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1、金属材料与热处理课题课题二二 金属金属的晶体结构与结晶的晶体结构与结晶金属的晶体结构纯金属的结晶合金的晶体结构与结晶学习目标学习目标了解晶体的基本概念；掌握金属晶体最常见的三种晶格结构；了解晶粒大小对金属力学性能的影响以及细化晶粒的措施；了解常用合金的结晶规律和结晶相图。课题课题二二 金属金属的晶体结构与结晶的晶体结构与结晶合金的成分决定了合金的内部组织结构，而合金的组织结构又决定了合金的性能。本课题通过对典型金属材料成分、温度与组织间的对应关系进行分析，揭示出金属材料成分、温度与组织之间的变化规律，从而为金属材料的选用和加工提供理论依据。相关知识课题课题二二 金属金属的晶体结构与结晶的晶体结

2、构与结晶固态物质的性能与原子在空间的排列情况有着密切的关系。固态物质按原子排列的特点可分为晶体与非晶体两大类。凡原子按一定规律排列的固态物质，称为晶体，如金刚石、石墨和一切金属及合金等。晶体具有如下一些特点。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构 一、晶体与非晶体学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构（1）原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。（2）晶体具有一定的熔点，如纯铁的熔点为1 535，纯铜的熔点为1 083。（3）晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体呈各向异性。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构在自然界中，有些物质如塑料、玻璃、沥青等

3、是非晶体。非晶体的原子呈不规则杂乱无章的排列形式，在各个方向上的原子聚集密度大致相同，表现在性能上呈各向同性。非晶体无固定的熔点。晶体和非晶体的对比见表2-1。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构 二、晶体结构的基本知识晶格、晶胞和晶格常数晶格、晶胞和晶格常数1.晶体内部的原子是按一定的几何规律排列的。如果把金属中的原子近似地看成是刚性的小球，则金属晶体就是刚性小球按一定的几何规律堆积而成的，如图2-1所示。图2-1 晶体中的原子排列情况为了形象地表示晶体中原子排列的规律，可以人为地将原子简化为一个质点，再用假想的线将它们连接起来，这样就形成了一个能反映原子排列规律的空间格架，如

4、图2-2（a）所示。这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。由图2-2（a）可见，晶格是由许多形状、大小相同的几何单元重复堆积而成的。其中能够完整地反映晶体特征的最小几何单元称为晶胞，如图2-2（b）所示。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构图2-2 晶格和晶胞示意图学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构晶胞的大小和形状以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角、来表示，如图2-3所示。晶胞的棱边长度又称为晶格常数，其单位用埃（A）来表示（1 A=1010m）。当晶格常数a=b=c、棱边

5、夹角=90时，该晶胞称为简单立方晶胞。图2-3 晶胞及晶格常数学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构在金属晶体中，由原子构成的面称为晶面，如图2-4所示。通过两个或两个以上原子中心的直线可代表晶格空间的一定方向，称为晶向。为方便研究，对不同位向的晶面或晶向采用一定的符号来表示。表示晶面的符号称为晶面指数，表示晶向的符号称为晶向指数。图2-4中标注的（100）、（110）、（111）为立方晶格中某些晶面的晶面指数。图2-5中所标注的100、001、111等为立方晶格中某些晶向的晶向指数。晶面和晶向晶面和晶向2.学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构图2-4 立方晶格中不同

6、方向的晶面与晶面指数学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构图2-5 立方晶格中不同方向的晶向与晶向指数不同的金属具有不同的晶格类型。研究表明，工业上使用的几十种金属元素中，除少数具有复杂的晶格结构外，绝大多数都具有比较简单的晶格结构。其中最常见的晶体结构有三种类型，即体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，它们的结构特点见表2-2。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构 三、常见金属晶格类型学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构由表2-2中的晶胞示意图可以看出，体心立方晶格的晶胞每个结点上的原子与相邻的7个晶胞共有，加上晶胞中心的1个原子，故每个晶胞的原子

7、数为n=81/8+1=2（个）。同理，面心立方晶格每个晶胞的原子数为n=81/8+61/2=4（个），密排六方晶格每个晶胞的原子数为n=121/6+21/2+3=6（个）。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构把晶格中的原子看成刚性小球，使其一个紧靠一个地排列着，原子之间仍会有空隙存在，不同的晶格类型其空隙大小是不一样的。为了对晶体中原子排列的紧密程度进行定量比较，通常采用晶体结构的致密度来表示。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构图2-6 体心立方晶格致密度计算学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构致密度

8、是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。如体心立方晶胞中含有2个原子，这两个原子的体积为2（4/3）r3，其中r为原子半径。由图2-6可见，故体心立方晶格的致密度为这表明体心立方晶格中68的体积被原子所占用，其余32则为晶胞内的间隙体积。同理，可求出面心立方晶格和密排六方晶格的致密度均为0.74。在晶体中，致密度越大，原子排列就越紧密。所以，当铁在冷却时，由晶格致密度较大（0.74）的面心立方晶格-Fe转变为晶格致密度较小（0.68）的体心立方晶格-Fe，就会发生体积膨胀而引起内应力和变形，这也是钢铁材料淬火急冷能使其强度、硬度提高的原因。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构学习

9、情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构 四、金属的实际晶体结构和晶体缺陷单晶体与多晶体单晶体与多晶体1.如果晶体内部的晶格方位（即原子排列的方向）完全一致，则这种晶体称为单晶体。在工业生产中，只有采用特殊方法才能获得单晶体，如半导体元件（单晶硅和单晶锗）、磁性材料、高温合金材料等。实际使用的工业金属材料即使体积很小，其内部仍包含了许多颗粒状小晶体（晶粒）。每个小晶体的内部，晶格方位都是基本一致的，而各个小晶体之间彼此的方位却是不同的，如图2-7所示。由于其中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒，通常称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。一般金属材

10、料都是多晶体。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构图2-7 多晶体示意图由于多晶体中每个晶粒的位向不一样，各个晶粒的各向异性被彼此抵消。因而金属材料的外部性能表现为在各个方向是一致的，即各向同性。晶体中的原子完全为规则排列的晶体称为理想晶体。实际上，由于受多种因素的影响，金属内部总是存在着大量缺陷。晶体缺陷的存在对金属的性能有很大的影响。根据晶体缺陷的几何特点，晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构晶体中的缺陷晶体中的缺陷2.学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构1 1）点缺陷点缺陷点缺陷是晶体中呈点状的缺陷，即

11、在三维空间上的尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷是空位和间隙原子，如图2-8所示。在实际晶体结构中，晶格的某些结点往往未被原子占据，这种空着的位置称为空位。与此同时，又有可能在个别晶格空隙处出现多余原子，这种不占有正常晶格位置而处于晶格空隙中的原子称为间隙原子。在空位和间隙原子附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使周围原子发生靠拢或撑开，因此，晶格发生歪曲（也称为晶格畸变），使金属的强度、硬度提高。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构图2-8 空位和间隙原子学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构线缺陷是指在三维空间的一个方向上尺寸很大、其余两个方向上尺寸很小的缺陷。晶体中

12、的线缺陷通常是指各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位错。2 2）线线缺陷缺陷简单立方晶格晶体中的刃型位错如图2-9所示，从图中可以看出，ABCD晶面上沿处像刀刃一样多插入了一层原子面EFGH，使上下层原子不能对准，产生错排，因而称刃型位错。多余原子面的底边EF线称为位错线。在位错线附近晶格发生畸变，形成一个应力集中区。在ABCD晶面以上一定范围内的原子受到压应力；相反，在ABCD晶面以下一定范围内的原子受到拉应力。离EF线越远，晶格畸变越小。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构学

13、习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构图2-9 刃型位错示意图学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构常把晶体上半部多出一层原子面的位错称为正刃型位错，用符号“”表示；把晶体下半部多出一层原子面的位错称为负刃型位错，用符号“”表示，见图2-9（b）。晶体中位错的多少可以用单位体积中包括的位错线的总长度表示，称为位错密度，用表示。学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构面缺陷是指在三维空间的两个方向上的尺寸很大，在第三个方向上的尺寸很小而呈面状的缺陷，这类缺陷主要指晶界与亚晶界。（1）晶界。多晶体中两个相邻晶粒之间的位向不同，所以晶界处实际上是原子排列逐渐从一种位向

14、过渡到另一种位向的过渡层，该过渡层的原子排列是不规则的，如图2-10所示。晶界处原子的不规则排列使晶格处于歪扭畸变状态，因而在常温下会对金属塑性变形起阻碍作用。从宏观上来看，晶界处表现出较高的强度和硬度，晶粒越细小，晶界就越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度也就越高。3 3）面缺陷面缺陷学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构图2-10 晶界的过渡结构示意图学习情境一学习情境一 金属的晶体结构金属的晶体结构（2）亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错组成的小角度晶界，如图2-11所示。由于亚晶界处原子排列也是不规则的，使晶格产生了畸变，因此，亚晶界的作用效果与晶界相似

15、，对金属强度也有着重要影响。亚晶界越多，金属强度就越高。图2-11 亚晶界结构示意图大多数的金属制件都是经过熔化、冶炼、浇注而获得的，这种由液态转变为固态的过程称为凝固。通过凝固形成晶体的过程称为结晶。金属结晶形成的铸件组织将直接影响金属的性能。研究金属结晶的目的是掌握金属结晶的基本规律，以便指导实际生产，获得理想的金属组织和性能。学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶利用图2-12所示的装置将纯金属加热到熔化状态，然后缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一定时间记录下金属液体的温度，直到结晶完毕为止。这样可得到一系列时间与温度相对应的数据，把这些

16、数据标在时间温度坐标图中，然后画出一条温度与时间的相关曲线，这条曲线称为纯金属的冷却曲线，如图2-13所示。这种绘制金属冷却曲线的方法称为热分析法。一、纯金属的冷却曲线与过冷度学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶 图2-12 热分析法装置1热电偶；2液态金属；3坩埚；4电炉图2-13 热分析法绘制纯金属冷却曲线从图2-13可以看出，液态金属随着冷却时间的增长，温度不断下降，但当冷却到某一温度时，随着冷却时间的增长其温度并不下降，在冷却曲线上出现一段水平线段，这段水平线段所对应的温度就是纯金属进行结晶的温度。出现水平线段的原因是金属结晶时放出的结晶潜热补偿了其向外界散失的热量。学习情境

17、二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶如图2-14所示，金属在无限缓慢冷却条件下（即平衡条件下）所测得的结晶温度tm称为理论结晶温度。但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时冷却速度是相当快的，金属总是要在理论结晶温度tm以下的某一温度t1才开始进行结晶。温度t1称为实际结晶温度。实际结晶温度t1低于理论结晶温度tm的现象称为过冷。而tm与t1之差t称为过冷度，即t=tmt1。过冷度并不是一个恒定值，液态金属的冷却速度越大，实际结晶温度t1就越低，即过冷度t就越大。学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶图2-14 纯金属的冷却曲线实际上，金属

18、总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶在液态金属中，原子的活动能力很强，作不规则运动。随着液态金属温度的不断下降，金属原子的活动能力随之减弱，原子间的吸引作用逐渐增强。当达到结晶温度时，首先在液体的某些区域形成一些极细小的微晶体，称为晶核。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，同时又有新的晶核形成、长大，直到液态金属全部凝固，结晶过程结束，如图2-15所示。因此，结晶过程就是不断地形核和晶核不断长大的过程。二、纯金属的结晶过程学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶图2-15 金属结晶过程示意图学习情境二学习情境二 纯

19、金属的结晶纯金属的结晶结晶后的金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可以用单位体积内的晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。为测量方便，常以单位截面上的晶粒数目或晶粒的平均直径来表示晶粒大小。实验证明，常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有更高的强度、塑性和韧性。这是因为晶粒越细，塑性变形越可以分散在更多的晶粒内进行，塑性变形就越均匀，内应力集中度越小；而且晶粒越细，晶界就越多，晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，彼此连接就越紧固，强度和韧性就越好。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见表2-3。三、晶粒大小对金属力学性能的影响学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶由表2-3可见，细化晶粒对提高常温下

20、金属的力学性能有很大作用，是使金属材料强度、塑性提高的有效途径。（1）增加过冷度。如图2-16所示，形核率和长大速度都随过冷度t增长而增大，但在很大的范围内形核率比晶核长大速度增长更快，因此，增加过冷度总能使晶粒更细。如在铸造生产中，用金属型比用砂型冷得快，能得到晶粒细化的铸件。但这种方法只适用于中、小型铸件，大型铸件则需要用其他方法使晶粒细化。学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶图2-16 形核率和长大速度与过冷度的关系示意图学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶（2）变质处理。浇注前在液态金属中加入一些能促进形核或抑制晶核长大

21、的物质（又称变质剂或孕育剂），使金属晶粒细化，如在钢中加入钛、硼、铝等，在铸铁中加入硅铁、硅钙等，都能起到细化晶粒的作用。（3）振动处理。在结晶时，对液态金属加以机械振动、超声波振动和电磁振动等，使生长中的枝晶破碎，增加晶核数目，从而有效细化晶粒。学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶大多数金属的晶格类型是固定不变的，但有些金属（如铁、钴、钛、锡、锰等）在固态下，其晶格类型会随温度的升高或降低而发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。由同素异构转变所得到的具有不同晶格类型的晶体称为同素异构体。四、金属的同素异构转变铁是典型的具有同素异构转

22、变特性的金属。纯铁的冷却曲线如图2-17所示，它表示了纯铁的结晶和同素异构转变的过程。液态纯铁在1 535 时结晶成为具有体心立方晶格的-Fe；继续冷却到1 394 时发生同素异构转变，体心立方晶格的-Fe转变为面心立方晶格的-Fe；再继续冷却到912 时又发生同素异构转变，面心立方晶格的-Fe转变为体心立方晶格的-Fe。再继续冷却，晶格的类型不再变化。学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶学习情境二学习情境二 纯金属的结晶纯金属的结晶图2-17 纯铁的同素异构转变冷却曲线学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶由于纯金属的强度、硬度一般都较低，而且冶炼困难、价格

23、较高，因此，在工业中一般都使用合金。人们还可以通过改变合金的化学成分的比例、组织结构得到所需要的力学性能和特殊性能，如耐热性、耐蚀性、导磁性等。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶 一、合金的基本概念合金合金1.合金是指两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素熔合在一起形成的、具有金属特性的物质，如黄铜是铜和锌组成的合金，钢和生铁是以铁和碳为主的合金。在实际生产中，绝大多数合金是通过熔化、精炼和浇注制成的，只有少数合金是在固态下通过制粉、混合、压制成形、烧结等工序制成的。组成合金最基本的并能独立存在的物质称为组元，简称元。组元可以是金属元素、非金属元素或稳定的化合物。

24、根据合金中组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金，如普通黄铜是由铜和锌两个组元组成的二元合金，硬铝是由铝、铜和镁组成的三元合金。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶组元组元2.学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶合金系合金系3.由给定组元可以配制成一系列不同合金，组成一个系统，称为合金系。两个组元的称为二元系；三个组元的称为三元系；纯金属只有一个组元，称为单元系。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶相相4.金属或合金中化学成分、晶体结构均相同的组成部分称为相。相与相之间有明显界面。液态合金通常都是单相

25、液体。合金在固态下由一个固相组成时称为单相合金，由两个或两个以上固相组成时称为多相合金，如钢在固态下就是由铁素体和渗碳体两相组成的。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶合金是由一种或多种相集合在一起组成的。合金中相的综合体称为合金组织。在液态时，大多数合金的组元都能相互溶解，形成一个均匀的液相。在结晶时，由于各组元之间相互作用的不同，固态合金中可能出现固溶体、金属化合物或机械混合物。二、合金的组织学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶合金中一个组元溶解其他组元，或组元间互相溶解而形成的均匀固相称为固溶体。实质上，固溶体是在一种金属的晶格中溶入一

26、些其他合金元素而形成的。晶格保留下来的称为溶剂，晶格消失的称为溶质，固溶体的结构保持溶剂金属的晶格类型。根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体。固溶体固溶体1.溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体，其结构示意图如图2-18（a）所示。由于溶剂晶格的空隙尺寸很小，故能够形成间隙固溶体的溶质原子通常是一些原子半径小于1 A的非金属元素，如碳、氮、硼等。由于溶剂晶格的空隙有限，所以间隙固溶体能溶解的溶质原子数量也是有限的。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶1 1）间隙固溶体间隙固溶体学习情境三学习情境三 合金的晶

27、体结构与结晶合金的晶体结构与结晶2 2）置换置换固溶体固溶体溶质原子置换了溶剂晶格中某些结点位置上的溶剂原子而形成的固溶体，称为置换固溶体，其结构示意图如图2-18（b）所示。图2-18 固溶体结构示意图学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶固溶体中，溶质的含量即固溶体的浓度用质量百分数或原子百分数来表示。无论是间隙固溶体还是置换固溶体，由于溶质原子的溶入都将使溶剂晶格发生畸变，如图2-19所示。晶格畸变使变形抗力增大，从而使金属的强度、硬度升高。这种通过溶入溶质原子形成固溶体，使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。学习情境三学习

28、情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶图2-19 形成固溶体时的晶格畸变实践证明，只要适当控制固溶体中溶质的含量，就能在显著提高金属材料强度的同时仍使其保持较高的塑性和韧性。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶金属化合物是指合金中各组元间按一定比例结合形成一种具有金属特性的晶体相。金属化合物的组成一般可用化学分子式来表示，如铁碳合金中的渗碳体就是铁和碳组成的化合物。金属化合物具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格，其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。合金中含有金属化合物后，其强度、硬度和耐磨性显著提高，而塑性和韧性则降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。金

29、属化合物金属化合物2.学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶纯金属、固溶体、金属化合物都是组成合金的基本相，由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。在机械混合物中，各组成相仍保持着其原有晶格类型和性能，而整个机械混合物的性能介于各组成相性能之间，与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。在工业生产中使用的合金材料大多数是机械混合物的组织状态。机械混合物机械混合物3.学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶合金的内部组织构造远比纯金属复杂，同是一个合金系，合金的组织构造随成分的不同而发生变化。如溶质含量少时，可以是单相固溶

30、体，溶质含量超过溶解度时则变为多相混合物。另一方面，同一成分的合金，其组织构造随温度的不同而变化。若要全面了解合金的组织随成分、温度变化的规律，就必须取不同成分的合金进行实验，观察分析其在加热、冷却过程中内部组织构造的变化，绘制成图，称为合金相图。合金相图是全面表示合金的组织随成分、温度变化规律的图，是研究与选用合金的重要理论工具，对于金属的加工及热处理也具有重要的指导意义。三、合金的结晶过程学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶现以Cu-Ni合金为例，说明用热分析法实验测定二元合金相图的过程。（1）首先配制一系列不同成分含量的Cu-Ni合金，见表2-4。二元合金相图的

31、测定二元合金相图的测定1.学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶（2）用热分析法画出所配制的各合金的冷却曲线，如图2-20（a）所示。（3）找出各冷却曲线上的临界点（相变点），把各临界点标注到温度成分坐标系中相应的位置上，并将相应温度填入表2-4中。（4）将各相同意义的临界点连接起来，如图2-20（b）所示。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶图2-20 Cu-Ni合金相图测定（5）填写各区域中的状态或组织。如Cu-Ni合金相图中，上面一条线为液相线，其以上区域为液相区，用L表示；下面一条线为固相线，其以下区域为铜与镍形成的单相固溶体区，用表示

32、；液相线和固相线之间区域为液、固两相混合区，用L+表示，这样就得到完整的Cu-Ni合金相图。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶根据合金相图可以分析合金结晶过程的特点。合金结晶过程与纯金属结晶过程相似，也是经过形核和晶核长大的一般过程，但纯金属结晶过程是在某一温度下进行的，而合金的结晶一般是在某一温度范围内进行的，并且结晶过程中各相的成分还不断发生变化。通过对不同成分二元合金结晶过程特点的分析，常见二元合金相图有匀晶相图、共晶相图和共析相图三种。合金的结晶合金的结晶2.两组元在液态与固态状态下均可彼此无限溶

33、解的合金相图，称为匀晶相图。Cu-Ni合金相图就属于二元匀晶相图，如图2-21所示。图中A点1 083 为纯铜的熔点，B点1 452 为纯镍的熔点。AB上弧线为合金结晶开始温度曲线，即液相线；AB下弧线为合金结晶终了温度曲线，即固相线。在液相线以上为液相区；在固相线以下合金全部形成均匀的固溶体，为固相区；液相线与固相线之间为液相L和固溶体共存区域，为两相区。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶1 1）匀晶相图匀晶相图学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶图2-21 Cu-Ni合金相图图2-22 CuNi合金的结晶过程示意图学习情境三学习情境三

34、合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶Cu-Ni合金结晶示意图如图2-22所示。凡是两组元在液态和固态下均能完全相互溶解的合金，如Cu-Ni合金、Fe-Ni合金、Au-Ag合金等的相图均属于这类相图。具有匀晶相图性质的合金的两组元是晶格类型相同、原子半径相近的金属元素。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶2 2）共晶相图共晶相图两组元在液态互溶，在固态有限溶解，并发生共晶转变的合金相图，称为共晶相图。共晶转变是指在一定温度下，由一定成分的液相合金，同时结晶出成分一定的两个固相的过程。具有这类相图的合金有Pb-Sn合金、Pb-Sb合金、Cu-Ag合金、Al-Si合金和

35、Fe-Fe3C合金等。如图2-23所示为Pb-Sn合金相图。A、B分别为铅和锡的熔点。E点为共晶转变点，E点锡的质量分数为61.9%，温度为183。图中AEB为液相线，AMENB为固相线。MF为锡溶于铅的溶解度线，NG为铅溶于锡的溶解度线，这两条曲线又称固溶线。合金系中有L、和三个相。相是锡溶于铅的固溶体，相是铅溶于锡的固溶体。相线把共晶相图分成6个相区：3个单相区L、，3个两相区L+、L+、+。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶图2-23 Pb-Sn合金相图固相线的直线部分MEN又称为共晶线，共晶线为L

36、、三相共存区。下面对不同成分的结晶过程进行分析。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶（1）锡的质量分数小于19%时的Pb-Sn合金。从图2-23可以看出，锡的质量分数为10的合金由液态慢冷到点1时，开始结晶析出固溶体。随着温度的降低，固溶体的数量不断增加，而液相数量不断减少；固溶体的成分沿AM线变化，液相的成分沿AE线变化。冷却到与固相线的交点2时，合金全部结晶成固溶体。这一过程即前述的匀晶转变过程，锡的质量分数为10的Pb-Sn合金的结晶过程示意图如图2-24所示。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶图2-24 Sn=10%的Pb-Sn合金

37、的结晶过程示意图继续冷却时，在点2和3之间，合金组织不发生变化，为单相固溶体。当冷却到点3温度时，Sn在Pb中的溶解达到饱和状态。温度再下降时，过剩的Sn以固溶体的形式从相中析出。为了同从液态析出的相相区别，以表示。随着温度下降，的量也是增加的。锡的质量分数为10Pb-Sn合金的显微组织如图2-25所示，其中，黑色的基体为相，白色颗粒为相。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶图2-25 Sn=10%的Pb-Sn合金的显微组织学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶（2）锡的质量分数为6

38、1.9%的Pb-Sn共晶合金。从图2-23可以看出，从液态缓冷到温度tE（183）时将发生共晶转变，即LEM+N。从液体中同时结晶出和两种晶体，这一过程一直进行到液相完全消失为止。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶共晶合金的结晶示意图如图2-26所示，当合金缓冷到1点（tE）时，液相LE在此温度不但要结晶出M点成分的M晶体，同时还要结晶出N点成分的N晶体，而且在恒温下进行，直到结晶完成，即共晶反应。tE为共晶温度，LE为共晶成分，转变后的产物为（M+N）两相交错分布的机械混合物，称为共晶组织或共晶体。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶图2

39、-26 共晶合金的结晶示意图学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶从共晶温度冷却到室温时，将分别从和相中析出和，它们与共晶的和相混合在一起，在显微镜中分辨不出来，通常看成没有组织变化。图2-27（a）为Pb-Sn共晶合金的显微组织照片，黑色的为相，白色的为相。图2-27 共晶合金的几种典型组织学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶共晶组织虽然是交错分布的两相机械混合物，但其分布形态（如片状、树枝状、点球状或针状等）决定了合金的性能。此外，组织的粗细（如片间距离的大小）与合金的冷却速度有关。冷却速度越大，获得的组织越细。图2-27（b）、（c）和（

40、d）为其他几种典型共晶合金的显微组织。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶（3）亚共晶合金。在图2-23中，成分位于M点到E点之间的合金，称为亚共晶合金，如图中的合金III。当缓冷到点1时，开始从液体结晶出相，如图2-28所示。随着温度降低，相不断增加，液相量相对减少，固溶体成分沿AM线变化，液相成分沿AE线变化。Pb-Sn亚共晶合金的显微组织如图2-29所示，黑色为初晶晶体，黑白相间分布的为（+）共晶体，晶体内的白色颗粒为相。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶图2-28 Pb-Sn亚共晶合金的结晶示意图图2-29 Pb-Sn亚共晶合金的显

41、微组织学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶（4）过共晶合金。在图2-23中，成分位于E点和N点之间的合金称为过共晶合金，如图中的合金。过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金类似，所不同的仅是先结晶出固溶体，而从tE继续冷却时，将从相中析出相。Pb-Sn过共晶合金的显微组织如图2-30所示，图中白色部分为固溶体，黑白相间的为（+）共晶体，晶体内的黑色小点为相。图2-30 Pb-Sn过共晶合金的显微组织学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶从上述分析可以看出，成分位于M点和N点之间的亚共晶、共晶及过共晶合金，在其缓慢冷却或缓慢加热中，凡是与MEN线相交时

42、，即达到183 都要发生共晶反应。所以称MEN为共晶线，tE为共晶温度，E点为共晶点。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶在二元合金相图中，常遇到经过高温匀晶转变所形成的固溶体在冷却到某一温度时又发生分解而形成两个新的固相的现象，这种相图称为共析相图，如图2-31所示。1 1）共析相图共析相图图2-31 合金共析转变相图学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶（1）共析转变是固态转变，转变过程中需要原子大量地扩散，但在固态中的扩散比在液态中困难得多，所以共析转变需要较大的过冷度。（2）由于共析转变过冷度大，因而形核率高，得到的共析产物更细密。（3

43、）共析转变前后晶体结构不同，这种转变会引起容积变化，从而产生较大的内应力。这一现象在钢的热处理时表现较为明显。铁碳合金中珠光体转变就是最常见的共析转变，这一内容将在Fe-Fe3C相图中详细讨论。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶 四、合金性能与相图的关系合金的成分决定了合金的组织，而合金的组织又决定了合金的性能，因而合金的性能与相图具有一定的关系。不同类型的相图与合金力学性能之间的关系如图2-32所示。力学性能与相图的关系力学性能与相图的关系1.图2-32 不同类型的相图与合金力学性能之间的关系当合金形成两相机械混合物的组织时，合金的强度和硬度大约是两种组织性能的平

44、均值，即性能与成分呈直线关系，如图2-32（a）所示，其压力加工性能不如单相固溶体。这是因为它是混合物，各相的变形能力不同，造成一相阻碍另一相的变形，使塑性变形阻力增加，因而共晶体的压力加工性最差。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶当合金形成单相固溶体时，由于溶质原子使基体晶格畸变，与纯金属相比增高了合金的强度和硬度，但性能仍具有良好塑性，因而压力加工性能好，可以进行锻、轧、拉拔、冲压等，其关系如图2-32（b）所示。图2-32（c）所示为力学性能与状态图之间的关系，实际上是上述两种情况的综合。学习情境三

45、学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶这里必须指出，当合金的两相晶粒较粗且均匀分布时，性能才符合直线关系；如果形成细小的共晶组织，即片间距离越小或层片越细时，合金的强度、硬度就越高，如图2-32中虚线所示。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶合金铸造性与相图的关系合金铸造性与相图的关系2.铸造性主要表现在流动性、偏析、缩孔等方面，主要决定于液相线与固相线之间的温度间隔。固溶体合金的成分与流动性的关系如图2-33所示。固相线与液相线的距离越大，在结晶过程中树枝状晶体越发达，越能阻碍液体流动，因此流动性越低。此外，结晶范围大的固溶体合金，结晶时析出的固相与液

46、相的浓度差也大，在快冷时，由于不能进行充分扩散，因此偏析也严重些。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶图2-33 固溶体合金成分与金属流动性的关系固溶体合金的成分与缩孔、体积收缩的关系如图2-34所示。结晶温度范围大时，树枝状晶体发达，容易形成较多的分散缩孔；结晶温度范围小时，容易形成集中缩孔，因为这种情况下枝晶不发达，金属液易补缩而使缩孔集中。因此，铸造合金的成分越接近共晶成分，越容易铸成致密件。此外，合金的流动性还决定于合金的熔点。熔点越低，浇注温度越高，过热就越大，流动性就越好。学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶图2-34 固溶体合金成分与缩孔、体积收缩的关系学习情境三学习情境三 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶此外，结晶温度区间大的合金，铸造时有较大的热裂倾向。如果不考虑其他因素，则结晶温度区间越小，合金热裂倾向也越小。Thank you