工程材料學第三章材料的凝固與相圖SolidificationofMaterialsandTheirPhaseDiagrams純金屬的結晶合金的相結構合金的結晶與相圖第一節純金屬的結晶

(CrystalofSimpleMetal)凝固與結晶結晶的現象與規律同素異晶(構)轉變一、凝固與結晶1.凝固

指物質由液態轉變成固態的過程。凝結－蒸發凝固－熔化凝華－升華2.結晶

*物質在凝固過程以晶體的形態發生凝固時，稱為結晶。

意義：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多數用冶煉來方法生產出來，即首先得到的是液態，經過冷卻后才得到固態，固態下材料的組織結構與從液態轉變為固態的過程有關，從而也影響材料的性能。3凝固狀態的影響因素物質的本質熔融液體的粘度熔融液體的冷卻速度金屬材料需要達到106℃/s才能獲得非晶態。在一般生產過程的冷卻條件下，金屬材料凝固為晶體，這時的凝固過程也是結晶過程。二、結晶的現象與規律(一）.結晶的一般過程

形核

長大

晶體液態結構------------固態結構原子間的平均距離大——————略小；原子配位數8-11————————12（Hcp）原子排列短程有序，長程無序

———長程有序，短程有序原子集團結構起伏

————原子集團基本固定不變結晶的過程液體中形成核心核心長大（二）結晶時的過冷現象UndercoolinginCrystallizationTmToTx溫度時間過冷度：△T=To—Tx△T理論冷卻曲線實際冷卻曲線過冷是結晶的必要條件（三）結晶的條件1、能量條件

自由能G是表示物質能量狀態的函數，其表達式為：

G＝U－TSU－為系統的內能，T－熱力學溫度S－熵（表示系統中原子排列混亂程度的參數）（三）結晶的條件1、能量條件

對于固態

GS

＝US－TSS對于固態Gl＝

Ul－TSlGTSL

△T△G（三）結晶的條件2、結構條件

固體晶體中原子排列是周期性、有序的，因此，晶體材料在凝固時，它必須滿足一定的原子排列規則才能夠形成晶體結構，即發生結晶。結晶的過程2.金屬結晶的結構條件結晶近程有序，結構起伏遠程有序（四）晶核的長大

第二節純金屬的結晶長大條件：液/固界面附近液體中的原子遷移到固態表面按固體的排列，實現了晶體的長大（反之為熔化）。長大的自發過程也要求一定的過冷度，不過比形核小的多。金屬材料要求的過冷度很小，僅0.01—0.05℃。平面推進的均勻長大：結晶潛熱通過固體散熱，快速長大部分散熱困難會放慢速度，緩慢長大部位散熱改善會提高速度，最終均勻生長。有利環境優先的樹枝狀長大：生長部位的前端因溫度（合金中可因成分）有利晶體的長大，快速生長部位更快，不平衡的發展會在快速生長部位產生分支，而形成樹枝狀的晶體。(四）.結晶的一般規律:形核、長大。均勻形核與非均勻形核均勻形核（自發形核）：

由均勻液體母相中任意地統計地形成核心稱為均勻形核。結晶熱力學ThermodynamicsofCrystallization均勻形核與非均勻形核非均勻形核：液體在容器壁、未溶雜質或者其它固體結構材料表面上形核的過程。均勻形核與非均勻形核γML=γSM+γSLcosθ

cosθ=(γML-γSM)/γSL

ΔGhet

=-VSΔGV+ASLγSL

+ASMγSM-ASMγML

S（θ）=（2+cosθ）（1-cosθ）2/4均勻形核與非均勻形核核心臨界半徑的比較臨界半徑與過冷度的關系晶核的形成晶核形成的形式:

*自發形核△T=200℃(純凈液體、均勻形核)

*非自發形核△T=20℃（依附未熔質點形核）

液態金屬中總是存在不穩定的規則排列的微小原子集團，稱為相起伏。過冷液相中的相起伏稱為晶胚。過冷度足夠大時，一些晶胚轉為穩定的晶核，不再融化，結晶開始。過冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。

金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶晶核按枝晶方式張長大第二節純金屬中晶體的生長及晶粒形狀激冷層柱狀晶等軸晶單晶的凝固

4、晶粒大小的概念晶粒的尺寸指統計描述晶粒的大小，各晶粒的大小和形狀并不全相同，這就是統計的含義，有多種來計量，例如單位體積內的晶粒個數。在生產中用晶粒度，測定方法是在放大100倍下觀察和標準的進行對比評級，1—8級(有更高的)，級別高的晶粒細。級別的定義為在放大100下，每平方英寸內1個晶粒時為一級，數量增加倍提高一級。用于計算的定量描述還用平均截線長來表示。

1)過冷度2）未熔雜質在一般工業條件下，急冷，△T增大，N、G值增大，晶粒(crystalgrain)越細，性能越好；緩冷，N、G值減小，晶粒越粗，性能越差。影響晶核的形核率和晶體長大率的因素(五）.細化晶粒的方法

1提高冷卻速度2變質處理3機械振動、超聲波振動、攪拌。

細晶的優點：晶粒度即晶粒大小，一般情況下，晶粒愈小，則金屬的強度、塑性、韌性愈好，因此工程上細化晶粒是提高金屬機械性能的最重要的途徑之一第二節合金的相結構

合金與相的概念固溶體金屬化合物一合金與相的概念合金(alloy)是指兩種以上的金屬或金屬與非金屬元素，經熔煉、燒結或其它方法使之結合在一起而形成的具有金屬特性的物質。組元(元)(element)組成合金的基本物質，可以是元素，也可以是化合物。相(phase)合金中化學成分、晶體結構相同，且以界面相互分開的組成部分。顯微組織(microscopicstructure)二、固溶體的相結構及性能固溶體(solidsolution)合金中各組元在固態互相溶解形成的晶格與某組元相同的新相。該組元稱溶劑，其它稱溶質。金屬化合物(metalliccompound)

合金中各組元在固態互相溶解形成的一種晶格類型和性能完全不同于原來任一組元相同的新固相稱為金屬化合物。機械混合物(mechanicalimpurity)金屬固溶體（Solidsolutionofmetals）（一）、置換固溶體（Substitutingsolidsolution）

溶解度的大小取決于如下幾個因素：1.不同元素原子半徑的差；2.兩元素的晶體結構是否相同；3.不同元素間的電負性差；4.不同元素的價電子數是否相同溶質原子的位置被溶劑原子占據的固溶體。金屬固溶體

合金原子半徑差，%電負性差最大溶解度at%Cu-Zn+3.90.138.3Cu-Pb+36.70.20.1Cu-Si-8.6011.2Cu-Ni-2.30100Cu-Al+11.70.319.6Cu-Be-10.90.316.4金屬固溶體

（二）、間隙固溶體當溶質原子不是占住溶劑原子的位置，而是只占住溶劑原子的間隙位置而形成固溶體時，這種固溶體稱為間隙固溶體。γ-Fe（100）面中的間隙原子鐵素體的晶體結構金屬固溶體

FCC（100）面的間隙原子（三)固溶體的主要類型及形成條件1.置換固溶體

形成特征:R溶劑≈R溶質

分為：有限-無限固溶體有序-無序固溶體2.間隙固溶體

R溶質

/

R溶劑

<

0.59

（四)固溶體的性能

固溶強化通過形成固熔體而使強度、硬度增加的現象晶格畸變三、金屬間化合物（IntermetallicCompounds）金屬間化合物定義

金屬間化合物是指金屬組元間發生相互作用而生成的一種新固體，其晶格類型和性能完全不同于原來的任一組元，但與普通化合物不同，除離子鍵和共價鍵外，金屬鍵也在不同程度上參與作用，因此它還具有金屬的性質。結構特點：具有原子整數倍關系金屬特性：金屬鍵，（離子鍵、共價鍵）金屬間化合物（Intermetalliccompounds）

金屬間化合物正常價化合物：化合物按正常化合價規律結合而成。如：ZnSAuAl2Mg2Si按一定的電子濃度組成的化合物，電子濃度是化合物的價電子數與原子數的比值。如CuZn,其原子數為2，Cu的價電子數為1，Zn的價電子數為2，故電子濃度為3/2。如：CuZn,Cu3AlCu5Zn8電子化合物：間隙化合物：由原子半徑較大的過渡族金屬元素與原子半徑較小的C、N、H、B等非金屬元素相互作用形成的。如：VC、NbCWCTiC,

Fe3C間隙化合物

(interstitialcompounds)VC(fcc結構)Fe3C(復雜晶格)（二)金屬化合物的主要性能具有一定程度的金屬性質。較高的熔點。硬度較高。脆性高。

特殊的物理、化學(電、磁、光、聲等)性能，功能材料中的應用

第三節合金的結晶與相圖一.基礎知識

1.合金系(alloyseries)2.平衡組織(statenchyma)3.相圖(phasediagram)表明合金系中不同成分合金在極緩慢加熱、冷卻過程中的不同溫度時，由哪些相構成以及這些相之間的平衡關系的圖形。相圖的用途由材料的成分和溫度預知平衡相；材料的成分一定而溫度發生變化時其他平衡相變化的規律；估算平衡相的數量。預測材料的組織和性能相圖PhaseDiagrams

第一節純物質的相圖配制合金（以Cu-Ni合金為例）測定冷卻曲線確定冷卻曲線上合金的臨界點將同類臨界點在溫度-成分坐標系中連接起來即可得到合金相圖二、相圖的建立熱分析法相圖建立用實驗方法測繪，如Cu–Ni合金系：液相線abc以上為液相區，固相線a’b’c’以下為固態區，中間固液兩相共存區。以上相圖是在無限緩慢冷卻條件下獲得結晶狀態，故又稱為平衡相圖二元相圖BinaryPhaseDiagram液相線固相線杠桿定律TheLevelRule

ml+ms=1mlxl+msxs=x0 將上兩式聯立求解得到：

ml=(xs

–

x0)/(xs–

xl)

ms=(x0–

xl)/(xs

–

xl)

將上式與圖中線段比較，可得到：

ml=OS/LS,ms=LO/LS

所以：杠桿定律：

三、相圖分析

1.勻晶相圖固溶體材料冷卻時組織轉變1點以上液體冷卻1點開始凝固，固體成分在對應固相線處1－2之間，溫度下降，液體數量減少，固體數量增加，成分沿液相線和固相線變化，到2點，液體數量為0，固體成分回到合金原始成分，凝固完成2點以下固體冷卻，無組織變化1.與純金屬凝固一樣由形核和長大來完成結晶過程，實際進行在一定的過冷度下。2.凝固在一溫度范圍內進行。只有在溫度不斷下將時固體量才增加，溫度不變，液固數量維持平衡不變。3.凝固過程中液體和固體的成分在不斷變化。如果冷卻速度較快，液體和固體成分來不及均勻，除晶粒細小外，固體中的成分會出現不均勻，樹枝晶中成分也不均勻，產生晶內偏析；冷卻慢了會出現區域偏析。工程中采用先快冷，再在固態較高溫度下讓成分均勻。二元合金的非平衡凝固

70%Ni-30%Cu合金非平衡凝固70%Ni-30%Cu非平衡凝固的顯微組織2共晶相圖兩組元在液態中無限互溶，在固態時有限互溶且發生共晶反應(eutecticreaction)的一種相圖，如Pb-Sn、Ag-Cu、Al-Si等兩組元在液態中無限互溶，在固態時有限互溶且發生共晶反應(eutecticreaction)的一種相圖，如Pb-Sn、Ag-Cu、Al-Si等相圖分析點：A、B、E（共晶點）：該點成分的液相將發生共晶反應

線：AEB——液相線，AMENB——固相線MF——Sn在中的溶解度曲線NG——Pb在中的溶解度曲線MEN——共晶線，成分在該線范圍內的合金冷卻到該線以下時將發生共晶反應LEM+N㈡共晶相圖

1。相圖簡介：

●共晶線：一條水平線MEN。LEM+N

相區：●單相區：L,α,β●雙相區：L+α，L+β，

α+β●三相區：L+α+β

二元相圖中的三相區都是水平線。

2。共晶轉變

恒溫下，由一定成分的液相同時結晶出兩種成分一定的固相的轉變。

LE

αM+βN

(αM+βN

）稱為共晶體，總是寫在括號內。

共晶體為兩相細密交替分布的機械混合物，如下右圖所示。

tE3。典型合金平衡結晶分析

●合金Ⅰ

室溫時為均勻的單相α。

●合金Ⅱ

冷卻至CG線上的3點時，α相達到飽和，繼續冷卻，則從α相中析出βⅡ相。

從固溶體里析出的另一固相稱為次生相或二次相。

合金Ⅱ的室溫平衡組織是α+βⅡ

。●合金Ⅳ(共晶合金)在183℃發生共晶轉變，產物是（αC+βD），室溫時的組織是:（α+β）。共晶組織

不同珠光體結構示意圖，(a)層狀(b)棒狀(c)粒狀(d)針狀緩慢冷卻Pb-Sn合金的顯微組織(a)共晶成分(b)40%Sn-60%(c)70%Sn-30%Pb(d)90%Sn-10%Pb第一節純物質的相圖abcd●合金Ⅲ

為亞共晶合金,冷至aE線時結晶出固溶體α(稱為初晶或先共晶相），在183℃時剩余液相的成分到達E點，這些液相便發生共晶轉變，變成共晶體。共晶轉變完成后溫度繼續下降，初晶α的溶解度發生變化，其內析出二次相βⅡ。

至室溫，合金Ⅲ的平衡組織是（α+β）+α+βⅡ

結晶過程及組織示意圖如下右圖所示。4。共晶相圖小結●在共晶線上都有共晶轉變發生。●要區分共晶體、先共晶相（初晶）、二次相的概念。●相組成物：組織中的組成相。上圖中填寫的就是相組成物。

組織組成物：組織中有一定形貌的組成部分。●可用杠桿定律計算相組成物、組織組成物的相對量。思考：在上圖中填寫組織組成物，計算在共晶溫度時共晶體內相組成物的相對量。二元共晶相圖3.典型合金的凝固室溫下的平衡相室溫下的組織組成物共晶相圖的建立3共析相圖

共析轉變：恒溫下，由一定成分的固相同時析出另外兩種成分一定的固相的轉變。

γα+β

產物（α+β）稱共析體，也是兩相細密交替分布。

4包晶相圖兩組元在液態下相互無限互溶解,在固態下相互有限溶解,并發生包晶反應(peritecticreaction)的相圖+L→相圖分析包晶點：D三個單相區：L、、三個兩相區：L+、L+、+三相線：PDC（包晶轉變線）P+LC→D包晶組織

包晶反應：L（液相）

+α（固溶體）——β（固溶體）

包晶反應過程

包晶反應過程中環狀組織形