第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)和二元合金相圖

1、l金屬的性能取決于組織，組織取決于金屬的性能取決于組織，組織取決于成分與加工工藝。因此，必須研究金成分與加工工藝。因此，必須研究金屬與合金的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及他們與成屬與合金的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及他們與成分、溫度及加工方法等因素之間的相分、溫度及加工方法等因素之間的相互關(guān)系?；リP(guān)系。l金屬原子是通過(guò)正離子與自由電子的金屬原子是通過(guò)正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵金屬鍵。l金屬原子趨向于緊密排列。金屬原子趨向于緊密排列。l金屬具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延金屬具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。展性及金屬光澤。 1、晶體與非晶體、晶體與非晶體 晶體晶體是指原子呈規(guī)

2、則排列的固體。是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有以晶體形式存在。晶體具有各向異性各向異性和和固定熔點(diǎn)固定熔點(diǎn)特性。特性。 非晶體非晶體是指原子呈無(wú)序排列的固體是指原子呈無(wú)序排列的固體( (玻璃、石蠟、松玻璃、石蠟、松香等）。香等）。非晶體具有非晶體具有各向同性各向同性、沒(méi)有、沒(méi)有固定的熔點(diǎn)。固定的熔點(diǎn)。在一在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。金屬的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)Si2O的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)l晶格：晶格：用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成的用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成的三維空間格架三維空間格架。直線

3、的交點(diǎn)（即原子中心）稱。直線的交點(diǎn)（即原子中心）稱結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣。l晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元. .晶體晶格晶胞示意圖晶體晶格晶胞示意圖l晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：晶胞各邊的晶胞各邊的 尺寸尺寸 a、b、c。各棱間各棱間 的夾角用的夾角用 、 、 表示。表示。l3、晶系：、晶系：l根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。l90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90

4、 l六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c, = =90 , =120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交單斜單斜三斜三斜l4、原子半徑：、原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半間距的一半。l5、晶胞原子數(shù)：、晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。l6、配位數(shù)：、配位數(shù)：晶格中與任晶格中與任一原子距離最近且相等的一原子距離最近且相等的原子數(shù)目原子數(shù)目。l7、致密度：、致密度：晶胞中原子晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。 致密度越大，原子排列越緊密。因此，當(dāng)晶體從面致密度越大，原子排列越緊密。因此

5、，當(dāng)晶體從面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格時(shí)，由于致密度減小而心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格時(shí)，由于致密度減小而體積膨脹。體積膨脹。8、晶面：、晶面：在金屬晶體中，經(jīng)過(guò)一系列原子所構(gòu)成的平面。在金屬晶體中，經(jīng)過(guò)一系列原子所構(gòu)成的平面。9、晶向：、晶向：通過(guò)兩個(gè)以上原子的直線，表示某一原子在空通過(guò)兩個(gè)以上原子的直線，表示某一原子在空間的位置。間的位置。10、晶面（晶向）指數(shù)：、晶面（晶向）指數(shù)：表示不同位相的晶面或晶向的符表示不同位相的晶面或晶向的符號(hào)。號(hào)。(111);110l體心立方晶格體心立方晶格(BCC)l體心立方晶格體心立方晶格(BCC)晶胞晶胞原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：2致密度：致密度：0.68

6、致密度致密度=Va /Vc，其中，其中 Vc:晶胞體積晶胞體積a3 Va:原子總體積原子總體積2 4 r3/3常見(jiàn)金屬：常見(jiàn)金屬： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a(a=b=c)ar43 原子半徑：原子半徑：l面心立方晶格面心立方晶格(FCC)a42r ：原原子子半半徑徑晶胞晶胞原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：4致密度：致密度：0.74常見(jiàn)金屬：常見(jiàn)金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb等等晶格常數(shù)晶格常數(shù)：al面心立方晶格面心立方晶格(FCC)l密排六方晶格密排六方晶格(HCP)a21r ：原子半徑原子半徑原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：6致密度：致密度：0.74常見(jiàn)金屬：常見(jiàn)金屬： Mg

7、、Zn、 Be、Cd等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)底面邊長(zhǎng) a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格(HCP) 1、單晶體和、單晶體和多晶體多晶體 單晶體：?jiǎn)尉w：其內(nèi)部晶格方位完其內(nèi)部晶格方位完 全一致的晶體。全一致的晶體。 多晶體：多晶體： 晶粒：晶粒：實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒晶粒。變變形金屬晶粒尺寸約形金屬晶粒尺寸約1100 m，鑄造金屬可達(dá)幾，鑄造金屬可達(dá)幾mm。鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織l晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。晶粒越細(xì)小，

8、晶界面積越大。l多晶體：多晶體：由多晶粒組成的晶體由多晶粒組成的晶體 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。l2、晶體缺陷及其晶體缺陷及其 與性能之間的關(guān)系與性能之間的關(guān)系l晶格的不完整部位稱晶格的不完整部位稱晶體缺陷晶體缺陷。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界光學(xué)金相顯示的純鐵晶界l實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類：實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類：l 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷l 空位：空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。l 間隙原子：間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子稱間隙原子。擠進(jìn)晶格間隙中的原子稱間隙原子。l間隙原子可以是基體金屬原子，也可以是外來(lái)原子。間隙原子可以是基體金屬原子，也可

9、以是外來(lái)原子。l 置換原子：置換原子：取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原子稱子稱置換原子置換原子。l點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶晶格畸變格畸變。從而強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。從而強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。空位空位間隙原子間隙原子小置換原子小置換原子大置換原子大置換原子 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)l 線缺陷線缺陷晶體中的位錯(cuò)晶體中的位錯(cuò)位錯(cuò)位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移

10、區(qū)的交界線稱作作位錯(cuò)位錯(cuò)。有。有刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)和和螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)兩種類型。兩種類型。l刃型位錯(cuò)：刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)。l半原子面在滑移面以上的稱半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)正位錯(cuò)，用，用“”表示。表示。l半原子面在滑移面以下的稱半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)負(fù)位錯(cuò)，用，用“”表示。表示。l位錯(cuò)密度：位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所單位體積內(nèi)所 包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。 = S/V (cm

11、/cm3或或1/cm2)l金屬中的位錯(cuò)密度為金屬中的位錯(cuò)密度為1041012 /cm2 。l位錯(cuò)對(duì)性能的影響：位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。從從 - 關(guān)系可以看出，減少或增加位錯(cuò)密度都可以關(guān)系可以看出，減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。提高金屬的強(qiáng)度。透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線黑線)l 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界l晶界晶界是不同位向晶粒的過(guò)度部位，寬度為是不同位向晶粒的過(guò)度部位，寬度為510個(gè)原個(gè)原子間距，位向差一般

12、為子間距，位向差一般為2040。亞晶粒亞晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位錯(cuò)壁位錯(cuò)壁l亞晶粒亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很?。?0 2 )的小晶塊。的小晶塊。l亞晶粒之間的交界面稱亞晶粒之間的交界面稱亞晶界亞晶界。亞晶界也可看。亞晶界也可看作作位錯(cuò)壁位錯(cuò)壁。l晶界的特點(diǎn)：晶界的特點(diǎn)：l 原子排列不規(guī)則。原子排列不規(guī)則。l 熔點(diǎn)低。熔點(diǎn)低。l 耐蝕性差。耐蝕性差。l 易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來(lái)原子易在晶界偏聚。易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來(lái)原子易在晶界偏聚。l 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。的金屬力

13、求獲得細(xì)晶粒。l 是相變的優(yōu)先形核部位。是相變的優(yōu)先形核部位。 l物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固凝固。l物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過(guò)程稱為物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過(guò)程稱為結(jié)晶結(jié)晶。晶體液體液體結(jié)晶結(jié)晶結(jié)晶： 液體液體 - - 晶體晶體凝固： 液體液體 - - 固體（晶體固體（晶體 或或 非晶體）非晶體）物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的過(guò)程稱為另一個(gè)相的過(guò)程稱為相變相變。因而結(jié)晶過(guò)程。因而結(jié)晶過(guò)程是相變過(guò)程。是相變過(guò)程。l一、純金屬的結(jié)晶一、純金屬的結(jié)晶l1、冷卻曲線與過(guò)冷度、冷卻曲線與過(guò)冷度l金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱

14、線稱冷卻曲線。冷卻曲線。曲線上水平階段曲線上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱所對(duì)應(yīng)的溫度稱實(shí)際結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度T1。l 曲線上水平階段曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱與液態(tài)金是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱與液態(tài)金屬向周圍散失的熱量相等引起的。屬向周圍散失的熱量相等引起的。 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線 過(guò)冷與過(guò)冷度過(guò)冷與過(guò)冷度l純金屬都有一個(gè)純金屬都有一個(gè)理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度T0(熔點(diǎn)熔點(diǎn)或或平衡結(jié)晶平衡結(jié)晶溫度溫度)。在該溫度下。在該溫度下, 液體和晶體處于液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)動(dòng)平衡狀態(tài)。l結(jié)晶只有在結(jié)晶只有在T0以下的實(shí)際以下的實(shí)際 結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行。霧凇霧凇l

15、液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象稱現(xiàn)象稱過(guò)冷過(guò)冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差度的差 T稱稱過(guò)冷度過(guò)冷度。 T= T0 T1l過(guò)冷度大小與冷卻速過(guò)冷度大小與冷卻速 度有關(guān)，度有關(guān)，冷速越大，冷速越大， 過(guò)冷度越大過(guò)冷度越大。 （1）結(jié)晶的基本過(guò)程）結(jié)晶的基本過(guò)程l結(jié)晶由結(jié)晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核晶核 的長(zhǎng)大的長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程組成。兩個(gè)基本過(guò)程組成。l液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱為們時(shí)聚時(shí)散，稱為晶坯晶坯。在。在T0以下，經(jīng)一段時(shí)間以下，經(jīng)一段時(shí)間后

16、（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為稱為晶核晶核。界面自由能界面自由能體積自由能體積自由能晶胚晶胚晶核晶核rrcG*自由能變化自由能變化Gl晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)，又有新的晶晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)，又有新的晶核產(chǎn)生。核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界觸后形成晶界。 （2）晶核的形成方式晶核的形成方式l形核有兩種方式，即形核有兩種方式，即均勻形核均勻形核和和非均勻形核非均勻形核。l由液體中排列規(guī)則

17、的原子團(tuán)形成晶核稱均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱均勻形核。l以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。非均勻形核更為普遍。非均勻形核更為普遍。非均勻形核示意圖非均勻形核示意圖 （3）晶核的長(zhǎng)大方式晶核的長(zhǎng)大方式l晶核的長(zhǎng)大方式有兩種，即晶核的長(zhǎng)大方式有兩種，即 均勻長(zhǎng)大均勻長(zhǎng)大和和樹(shù)枝狀長(zhǎng)大樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。l在在正溫度梯度正溫度梯度下，晶體生長(zhǎng)下，晶體生長(zhǎng) 以平面狀態(tài)向前推進(jìn)。以平面狀態(tài)向前推進(jìn)。光滑界面光滑界面粗糙界面粗糙界面正溫度梯度正溫度梯度l實(shí)際金屬的結(jié)晶主要以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。實(shí)際金屬的結(jié)晶主要以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。l這是由于存在這是由于

18、存在負(fù)溫度梯度，負(fù)溫度梯度，且且晶核棱角處的散熱晶核棱角處的散熱條件好，生長(zhǎng)快，先形成條件好，生長(zhǎng)快，先形成一次軸一次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)，一次軸又會(huì)產(chǎn)生生二次軸二次軸，樹(shù)枝間最后被填充。，樹(shù)枝間最后被填充。負(fù)溫度梯度負(fù)溫度梯度金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶l（1）晶粒度）晶粒度l表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶晶 粒度粒度。晶粒度可用晶粒的晶粒度可用晶粒的 平均面積或平均直徑表示。平均面積或平均直徑表示。l工業(yè)生產(chǎn)上采用工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級(jí)晶粒度等級(jí)來(lái)表示晶粒大小。來(lái)表示晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最

19、細(xì)晶粒度共分八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)。通過(guò)。通過(guò)100倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來(lái)評(píng)級(jí)。倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來(lái)評(píng)級(jí)。 （2）決定晶粒度的因素）決定晶粒度的因素l晶粒的大小取決于晶粒的大小取決于晶核的形成速度晶核的形成速度和和長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度。l單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率形核率(N)。l單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度過(guò)冷度對(duì)過(guò)冷度對(duì)N、G的影響的影響叫叫長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越細(xì)小比值越大，晶粒越細(xì)小。因此，凡是促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)因此，凡是促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大的因素，都能細(xì)化晶粒。大的因素，

20、都能細(xì)化晶粒。 1、控制過(guò)冷度控制過(guò)冷度：隨過(guò)冷度隨過(guò)冷度增增 加，加，N/G值增加，晶粒變細(xì)。值增加，晶粒變細(xì)。 2、變質(zhì)處理變質(zhì)處理：又又稱孕育處理稱孕育處理。 即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非即有意向液態(tài)金屬內(nèi)加入非 均勻形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。均勻形核物質(zhì)從而細(xì)化晶粒的方法。所加入的所加入的非均勻形核物質(zhì)叫非均勻形核物質(zhì)叫變質(zhì)劑變質(zhì)劑（或（或稱孕育劑稱孕育劑）。）。硅鐵、硅鈣合金硅鐵、硅鈣合金-鐵水鐵水鈦、鋯鈦、鋯-鋁合金液鋁合金液體體鈦、釩、鋁鈦、釩、鋁-鋼水鋼水 3、振動(dòng)、攪拌等振動(dòng)、攪拌等：對(duì)正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或?qū)φ诮Y(jié)晶的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪動(dòng)，一方面可靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，

21、攪動(dòng)，一方面可靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶 破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。 電磁攪拌細(xì)化晶粒示意圖電磁攪拌細(xì)化晶粒示意圖超聲振動(dòng)細(xì)化晶粒示意圖超聲振動(dòng)細(xì)化晶粒示意圖l 高溫下，高溫下，晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生晶界呈粘滯狀態(tài)，在外力作用下易產(chǎn)生滑動(dòng)，因而細(xì)晶粒無(wú)益。但晶粒太粗易產(chǎn)生應(yīng)力集中?；瑒?dòng)，因而細(xì)晶粒無(wú)益。但晶粒太粗易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因而因而高溫下晶粒過(guò)大、過(guò)小都不好。高溫下晶粒過(guò)大、過(guò)小都不好。 晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度的關(guān)系晶粒大小與金屬?gòu)?qiáng)度的關(guān)系常溫下常溫下，晶粒越細(xì)，晶粒越細(xì)，晶晶界面積越大，因而界面積越大

22、，因而金屬金屬的強(qiáng)度、硬度越高，同的強(qiáng)度、硬度越高，同時(shí)塑性、韌性也越好時(shí)塑性、韌性也越好。即即細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化。l物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素同素異晶轉(zhuǎn)變異晶轉(zhuǎn)變。同素異晶轉(zhuǎn)變屬于同素異晶轉(zhuǎn)變屬于 相變之一相變之一固態(tài)相變固態(tài)相變。 1、鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變、鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變l鐵在固態(tài)冷卻過(guò)程中有兩次晶鐵在固態(tài)冷卻過(guò)程中有兩次晶 體結(jié)構(gòu)變化，其變化為體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1394912 -Fe -Fe -Fe純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912

23、C -Fe，fcc -Fe，bcc912 C 2、固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)、固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)l固態(tài)下的相變也是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程固態(tài)下的相變也是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程，但有，但有著與結(jié)晶不同之處，著與結(jié)晶不同之處，其特點(diǎn)為：其特點(diǎn)為：l（1）形核一般在某些特定部位發(fā)生（如晶界、晶）形核一般在某些特定部位發(fā)生（如晶界、晶內(nèi)缺陷、特定晶面等）。內(nèi)缺陷、特定晶面等）。l（2）由于固態(tài)下擴(kuò)散困難，因而過(guò)冷傾向大。由于固態(tài)下擴(kuò)散困難，因而過(guò)冷傾向大。l（3）固態(tài)轉(zhuǎn)變伴隨著體積變化，易造成很大內(nèi)應(yīng)固態(tài)轉(zhuǎn)變伴隨著體積變化，易造成很大內(nèi)應(yīng)力。力。一、一、概述概述l合金合金（alloy） 是指由兩種或兩種以上元素組成是指由

24、兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。的具有金屬特性的物質(zhì)。 如碳素鋼就是鐵與碳組成的元素。如碳素鋼就是鐵與碳組成的元素。l組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。非金屬。l組元組元（constituent） 是組成合金的最簡(jiǎn)單、最是組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。例如鐵碳合金的組元基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。例如鐵碳合金的組元是鐵和碳元素。是鐵和碳元素。l 多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素，但多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素，但對(duì)于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合對(duì)于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組

25、元，如物也可看作組元，如Fe-C合金中的合金中的Fe3C。l 組成合金的元素相組成合金的元素相互作用可形成不同的互作用可形成不同的相相。Al-Cu兩相合金兩相合金l相相（ phase ） 所謂所謂相相是指金是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開(kāi)的同，并與其它部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分。均勻組成部分。l顯微組織顯微組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。的組合。l二、合金的相結(jié)構(gòu)二、合金的相結(jié)構(gòu)l固態(tài)合金中的相分為固態(tài)合金中的相分為固

26、溶體固溶體和和金屬化合物金屬化合物兩類。兩類。l1、固溶體固溶體（solid solution） 合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相稱的固相稱固溶體固溶體。習(xí)慣上用。習(xí)慣上用 、 、 表示。表示。 一般把與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱作一般把與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱作溶劑溶劑。其它元素稱作其它元素稱作溶質(zhì)溶質(zhì)。固溶體保持溶劑晶格。固溶體保持溶劑晶格。 如：糖水如：糖水 水水溶劑，糖溶劑，糖溶質(zhì)。溶質(zhì)。 固溶體是合金的重要組成相固溶體是合金的重要組成相，實(shí)際使用的，實(shí)際使用的金屬材料多數(shù)是單相固溶體合金或以固溶體為金屬材料多數(shù)是單相固溶體合金或以

27、固溶體為基的合金?；暮辖?。 按溶質(zhì)原子所處位置分為按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶體置換固溶體和和間間隙固溶體隙固溶體。l 置換固溶體置換固溶體l溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。的固溶體。黃銅置換固溶體組織黃銅置換固溶體組織l 間隙固溶體間隙固溶體l溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。l形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過(guò)渡族等，而溶劑元素一般是過(guò)渡族元素。元素。l形成間隙固溶體的一般規(guī)律形成間

28、隙固溶體的一般規(guī)律 為為r質(zhì)質(zhì)/r劑劑0.59。l 固溶體的溶解度固溶體的溶解度l溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。l溶解度有一定限度的固溶體稱溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體有限固溶體。l組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無(wú)限固溶體無(wú)限固溶體。l組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無(wú)限固溶體。相同的置換固溶體，才有可能形成無(wú)限固溶體。 l間隙固溶體都是有限固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體。l 固溶體的性能固溶體的性能l隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬隨溶質(zhì)含量增加，固

29、溶體的強(qiáng)度、硬 度增加，塑性、韌性下降度增加，塑性、韌性下降固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。l 產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對(duì)位錯(cuò)的及對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用釘扎作用，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。l 與純金屬相比，與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。但韌性低。但與化合物相比與化合物相比，其硬度要低得多，而塑，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。性和韌性則要高得多。金屬化合物金屬化合物（metal compounds）l合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相

30、同的固相稱的固相稱金屬化合物金屬化合物。金屬化合物具有金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性硬度和脆性，并，并可用分子式表示可用分子式表示其組成。其組成。l當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)， 可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨 性，但降低塑性。性，但降低塑性。l金屬化合物也是合金的重要組成相金屬化合物也是合金的重要組成相。鐵碳合金中的鐵碳合金中的Fe3C 正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物符合正常原子價(jià)規(guī)律。如符合正常原子價(jià)規(guī)律。如Mg2Si。 電子化合物電子化合物符合電子濃度規(guī)律。如符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。 電子濃度電子濃度為價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值。為

31、價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值。 間隙化合物間隙化合物由過(guò)渡族元素與由過(guò)渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非金屬元素組成。等小原子半徑的非金屬元素組成。l 間隙相：間隙相：r非非/r金金 0.59時(shí)形時(shí)形 成的具有簡(jiǎn)單晶格成的具有簡(jiǎn)單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如如lM4X (Fe4N)、lM2X (Fe2N、 W2C)、lMX (TiC、VC、TiN)等。等。 VC的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)Fe3C的晶格的晶格l如如FeB、Fe3C、Cr23C6等。等。其中其中Fe3C稱稱滲碳體，滲碳體，是鋼中重要組成是鋼中重要組成相，具有復(fù)雜斜方晶格相，具有復(fù)雜斜方晶格。l 化合物也可溶入其它元素原化合物也可溶

32、入其它元素原子，形成以化合物為基的固溶體。子，形成以化合物為基的固溶體。l相圖相圖:用來(lái)表示合金系中各合金結(jié)晶過(guò)程的簡(jiǎn)明用來(lái)表示合金系中各合金結(jié)晶過(guò)程的簡(jiǎn)明圖解。圖解。又稱又稱狀態(tài)圖狀態(tài)圖或或平衡圖平衡圖。l合金系合金系:是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上元素按不同比例是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。配制的一系列不同成分的合金。l相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律變化的規(guī)律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)藝的重要依據(jù)。l根據(jù)組元數(shù)根據(jù)組元數(shù), 分為二元相圖、三元

33、相圖和多元相圖。分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。Fe-C二元相圖二元相圖三元相圖三元相圖l幾乎所有的相圖都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的，最常用幾乎所有的相圖都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的，最常用的是熱分析法。的是熱分析法。l二元相圖的建立步驟為二元相圖的建立步驟為：以以Cu-Ni合金合金(白銅白銅)為例為例l1、配制不同成分的合金，測(cè)出各合金的冷卻曲線，配制不同成分的合金，測(cè)出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點(diǎn)（停歇點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。找出曲線上的臨界點(diǎn)（停歇點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。l2、在溫度在溫度-成分坐標(biāo)中做成分垂線，將臨界點(diǎn)標(biāo)在成成分坐標(biāo)中做成分垂線，將臨界點(diǎn)標(biāo)在成分垂線上。分垂線上。l3、將垂線上相同意義的點(diǎn)連接起來(lái)，

34、并標(biāo)上相應(yīng)將垂線上相同意義的點(diǎn)連接起來(lái)，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。的數(shù)字和字母。l相圖中，相圖中，結(jié)晶開(kāi)始點(diǎn)的連線叫結(jié)晶開(kāi)始點(diǎn)的連線叫液相線液相線。結(jié)晶終了點(diǎn)結(jié)晶終了點(diǎn)的連線叫的連線叫固相線固相線。(1)(1)二元?jiǎng)蚓鄨D二元?jiǎng)蚓鄨Dl兩組元在液態(tài)和固態(tài)下兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無(wú)限互溶時(shí)所構(gòu)成的均無(wú)限互溶時(shí)所構(gòu)成的相圖稱相圖稱二元?jiǎng)蚓鄨D二元?jiǎng)蚓鄨D。l以以Cu-NiCu-Ni合金為例進(jìn)行合金為例進(jìn)行分析。分析。l相圖由兩條線構(gòu)成相圖由兩條線構(gòu)成，上面是液相線，下面是固相線。，上面是液相線，下面是固相線。l相圖被兩條線分為相圖被兩條線分為三個(gè)相區(qū)三個(gè)相區(qū)，液相線，液相線以上為以上為液相區(qū)液相區(qū)L

35、 ，固相線以下為固相線以下為 固固溶體區(qū)溶體區(qū)，兩條線之，兩條線之間為兩相共存的間為兩相共存的兩兩相區(qū)相區(qū)（L+ ）。）。 LL+ 合金的結(jié)晶過(guò)程合金的結(jié)晶過(guò)程l除純組元外，其它成分合金結(jié)晶過(guò)程相似，以除純組元外，其它成分合金結(jié)晶過(guò)程相似，以合合金為例說(shuō)明。金為例說(shuō)明。l當(dāng)液態(tài)金屬自高溫當(dāng)液態(tài)金屬自高溫冷卻到冷卻到 t1溫度時(shí)，溫度時(shí)，開(kāi)始結(jié)晶出開(kāi)始結(jié)晶出成分為成分為 1的固溶體的固溶體，其，其Ni含量高于合金平均含量高于合金平均成分成分。L L+ l隨溫度下降，固溶隨溫度下降，固溶體重量增加，液相體重量增加，液相重量減少重量減少。同時(shí)，。同時(shí)，液相成分沿液相線液相成分沿液相線變化，固相成分沿

36、變化，固相成分沿固相線變化固相線變化。l這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變或或勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)。l成分變化是通過(guò)原子擴(kuò)散完成的。當(dāng)合金冷卻到成分變化是通過(guò)原子擴(kuò)散完成的。當(dāng)合金冷卻到t3時(shí)，最后一滴時(shí)，最后一滴L3成分的液體也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，此時(shí)成分的液體也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，此時(shí)固溶體的成分又變回到合金成分固溶體的成分又變回到合金成分 3上來(lái)上來(lái)。l可見(jiàn)，可見(jiàn)，液固相線不液固相線不僅是相區(qū)分界線，僅是相區(qū)分界線，也是結(jié)晶時(shí)兩相的也是結(jié)晶時(shí)兩相的成分變化線成分變化線；勻晶勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變。 杠桿定律杠桿定律l當(dāng)合金在某一溫度下處于兩

37、相區(qū)時(shí)，由相圖不當(dāng)合金在某一溫度下處于兩相區(qū)時(shí)，由相圖不僅可以知道兩平衡相的成分，而且還可以用杠僅可以知道兩平衡相的成分，而且還可以用杠桿定律求出兩平衡相的相對(duì)重量百分比。桿定律求出兩平衡相的相對(duì)重量百分比。l現(xiàn)以現(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：合金為例推導(dǎo)杠桿定律：l 確定兩平衡相的成分：確定兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為設(shè)合金成分為x，過(guò)，過(guò)x做成分垂線。做成分垂線。l在成分垂線相當(dāng)于溫度在成分垂線相當(dāng)于溫度t 的的o點(diǎn)作水平線，其與液固點(diǎn)作水平線，其與液固相線交點(diǎn)相線交點(diǎn)a、b所對(duì)應(yīng)的成分所對(duì)應(yīng)的成分x1、x2即分別為液相和即分別為液相和固相的成分。固相的成分。l 確定兩平衡相的相確定

38、兩平衡相的相對(duì)重量對(duì)重量l設(shè)合金設(shè)合金(x)的總重量為的總重量為1，液相液相(x1)重量為重量為QL，固相固相(x2)重量為重量為Q 。l則則 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程組得解方程組得121122LxxxxQxxxxQ l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段即為相圖中線段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的長(zhǎng)度。的長(zhǎng)度。l因此兩相的相對(duì)重量百分比為：因此兩相的相對(duì)重量百分比為：%)100abao%(100 xxxxQ%)100abob%(100 xxxxQ211212L 21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或

39、或oobbxx1x2QLQl上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠杠桿定律桿定律。即。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比。該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比。l在杠桿定律中，在杠桿定律中，杠桿的支點(diǎn)是合金的成分，杠桿的杠桿的支點(diǎn)是合金的成分，杠桿的端點(diǎn)是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。端點(diǎn)是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。l杠桿定律只適用于兩相區(qū)杠桿定律只適用于兩相區(qū)。單相區(qū)無(wú)必要使用，三。單相區(qū)無(wú)必要使用，三相區(qū)不能使用。相區(qū)不能使用。l合金的結(jié)晶

40、只有在緩慢冷卻的合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻的條件下才能得到成分均勻的固條件下才能得到成分均勻的固溶體。溶體。但實(shí)際冷速較快，在結(jié)但實(shí)際冷速較快，在結(jié)晶過(guò)程中固相中的原子來(lái)不及晶過(guò)程中固相中的原子來(lái)不及擴(kuò)散，使擴(kuò)散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點(diǎn)元素有較多的高熔點(diǎn)元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Ni)，后結(jié)晶的枝晶間后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點(diǎn)元素含有較多的低熔點(diǎn)元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Cu)。 枝晶偏析枝晶偏析l在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作象稱作枝晶偏析枝晶偏析。l不僅與冷速有關(guān)，而且與

41、液固相線的間距有關(guān)。不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。l冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。l枝晶偏析會(huì)影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。枝晶偏析會(huì)影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。l生產(chǎn)上常生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下將鑄件加熱到固相線以下100-200長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)間保溫以消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作保溫以消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火。通過(guò)擴(kuò)散退火可使原子充分?jǐn)U散，使成分均勻。通過(guò)擴(kuò)散退火可使原子充分?jǐn)U散，使成分均勻。l當(dāng)兩組元在液態(tài)下當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)下有限互溶

42、，并發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)生共晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱作成的相圖稱作共晶共晶相圖相圖。l以以Pb-Sn相圖為例進(jìn)行分析相圖為例進(jìn)行分析。Pb-Sn合金相圖合金相圖l1、相圖分析相圖分析l 相：相：相圖中有相圖中有L、 、 三種相，三種相， 是溶質(zhì)是溶質(zhì)Sn在在 Pb中的固溶體中的固溶體， 是溶質(zhì)是溶質(zhì)Pb 在在Sn中的固溶體中的固溶體。 相區(qū)：相區(qū)：相圖中有相圖中有三三個(gè)單相區(qū)：個(gè)單相區(qū)： L、 、 ；三個(gè)兩相區(qū)：三個(gè)兩相區(qū)： L+ 、 L+ 、 + ；一個(gè)三相一個(gè)三相區(qū)：區(qū)：即水平線即水平線CED。AB DG線分別為線分別為Sn在在Pb中和中和Pb在在Sn中的固中的固溶線。溶線。l固溶體的溶解度隨

43、固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。溫度降低而下降。l 液固相線：液固相線：液相線液相線AEB，固相線固相線ACEDB。A、B分分別為別為Pb、Sn的熔點(diǎn)。的熔點(diǎn)。l 固溶線：固溶線：溶解度點(diǎn)的連線稱固溶線。溶解度點(diǎn)的連線稱固溶線。相圖中的相圖中的CF、AB 在一定溫度下在一定溫度下, ,由一定成由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)都不相同的固相的轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)都不相同的固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程稱過(guò)程稱共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。 l 共晶線：共晶線：水平線水平線CED叫做共晶線。叫做共晶線。l在共晶線對(duì)應(yīng)的溫度下（在共晶線對(duì)應(yīng)的溫度下（183 ），），E點(diǎn)成分的合金點(diǎn)

44、成分的合金同時(shí)結(jié)晶出同時(shí)結(jié)晶出C點(diǎn)成分的點(diǎn)成分的 固溶體和固溶體和D點(diǎn)成分的點(diǎn)成分的 固溶體固溶體，形成這兩個(gè)相的機(jī)械混合物：形成這兩個(gè)相的機(jī)械混合物：LE ( C + D)。ABl共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機(jī)械混合物稱共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機(jī)械混合物稱共晶體共晶體或或共晶組織共晶組織。l發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱共晶溫度。共晶溫度。代表共晶溫度代表共晶溫度和共晶成分的點(diǎn)稱和共晶成分的點(diǎn)稱共晶點(diǎn)。共晶點(diǎn)。Pb-Sn共晶組織共晶組織l具有共晶成分的合金稱具有共晶成分的合金稱共晶合金共晶合金。在共晶線上，。在共晶線上，凡凡成分位于共晶點(diǎn)以左的合金稱成分位于共晶點(diǎn)以左的合金稱亞共晶合金

45、亞共晶合金，位于共位于共晶點(diǎn)以右的合金稱晶點(diǎn)以右的合金稱過(guò)共晶合金過(guò)共晶合金。凡具有共晶線成分凡具有共晶線成分的合金液體冷卻到的合金液體冷卻到共晶溫度時(shí)都將發(fā)共晶溫度時(shí)都將發(fā)生共晶反應(yīng)。生共晶反應(yīng)。L+ CDl2、合金的結(jié)晶過(guò)程合金的結(jié)晶過(guò)程l 含含Sn量小于量小于C點(diǎn)合金點(diǎn)合金(合金合金)的結(jié)晶過(guò)程的結(jié)晶過(guò)程l在在3點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出單相點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出單相 固溶體，這種固溶體，這種從液相中結(jié)晶出的固相稱從液相中結(jié)晶出的固相稱一次相一次相或或初生相初生相。.2l溫度降到溫度降到3點(diǎn)以下，點(diǎn)以下， 固溶體被固溶體被Sn過(guò)飽和，由于晶格過(guò)飽和，由于晶格不穩(wěn)，開(kāi)始不穩(wěn)，開(kāi)始析出析出（

46、相變過(guò)程也稱析出）（相變過(guò)程也稱析出）新相新相 相。相。由已有固相析出的新固相稱由已有固相析出的新固相稱二次相二次相或或次生相次生相。l形成二次相的過(guò)程稱形成二次相的過(guò)程稱二次析出二次析出，是固態(tài)相變的一種。，是固態(tài)相變的一種。Hl由于二次相析出溫度較低，一般十分細(xì)小。由于二次相析出溫度較低，一般十分細(xì)小。l合金室溫組織為合金室溫組織為 + 。l成分大于成分大于D點(diǎn)合金的結(jié)晶過(guò)點(diǎn)合金的結(jié)晶過(guò) 程與程與合金相似合金相似, 室溫組織室溫組織 為為 + 。%1004 FGFQ 室溫下室溫下 的相對(duì)重量百分比為：的相對(duì)重量百分比為：l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l隨溫度下降，隨溫度下

47、降， 和和 相的成分分別沿相的成分分別沿CF線和線和DG線變線變化，化， 的重量增加。的重量增加。l 共晶合金共晶合金(合金合金)的結(jié)晶過(guò)程的結(jié)晶過(guò)程l液態(tài)合金冷卻到液態(tài)合金冷卻到E 點(diǎn)時(shí)同時(shí)被點(diǎn)時(shí)同時(shí)被Pb和和Sn飽和飽和, 發(fā)生共晶發(fā)生共晶反應(yīng)：反應(yīng)：LE ( C+ D) 。析出過(guò)程中兩相相間形核、析出過(guò)程中兩相相間形核、互相促進(jìn)互相促進(jìn), 因而共晶組織較細(xì)因而共晶組織較細(xì), 呈片、針、點(diǎn)球等形呈片、針、點(diǎn)球等形狀。狀。Pb-Sn共晶合金組織共晶合金組織19.2 層片狀（層片狀（Al-CuAl2，定向凝固）定向凝固）棒狀或條狀（棒狀或條狀（Sb-MnSb，橫截面）橫截面）球狀或短棒狀（球狀

48、或短棒狀（Cu-CuO）針狀（針狀（Al-Si）螺旋狀（螺旋狀（Zn-Mg）Fe-C(石墨石墨)的共晶組織的共晶組織l在共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中，在共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中，L、 、 三相共存，三個(gè)相三相共存，三個(gè)相的量在不斷變化，但它們各自的成分是固定的。的量在不斷變化，但它們各自的成分是固定的。l共晶組織中的相稱共晶組織中的相稱共晶相共晶相。l共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)， 和和 相的相對(duì)重量百分比為：相的相對(duì)重量百分比為：%6 .54%100%4 .45%1002 .195 .979 .615 .97%100 QQCDEDQC(19.2)E(61.9)D(97.5)l共晶結(jié)束后，隨溫度下降，共晶結(jié)束后，隨

49、溫度下降， 和和 的成分分別沿的成分分別沿CF線線和和DG線變化，并從共晶線變化，并從共晶 中中析出析出 ，從共晶，從共晶 中中析析出出 ，由于共晶組織細(xì)，由于共晶組織細(xì)， 與共晶與共晶 結(jié)合，結(jié)合， 與共與共晶晶 結(jié)合，共晶合金的室溫組織仍為（結(jié)合，共晶合金的室溫組織仍為（ + ）共晶體。）共晶體。2GFl 亞共晶合金亞共晶合金(合金合金)的結(jié)晶過(guò)程的結(jié)晶過(guò)程l合金液體在合金液體在2點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變。冷卻到點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變。冷卻到2點(diǎn)，固相成點(diǎn)，固相成分沿分沿AC線變化到線變化到C點(diǎn)，液相成分沿點(diǎn)，液相成分沿AE線變化到線變化到E點(diǎn)，點(diǎn)，此時(shí)兩相的相對(duì)重量百分比為：此時(shí)兩相的相對(duì)重量百分比為

50、： %1002%1002)( CEEQCECQQEL l在在2點(diǎn)，具有點(diǎn)，具有E點(diǎn)成分的剩余液體發(fā)生共晶反應(yīng)：點(diǎn)成分的剩余液體發(fā)生共晶反應(yīng)： L ( + ) ，轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織，共晶體的重量與轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織，共晶體的重量與轉(zhuǎn)變前的液相重量相等，即變前的液相重量相等，即QE =QL。l反應(yīng)結(jié)束后，在共晶溫度下反應(yīng)結(jié)束后，在共晶溫度下 、 兩相的相對(duì)重量百兩相的相對(duì)重量百分比為：分比為：%1002%1002 CDCQCDDQ l溫度繼續(xù)下降，將從一次溫度繼續(xù)下降，將從一次 和共晶和共晶 中析出中析出 ，。，。其其室溫組織室溫組織為為 + ( + ) + 。l 過(guò)共晶合金結(jié)晶過(guò)程過(guò)共晶合金結(jié)晶過(guò)程

51、l過(guò)共晶合金的結(jié)晶過(guò)程過(guò)共晶合金的結(jié)晶過(guò)程與亞共晶合金相似，不與亞共晶合金相似，不同的是一次相為同的是一次相為 ，二二次相次相 為為 。l其室溫組織為其室溫組織為 +( + )+ 。l3、 組織組成物在相圖上的標(biāo)注組織組成物在相圖上的標(biāo)注l組織組成物是指組成合金顯微組織的獨(dú)立部分。組織組成物是指組成合金顯微組織的獨(dú)立部分。 l 和和 ， 和和 ，共晶體，共晶體( + )都是組織組成物。都是組織組成物。l相與相之間的差別主要在結(jié)構(gòu)和成分上。相與相之間的差別主要在結(jié)構(gòu)和成分上。l組織組成物之間的差別主要在組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上。形態(tài)上。如如 、 和共晶和共晶 的結(jié)構(gòu)成分相同，屬同一個(gè)相，

52、的結(jié)構(gòu)成分相同，屬同一個(gè)相，但它們的形態(tài)不同，分屬不同但它們的形態(tài)不同，分屬不同的組織組成物。的組織組成物。l將組織組成物標(biāo)注在相圖中，將組織組成物標(biāo)注在相圖中，可使所標(biāo)注的組織與顯微鏡下可使所標(biāo)注的組織與顯微鏡下觀察到的組織一致。觀察到的組織一致。Pb-Sn亞共晶組織亞共晶組織l當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱作并發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱作包晶相圖包晶相圖。以以Pt-Ag相圖為例簡(jiǎn)要分析。相圖為例簡(jiǎn)要分析。 1、相圖分析、相圖分析單相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：L, ,二相區(qū)：二相區(qū)：L+ , L+ , + 三相區(qū)：三

53、相區(qū)：L+ + （水平（水平線線PDC）L+L+L +l 在一定溫度下，由一在一定溫度下，由一個(gè)液相包著一個(gè)固相生個(gè)液相包著一個(gè)固相生成另一新固相的反應(yīng)稱成另一新固相的反應(yīng)稱包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)。包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)。l 合金（合金（包晶成分合金）：包晶成分合金）：勻晶勻晶包晶包晶二次析二次析出出。室溫組織為。室溫組織為+II。l 合金：合金：勻晶勻晶包晶包晶二次析出二次析出。室溫組織為。室溫組織為+II +II。l 合金：合金：勻晶勻晶包晶包晶 勻晶勻晶二次析出二次析出。室。室 溫組織為溫組織為+II。 L+L+ +111222L3l穩(wěn)定化合物穩(wěn)定化合物是指在熔化前不發(fā)生分解的化合物是指在熔化前

54、不發(fā)生分解的化合物(如如Mg-Si系的系的Mg2Si和和Fe-C系的系的Fe3C) 。其其成分固定成分固定，在相圖中是一條垂線在相圖中是一條垂線(代表一個(gè)單相區(qū)代表一個(gè)單相區(qū))。垂足是其垂足是其成分，頂點(diǎn)是其熔點(diǎn)成分，頂點(diǎn)是其熔點(diǎn)， 結(jié)晶過(guò)程同純金屬。結(jié)晶過(guò)程同純金屬。l分析這類相圖時(shí)，分析這類相圖時(shí)，可把可把穩(wěn)定化合物當(dāng)作純組元穩(wěn)定化合物當(dāng)作純組元看待看待，將相圖分成幾個(gè)，將相圖分成幾個(gè)部分進(jìn)行分析。部分進(jìn)行分析。Mg2Sil所謂所謂共析反應(yīng)（轉(zhuǎn)變）共析反應(yīng)（轉(zhuǎn)變）是指在一定溫度下，由一定是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新成分的固相同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全

55、不同的新固相的過(guò)程。固相的過(guò)程。共析轉(zhuǎn)共析轉(zhuǎn) 變也是固態(tài)相變。變也是固態(tài)相變。l最常見(jiàn)的共析轉(zhuǎn)變是最常見(jiàn)的共析轉(zhuǎn)變是 鐵碳合金中的珠光體鐵碳合金中的珠光體 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變: S P+ Fe3C 。鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖l共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析體共析體（鐵碳合金中的共析體稱（鐵碳合金中的共析體稱珠光體），也是珠光體），也是兩相的機(jī)械混合物兩相的機(jī)械混合物。l與共晶反應(yīng)不同的是與共晶反應(yīng)不同的是，共析反應(yīng)的母相是固相，而共析反應(yīng)的母相是固相，而不是液相。不是液相。l另外，由于固態(tài)轉(zhuǎn)另外，由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)冷度大，因而變過(guò)冷度大，因而共析組織比共晶組共析組織比共晶組織細(xì)?？椉?xì)。珠光體珠光體l實(shí)

56、際二元相圖往往比較復(fù)雜，可按下列步驟進(jìn)行分析。實(shí)際二元相圖往往比較復(fù)雜，可按下列步驟進(jìn)行分析。l 分清相圖中包括哪些基本類型相圖分清相圖中包括哪些基本類型相圖l 確定相區(qū)確定相區(qū)l1、相區(qū)接觸法則、相區(qū)接觸法則l相鄰兩個(gè)相區(qū)的相數(shù)差相鄰兩個(gè)相區(qū)的相數(shù)差 為為1。l2、單相區(qū)的確定、單相區(qū)的確定l液相線以上為液相區(qū)；液相線以上為液相區(qū)；Fe- Fe3C相圖相圖l靠純組元的封閉區(qū)是以該組元為基的單相固溶體區(qū)靠純組元的封閉區(qū)是以該組元為基的單相固溶體區(qū)；l 相圖中的垂線可能是穩(wěn)定化合物（單相區(qū)），也可相圖中的垂線可能是穩(wěn)定化合物（單相區(qū)），也可能是相區(qū)分界線；能是相區(qū)分界線；l 相圖中部出現(xiàn)的成分可

57、相圖中部出現(xiàn)的成分可變的單相區(qū)是以化合物為變的單相區(qū)是以化合物為基的單相固溶體區(qū)；基的單相固溶體區(qū)；l 相圖中每一條水平線必相圖中每一條水平線必定與三個(gè)單相區(qū)點(diǎn)接觸。定與三個(gè)單相區(qū)點(diǎn)接觸。Cu-Zn相圖相圖 + l3、兩相區(qū)的確定：、兩相區(qū)的確定：兩個(gè)單相區(qū)之間夾有一個(gè)兩相兩個(gè)單相區(qū)之間夾有一個(gè)兩相區(qū)，該兩相區(qū)的相由兩相鄰單相區(qū)的相組成。區(qū)，該兩相區(qū)的相由兩相鄰單相區(qū)的相組成。l4、三相區(qū)的確定：、三相區(qū)的確定：二元相圖中的水平二元相圖中的水平線是三相區(qū)，其三線是三相區(qū)，其三個(gè)相由與該三相區(qū)個(gè)相由與該三相區(qū)點(diǎn)接觸的三個(gè)單相點(diǎn)接觸的三個(gè)單相區(qū)的相組成。區(qū)的相組成。恒溫下由一個(gè)固相同時(shí)恒溫下由一個(gè)

58、固相同時(shí)析出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不同析出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不同的固相。的固相。 + 共析反應(yīng)共析反應(yīng)恒溫下由一個(gè)液相包著恒溫下由一個(gè)液相包著一個(gè)固相生成另一個(gè)新一個(gè)固相生成另一個(gè)新的固相。的固相。L + 包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)恒溫下由一個(gè)液相同時(shí)恒溫下由一個(gè)液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不結(jié)晶出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不同的固相。同的固相。L L + 共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)說(shuō)明說(shuō)明反應(yīng)式反應(yīng)式圖形特征圖形特征反應(yīng)名稱反應(yīng)名稱l 分析典型合金的結(jié)晶過(guò)程分析典型合金的結(jié)晶過(guò)程(周四周四）l1、作出典型合金冷卻曲線示意圖、作出典型合金冷卻曲線示意圖, 二元合金冷卻二元合金冷卻曲線的特征是：曲線的特征是： l 在單相區(qū)和在單相區(qū)和 兩相區(qū)冷卻

59、曲兩相區(qū)冷卻曲 線為一斜線。線為一斜線。 l 由一個(gè)相區(qū)進(jìn)入另一相區(qū)時(shí)由一個(gè)相區(qū)進(jìn)入另一相區(qū)時(shí),冷卻曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)冷卻曲線出現(xiàn)拐點(diǎn) ：l 由相數(shù)少的相區(qū)進(jìn)入相數(shù)多的相區(qū)曲線向右拐；由相數(shù)少的相區(qū)進(jìn)入相數(shù)多的相區(qū)曲線向右拐；l 由相由相相數(shù)多的相數(shù)多的區(qū)進(jìn)入?yún)^(qū)進(jìn)入相數(shù)少的相區(qū)曲線向左相數(shù)少的相區(qū)曲線向左拐。拐。l 發(fā)生三等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，發(fā)生三等溫轉(zhuǎn)變時(shí)，冷卻曲線呈一水平臺(tái)階。冷卻曲線呈一水平臺(tái)階。 l2、分析合金結(jié)晶過(guò)程、分析合金結(jié)晶過(guò)程l 畫(huà)出組織轉(zhuǎn)變示意圖。畫(huà)出組織轉(zhuǎn)變示意圖。l 計(jì)算各相、各組織組成物相對(duì)重量百分比：計(jì)算各相、各組織組成物相對(duì)重量百分比：l在單相區(qū)在單相區(qū)，合，合 金由單相組成，

60、金由單相組成， 相的成分、重量相的成分、重量 即合金的成分、即合金的成分、 重量。重量。l 在兩相區(qū)在兩相區(qū)，兩相的成分隨溫度，兩相的成分隨溫度沿各自的相線變化，各相和各組織沿各自的相線變化，各相和各組織組成物的相對(duì)重量可由杠桿定律求組成物的相對(duì)重量可由杠桿定律求出。出。l合金成分為杠桿的支點(diǎn)，相或組織合金成分為杠桿的支點(diǎn)，相或組織組成物的成分為杠桿的端點(diǎn)組成物的成分為杠桿的端點(diǎn)。 l 在三相區(qū)在三相區(qū)，三個(gè)相成分固定，三個(gè)相成分固定，重量不斷變化，杠桿定律不適用。重量不斷變化，杠桿定律不適用。 合金合金成分成分相相1成分成分相相2成分成分相相1重量重量相相2重量重量合金合金成分成分組織組織1