材料的凝固與結(jié)晶

1、工程材料學(xué)工程材料學(xué) 純金屬的結(jié)晶 合金的相結(jié)構(gòu) 合金的結(jié)晶與相圖 第一節(jié)第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 ( crystal of simple metal )凝固與結(jié)晶的概念凝固與結(jié)晶的概念結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律同素異晶同素異晶( (構(gòu)構(gòu)) )轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變 一、一、 凝固與結(jié)晶的概念凝固與結(jié)晶的概念1.凝固凝固 ( coagulation ) 物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。凝結(jié)蒸發(fā) 凝固熔化 凝華升華2.結(jié)晶結(jié)晶 ( crystal ) * *晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。 * *物質(zhì)中的原子由物質(zhì)中的原子由近程有序排列近程

2、有序排列向向遠遠 程有序排列程有序排列的過程。的過程。意義意義：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多數(shù)用冶煉來方法生產(chǎn)出來，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過冷數(shù)用冶煉來方法生產(chǎn)出來，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過冷卻后才得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結(jié)構(gòu)與從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閰s后才得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結(jié)構(gòu)與從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程有關(guān)，從而也影響材料的性能。固態(tài)的過程有關(guān)，從而也影響材料的性能。3 3 凝固狀態(tài)的影響因素凝固狀態(tài)的影響因素1.1.物質(zhì)的本質(zhì)物質(zhì)的本質(zhì)：原子以那種方式結(jié)合使系統(tǒng)吉布斯自：原子以那種方式結(jié)合使系統(tǒng)吉布斯自由能更低。溫度高時原子活動能力

3、強排列紊亂能量由能更低。溫度高時原子活動能力強排列紊亂能量低，而低溫下按特定方式排列結(jié)合能高可降低其總低，而低溫下按特定方式排列結(jié)合能高可降低其總能量。這是熱力學(xué)的基本原則。能量。這是熱力學(xué)的基本原則。2.2.熔融液體的粘度熔融液體的粘度：粘度表征流體中發(fā)生相對運動的：粘度表征流體中發(fā)生相對運動的阻力，隨溫度降低，粘度不斷增加，在到達結(jié)晶轉(zhuǎn)阻力，隨溫度降低，粘度不斷增加，在到達結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度前，粘度增加到能阻止在重力作用物質(zhì)發(fā)生變溫度前，粘度增加到能阻止在重力作用物質(zhì)發(fā)生流動時，即可以保持固定的形狀，這時物質(zhì)已經(jīng)凝流動時，即可以保持固定的形狀，這時物質(zhì)已經(jīng)凝固，不能發(fā)生結(jié)晶。例如玻璃、高分子材料

4、。固，不能發(fā)生結(jié)晶。例如玻璃、高分子材料。3.3.熔融液體的冷卻速度熔融液體的冷卻速度：冷卻速度快，到達結(jié)晶溫度冷卻速度快，到達結(jié)晶溫度原子來不及重新排列就降到更低溫度，最終到室溫原子來不及重新排列就降到更低溫度，最終到室溫時難以重組合成晶體，可以將無規(guī)則排列固定下來。時難以重組合成晶體，可以將無規(guī)則排列固定下來。金屬材料需要達到金屬材料需要達到10106 6/s/s才能獲得非晶態(tài)。才能獲得非晶態(tài)。 在一般生產(chǎn)過程的冷卻條件下，金屬材料凝固為晶體，在一般生產(chǎn)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(jié)晶過程。這時的凝固過程也是結(jié)晶過程。 二、二、 結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律

5、( (一）一）. .結(jié)晶的一般過程結(jié)晶的一般過程微小微小晶核晶核長大長大晶體晶體液態(tài)結(jié)構(gòu)液態(tài)結(jié)構(gòu)由x射線衍射對金屬的徑向分布密度函數(shù)的測定表明.液體中原子間的平均距離比固體中略大；液體中原子的配位數(shù)比密排結(jié)構(gòu)晶體的配位數(shù)減小，通常在811的范圍內(nèi)。上述兩點均導(dǎo)致熔化時體積略為增加，但對非密排結(jié)構(gòu)的晶體如 sb，bi，ga，ge等，則液態(tài)時配全數(shù)反而增大，故熔化時體積略為收縮。除此以外，液態(tài)結(jié)構(gòu)的最重要特征是原子排列為長程無序，短程有序并且短程有序原子集團不是固定不變的，它是一種此消彼長，瞬息萬變，尺寸不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為，這有別于晶體的長程有序的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。固態(tài)結(jié)構(gòu)態(tài)結(jié)構(gòu)原子間的平均距離比

6、液體中略??；密排六方晶體的原子配位數(shù)比液體大原子排列為長程有序，短程有序并且長程有序原子集團基本固定不變結(jié)晶的過程液體中形成核心核心長大to(二）二）.結(jié)晶的過冷現(xiàn)象結(jié)晶的過冷現(xiàn)象1.純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線時間溫度理論冷卻曲線理論冷卻曲線實際冷卻曲線實際冷卻曲線tn結(jié)晶平臺結(jié)晶平臺(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)2. 過冷現(xiàn)象與過冷度過冷現(xiàn)象與過冷度過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象 ( supercooling )過冷度過冷度 ( degree of supercooling ) t = t0 tn過冷是結(jié)晶的必要條件。過冷是結(jié)晶的必要條件。 (三）三）. 結(jié)晶的能量條件及結(jié)構(gòu)條件結(jié)

7、晶的能量條件及結(jié)構(gòu)條件1.金屬結(jié)晶的能量條件金屬結(jié)晶的能量條件: : g = u s t g 物體的自由能物體的自由能 u 物體的內(nèi)能物體的內(nèi)能 s 熵熵 t 溫度溫度 k g / t = see-fttgtntotl液相液相固相固相2.金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件近程有序結(jié)構(gòu)近程有序結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏結(jié)晶結(jié)晶遠程有序結(jié)構(gòu)遠程有序結(jié)構(gòu)( (四）四）. .結(jié)晶的一般規(guī)律結(jié)晶的一般規(guī)律形核形核長大長大( (四）四）. .結(jié)晶的一般規(guī)律結(jié)晶的一般規(guī)律: : 形核、長大。形核、長大。1.晶核的形成晶核的形成在一定的過冷度下在一定的過冷度下, ,當當g g體體g g表表時時, ,晶核就晶核就形

8、成。形成。晶核形成的形式晶核形成的形式: : * *自發(fā)形核自發(fā)形核 t = 200(純凈液體、均勻形核純凈液體、均勻形核) * *非自發(fā)形核非自發(fā)形核 t = 20（依附未熔質(zhì)點形核）依附未熔質(zhì)點形核） 液態(tài)金屬中總是存在不穩(wěn)定的規(guī)則排列的微小原子液態(tài)金屬中總是存在不穩(wěn)定的規(guī)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。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(zhuǎn)為穩(wěn)定的晶核，不再融過冷度足夠大時，一些晶胚轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的晶核，不再融化，結(jié)晶開始。化，結(jié)晶開始。 過冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。過冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快

9、。 2.晶核的長大方式晶核的長大方式樹枝狀樹枝狀2.晶核的長大方式晶核的長大方式樹枝狀樹枝狀金屬的樹枝金屬的樹枝晶晶金屬的樹枝金屬的樹枝晶晶金屬的樹枝金屬的樹枝晶晶冰的樹枝晶冰的樹枝晶3.影響晶核的形核率和影響晶核的形核率和 晶體長大率的因素晶體長大率的因素v過冷度過冷度的影響的影響v未熔雜質(zhì)未熔雜質(zhì)的影響的影響4 4、晶粒大小的概念、晶粒大小的概念 晶粒的尺寸指統(tǒng)計描述晶粒的大小，各晶粒的大晶粒的尺寸指統(tǒng)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(tǒng)計的含義，有多種來小和形狀并不全相同，這就是統(tǒng)計的含義，有多種來計量，例如單位體積內(nèi)的晶粒個數(shù)。在生產(chǎn)中用晶粒計量，例如單位體積內(nèi)的晶

10、粒個數(shù)。在生產(chǎn)中用晶粒度，測定方法是在放大度，測定方法是在放大100100倍下觀察和標準的進行對比倍下觀察和標準的進行對比評級，評級，1 18 8級級( (有更高的有更高的) )，級別高的晶粒細。級別的，級別高的晶粒細。級別的定義為在放大定義為在放大100100下，每平方英寸內(nèi)下，每平方英寸內(nèi)1 1個晶粒時為一級，個晶粒時為一級，數(shù)量增加數(shù)量增加 倍提高一級。用于計算的定量描述還用平倍提高一級。用于計算的定量描述還用平均截線長來表示。均截線長來表示。 1)過冷度的影響過冷度的影響在一般工業(yè)條件下，急冷， t增大，n、g值增大，晶粒(crystal grain)越細，性能越好；緩冷，n、g值 減

11、小，晶粒越粗，性能越差。1)過冷度的影響過冷度的影響2)未熔雜質(zhì)的影響未熔雜質(zhì)的影響* *自發(fā)形核自發(fā)形核 t = 200* *非自發(fā)形核非自發(fā)形核 t = 20 20( (五）五）. .細化晶粒的途徑細化晶粒的途徑v細化晶粒的途徑細化晶粒的途徑v v冷冷t tn n晶粒細小晶粒細小v變質(zhì)處理變質(zhì)處理v機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。機械振動、超聲波振動、電磁攪拌等。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凝固體的結(jié)構(gòu)凝固體的結(jié)構(gòu)表層等軸細晶區(qū)表層等軸細晶區(qū) 晶粒細小，取向隨機，尺晶粒細小，取向隨機，尺寸等軸

12、，因為澆鑄時錠模溫度低，大的寸等軸，因為澆鑄時錠模溫度低，大的過冷度加上模壁和涂料幫助形核，大的過冷度加上模壁和涂料幫助形核，大的形核率使與錠模接觸的表層得到等軸細形核率使與錠模接觸的表層得到等軸細晶區(qū)。晶區(qū)。柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū) 隨模具溫度的升高，只能隨隨模具溫度的升高，只能隨錠模的散熱而降低溫度，形核困難，只錠模的散熱而降低溫度，形核困難，只有表層晶粒向內(nèi)生長，不同晶向的生長有表層晶粒向內(nèi)生長，不同晶向的生長速度不一樣，那些較生長有利的部分晶速度不一樣，那些較生長有利的部分晶粒同時向內(nèi)長大，掩蓋了大量的晶粒，粒同時向內(nèi)長大，掩蓋了大量的晶粒，形成了較粗且方向基本相同的長形晶粒形成了較粗且方向基

13、本相同的長形晶粒區(qū)。區(qū)。中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū) 凝固的進行后期，四周凝固的進行后期，四周散熱和液體的對流，中心的溫度達到均散熱和液體的對流，中心的溫度達到均勻，降到凝固店以下后，表層晶粒的沉勻，降到凝固店以下后，表層晶粒的沉降、生長中碎斷晶枝的沖入可作為核心，降、生長中碎斷晶枝的沖入可作為核心，且可向四周均勻生長，形成等軸晶。晶且可向四周均勻生長，形成等軸晶。晶核數(shù)量的有限，該區(qū)間的晶粒通常較粗核數(shù)量的有限，該區(qū)間的晶粒通常較粗大大純鐵的純鐵的同素異晶同素異晶( allomorph )轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變反應(yīng)式反應(yīng)式:三三 金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變1394 c912 cbccfccbcc -

14、 fe - fe - fe 純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線1394153410006008001200溫度時間16001500500700900110013001400912 - fe - fe - fe第二節(jié)第二節(jié) 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)( phase structure of alloy )v基本概念基本概念v合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)及性能合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)及性能一一 基本概念基本概念合金合金 ( alloy ) 一種金屬元素與若干種其它種元素結(jié)合一種金屬元素與若干種其它種元素結(jié)合成的具有金屬特成的具有金屬特 性的物質(zhì)。性的物質(zhì)。組元組元 ( 元元 ) ( element ) 組成合金的基本

15、物質(zhì)，可以組成合金的基本物質(zhì)，可以是元素，也可以是化合物。是元素，也可以是化合物。相相 ( phase ) 合金中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)相同，且以界合金中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)相同，且以界面相互分開的組面相互分開的組 成部分。成部分。顯微組織顯微組織 ( microscopic structure ) 二二 合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)及性能合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)及性能固溶體固溶體 (solid solution )合金中各組元在固態(tài)互相溶解合金中各組元在固態(tài)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(zhì)。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(zhì)。金屬化合物金屬化合物 ( meta

16、llic compound ) 合金中各組元在固態(tài)互相溶解形成的一種晶格類型和性能完全合金中各組元在固態(tài)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。不同于原來任一組元相同的新固相稱為金屬化合物。機械混合物機械混合物 ( mechanical impurity )( (一）一）. .固溶體固溶體 ( solid solution ) 溶劑溶劑a + 溶質(zhì)溶質(zhì)b = c bcc fcc bcc例如例如: fe + c = f ( 鐵素體鐵素體 ) 體心體心 六方六方 體心體心 濃度：濃度： 溶質(zhì)原子溶入固溶體溶質(zhì)原子溶入固溶體 中的量。中的量。 溶解度：一定溫

17、度下的最大濃度，也稱固溶度。溶解度：一定溫度下的最大濃度，也稱固溶度。v固溶體的結(jié)構(gòu)特點固溶體的結(jié)構(gòu)特點 鐵素體的晶體結(jié)構(gòu)鐵素體的晶體結(jié)構(gòu)一一) )固溶體的主要類型及形成條件固溶體的主要類型及形成條件1.置換固溶體置換固溶體 ( substitution solid solution ) * * 形成特征形成特征: : r溶劑溶劑 r溶質(zhì)溶質(zhì) 例如例如: : au - - cu 置換固溶體結(jié)構(gòu)示意圖置換固溶體結(jié)構(gòu)示意圖置換固溶體的分類置換固溶體的分類v無限固溶體無限固溶體v有限固溶體有限固溶體v無序固溶體無序固溶體v有序固溶體有序固溶體 有序固溶體結(jié)構(gòu)示意圖有序固溶體結(jié)構(gòu)示意圖cu3aucua

18、u2.間隙固溶體間隙固溶體 ( interstitial solid solution ) * * 形成的特征形成的特征: : r溶質(zhì)溶質(zhì) / r溶劑溶劑 0.59 例如例如: : fe - c 間隙固溶體結(jié)構(gòu)示意圖間隙固溶體結(jié)構(gòu)示意圖二二) )固溶體的性能固溶體的性能 v固溶強化固溶強化 ( solution strength ) 通過形成固熔體而使強度、硬度增加的現(xiàn)象通過形成固熔體而使強度、硬度增加的現(xiàn)象v晶格畸變晶格畸變 ( distortion of lattice ) 溶質(zhì)原子對晶格畸變影響示意圖溶質(zhì)原子對晶格畸變影響示意圖 預(yù)習(xí)：預(yù)習(xí)：第二節(jié)第二節(jié) 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)二、合金

19、在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)及性能二、合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)及性能固溶體固溶體 (solid solution )合金中各組元在固態(tài)互相溶解合金中各組元在固態(tài)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(zhì)。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(zhì)。 類型：置換固溶體，間隙固溶體類型：置換固溶體，間隙固溶體 性能：固溶強化性能：固溶強化 晶格畸變晶格畸變 金屬化合物金屬化合物 ( metallic compound ) 合金中各組元在固態(tài)互相溶解形成的一種晶格類型和性能完全合金中各組元在固態(tài)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。不同于原

20、來任一組元相同的新固相稱為金屬化合物。機械混合物機械混合物 ( mechanical impurity )(二）二）.金屬化合物金屬化合物 ( intermetallic compound )溶劑溶劑a + 溶質(zhì)溶質(zhì)b = c bcc fcc cph 例如例如: 3fe + c = fe3c 體心體心 六方六方 復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)v金屬化合物的結(jié)構(gòu)特點金屬化合物的結(jié)構(gòu)特點具有原子整數(shù)倍關(guān)系具有原子整數(shù)倍關(guān)系金屬特性：金屬特性：金屬鍵金屬鍵，（離子鍵、共價鍵），（離子鍵、共價鍵） 滲碳體滲碳體( fe3c )晶格結(jié)構(gòu)示意圖晶格結(jié)構(gòu)示意圖一一) 金屬化合物的主要類型金屬化合物的主要類型1.正常價化合

21、物正常價化合物( normal compounds )正常價化合物：正常價化合物： 由元素周期表中電負性相差較大或由元素周期表中電負性相差較大或相距較遠的元素組成，符合化合價規(guī)律，如：相距較遠的元素組成，符合化合價規(guī)律，如： mg2si, zns,2.電子價化合物電子價化合物 ( electron compounds ) ：一般不符合化合價規(guī)律，一般不符合化合價規(guī)律， 其晶體結(jié)構(gòu)由電子濃度（價電子其晶體結(jié)構(gòu)由電子濃度（價電子總數(shù)與原子總數(shù)之比）決定，如下表總數(shù)與原子總數(shù)之比）決定，如下表3.間隙化合物間隙化合物 ( interstitial compounds )3.間隙化合物間隙化合物 (

22、interstitial compounds )由過渡族金屬元素（原子半徑較大）與非金屬元素（原由過渡族金屬元素（原子半徑較大）與非金屬元素（原子半徑較?。┙M成，非金屬原子（子半徑較?。┙M成，非金屬原子（c、n、b等）處于等）處于晶格間隙中。晶格間隙中。 間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元，如：元，如：vc (fcc 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)) fe 3c (復(fù)雜晶格復(fù)雜晶格)二二) 金屬化合物的主要性能金屬化合物的主要性能具有一定程度的金屬性質(zhì)。具有一定程度的金屬性質(zhì)。較高的熔點。較高的熔點。硬度較高。硬度較高。脆性高。脆性高。 特殊的物理、化學(xué)特殊的物理、化學(xué)( (電、磁、

23、光、聲等電、磁、光、聲等) )性能，性能， 功能材料中的應(yīng)用功能材料中的應(yīng)用 第三節(jié)第三節(jié) 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立 與結(jié)晶過程分析與結(jié)晶過程分析一一.基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識 1.合金系合金系 ( alloy series ) 2.平衡組織平衡組織 ( statenchyma ) 3.相圖相圖 ( phase diagram ) 表明合金系中不同成分合金在表明合金系中不同成分合金在極緩慢加熱、冷卻過程極緩慢加熱、冷卻過程中中的不同溫度時，由哪些相構(gòu)成以及這些的不同溫度時，由哪些相構(gòu)成以及這些相之間的平衡關(guān)系相之間的平衡關(guān)系的圖形。的圖形。相圖的用途相圖的用途1.1.由材料的成分和溫度預(yù)知

24、平衡相；由材料的成分和溫度預(yù)知平衡相；2.2.材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時其他平衡相變化的規(guī)律；材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時其他平衡相變化的規(guī)律；3.3.估算平衡相的數(shù)量。估算平衡相的數(shù)量。預(yù)測材料的組織和性能預(yù)測材料的組織和性能相圖的建立相圖的建立熱熱 分分 析析 法法配制系列成分的合金（以cu-ni合金為例）測定上述合金的冷卻曲線找出冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點，即合金的臨界點將各臨界點標在以溫度為縱坐標，以成分為橫坐標的圖中，將同類臨界點連接起來即可得到合金相圖相圖建立相圖建立用實驗方法測繪，如用實驗方法測繪，如cu ni合金系：合金系：液相線 abc 以上為液相區(qū)，固相線abc以下為固態(tài)區(qū)，

25、中間固液兩相共存區(qū)。以上相圖是在無限緩慢冷卻條件下獲得結(jié)晶狀態(tài)，故又稱為平衡相圖abab : 液相線液相線ab : 固相線固相線ll + ssl : 液相區(qū)液相區(qū)s : 固相區(qū)固相區(qū)l+s:液固共存區(qū)液固共存區(qū)ab溫度tltstnbac杠桿定理杠桿定理qs=(bcab) 100% ql=(acab) 100% qs + ql = 1a qs + b ql = cababls溫度qlqs三、相圖分析三、相圖分析1.勻晶相圖勻晶相圖 固溶體材料冷卻時組織轉(zhuǎn)變固溶體材料冷卻時組織轉(zhuǎn)變1 1點以上液體冷卻點以上液體冷卻1 1點開始凝固，固體成點開始凝固，固體成分在對應(yīng)固相線處分在對應(yīng)固相線處1 12

26、2之間，溫度下降，之間，溫度下降，液體數(shù)量減少，固液體數(shù)量減少，固體數(shù)量增加，成分體數(shù)量增加，成分沿液相線和固相線沿液相線和固相線變化，變化，到到2 2點，液體數(shù)量為點，液體數(shù)量為0 0，固體成分回到合金固體成分回到合金原始成分，凝固完原始成分，凝固完成成2 2點以下固體冷卻，無點以下固體冷卻，無組織變化組織變化1.1.與純金屬凝固一樣由形與純金屬凝固一樣由形核和長大來完成結(jié)晶過核和長大來完成結(jié)晶過程，實際進行在一定的程，實際進行在一定的過冷度下。過冷度下。2.2.凝固在一溫度范圍內(nèi)進凝固在一溫度范圍內(nèi)進行。只有在溫度不斷下行。只有在溫度不斷下將時固體量才增加，溫將時固體量才增加，溫度不變，液

27、固數(shù)量維持度不變，液固數(shù)量維持平衡不變。平衡不變。3.3.凝固過程中液體和固體凝固過程中液體和固體的成分在不斷變化。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(xiàn)不均勻，樹枝晶中成分也不均勻，產(chǎn)生晶內(nèi)偏析；成分會出現(xiàn)不均勻，樹枝晶中成分也不均勻，產(chǎn)生晶內(nèi)偏析；冷卻慢了會出現(xiàn)區(qū)域偏析。工程中采用先快冷，再在固態(tài)較高溫度下讓成分冷卻慢了會出現(xiàn)區(qū)域偏析。工程中采用先快冷，再在固態(tài)較高溫度下讓成分均勻。均勻。2 2 共晶相圖共晶相圖兩組元在液態(tài)中無限互溶，在固態(tài)時有限互溶且發(fā)生共晶反應(yīng)(e

28、utectic reaction)的一種相圖，如pb-sn、ag-cu、al-si等兩組元在液態(tài)中無限互溶，在固態(tài)時有限互溶且發(fā)生共晶反應(yīng)(eutectic reaction)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(fā)生共晶反應(yīng) 線：aeb液相線， amenb 固相線mfsn在中的溶解度曲線ngpb在中的溶解度曲線men共晶線，成分在該線范圍內(nèi)的合金冷卻到該線以下時將發(fā)生共晶反應(yīng) le m+n 共晶相圖共晶相圖1。相圖簡介：。相圖簡介： 共晶線：一條水平線共晶線：一條水平線 men。le m+n相區(qū)：相區(qū)：單相區(qū)：單相區(qū)：l, ,

29、雙相區(qū)：雙相區(qū)：l + ， l + ， + 三相區(qū)：三相區(qū)： l + + 二元相圖中的三相二元相圖中的三相區(qū)都是水平線。區(qū)都是水平線。 2。共晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變 恒溫下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩種成分一定的固恒溫下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩種成分一定的固相的轉(zhuǎn)變。相的轉(zhuǎn)變。 le m + n ( m + n ）稱為）稱為共晶體共晶體，總是寫在括號內(nèi)。，總是寫在括號內(nèi)。 共共晶體為兩相細密交替分布的機械混合物，如下右圖所示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(jié)晶分析。典型合金平衡結(jié)晶分析合金合金 室溫時為均勻的單相室溫時為均勻的單相。合金合金 冷卻至冷卻至

30、 cg 線上的線上的3點時，點時， 相達到飽和，繼續(xù)冷卻，則從相達到飽和，繼續(xù)冷卻，則從 相中析出相中析出 相。相。 從固溶體里析出的另一固相從固溶體里析出的另一固相稱為稱為次生相或二次相次生相或二次相。 合金合金的室溫平衡組織是的室溫平衡組織是 + 。 合金合金 (共晶合金共晶合金) 在在183發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，產(chǎn)物是（產(chǎn)物是（ c + d ），）， 室溫時的組織是室溫時的組織是: （ + ）。）。合金合金為為亞共晶合金亞共晶合金, 冷至冷至 ae 線時結(jié)晶出固溶體線時結(jié)晶出固溶體 (稱為稱為初晶初晶或或先先共晶相共晶相），在），在183時剩余液相的成分到達時剩余液相的成分到達 e

31、 點點 ，這些液相，這些液相便發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，變成共晶體。共晶轉(zhuǎn)變完成后溫度繼續(xù)下便發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，變成共晶體。共晶轉(zhuǎn)變完成后溫度繼續(xù)下降，初晶降，初晶的溶解度發(fā)生變化，其內(nèi)析出二次相的溶解度發(fā)生變化，其內(nèi)析出二次相 。 至室溫，合金至室溫，合金的平衡組織是（的平衡組織是（ + ）+ + 結(jié)晶過程及組織示意圖如下右圖所示。結(jié)晶過程及組織示意圖如下右圖所示。 4。共晶相圖小結(jié)。共晶相圖小結(jié) 在共晶線上都有共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生。在共晶線上都有共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生。 要區(qū)分共晶體、先共晶相（初晶）、二次相的概念。要區(qū)分共晶體、先共晶相（初晶）、二次相的概念。 相組成物相組成物：組織中的組成相。：組織中的組成相。上圖中填

32、寫的就是相組成上圖中填寫的就是相組成物。物。 組織組成物組織組成物：組織中有一定形貌的組成部分。：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?？捎酶軛U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(nèi)相思考：在上圖中填寫組織組成物，計算在共晶溫度時共晶體內(nèi)相組成物的相對量。組成物的相對量。二元共晶相圖二元共晶相圖3. 3. 典型合金的凝固典型合金的凝固室溫下的平衡相室溫下的平衡相室溫下的組織組成物室溫下的組織組成物2.固態(tài)不互溶共晶相圖固態(tài)不互溶共晶相圖sa+(sa+sb)sb +(sa+sb)ll + sa溫度成分成分100%a100%b l +sbx%ysa+sblx sa+sb ysalsalsal 共晶相圖的建立共晶相圖的建立3 共析相圖共析相圖共析轉(zhuǎn)變：共析轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變。固相的轉(zhuǎn)變。 + 產(chǎn)物（產(chǎn)物（ + ）稱共析體，）稱共析體，也是兩相細密交替分布。也是兩相細密交替分布。4 包晶相圖包晶相圖兩組元