机械工程材料-第三章--材料的凝固答案
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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…，树枝间最后被填充。 负温度梯度
树枝状结晶
金
金
属 的
属 的
树
树
枝
枝
晶
晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
晶
三、同素异构转变
物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异
构转变。同素异构转变属于 相变之一—固态相变。
纯铁的同素异构转变
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 固溶体区，两 条线之间为两相共存 的两相区（L+ ）。
L
液相线 L
+
固相线
Cu
成分（wt%Ni）
Ni
A portion of the copper-nickel phase diagram for which compositions and phase amounts are determined at point B
位发生（如晶界、晶内缺 陷、特定晶面等）。
固态相变的晶界形核
(Sn-0.5%Cu铸态，255K)
⑵由于固态下扩散困难， 因而过冷倾向大。
⑶固态转变伴随着体积变 化，易造成很大内应力。
第二节 合金的结晶
一、二元相图的建立 二、二元相图的基本类型与分析
1、二元匀晶相图 2、二元共晶相图 3、二元包晶相图 4、形成稳定化合物的二元相图 5、具有共析反应的二元相图 6、二元相图的分析步骤 7、相图与合金性能之间的关系
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
1、铁的同素异构转变
铁在固态冷却过程中有两次 晶体结构变化，其变化为：
1394℃
912℃
-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方 结构(FCC)。都是铁的同素异构体。
-Fe
-Fe
2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部
第三章 材料的凝固
第一节 纯金属的结晶 第二节 合金的结晶 第三节 铁碳合金相图 第四节 凝固组织及其控制
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。
玻璃制品 水晶
第一节 纯金属的结晶
L
质。
温度（℃）
多数情况下组元是指组成合 金的元素。但对于既不发生 分解、又不发生任何反应的 化合物也可看作组元, 如FeC合金中的Fe3C。
Cu 成分（wt %Ni） Ni
Cu-Ni合金相图
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。
⑴ 合金的结晶过程 liquidus; solidus temperature
除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合
金为例说明。
当液态金属自
L
高温冷却到 t1 温度时，开始
结晶出成分为
1的固溶体，
Байду номын сангаас
其Ni含量高于
合金平均成分
温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。
结晶只有在T0以下的实际
雾
结晶温度下才能进行。
凇
液态金属在理论结晶温 度以下开始结晶的现象 称过冷。
理论结晶温度与实际结 晶温度的差T称过冷度
T= T0 –T1 过冷度大小与冷却速度
有关，冷速越大，过冷 度越大。
二、结晶的一般过程
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。
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。
非 均 匀 形 核 示 意 图 均匀形核
Nucleation of CO2 bubbles around a finger
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。
均匀长大
在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。
正温度梯度
实际金属结晶主要以树枝状长大. 这是由于存在负温度梯度，且晶
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 T0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。
液体和晶体自由能随温度变化
ΔT
T1 T0
晶 核 半 径 与 关 系
ΔG
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
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。
二、二元相图的基本类型与分析
1、二元匀晶相图
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。
以Cu-Ni合金为例 进行分析。
Cu-Ni合金相图
相图由两条线构成， 上面是液相线，下面 是固相线。
合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图(Phase Diagrams) 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
树枝状结晶
金
金
属 的
属 的
树
树
枝
枝
晶
晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
晶
三、同素异构转变
物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异
构转变。同素异构转变属于 相变之一—固态相变。
纯铁的同素异构转变
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 固溶体区，两 条线之间为两相共存 的两相区（L+ ）。
L
液相线 L
+
固相线
Cu
成分（wt%Ni）
Ni
A portion of the copper-nickel phase diagram for which compositions and phase amounts are determined at point B
位发生（如晶界、晶内缺 陷、特定晶面等）。
固态相变的晶界形核
(Sn-0.5%Cu铸态，255K)
⑵由于固态下扩散困难， 因而过冷倾向大。
⑶固态转变伴随着体积变 化，易造成很大内应力。
第二节 合金的结晶
一、二元相图的建立 二、二元相图的基本类型与分析
1、二元匀晶相图 2、二元共晶相图 3、二元包晶相图 4、形成稳定化合物的二元相图 5、具有共析反应的二元相图 6、二元相图的分析步骤 7、相图与合金性能之间的关系
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
1、铁的同素异构转变
铁在固态冷却过程中有两次 晶体结构变化，其变化为：
1394℃
912℃
-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方 结构(FCC)。都是铁的同素异构体。
-Fe
-Fe
2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部
第三章 材料的凝固
第一节 纯金属的结晶 第二节 合金的结晶 第三节 铁碳合金相图 第四节 凝固组织及其控制
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。
玻璃制品 水晶
第一节 纯金属的结晶
L
质。
温度（℃）
多数情况下组元是指组成合 金的元素。但对于既不发生 分解、又不发生任何反应的 化合物也可看作组元, 如FeC合金中的Fe3C。
Cu 成分（wt %Ni） Ni
Cu-Ni合金相图
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。
⑴ 合金的结晶过程 liquidus; solidus temperature
除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合
金为例说明。
当液态金属自
L
高温冷却到 t1 温度时，开始
结晶出成分为
1的固溶体，
Байду номын сангаас
其Ni含量高于
合金平均成分
温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。
结晶只有在T0以下的实际
雾
结晶温度下才能进行。
凇
液态金属在理论结晶温 度以下开始结晶的现象 称过冷。
理论结晶温度与实际结 晶温度的差T称过冷度
T= T0 –T1 过冷度大小与冷却速度
有关，冷速越大，过冷 度越大。
二、结晶的一般过程
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。
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。
非 均 匀 形 核 示 意 图 均匀形核
Nucleation of CO2 bubbles around a finger
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。
均匀长大
在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。
正温度梯度
实际金属结晶主要以树枝状长大. 这是由于存在负温度梯度，且晶
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 T0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。
液体和晶体自由能随温度变化
ΔT
T1 T0
晶 核 半 径 与 关 系
ΔG
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
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。
二、二元相图的基本类型与分析
1、二元匀晶相图
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。
以Cu-Ni合金为例 进行分析。
Cu-Ni合金相图
相图由两条线构成， 上面是液相线，下面 是固相线。
合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图(Phase Diagrams) 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