系2合金工艺性能与相图的关系铁碳合金的结晶1铁碳相图2合金的平衡结晶过程3铁碳合金的成分组织性能关系4fefe3c合金相图的应用
两组元在液态 无限互溶，在 固态有限互溶， 在冷却时发生 包晶反应所形 成的相图，叫~ (1) 相图分析
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 3、发生包晶反应的合金的结晶
(2) 结晶过程
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 4、 发生共析反应的合金的结晶 L
L+γ
γd 恒温
c+ e
工程材料的组织结构培训资料.pptx
X
（2）面心立方晶格 fcc
-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等
面心立方晶胞
Z
c
a
X
bY
晶格常数：a=b=c； ===90
致密度：0.74
（3）密排六方晶格 hcp
C（石墨）、Mg、Zn 等
晶格常数: 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90
致密度：0.74
2.1.2 实际金属的晶体结构 1 多晶体结构
冷却曲线
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
T
T= T0 - Tn
T0
理论结晶温度
}T
Tn
开始结晶温度
t
冷却速度越大，则过冷度越大。
（2）结晶的一般过程
形核和晶核长大的过程
液态金属
形核
晶核长大
完全结晶
自发晶核: 由液体金属内部原子聚集尺寸超过
临界晶核尺寸后形成的结晶核心。
L+
1455
Cu 20
40 60 Ni%
Ni 80 100
铜-镍合金匀晶相图
液相线
匀晶相图
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083 熔点
液相区 L
1455
L+
纯镍 熔点
固相线
Cu
固相区
20
液固两相区
40 60 Ni%
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
2 相图与性能的关系
1）合金的力学性能与相图的关系 ● 固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑ ● 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
2） 合金的工艺性能与相图的关系 ● 铸造性能
工程材料第二章课件
天然金刚石、人造单晶硅。
多晶体：由许多取向不同的小
的单晶体所组成的晶体称为多 晶体。多晶体是各向同性的。
纯金属的晶体结构
单晶体
多晶体
光学金相显示的纯铁晶界
组成多晶体的小单晶体称为晶粒； 晶粒之间的界面称为晶界； 多晶体中，各小的单晶体位向或取向不同，虽然每个小 晶粒具有各向异性，但整体材料则是它们的平均值，表现为 各向同性。
“ __” 号 放 在 该 指数的上方。 [110] Z [110] 与 1 1 0 [111] (111)
晶向具有方向性，
如 [110]
方向相反。
在立方晶系中，
指数相同的晶向 与晶面相互垂直。
Y X
纯金属的晶体结构
密排面和密排方向 单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。
塑性变形、相变以及性能方面的 问题时，常涉及到晶向和晶面。 为了方便表示各种晶面和晶向， 国际上采用了统一的符号表示，
Z
表示晶面的为晶面指数，表示晶
向的为晶向指数。
X Y
纯金属的晶体结构
1.晶面指数的确定方法
（1）选原点定坐标：以晶胞中某一阵点为原点，对 晶胞作 晶轴X、Y、Z，以晶胞的边长为晶轴上的单位长度1。 （2）求截距：求晶面在三个晶轴上的截距， 如：1,1,∞；1/2,1/2,1。 （3）取倒数: 取这些截距的倒数， 如：1,1,0； 2,2,1。 （4）化为整数，加圆括号：将所得数值化为最简整数，并 加圆括号，即表示该晶面的指数，记为（h k l）。 如：（110）、（221）。
特征：① 在位错线方向尺寸大
② 位错线周围产生晶格畸变
工程材料教案2晶体结构与结晶
图2-1 晶格示意图图2-2 晶胞示意图图2-3 晶格常数（二）晶格的类型1、体心立方晶格：如图2-4(a)所示，晶胞是一个立方体，晶格参数a=b=c，α=β=γ=90○，原子排列于立方体的各个结点和立方体的中心。
在一个体心立方晶胞中，含有多少个原子？属于这类晶格的金属有：C r、M0、W、V、αF e（912℃以下的纯铁）。
2、面心立方晶格：如图2-4(b)所示，其晶胞亦是一个立方体，原子除了分布于立方体的8个顶点外，在每个面的中心也分布着一个原子。
在一个面心立方晶胞中，含有多少个原子？属于这类晶格的金属有：C u、Al、N i、A u、A g、γF e（912-1394℃的纯铁）等。
3、密排六方晶格：如图2-4(c)所示，晶胞是一个六方柱体，晶格参数a=b≠c,α=β=90○，γ=120○。
属于这类晶格的金属有：Be、Mg、Zn、Ca等。
图2-4 晶格类型示意图(a)体心立方晶格(b)面心立方晶格(c)密排六方晶格（三）单晶体的各向异性在晶体中，由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，因而在同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能不同，这种现象叫做“各向异性”。
单晶体具有各向异性的特征，而多晶体一般不具有各向异性。
二纯金属的实际结构如上我们讨论的是理想单晶体的结构，单晶体材料只有经过特殊制做才能获得，例如半导体工业中的单晶硅。
但在实际金属材料中，其晶体结构和理想晶体相差甚远。
因此有必要在了解了理想晶体结构之后，进一步讨论实际金属的结构。
（一）多晶体结构和亚结构在机器制造业中使用的金属都是多晶体，即材料内部包含了许许多多的小晶体，其中的每一个小的晶体都称之为一个晶粒，相邻的晶粒间晶格的位向有明显的差别，晶粒之间原子排列不规律的区域（晶粒之间分界面）称为晶界，如图2-5。
由许多晶粒所组成的结构称之为多晶体结构。
晶粒晶界图2-5 多晶体显微组织照片和微观示意图1、多晶体结构：多晶体结构中，晶粒的尺寸一般很小，如钢铁材料一般为0.1～0.001mm左右，必须在显微镜下才能看到。
工程材料及热加工工艺-第2章晶体结构PPT课件
金属的结构
晶晶态态
非非晶晶态态
SiO2的结构
2
2、晶格、晶胞与晶格常数
⑴ 晶格：用假想的直线 将原子中心连接起来所形 成的三维空间格架。直线 的交点（原子中心）称结 点。由结点形成的空间点 的阵列称空间点阵
晶胞：从晶格中取出来的、能够完全反映晶格特 征的最小几何单元。
3
立方
⑶ 晶格常数：晶胞个边
2.1.1 多晶体 理想晶体+晶体缺陷——实际晶体
实际晶体——单晶体和多晶体
单晶体：整块金属晶粒取向完全一致，力学 性能呈各向异性，体心立方铁：
A向：E＝290000Mpa;
X轴：E＝135000Mpa;
X轴
多晶体：由许多晶取向各不相同的单晶体块 组成，所以整体呈各向同性，
各向平均E＝210000Mpa;
27
3. 面缺陷:原子排列不规则区域在空间两个方向上尺寸很大， 如晶界
28
晶界的特点： ① 原子排列不规则。 ② 熔点低。 ③ 耐蚀性差。 ④ 易产生内吸附，外来原子易
在晶界偏聚。 ⑤ 阻碍位错运动，是强化部位，
因而实际使用的金属力求获得 细晶粒。
⑥ 是相变的优先形核部位
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
原子半径： r 1 a 2
原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、
Be、Cd等
13
密排六方晶格的参数
14
BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数
晶 晶体学参数 原子半 晶 胞 原 致密度
胞
径
子数
FC a=b=c,α= C β=γ =90o
的尺寸 a、b、c。各棱间
六方
工程材料金属的晶体结构和结晶
③振动，搅拌等 对正在结晶旳金属进行振动或搅动，一方面可 靠外部输入旳能量来增进形核，另一方面也可 使成长中旳枝晶破碎，使晶核数目明显增长。
12/31/2023
同素异构转变：纯铁旳冷却曲线
温度
1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500
密排六方晶格旳参数
12/31/2023
密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
原子半径：r 1 a
2 原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
12/31/2023
第二节 实际金属旳晶体构造
实际晶体：理想晶体+晶体缺陷 晶体缺陷：实际晶体中排列不规则旳区域称为晶体缺 陷。按空间尺寸分为三种：
光学显微镜
灰铸铁旳显微组织
Pb-Sn共晶1组2/织31/2023
1923年发觉了X-射线对晶体旳作用并在随即被用于 晶体衍射分析，使人们对固体材料微观构造旳认识 从最初旳假想到科学旳现实。
Si表面旳重构图象
X-射线衍射仪
12/31/2023
构造：材料中各原子 旳详细组合状态。 一般经过X-射线衍 射或透射电镜研究。
金属旳晶体构造 和结晶
12/31/2023
对材料旳认识： 宏观（体现）；微观（纳，微米）
微观认识。 如：晶体构造（上海光源视频……）
12/31/2023
人类对材料旳认识是逐渐进一步旳
1863年，光学显微镜首次应用 于金属研究，诞生了金相学，使 人们能够将材料旳宏观性能与微 观组织联络起来。
12/31/2023
3.控制晶粒度旳原因 ①提升过冷度
12/31/2023
同素异构转变：纯铁旳冷却曲线
温度
1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500
密排六方晶格旳参数
12/31/2023
密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
原子半径：r 1 a
2 原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
12/31/2023
第二节 实际金属旳晶体构造
实际晶体：理想晶体+晶体缺陷 晶体缺陷：实际晶体中排列不规则旳区域称为晶体缺 陷。按空间尺寸分为三种：
光学显微镜
灰铸铁旳显微组织
Pb-Sn共晶1组2/织31/2023
1923年发觉了X-射线对晶体旳作用并在随即被用于 晶体衍射分析，使人们对固体材料微观构造旳认识 从最初旳假想到科学旳现实。
Si表面旳重构图象
X-射线衍射仪
12/31/2023
构造：材料中各原子 旳详细组合状态。 一般经过X-射线衍 射或透射电镜研究。
金属旳晶体构造 和结晶
12/31/2023
对材料旳认识： 宏观（体现）；微观（纳，微米）
微观认识。 如：晶体构造（上海光源视频……）
12/31/2023
人类对材料旳认识是逐渐进一步旳
1863年，光学显微镜首次应用 于金属研究，诞生了金相学，使 人们能够将材料旳宏观性能与微 观组织联络起来。
12/31/2023
3.控制晶粒度旳原因 ①提升过冷度
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
2-3 根据组元数, 一般分为二元相图、三元相图。 三元相图
Fe-C二元相 图
2-3 同素异构转变 有些物质在固态下其晶格类型会随温度变化而发生变化，这 种现象称为同素异构转变。 锡，四方结构的白锡在13℃下转变为金刚石立方结构的灰 锡。 同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个 固态下的相变过程，即固态相变。 除锡之外，铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转变。
位错密度增加，能提高金属强度。
2-1
（3）面缺陷
呈面状分布的缺陷，主要是晶界和亚晶界。 晶体缺陷产生晶格畸变，使金属的强度、硬度提高，韧性下降。
2-1
二、合金的晶体结构 1.合金的基本概念
合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的 具有金属特性的物质。 例如，钢和生铁是Fe与C的合金，黄铜是Cu和Zn的合金。 组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以是化合物。 黄铜的组元是铜和锌；青铜的组元是铜和锡。铁碳合金中的Fe3C，镁硅合 金中的Mg2Si。 合金系：组元不变，当组元比例发生变化，可配制出一系列不同成分、不 同性能的合金，这一系列的合金构成一个“合金系统”，简称合金系。
2-1
（2）金属化合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质。
1.正常价化合物：如Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb, Cu2Se等。
2.电子化合物：不遵守原子价规律，但有一定的电子浓度的化合物。
如Cu3Al, CuZn3, Cu5Zn8等。
3.间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较
通常在钢中加入铝、钒，向铸铁液中加入硅铁合金。
（3）机械振动、超声振动、电磁搅拌： 使结晶过程中形成的枝晶折断裂碎，增加晶核数，达到细化晶粒的目的。
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2014年12月28日星期日
合金工艺性能与相图的关系
• 合金的工艺性能与相图也有密切的联 系。如铸造性能（包括流动性、缩孔分布、 偏析大小）与相图中液相线和固相线之间 的距离密切相关。相图中液相线与固相线 的距离愈宽，形成枝晶偏析的倾向越大， 同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的 流动，则流动性愈差，分散缩孔愈多。
第二章 工程材料结构
——合金的结晶
刘红华 机械工程学院
合金的结晶
一、二元合金相图的基本知识
二、二元匀晶相图
三、二元共晶相图 四、合金性能与相图间的关系
2014年12月28日星期日
合金的相图
2014年12月28日星期日
2014年12月28日星期日
二元合金相图
• 物质在温度、压力、成分变化时，其状态可以发 生改变。 • 相图是描述系统的状态、温度、压力及成份之间 关系的一种图解。 • 因为相图表示的是物质在热力学平衡条件下的情 况，所以又称之为平衡相图。 • 利用相图，我们可以知道在热力学平衡条件下， 各种成分的物质在不同温度、压力下的相组成、 各种相的成分、相的相对量。
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Pt铂-Ag银相图
L L多 II
匀晶转变 包晶转变 脱溶转变
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L 匀晶 L多 包晶 L多 匀晶 脱溶 II
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（4）杠杆定律 在两相区内，由于合金正处在结晶过程中，随着结晶过 程的进行，合金中各相的成分和相的相对量都在不断地发生变 化。杠杆定律就是确定两相区内两个组成相（平衡相）以及相 的成分和相的相对量的重要法则。
WL
WS
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W L=
W S=
二元共晶相图
2014年12月28日星期日
用热分析法测定Cu—Ni合金相图
3.找出图中各冷却曲线上的相变点。 4.将各个合金的相变点分别标注在温度-成分坐标 图中相应的合金线上。 5.连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界 线。这样就获得了Cu—Ni合金相图，如图b所示。
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用热分析法测定Cu—Ni合金相图
二元匀晶相图凡是在二元合金系，两组元在液态和固态下以任何比 例均可相互溶解，即在固态下能形成无限固溶体时，其相图 属匀晶相图。以Cu—Ni合金相图为例，对匀晶相图进行分析。
L
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图 Cu-Ni 相图
匀晶结晶特点
变温结晶 固溶体结晶在一个温度区间内进 行, 即为一个变温结晶过程。 在此温度范围内的每一温度下，只能结晶 出一定数量的固相。
包晶相图及其合金组织的形成 两组元在液态无限溶解，在固态有限固溶， 并且发生包晶反应的相图，称为包晶相图。 由一个液相与一个固相在恒温下生成另一个 固相的转变称为包晶转变。 １.相图分析
L
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点 A点 B点 C点 D点 P点 E点 线 ACB线为液相线 APDB线为固相线 CDP线是包晶转变线 PE线为Ag在Pt中的固溶度 曲线， DF线为Pt在Ag中的固溶度 曲线 相区 单相区 两相区 三相线
图 Pb—Sn合金相图 图合金Ⅰ的冷却曲线及结晶过程示意图
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图 ω Sn＜D的Pb-Sn合金显微组织（200x）
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2．合金Ⅱ（C点的合金）
Pb—Sn合金相图
合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程示意图
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Pb-Sn共晶合金显微组织（100x）
Pb-Sn过亚共晶合金显微组织（100x）
2014年12月28日星期日
合金的相组分与组织组分 综合上述几种典型合金的结晶过程，可以看到 Pb—Sn合金结晶所得的组织中仅出现α 、β 两相。 因此α 、β 相称为合金的相组分。
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按组织组分填写的Pb—Sn合金相图
比密度偏析 亚共晶或过共晶合金结晶时，若初晶的密度与剩余液相 的密度相差很大，则密度小的初晶将上浮（或密度大的初晶 将下沉）。这种由于密度不同而引起的偏析，称为比密度偏 析。
图 包晶反应时原子迁移示意图
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共析相图
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共析转变
• 共析转变属于固态相变的一种类型。和共晶反应一样是 由一个相分解为两个相的三相平衡等温转变。共析转变的 特点是：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。其反应式可 表达为： 反应产物和的相对重量有一固定的比例： • 由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散条件很差， 晶核成长速度很小，所以共析转变物的组织是比较细密的 两相相间的机械混合物。
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二元合金相图
• 相图的建立 • 建立相图的关键是要准确地测出各成分合金的相 变临界点(临界温度)。 • 测临界点的方法通常有热分析法、硬度法、金相 分析、X射线结构分折、磁性法、膨胀法、电阻 法等。 • 由于合金凝固时的结晶潜热较大，结晶时冷却曲 线上的转折比较明显，因此常用热分析法来测合 金的结晶温度，即测液相线、固相线。
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• 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。
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二元合金相图的测定方法 合金相图都是用实验方法测定的。以Cu铜—Ni镍二元合 金系为例，说明应用热分析法测定其相变点及绘制相图的方 法。 1.配制一系列成分不同的Cu—Ni合金。 2.用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如图所 示。
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合金的性能与相图的关系
2014年12月28日星期日
合金的使用性能与相图的关系
• 当合金形成单相固溶体时，随溶质溶入量的增加，合金的 硬度、强度升高，而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在 合金性能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。当合 金形成两相混合物时，其性能是两相性能值的算术平均值。 随着成分的变化，合金的强度、硬度、导电率等性能在两 组成相的性能间呈线性变化，对于共晶成分或共析成分的 合金，其性能还与两组成相的致密程度有关，组织愈细， 性能愈好。当合金形成稳定化合物时，在化合物处性能出 现极大值或极小值。
随着温度的降低，固相的数量增加，同时 固相和液相的成分分别沿着固相线和液相 线而连续地改变，直至固相的成分与原合 金的成分相同时，才结晶完成。
2014年12月28日星期日
匀晶结晶特点
实际上，达到平衡凝固的条件是极为困难的。在实际冷却 过程中，凝固常常在数小时甚至几分钟内完成，固溶体成 分来不及扩散至均匀。先结晶的部分含高熔点的组分多， 后结晶的部分含低熔点的组分多，溶液只能在固态表层建 立平衡。 实际生产中的凝固是在偏离平衡条件下进行的，这种凝固 过程被称为不平衡凝固。 不平衡凝固过程中通常先结晶的固溶体内部含高熔点组元， 而后结晶的外部则富含低熔点组元。这种在晶粒内部出现 的成份不均匀现象称为晶内偏析。如果固溶体是以树枝状 结晶长大的，则枝干与枝间会出现成份差别，称为枝晶偏 析。
图 可能产生离异共晶示意图
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简单总结伪共晶、不平衡共晶和离异共晶的特点。 伪共晶——靠近共晶点附近的合金得到了全部共晶组 织； 离异共晶——共晶组织没有显示出共晶的特征； 不平衡共晶——在不应该出现共晶的合金里出现了共 晶组织。
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包晶相图
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L 匀晶 L多 包晶 多 脱溶 II II
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具有包晶转变合金的平衡凝固 由于包晶转变时，L和α相中的A、B组元的扩散都必 须通过β相进行，而原子在固相中的扩散速度很慢，因 此包晶转变的速度也相当慢，所以在实际生产条件下， 由于冷却速度较快，原子不能进行充分扩散，因此包 晶转变也不能充分进行。
2014年12月28日星期日
2014年12月28日星期日
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶 偏析组织
平衡组织
枝晶偏析组织
2014年12月28日星期日
枝晶偏析及其消除
• 由于实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。 扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的 条件下进行的。这使得先结晶出来的固溶体合金含高熔 点组元较多，合金的熔点较高，构成晶体的树枝状骨架， 后结晶出的部分含高熔点组元较少，熔点较低，填充于 枝间。 • 这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析或称 晶内偏析。 • 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。 • 出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采用 将铸件加热到低于固相线100～200℃的温度，进行长时 间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。
2014年12月28日星期日
图 四种伪共晶区
不平衡共晶体 合金II在不平衡凝固时，由于固相线偏离平衡位置， 冷到共晶温度以下，还有少量液相残留，最后这些液 相转变为共晶体，形成不平衡共晶组织。
图 共晶系合金的不平衡凝固
2014年12月28日星期日
离异共晶 由于共晶体中与初生固溶 体相同的一相，往往依附在 初生固溶体上生长，而把另 一相推向最后凝固的晶界处， 因此这种共晶体失去了共晶 组织的形态特征，看上去好 象两相被分离开来，所以称 为离异共晶。
2014年12月28日星期日
3．合金Ⅲ（C、D点间的合金）
Pb—Sn合金相图 合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过程示意图
2014年12月28日星期日
Pb-Sn亚共晶合金显微组织（100x）
2014年12月28日星期日
4．合金Ⅳ（C、E点间的合金）
Pb—Sn合金相图 合金Ⅳ的冷却曲线及结晶过程示意图