機(jī)械工程材料-2015-第二章

1、實(shí)際金屬晶體中的缺陷點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷Allotropy and polymorphism 具有同一化具有同一化學(xué)組成卻有不同晶體結(jié)構(gòu)的材料，即稱為學(xué)組成卻有不同晶體結(jié)構(gòu)的材料，即稱為固態(tài)下的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)結(jié)晶一樣，也是固態(tài)下的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)結(jié)晶一樣，也是形核與長大的過程。為了與液態(tài)結(jié)晶加以區(qū)別，形核與長大的過程。為了與液態(tài)結(jié)晶加以區(qū)別，將這種固態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)變化過程稱為將這種固態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)變化過程稱為。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也需要過冷，而且過冷傾向很大。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也需要過冷，而且過冷傾向很大。由于晶格類型的改變必然伴隨著體積的變化，所由于晶格類型的改變必然伴隨著體積的變化

2、，所以造成很大的內(nèi)應(yīng)力。但在工程上，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)以造成很大的內(nèi)應(yīng)力。但在工程上，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變又具有重大實(shí)際意義。因?yàn)榛瘜W(xué)組成相同的材變又具有重大實(shí)際意義。因?yàn)榛瘜W(xué)組成相同的材料，可以具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，因而所獲得的性料，可以具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，因而所獲得的性能也迥然不同。能也迥然不同。 Allotropy and polymorphism 可以看出，可以看出，純鐵在純鐵在15381538結(jié)晶為結(jié)晶為-Fe,-Fe,具有具有BCCBCC結(jié)構(gòu)；當(dāng)結(jié)構(gòu)；當(dāng)溫度繼續(xù)冷卻至溫度繼續(xù)冷卻至13941394時(shí)，時(shí)，-Fe-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镕CCFCC的的-Fe-Fe，通常把，通常把-Fe=-Fe-Fe=-Fe

3、的轉(zhuǎn)變稱為的轉(zhuǎn)變稱為A4A4轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點(diǎn)稱為，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點(diǎn)稱為4 4點(diǎn)點(diǎn)。當(dāng)溫度。當(dāng)溫度繼續(xù)冷至繼續(xù)冷至912912時(shí)，時(shí)，F(xiàn)CCFCC的的-Fe-Fe又轉(zhuǎn)變?yōu)橛洲D(zhuǎn)變?yōu)锽CCBCC的的-Fe-Fe，把，把-Fe=-Fe-Fe=-Fe的轉(zhuǎn)變稱為的轉(zhuǎn)變稱為3 3轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點(diǎn)稱為，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點(diǎn)稱為3 3點(diǎn)點(diǎn)。在。在912912以下，鐵的結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化。這樣一以下，鐵的結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化。這樣一來，純鐵就具有三種同素異構(gòu)狀態(tài)，即來，純鐵就具有三種同素異構(gòu)狀態(tài)，即-Fe-Fe、-Fe-Fe和和-Fe-Fe。 許多無機(jī)材料和聚合物材料也都具有類似同許多無機(jī)材料和聚合物材

4、料也都具有類似同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特性，如石墨和金剛石同屬于碳，素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特性，如石墨和金剛石同屬于碳，但因晶體結(jié)構(gòu)不同而具有截然不同的性能。但因晶體結(jié)構(gòu)不同而具有截然不同的性能。 1.1.組元、相、組織與合金的概念組元、相、組織與合金的概念 組成材料的最基本、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組成材料的最基本、獨(dú)立的物質(zhì)稱為“組組元元”。組元可以是純元素，也可是穩(wěn)定化合物。金屬材料的組元多為純元素。組元可以是純元素，也可是穩(wěn)定化合物。金屬材料的組元多為純元素, ,無無機(jī)材料則多為化合物。機(jī)材料則多為化合物。 材料中具有同一聚集狀態(tài)、同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)材料中具有同一聚集狀態(tài)、同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)并與其它部分有界

5、面分開的均勻組成部分并與其它部分有界面分開的均勻組成部分稱為稱為若材料是由成分、結(jié)構(gòu)相若材料是由成分、結(jié)構(gòu)相同的同種晶粒構(gòu)成的，盡管各晶粒之間有界面隔開，但它們?nèi)詫儆谕环N相。若同的同種晶粒構(gòu)成的，盡管各晶粒之間有界面隔開，但它們?nèi)詫儆谕环N相。若材料是由成分、結(jié)構(gòu)都不相同的幾部分構(gòu)成，則它們應(yīng)屬于不同的相。例如工業(yè)材料是由成分、結(jié)構(gòu)都不相同的幾部分構(gòu)成，則它們應(yīng)屬于不同的相。例如工業(yè)純鐵是單相合金純鐵是單相合金（如左下圖所示），（如左下圖所示），共析碳鋼在室溫下由鐵素體和滲碳體兩相共析碳鋼在室溫下由鐵素體和滲碳體兩相（如下圖所示）（如下圖所示）組成，而陶瓷材料則由晶相、玻璃相組成，而陶瓷材料

6、則由晶相、玻璃相( (即非晶相即非晶相) )與氣相三相所組與氣相三相所組成成。 1.1.組元、相、組織與合金的概念組元、相、組織與合金的概念指的是相中原子的具體排列規(guī)律，即相的晶體結(jié)構(gòu)。指的是相中原子的具體排列規(guī)律，即相的晶體結(jié)構(gòu)。 “ “組織組織”是與是與“相相”有緊密聯(lián)系的概念有緊密聯(lián)系的概念?！跋嘞唷笔菢?gòu)成組織的最基本組成部分是構(gòu)成組織的最基本組成部分; ;但是當(dāng)?shù)钱?dāng)“相相”的大小、形態(tài)與分布不同時(shí)會(huì)構(gòu)成不同的微觀形貌的大小、形態(tài)與分布不同時(shí)會(huì)構(gòu)成不同的微觀形貌( (圖象圖象) )，各，各自成為獨(dú)立的單相組織，或與別的相一起形成不同的復(fù)相組織。自成為獨(dú)立的單相組織，或與別的相一起形成不

7、同的復(fù)相組織。例例如左下圖所示工業(yè)純鐵的顯微組織就是由單相如左下圖所示工業(yè)純鐵的顯微組織就是由單相 構(gòu)成的組織，而正下構(gòu)成的組織，而正下圖所示共析碳鋼的顯微組織則是由圖所示共析碳鋼的顯微組織則是由 相與相與FeFe3 3C C相層片交替、相間分相層片交替、相間分布共同構(gòu)成的組織（即稱珠光體）。而普通陶瓷則由右下圖所示晶布共同構(gòu)成的組織（即稱珠光體）。而普通陶瓷則由右下圖所示晶相、玻璃相和氣相所組成。相、玻璃相和氣相所組成。 相同條件下，相同條件下，材料的性能隨其組織的不同材料的性能隨其組織的不同而變化。而變化。因此在工業(yè)生產(chǎn)中，因此在工業(yè)生產(chǎn)中，由由于一般固體材料不透明，故需先制備金相試樣，包

8、括樣品的截取、磨光和拋于一般固體材料不透明，故需先制備金相試樣，包括樣品的截取、磨光和拋光等步驟，把欲觀察面制成平整而光滑如鏡的表面，然后經(jīng)過一定的浸蝕，光等步驟，把欲觀察面制成平整而光滑如鏡的表面，然后經(jīng)過一定的浸蝕，再在金相顯微鏡下觀察其顯微組織再在金相顯微鏡下觀察其顯微組織 由兩種或兩種以上金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具由兩種或兩種以上金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)稱為有金屬特性的物質(zhì)稱為例如，黃銅是銅和鋅組成的合金，碳鋼和例如，黃銅是銅和鋅組成的合金，碳鋼和鑄鐵是鐵和碳組成的合金。由給定組元可按不同比例配制出一系列不同成分鑄鐵是鐵和碳組成的合金。由給定組

9、元可按不同比例配制出一系列不同成分的合金，這一系列合金就構(gòu)成一個(gè)合金系統(tǒng)，簡稱合金系。兩組元組成的為的合金，這一系列合金就構(gòu)成一個(gè)合金系統(tǒng)，簡稱合金系。兩組元組成的為二元系，三組元組成的為三元系等。二元系，三組元組成的為三元系等。 按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置分類按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置分類: :i. i.置換固溶體置換固溶體 系指溶質(zhì)原子位于溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體，系指溶質(zhì)原子位于溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體，猶如這些結(jié)點(diǎn)上的溶劑原子被溶質(zhì)原子所置換一樣，因此稱為置換固溶體，猶如這些結(jié)點(diǎn)上的溶劑原子被溶質(zhì)原子所置換一樣，因此稱為置換固溶體，如圖如圖1-1

10、7a1-17a示。當(dāng)溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑、電化學(xué)性質(zhì)等較為接近時(shí)，示。當(dāng)溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑、電化學(xué)性質(zhì)等較為接近時(shí)，一般可形成置換固溶體。一般可形成置換固溶體。ii.ii.間隙固溶體間隙固溶體 溶質(zhì)原子不是占據(jù)溶劑晶格的正常結(jié)點(diǎn)位置，而是嵌入溶劑溶質(zhì)原子不是占據(jù)溶劑晶格的正常結(jié)點(diǎn)位置，而是嵌入溶劑原子間的一些間隙中，如圖原子間的一些間隙中，如圖1-17b1-17b示。當(dāng)溶質(zhì)原子直徑示。當(dāng)溶質(zhì)原子直徑( (如如C C、N N等元素等元素) )遠(yuǎn)小遠(yuǎn)小于溶劑原子于溶劑原子( (如如FeFe、CoCo、NiNi等過渡族金屬元素等等過渡族金屬元素等) )時(shí)，一般形成間隙固溶體。時(shí)，一般形成間

11、隙固溶體。置換固溶體置換固溶體間隙固溶體間隙固溶體 按固態(tài)溶解度分類按固態(tài)溶解度分類: : 在一定條件下，溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定限度，在一定條件下，溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定限度，超過此限度就不再溶解了。這一限度稱為溶解度或固溶度，這種固溶體超過此限度就不再溶解了。這一限度稱為溶解度或固溶度，這種固溶體稱為有限固溶體，大部分固溶體都屬于此類稱為有限固溶體，大部分固溶體都屬于此類( (間隙固溶體只能是有限固間隙固溶體只能是有限固溶體溶體) )。 溶質(zhì)原子能以任意比例溶入溶劑溶質(zhì)原子能以任意比例溶入溶劑, ,固溶體的溶解度可達(dá)固溶體的溶解度可達(dá)100%100%，這種固溶體稱無限固溶體。

12、無限固溶體只能是置換固溶體，且溶，這種固溶體稱無限固溶體。無限固溶體只能是置換固溶體，且溶質(zhì)與溶劑原子晶格類型相同，電化學(xué)性質(zhì)相近，原子尺寸相近等。如質(zhì)與溶劑原子晶格類型相同，電化學(xué)性質(zhì)相近，原子尺寸相近等。如Cu-NiCu-Ni系合金可形成無限固溶體。系合金可形成無限固溶體。 按溶質(zhì)原子和溶劑原子的相對(duì)分布分類按溶質(zhì)原子和溶劑原子的相對(duì)分布分類: 溶質(zhì)原子隨機(jī)分布于溶劑的晶格中，它或占據(jù)溶劑溶質(zhì)原子隨機(jī)分布于溶劑的晶格中，它或占據(jù)溶劑原子等同的一些位置，或占據(jù)溶劑原子間的間隙中，看不出什么次原子等同的一些位置，或占據(jù)溶劑原子間的間隙中，看不出什么次序或規(guī)律性，這類固溶體稱無序固溶體。序或規(guī)律

13、性，這類固溶體稱無序固溶體。 當(dāng)溶質(zhì)原子按適當(dāng)比例并按一定順序和一定方向，當(dāng)溶質(zhì)原子按適當(dāng)比例并按一定順序和一定方向，圍繞著溶劑原子分布時(shí)，這種固溶體稱有序固溶體。它既可是置換圍繞著溶劑原子分布時(shí)，這種固溶體稱有序固溶體。它既可是置換式的有序，也可是間隙式的有序。式的有序，也可是間隙式的有序。 形成固溶體時(shí)，形成固溶體時(shí)，由于溶質(zhì)原子的溶入而由于溶質(zhì)原子的溶入而使固溶體的晶格發(fā)生畸變，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增加，從而提高了使固溶體的晶格發(fā)生畸變，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增加，從而提高了材料的強(qiáng)度和硬度，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。材料的強(qiáng)度和硬度，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。 當(dāng)元素之間不具備形成固溶體的條件或溶質(zhì)含量超過

14、了溶劑的溶解度時(shí)，當(dāng)元素之間不具備形成固溶體的條件或溶質(zhì)含量超過了溶劑的溶解度時(shí)，在合金中往往會(huì)出現(xiàn)新相，新相的結(jié)構(gòu)不同于合金中任一組元，這種新相在合金中往往會(huì)出現(xiàn)新相，新相的結(jié)構(gòu)不同于合金中任一組元，這種新相稱為稱為。金屬材料中的化合物可分為金屬化合物和非金屬化合物。金屬材料中的化合物可分為金屬化合物和非金屬化合物。, ,例例如碳鋼中的滲碳體如碳鋼中的滲碳體(Fe(Fe3 3C)C)。凡不是金屬鍵結(jié)合又不具有金屬特性的化合物。凡不是金屬鍵結(jié)合又不具有金屬特性的化合物稱為稱為，例如碳鋼中依靠離子鍵結(jié)合的，例如碳鋼中依靠離子鍵結(jié)合的FeSFeS和和MnSMnS。 符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律，成分

15、固定并可用化學(xué)式符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律，成分固定并可用化學(xué)式表示，如表示，如MgMg2 2SiSi等。等。 不遵守原子價(jià)規(guī)律，而服從電子濃度不遵守原子價(jià)規(guī)律，而服從電子濃度(價(jià)電子總數(shù)與原子數(shù)價(jià)電子總數(shù)與原子數(shù)之比之比)規(guī)律。電子濃度不同，所形成化合物的晶格類型也不同。規(guī)律。電子濃度不同，所形成化合物的晶格類型也不同。 系由過渡族金屬元素與系由過渡族金屬元素與C、H、N等原子半徑較小非等原子半徑較小非金屬元素形成的金屬化合物。根據(jù)非金屬元素金屬元素形成的金屬化合物。根據(jù)非金屬元素(以以x表示表示)與金屬元素與金屬元素(以以M表示表示)原子半徑的比值，可將其又分為兩種：原子半徑的比值，可將其

16、又分為兩種：a間隙相間隙相(rX/rM0.59） 如如FCC結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的VC，TiC，簡單立方結(jié)構(gòu)的，簡單立方結(jié)構(gòu)的WC等；等；b復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物（復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物（rX/rM0.59） 如鋼中的如鋼中的Fe3(復(fù)雜復(fù)雜的斜方晶格的斜方晶格 ，圖，圖1-18所示所示)等等。間隙相間隙相VC的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖圖1.18 滲碳體的結(jié)構(gòu)滲碳體的結(jié)構(gòu)：較高的熔點(diǎn)、較高的硬度較高的熔點(diǎn)、較高的硬度和較大的脆性和較大的脆性( (即硬而脆即硬而脆) )，但塑性很差。，但塑性很差。特別是間隙特別是間隙相具有極高的熔點(diǎn)和硬度。相具有極高的熔點(diǎn)和硬度。 習(xí)習(xí) 題題 1.已知鐵原子直徑d=0.254nm

17、，銅原子直徑d=0.255nm,試分別求出鐵和銅的晶格常數(shù)。 2.已知鉻的晶格常數(shù)為0.28846nm，試求其原子直徑。 3.畫出立方晶系的下列晶面與晶向：(101), (112), 101, 021。l4.寫出BCC晶胞中的110晶面，并繪出其中晶面（110）及其上的晶向。l5.說明晶體缺陷的類型、主要內(nèi)容以及對(duì)性能的影響。l6.簡述固溶體及化合物的性能特點(diǎn)。l7.名詞解釋：相，組織，組元，固溶體，位錯(cuò)，位錯(cuò)密度，金屬化合物，固溶強(qiáng)化。第第2 2章章 材料的制備與相圖材料的制備與相圖Manufacture and Phase Diagram of Materials 1.1.何謂何謂“凝固凝

18、固”、“結(jié)晶結(jié)晶”？純質(zhì)材料結(jié)晶的充分、必要條件及一般規(guī)？純質(zhì)材料結(jié)晶的充分、必要條件及一般規(guī)律是什么？控制純金屬結(jié)晶后晶粒度的途徑與具體措施又是什么呢？律是什么？控制純金屬結(jié)晶后晶粒度的途徑與具體措施又是什么呢？ 2.2.二元合金相圖的基本類型有哪幾種？固溶體合金結(jié)晶（平衡結(jié)晶、不二元合金相圖的基本類型有哪幾種？固溶體合金結(jié)晶（平衡結(jié)晶、不平衡結(jié)晶）的主要特點(diǎn)是什么？平衡結(jié)晶）的主要特點(diǎn)是什么？3.3.杠桿定律的適用條件與主要內(nèi)容是什么？杠桿定律的適用條件與主要內(nèi)容是什么？4.4.5.5.能熟練地能熟練地. . 對(duì)于鐵碳相圖中對(duì)于鐵碳相圖中6.6.是否能是否能（語言文（語言文字和冷卻曲線兩種

19、方式）并能字和冷卻曲線兩種方式）并能7.7.平衡條件下，平衡條件下，各平衡相和組織組分（如各平衡相和組織組分（如A A、F F、FeFe3 3C C、P P、LdLd等）的本等）的本質(zhì)、形貌特征和性能特點(diǎn)是什么？能否利用其正確分析鐵碳合金在平衡狀質(zhì)、形貌特征和性能特點(diǎn)是什么？能否利用其正確分析鐵碳合金在平衡狀態(tài)下各種力學(xué)性能的變化嗎？態(tài)下各種力學(xué)性能的變化嗎？ Preparation of the metal materials粘度，粘度，是材料內(nèi)部結(jié)合鍵性質(zhì)和結(jié)構(gòu)情況的宏觀表征。是材料內(nèi)部結(jié)合鍵性質(zhì)和結(jié)構(gòu)情況的宏觀表征。粘度的大小表示了液體中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的難易程度。粘度的大小表示了液體中發(fā)生

20、相對(duì)運(yùn)動(dòng)的難易程度。粘度大，表示液體粘稠，相對(duì)運(yùn)動(dòng)困難。粘度大，表示液體粘稠，相對(duì)運(yùn)動(dòng)困難。冷卻速度是影響凝固過程的最主要外部因素。冷卻速冷卻速度是影響凝固過程的最主要外部因素。冷卻速度越大，則在單位時(shí)間內(nèi)逸散的熱量越多，熔體溫度度越大，則在單位時(shí)間內(nèi)逸散的熱量越多，熔體溫度降得越低。熔體的溫度直接關(guān)系著其中原子或分子的降得越低。熔體的溫度直接關(guān)系著其中原子或分子的擴(kuò)散能力。擴(kuò)散能力。 可以看出，金屬的冶煉是第一道工序，但鑄造鑄錠鑄件鑄件鑄件鑄錠鑄件熱軋熱鍛板、型、管、線材機(jī)加工零件（機(jī)加工）零件焊接機(jī)加工冷軋、拔、沖零件 指在高溫下進(jìn)行的冶金過程，例如鋼鐵和大多數(shù)有色金屬指在高溫下進(jìn)行的冶金

21、過程，例如鋼鐵和大多數(shù)有色金屬冶煉時(shí)采用的熔煉、吹煉和精煉等。冶煉時(shí)采用的熔煉、吹煉和精煉等。熔煉（熔煉（將經(jīng)預(yù)處理的精礦與熔劑一起高將經(jīng)預(yù)處理的精礦與熔劑一起高溫熔化，通過高溫化學(xué)反應(yīng)使礦石中金屬得以還原，同時(shí)產(chǎn)生一定熔渣，使溫熔化，通過高溫化學(xué)反應(yīng)使礦石中金屬得以還原，同時(shí)產(chǎn)生一定熔渣，使金屬或金屬化合物與脈石分離，達(dá)到提煉金屬目的），金屬或金屬化合物與脈石分離，達(dá)到提煉金屬目的），吹煉吹煉（實(shí)質(zhì)是氧化熔（實(shí)質(zhì)是氧化熔煉過程。如在鋼的冶煉中，向高碳鐵水中吹入氧氣，使碳氧化并去除而得到煉過程。如在鋼的冶煉中，向高碳鐵水中吹入氧氣，使碳氧化并去除而得到鋼），鋼），精煉（精煉（熔煉得到的金屬往往

22、含一定雜質(zhì)，需進(jìn)一步處理以去除雜質(zhì)，熔煉得到的金屬往往含一定雜質(zhì)，需進(jìn)一步處理以去除雜質(zhì)，這種對(duì)金屬進(jìn)行去除雜質(zhì)提高純度的過程稱為精煉。常用的精練法有這種對(duì)金屬進(jìn)行去除雜質(zhì)提高純度的過程稱為精煉。常用的精練法有、等）。等）。 它是在接近于常溫條件下進(jìn)行的，利用各種溶劑處理礦石它是在接近于常溫條件下進(jìn)行的，利用各種溶劑處理礦石及一些中間產(chǎn)物，通過在溶液中進(jìn)行的氧化、還原、中和、水解和絡(luò)合等反及一些中間產(chǎn)物，通過在溶液中進(jìn)行的氧化、還原、中和、水解和絡(luò)合等反應(yīng)使金屬得到分離和提取。應(yīng)使金屬得到分離和提取。 指利用電能從礦石或其它原料中提取、回收、精煉金屬的冶金指利用電能從礦石或其它原料中提取、回收

23、、精煉金屬的冶金過程。主要有過程。主要有電熱熔煉電熱熔煉（指用各種電加熱方法進(jìn)行金屬熔煉的方法，如電?。ㄖ赣酶鞣N電加熱方法進(jìn)行金屬熔煉的方法，如電弧熔煉法、等離子冶金法和電磁冶金法等），熔煉法、等離子冶金法和電磁冶金法等），電解法電解法（對(duì)電解質(zhì)水溶液或熔鹽（對(duì)電解質(zhì)水溶液或熔鹽等通電，使其發(fā)生化學(xué)變化，以便進(jìn)行金屬與雜質(zhì)的分離或提取金屬的過程）等通電，使其發(fā)生化學(xué)變化，以便進(jìn)行金屬與雜質(zhì)的分離或提取金屬的過程）等。等。 由高爐或化鐵爐直接供應(yīng)高溫鐵水作為原料，由高爐或化鐵爐直接供應(yīng)高溫鐵水作為原料，熔煉時(shí)利用從爐口頂部吹入的高壓純氧來氧化鐵水，同時(shí)產(chǎn)生熱量維持熔煉熔煉時(shí)利用從爐口頂部吹入的高

24、壓純氧來氧化鐵水，同時(shí)產(chǎn)生熱量維持熔煉所需的高溫。其最大特點(diǎn)是吹煉速度快、生產(chǎn)率特別高。氧化過程大約只需所需的高溫。其最大特點(diǎn)是吹煉速度快、生產(chǎn)率特別高。氧化過程大約只需151525min25min，加上放渣、脫氧、出鋼水等操作，每爐的生產(chǎn)周期約，加上放渣、脫氧、出鋼水等操作，每爐的生產(chǎn)周期約303040min40min。另外，此法煉鋼品種多、質(zhì)量好，可冶煉全部平爐冶煉和部分電爐。另外，此法煉鋼品種多、質(zhì)量好，可冶煉全部平爐冶煉和部分電爐的鋼種，而且冶煉中原料消耗少、熱效率高、成本低。的鋼種，而且冶煉中原料消耗少、熱效率高、成本低。 依靠石墨制成的電極與爐料之間產(chǎn)生的高溫電弧來進(jìn)依靠石墨制成的

25、電極與爐料之間產(chǎn)生的高溫電弧來進(jìn)行加熱熔煉的。電弧爐爐頂可開啟，以便迅速裝入原料，整個(gè)爐體可前后傾行加熱熔煉的。電弧爐爐頂可開啟，以便迅速裝入原料，整個(gè)爐體可前后傾斜，以便出鋼、出渣。其原料主要是廢鋼，氧化介質(zhì)采用純氧和鐵礦石。其斜，以便出鋼、出渣。其原料主要是廢鋼，氧化介質(zhì)采用純氧和鐵礦石。其主要特點(diǎn)是冶煉溫度高，爐內(nèi)氣氛可控制，鋼水成分容易調(diào)節(jié)，能有效清除主要特點(diǎn)是冶煉溫度高，爐內(nèi)氣氛可控制，鋼水成分容易調(diào)節(jié)，能有效清除硫、磷等有害雜質(zhì)，加入的貴重金屬元素?fù)p失少，但生產(chǎn)率較低，電能成本硫、磷等有害雜質(zhì)，加入的貴重金屬元素?fù)p失少，但生產(chǎn)率較低，電能成本高，此法主要用于生產(chǎn)合金鋼和高質(zhì)量鋼種。

26、高，此法主要用于生產(chǎn)合金鋼和高質(zhì)量鋼種。 （3 3）鋼的爐外精煉方法及其發(fā)展）鋼的爐外精煉方法及其發(fā)展 即把轉(zhuǎn)爐及電爐初煉過的鋼液轉(zhuǎn)移到鋼包或其它專用容器中即把轉(zhuǎn)爐及電爐初煉過的鋼液轉(zhuǎn)移到鋼包或其它專用容器中進(jìn)一步精煉的煉鋼過程，也稱進(jìn)一步精煉的煉鋼過程，也稱“二次精煉二次精煉”。實(shí)施爐外精煉可提高鋼的冶金質(zhì)。實(shí)施爐外精煉可提高鋼的冶金質(zhì)量，可完成脫碳、脫硫、脫氧、去氣、去除夾雜物及成分微調(diào)等任務(wù)。爐外精量，可完成脫碳、脫硫、脫氧、去氣、去除夾雜物及成分微調(diào)等任務(wù)。爐外精煉的方法主要有：煉的方法主要有： 它主要是通過降低外界它主要是通過降低外界N N2 2、HH2 2等有害氣體的分壓，達(dá)到去除

27、鋼等有害氣體的分壓，達(dá)到去除鋼中有害氣體的目的。在真空條件下，不僅能降低鋼中有害氣體的濃度，而且可中有害氣體的目的。在真空條件下，不僅能降低鋼中有害氣體的濃度，而且可發(fā)生脫氧反應(yīng)，使熔池產(chǎn)生攪拌，有利于有害氣體的排出。發(fā)生脫氧反應(yīng)，使熔池產(chǎn)生攪拌，有利于有害氣體的排出。 此法是向鋼液中吹入惰性氣體，這種氣體本身不參與冶金此法是向鋼液中吹入惰性氣體，這種氣體本身不參與冶金反應(yīng)，每個(gè)氣泡中的反應(yīng)，每個(gè)氣泡中的N N2 2、HH2 2等有害氣體分壓為零。當(dāng)其從鋼液中上升時(shí)，鋼液等有害氣體分壓為零。當(dāng)其從鋼液中上升時(shí)，鋼液中的有害氣體就會(huì)向氣泡內(nèi)擴(kuò)散，并隨之帶出鋼液，就相當(dāng)于中的有害氣體就會(huì)向氣泡內(nèi)擴(kuò)

28、散，并隨之帶出鋼液，就相當(dāng)于“氣洗氣洗”作用。作用。若此法與其它方法配合時(shí)，精煉效果更好。若此法與其它方法配合時(shí)，精煉效果更好。 它是一種快速精煉手段，一般是用氬氣作載體，向高溫鋼水內(nèi)它是一種快速精煉手段，一般是用氬氣作載體，向高溫鋼水內(nèi)部噴吹特定的合金粉末或精煉粉劑。此法可較充分地進(jìn)一步脫硫和去除夾雜物，部噴吹特定的合金粉末或精煉粉劑。此法可較充分地進(jìn)一步脫硫和去除夾雜物，并且可改變夾雜物的形態(tài)，在精煉的同時(shí)還可對(duì)鋼的化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)整。并且可改變夾雜物的形態(tài)，在精煉的同時(shí)還可對(duì)鋼的化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)整。 雖古老、但現(xiàn)仍占有重要地位，它主要用于澆雖古老、但現(xiàn)仍占有重要地位，它主要用于澆注供鍛造用的

29、大型鋼錠。注供鍛造用的大型鋼錠。 是使鋼水在連鑄機(jī)的結(jié)晶器里不斷地形是使鋼水在連鑄機(jī)的結(jié)晶器里不斷地形成一定斷面形狀和尺寸的鋼坯，澆注和出坯是連續(xù)不斷進(jìn)行成一定斷面形狀和尺寸的鋼坯，澆注和出坯是連續(xù)不斷進(jìn)行的。此法具有金屬收得率高，成本低，生產(chǎn)率高及勞動(dòng)條件的。此法具有金屬收得率高，成本低，生產(chǎn)率高及勞動(dòng)條件好等優(yōu)點(diǎn)，并為煉鋼生產(chǎn)的連續(xù)化、自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。目好等優(yōu)點(diǎn)，并為煉鋼生產(chǎn)的連續(xù)化、自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。目前連鑄技術(shù)還在不斷地進(jìn)步和發(fā)展，例如，近終形連鑄技術(shù)前連鑄技術(shù)還在不斷地進(jìn)步和發(fā)展，例如，近終形連鑄技術(shù)的研究開發(fā)，以及的研究開發(fā)，以及的結(jié)合，都已取得成效。的結(jié)合，都已取得成效。 液態(tài)

30、金屬內(nèi)部的原子并非是完全無規(guī)則的混亂排列，而是在短距離的微小液態(tài)金屬內(nèi)部的原子并非是完全無規(guī)則的混亂排列，而是在短距離的微小范圍內(nèi)原子呈現(xiàn)出短程有序排列，范圍內(nèi)原子呈現(xiàn)出短程有序排列，由于液態(tài)金屬內(nèi)部原子熱運(yùn)由于液態(tài)金屬內(nèi)部原子熱運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈，在某平衡位置呈短程有序排列的時(shí)間甚短，故這種局部的短程動(dòng)較為強(qiáng)烈，在某平衡位置呈短程有序排列的時(shí)間甚短，故這種局部的短程有序排列也是在不斷地變動(dòng)著，它們只能維持短暫的時(shí)間就會(huì)很快消失，同有序排列也是在不斷地變動(dòng)著，它們只能維持短暫的時(shí)間就會(huì)很快消失，同時(shí)新的短程有許序排列又不斷地形成，出現(xiàn)了時(shí)新的短程有許序排列又不斷地形成，出現(xiàn)了“時(shí)起時(shí)伏、此起彼伏時(shí)起

31、時(shí)伏、此起彼伏”的局的局面，將這種結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的現(xiàn)象稱為面，將這種結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的現(xiàn)象稱為 。不同的。不同的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)一定的能量狀態(tài)，加上原子之間能量的不斷傳遞，結(jié)構(gòu)起伏伴隨著結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)一定的能量狀態(tài)，加上原子之間能量的不斷傳遞，結(jié)構(gòu)起伏伴隨著局部能量也在不斷變化，這種能量的變化即稱為局部能量也在不斷變化，這種能量的變化即稱為 結(jié)晶溫度一般是用熱分析法測定，測定步驟如下結(jié)晶溫度一般是用熱分析法測定，測定步驟如下: :先將待測的先將待測的金屬熔化，然后使其緩慢冷卻，記錄下液態(tài)金屬溫度隨時(shí)間變金屬熔化，然后使其緩慢冷卻，記錄下液態(tài)金屬溫度隨時(shí)間變化的冷卻曲線化的冷卻曲線。從圖中可看出，當(dāng)冷至。從圖中可看出，

32、當(dāng)冷至TmTm溫度溫度時(shí)，液態(tài)金屬并不能進(jìn)行結(jié)晶，而必須在時(shí)，液態(tài)金屬并不能進(jìn)行結(jié)晶，而必須在TmTm以下的某一溫以下的某一溫度度TnTn時(shí)才開始結(jié)晶，時(shí)才開始結(jié)晶，TnTn稱為實(shí)際結(jié)晶溫度。在實(shí)際結(jié)晶過程稱為實(shí)際結(jié)晶溫度。在實(shí)際結(jié)晶過程中，中，TnTn總是總是TmTm，這一現(xiàn)象即稱為，這一現(xiàn)象即稱為因此因此而平衡結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱而平衡結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為為過冷度過冷度(T)(T)，即，即T=Tm-TnT=Tm-Tn。但由于結(jié)晶過程中放出結(jié)晶潛但由于結(jié)晶過程中放出結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了向外界散失的熱量，所以在冷卻曲線上表現(xiàn)為一段熱，補(bǔ)償了向外界散失的熱量，所以在冷卻曲線上表現(xiàn)為

33、一段低于低于TmTm的恒溫的水平線段。當(dāng)結(jié)晶過程完成后，金屬繼續(xù)向的恒溫的水平線段。當(dāng)結(jié)晶過程完成后，金屬繼續(xù)向周圍散失熱量，溫度才復(fù)下降。周圍散失熱量，溫度才復(fù)下降。 過冷度（過冷度（TT）不是一個(gè)恒定值，它隨純金屬的性質(zhì)、純度以及結(jié)晶前液體的）不是一個(gè)恒定值，它隨純金屬的性質(zhì)、純度以及結(jié)晶前液體的冷卻速度等因素而改變。對(duì)于同一種物質(zhì)，冷卻速度愈大，冷卻速度等因素而改變。對(duì)于同一種物質(zhì)，冷卻速度愈大，TnTn愈低，則愈低，則TT愈愈大，冷卻曲線上水平臺(tái)階溫度與大，冷卻曲線上水平臺(tái)階溫度與TmTm間的溫度差愈大，間的溫度差愈大，在非常緩在非常緩慢的冷卻條件下，過冷度極小，可以把平臺(tái)溫度近似看作

34、是慢的冷卻條件下，過冷度極小，可以把平臺(tái)溫度近似看作是 圖圖2-42-4為同一物質(zhì)液態(tài)與固態(tài)材料的自由能與溫度的關(guān)系曲線，為同一物質(zhì)液態(tài)與固態(tài)材料的自由能與溫度的關(guān)系曲線，由于固、液態(tài)由于固、液態(tài)材料的自由能曲線的斜率不同，故兩條曲線相交于一點(diǎn)，如圖中材料的自由能曲線的斜率不同，故兩條曲線相交于一點(diǎn)，如圖中TmTm。在此溫。在此溫度下，固態(tài)與液態(tài)的自由能相等，這相當(dāng)于平衡結(jié)晶溫度，所以純金屬不會(huì)結(jié)度下，固態(tài)與液態(tài)的自由能相等，這相當(dāng)于平衡結(jié)晶溫度，所以純金屬不會(huì)結(jié)晶。當(dāng)溫度低于晶。當(dāng)溫度低于TmTm某一溫度時(shí)，固態(tài)自由能低于液態(tài)自由能，就可自發(fā)地進(jìn)某一溫度時(shí)，固態(tài)自由能低于液態(tài)自由能，就可自發(fā)

35、地進(jìn)行結(jié)晶。溫度愈低，自由能差愈大，結(jié)晶愈易進(jìn)行。相反，當(dāng)溫度高于行結(jié)晶。溫度愈低，自由能差愈大，結(jié)晶愈易進(jìn)行。相反，當(dāng)溫度高于TmTm時(shí)，時(shí)，即有一定的過熱度，液態(tài)的自由能低于固態(tài)的自由能，金屬會(huì)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)即有一定的過熱度，液態(tài)的自由能低于固態(tài)的自由能，金屬會(huì)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)( (即熔化即熔化) )。 To時(shí)間溫度理論冷卻曲線理論冷卻曲線實(shí)際冷卻曲線實(shí)際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺(tái)結(jié)晶平臺(tái)(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線液態(tài)金屬當(dāng)冷卻至液態(tài)金屬當(dāng)冷卻至TmTm溫度以下時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間溫度以下時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間( (稱為孕育期稱為孕育期) )，出，出現(xiàn)一些尺寸極小、

36、原子規(guī)則排列的小晶體，稱為現(xiàn)一些尺寸極小、原子規(guī)則排列的小晶體，稱為晶核晶核。接著晶核向各。接著晶核向各個(gè)方向生長。同時(shí)，又有一些新的晶核出現(xiàn)。就這樣不斷形核、形成個(gè)方向生長。同時(shí)，又有一些新的晶核出現(xiàn)。就這樣不斷形核、形成的晶核又不斷長大，直到液體消失為止。每一個(gè)晶核成長為一個(gè)小晶的晶核又不斷長大，直到液體消失為止。每一個(gè)晶核成長為一個(gè)小晶粒，最后獲得粒，最后獲得多晶體結(jié)構(gòu)。多晶體結(jié)構(gòu)。晶核可由短程有序結(jié)構(gòu)液體中規(guī)則晶核可由短程有序結(jié)構(gòu)液體中規(guī)則排列的原子團(tuán)自發(fā)地形成，叫排列的原子團(tuán)自發(fā)地形成，叫; ;但工程實(shí)際中更多的情況是由但工程實(shí)際中更多的情況是由液體中存在著的固體雜質(zhì)微粒為現(xiàn)液體中存

37、在著的固體雜質(zhì)微粒為現(xiàn)成基底的成基底的。在晶核開始成長的初期，由于其內(nèi)部原在晶核開始成長的初期，由于其內(nèi)部原子規(guī)則排列的特點(diǎn)，其外形也大多較規(guī)子規(guī)則排列的特點(diǎn)，其外形也大多較規(guī)則。但隨著晶核的成長，晶體棱角的形則。但隨著晶核的成長，晶體棱角的形成，棱角處的散熱條件優(yōu)于其它部位，成，棱角處的散熱條件優(yōu)于其它部位，因而得到優(yōu)先成長，如樹枝一樣，先長因而得到優(yōu)先成長，如樹枝一樣，先長出支干，再長出分枝，最后再把晶間填出支干，再長出分枝，最后再把晶間填滿。這種成長方式叫滿。這種成長方式叫冷卻速度愈快，過冷度愈大，枝晶方式冷卻速度愈快，過冷度愈大，枝晶方式長大的特點(diǎn)便愈明顯。長大的特點(diǎn)便愈明顯。 Set

38、ting-up of phase diagrams 是表示材料(合金)體系中材料(合金)的狀態(tài)與溫度、成分間關(guān)系的簡明圖解，它清楚地表明了材料中各種相的存在范圍以及相與相之間的關(guān)系。是指平衡相，它不反映時(shí)間因素的影響。材料在一定成分和一定溫度下的相狀態(tài)，以及當(dāng)成分和溫度改變時(shí)相狀態(tài)的變化,可用溫度成分坐標(biāo)系的圖示明確而系統(tǒng)地表示出來。 有實(shí)驗(yàn)測定和理論計(jì)算兩種，但目前所使用的相圖大部分都是根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制出來的。首先配制一系列不同成分的合金，測出其從液態(tài)到室溫的冷卻曲線，求得各相變點(diǎn)，然后把這些特性點(diǎn)標(biāo)在溫度-成分的坐標(biāo)圖紙上，把相同意義的特性點(diǎn)聯(lián)結(jié)成線。這些特性線將相圖劃分出一些區(qū)域，這

39、些區(qū)域稱為相區(qū);最后，在各相區(qū)內(nèi)填入相應(yīng)的“相”的名稱。在二元相圖中，有的相圖簡單(如Cu-Ni相圖)，有的相圖很復(fù)雜(如Fe-C相圖)。但不管多么復(fù)雜，任何二元相圖都可以看成是由幾類基本任何二元相圖都可以看成是由幾類基本類型的相圖迭加、復(fù)合而組成的。類型的相圖迭加、復(fù)合而組成的。圖圖2-7 2-7 用熱分析法建立用熱分析法建立Cu-NiCu-Ni相圖相圖 ( Binary isomorphous diagrams)兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均可以以任意比例相互溶解，在固態(tài)下形成無限固溶體的合金相圖稱為勻晶相圖。例如Cu-Ni、Fe-Cr等合金相圖均屬于此類相圖。在這類合金中，結(jié)晶時(shí)都是從液相結(jié)晶出

40、單相固溶體，這種結(jié)晶過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。應(yīng)該指出，幾乎所有的二元合金相圖都包含有勻晶轉(zhuǎn)變部分，因此掌握這一類相圖是學(xué)習(xí)二元合金相圖的基礎(chǔ)。 特性點(diǎn)：純銅的熔點(diǎn)A為1083，純鎳的熔點(diǎn)B為1455。 特性線：液相線 ，固相線。 相區(qū)與基本相：液相、固溶體單相以及液固平衡區(qū)。圖圖2-7 2-7 用熱分析法建立用熱分析法建立Cu-NiCu-Ni相圖相圖 現(xiàn)以K成分合金為例進(jìn)行分析。當(dāng)k合金從高溫液態(tài)緩慢冷卻至t1溫度時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出固溶體，此時(shí)的成分為1(其含鎳量高于k合金的鎳含量)，即 。隨溫度下降，結(jié)晶出來的固溶體量逐漸增多，剩余的液相L量逐漸減少。當(dāng)溫度冷至t2時(shí)，固溶體的成分為2，液相的

41、成分為L2(鎳含量低于合金的鎳含量)，即 。為保持相平衡，在t1溫度結(jié)晶出來的1相，必須改變?yōu)榕c2相一致的成分，液相成分也必須由L1向L2變化。一直冷到t4溫度時(shí)，其相平衡關(guān)系 。最后的相平衡，必然使從液相中結(jié)晶出來的全部相都具有4的成分，并使最后一滴液相的成分達(dá)到L4的成分。111tl222tl444tl 由以上分析可知，I合金的平衡結(jié)晶過程，其特點(diǎn)是:液態(tài)金屬在無限緩慢冷卻條件下，冷卻到一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶，而且在結(jié)晶過程中(即1234)，而(即l1l2l3l4)，如圖2-8（a）所示。 分析成分為K的Cu-Ni合金，見圖2-9 (a)，在tx溫度時(shí)，液相成分為x1，固相成分為x2(通過

42、tx溫度作一水平線，此水平線與液、固相線的交點(diǎn)即為L相的成分與相的成分)?，F(xiàn)求在該溫度下，已結(jié)晶出固溶體和剩余液相L的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 設(shè)合金總質(zhì)量為設(shè)合金總質(zhì)量為W(100%即即1)，液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為，液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為WL,固相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為固相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為W，則則 WL+ W=W(即即1) (2.1)若已知液相中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為若已知液相中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為x1，固溶體中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為，固溶體中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為x2，合金中鎳的，合金中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為x，則，則 WLx1+ Wx2=Wx (2.2)解解(2.1)和和(2.2)組成的方程組成的方程:WL=（x2-x）/(x2-x1);W=（x-x1）

43、/(x2-x1)。將分子將分子和分母都換成相圖中的線段，并將和分母都換成相圖中的線段，并將 WL和和W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)用百分?jǐn)?shù)表示時(shí)，則的質(zhì)量分?jǐn)?shù)用百分?jǐn)?shù)表示時(shí)，則WL=xx2/x1x2100%，W=x1x/x1x2100%;兩相相對(duì)質(zhì)量之比為：兩相相對(duì)質(zhì)量之比為：WL/ W=xx2/x1x。由圖由圖2-9(b)可以看出，可以看出，以上所求得的兩平衡相相對(duì)質(zhì)量之間的關(guān)系與力學(xué)中以上所求得的兩平衡相相對(duì)質(zhì)量之間的關(guān)系與力學(xué)中的杠桿定律頗為相似，因此稱為的杠桿定律頗為相似，因此稱為“杠桿定律杠桿定律”。杠桿定律說明杠桿定律說明:某合金兩平衡某合金兩平衡相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(WL與與W)之比等于該兩相

44、成分點(diǎn)到合金成分點(diǎn)距離的反比，之比等于該兩相成分點(diǎn)到合金成分點(diǎn)距離的反比，即線段即線段xx2與與x1x之比。之比。 在實(shí)際結(jié)晶過程中，很難保持體系的平衡狀態(tài)，冷卻過程往往是比較快的（即不平衡結(jié)晶），此時(shí)原子不能充分進(jìn)行擴(kuò)散，這時(shí)先結(jié)晶出的固相含高熔點(diǎn)組元(鎳)較多，后結(jié)晶出的固相含低熔點(diǎn)組元(銅)較多，快冷使這種成分不均勻現(xiàn)象保留下來，形成了在同一晶粒中的成分偏析，因結(jié)晶一般是以樹枝狀方式進(jìn)行，先結(jié)晶的主干和后結(jié)晶的分支成分不一致，故這種偏析稱為因這種偏析發(fā)生在一個(gè)晶粒內(nèi)，故枝晶偏析，會(huì)使合金的力學(xué)性能、耐蝕性和加工工藝性能變壞。為消除枝晶偏析，可采用高溫?cái)U(kuò)散退火(又稱均勻化退火)方法，即將合

45、金鑄件加熱至固相線以下100200長時(shí)間保溫(一般58h)，使原子充分?jǐn)U散，從而達(dá)成分均勻化的目的。 何謂共晶相圖？兩組元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)時(shí)相互有限互溶并發(fā)生共晶反應(yīng)(轉(zhuǎn)變)、形成共晶組織的二元相圖稱為 共晶相圖可以抽象地看作是兩勻晶相圖重疊結(jié)果，其中(a)圖示出從液相內(nèi)結(jié)晶出以A組元為基固溶體;(b)圖示為從液相內(nèi)結(jié)晶出以B為基固溶體;(c)圖為(a)、(b)兩相圖重合在一起圖示。 根據(jù)固溶體結(jié)晶規(guī)律，固溶體、結(jié)晶時(shí)，液相成分沿著各自液相線變化。當(dāng)溫度降至兩條線交點(diǎn)E時(shí)，此時(shí)E點(diǎn)成分液相既要與M點(diǎn)成分的平衡，又要與N點(diǎn)成分平衡。液相、與相必處于三相平衡狀態(tài)，它只能在恒溫tE下進(jìn)行。

46、即在此溫度下既要從液相中結(jié)晶出相、又要結(jié)晶出相，一直進(jìn)行到液相消失為止。因此，通過E點(diǎn)作水平線交固相線于M點(diǎn)、交固相線于N點(diǎn)，水平線MN即液相存在的最低溫度。在此溫度以下，不存在液相，不可能再按勻晶轉(zhuǎn)變繼續(xù)結(jié)晶出、相。通常已結(jié)晶出的或相可發(fā)生溶解度變化(虛線所示)。據(jù)上所述，二元共晶相圖(d)圖示可分解為三部分，即水平線以上為勻晶轉(zhuǎn)變部分、以下為脫溶轉(zhuǎn)變部分，水平線上則為共晶轉(zhuǎn)變部分。 以右圖Pb-Sn相圖為例，對(duì)共晶相圖進(jìn)行分析。 圖2.11 Pb-Sn合金相圖 相圖中有三個(gè)單相區(qū)，即液相L、固溶體相和相。相是Sn溶于Pb中形成的固溶體，相是Pb溶于Sn中的固溶體。各個(gè)單相區(qū)之間有三個(gè)兩相區(qū)

47、，即L+、L+和+。在L+、L+和+兩相區(qū)之間的水平線MEN表示+L三相共存區(qū)。在三相共存水平線所對(duì)應(yīng)的溫度下，成分相當(dāng)于E點(diǎn)的液相（LE）同時(shí)結(jié)晶出與M點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的M和與N點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的N兩個(gè)相，即形成兩個(gè)固溶體的混合物。此轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式是： ,該轉(zhuǎn)變必在恒溫下進(jìn)行，且三個(gè)相成分應(yīng)為恒定值，在相圖上的特征是三個(gè)單相區(qū)與水平線只有一個(gè)接觸點(diǎn)，其中液體單相區(qū)在中間、位于水平線之上，兩端是兩固相單相區(qū)。這種在一定溫度下，由一定成分液相同時(shí)結(jié)晶出成分各自一定的兩個(gè)新固相的轉(zhuǎn)變，稱為共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為兩固相的混合物，稱為共晶組織. NMEL 183圖2.11 Pb-Sn合金相圖 （3 3）特

48、性線與特性點(diǎn)）特性線與特性點(diǎn) 相圖中MEN水平線稱為共晶線，E點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)，E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱為共晶溫度，成分對(duì)應(yīng)于共晶點(diǎn)的合金稱為共晶合金。成分位于共晶點(diǎn)以左、M點(diǎn)以右的合金為亞共晶合金。成分位于共晶點(diǎn)以右、N點(diǎn)以左的合金稱為過共晶合金。AE、BE為液相線，AM、BN線為固相線，MF、NG這兩條曲線稱為固溶線。M、N點(diǎn)分別表示、相的最大溶解度極限，隨溫度降低，、相溶解度分別沿曲線MF、NG變化。 2.典型合金的平衡結(jié)晶過程典型合金的平衡結(jié)晶過程 （1）合金）合金(w（Sn）19w%的合金的合金)合金在3點(diǎn)以上的結(jié)晶與固溶體合金結(jié)晶過程一樣，開始結(jié)晶出來的稱為初晶或一次晶。在23點(diǎn)間，合金為均勻

49、單相組織。當(dāng)溫度降至3點(diǎn)以下時(shí)，相變?yōu)檫^飽和固溶體，過剩Sn以相形式從相中析出，隨溫度下降相增多。從固態(tài)相中析出的相即稱為次生相(二次相或二次晶)，用符號(hào)表示。這種從單一固溶體相中析出的單一新固相的反應(yīng)，即稱為當(dāng)冷至室溫時(shí)，所析出的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可用杠桿定律計(jì)算出: =F4/FG100%。 由于固態(tài)下原子擴(kuò)散能力小，析出的次生相不易長大，一般都比較細(xì)小，分布于晶界或固溶體中。其室溫下組織為+。合金I的結(jié)晶由兩種性質(zhì)的反應(yīng)組成:2.典型合金的平衡結(jié)晶過程典型合金的平衡結(jié)晶過程 （2）合金）合金(共晶合金共晶合金)當(dāng)合金由液相冷卻至E點(diǎn)時(shí)，將發(fā)生共晶反應(yīng): ,在恒溫(tE)下一直進(jìn)行到液相完全消失為

50、止，這時(shí)所獲得和呈層片狀交替分布的細(xì)密機(jī)械混合物(+)就是共晶組織或稱共晶體。其共晶體(M+N)中M和N兩相的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù): WM =EN/MN100% ，WN=ME/MN100%。在E點(diǎn)以下，隨溫度下降，和的溶解度分別沿各自固溶線MF、NG變化，從中析出，從中析出，但由于和量小且在顯微組織中不易分辨，故一般不予考慮。因此，其室溫組織為(+)共晶體。合金結(jié)晶過程中的反應(yīng)特征:共晶反應(yīng)二次析出反應(yīng)共晶反應(yīng)二次析出反應(yīng)。NMEL 183各種形態(tài)的共晶組織（1）各種形態(tài)的共晶組織（2）2.典型合金的平衡結(jié)晶過程 （3）合金(亞共晶合金)當(dāng)合金自液態(tài)緩冷至1點(diǎn)時(shí)，開始結(jié)晶出初晶固溶體，溫度在12點(diǎn)之間

51、為勻晶轉(zhuǎn)變過程，在此階段中，L+兩相共存，且隨溫度下降，相成分沿AM線向M點(diǎn)變化，L相成分沿AE線向E點(diǎn)變化。當(dāng)溫度降至2點(diǎn)即共晶溫度時(shí)，L相具有共晶成分E，于是便發(fā)生共晶反應(yīng): 。共晶反應(yīng)后，隨溫度下降，初晶相的成分沿固溶線MF變化，即M+，所以其室溫組織為+(+)。合金在NMEL 183 同理，同理，與亞共晶合金相似，只是初晶與亞共晶合金相似，只是初晶( (初生相初生相) )為為 固溶體、固溶體、而不是而不是 固溶體。固溶體。其室溫組織為其室溫組織為+（ ）。）。2.典型合金的平衡結(jié)晶過程 （3）合金(亞共晶合金)初晶樹枝晶的截面形態(tài)（右上圖）；亞或過共晶合金室溫組織圖（下圖）亞共晶合金室

52、溫組織過共晶合金室溫組織例題2.1 依據(jù)Pb-Sn相圖(見圖2.11)，說明含28Sn的Pb-Sn合金在下列溫度時(shí)組織中有哪些相，并求出相的相對(duì)量。(1) 高于300； (2) 剛冷至183，共晶轉(zhuǎn)變尚未開始；(3) 在183，共晶轉(zhuǎn)變完畢； (4) 冷至室溫。參見圖2-12，通過Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%的合金成分點(diǎn)作一垂線，再與縱坐標(biāo)溫度水平線相交，就可方便地判斷在各個(gè)溫度瞬時(shí)，合金所處的狀態(tài)；杠桿定律應(yīng)用的前提條件是兩相區(qū)，一定要牢記。杠桿定律應(yīng)用的前提條件是兩相區(qū)，一定要牢記。（1）找到300溫度點(diǎn)，然后做一水平線與28%Sn合金成分垂線相交，此交點(diǎn)以上即為題目所要求狀態(tài)，所以該合金此時(shí)處

53、于單一液相狀態(tài)。其液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%。（2）此時(shí)該合金處于液相L和固溶體兩相狀態(tài)，欲求相的相對(duì)量，即求L+兩相區(qū)中L和兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，杠桿的總長度應(yīng)為ME，合金的成分線與ME水平線的交點(diǎn)即為杠桿的支點(diǎn)位置（設(shè)為O點(diǎn)）。因此，W（L）=OM/ME=（28-19）/（61.9-19）= 21% ；W（）=OE/ME=（61.9-28）/（61.9-19）= 79% 。（3）此時(shí)該合金處于固溶體+兩相狀態(tài)，即進(jìn)入+兩相區(qū)。欲求相的相對(duì)量，即求+兩相區(qū)中和兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，杠桿的總長度應(yīng)為MN，該合金的成分線與FG水平線的交點(diǎn)O即為杠桿的支點(diǎn)位置。因此，W（）=OM/MN=（28-19）/（97.5-19）=11.5% ；W（）=NO/MN=（97.5-28）/（97.5-19）= 88.5% 。 （4）此時(shí)合金處于+兩相區(qū)