1、l2.1 金属材料的晶体结构与结晶金属材料的晶体结构与结晶 2.1.1 金属的晶体结构金属的晶体结构l 2.1.2 纯金属的结晶纯金属的结晶l 2.1.3 金属的同素异构转变金属的同素异构转变l 2.1.4 合金的晶体结构合金的晶体结构l2.2 铁碳合金相图铁碳合金相图l 2.2.1 二元合金相图种类二元合金相图种类l 2.2.2 铁碳合金相图铁碳合金相图l物质由原子、分子或离子组成。物质由原子、分子或离子组成。l原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。l原子、离子、分子之间的结合力称为原子、离子、分子之间的结合力称为结合键结合键。l它们的具体组合状
2、态称为它们的具体组合状态称为结构结构。C60金属键金属键金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态SiO2的结构的结构2.1.1 金属的晶体结构金属的晶体结构l一、基本概念一、基本概念l晶体：晶体：原子呈规则排列的固体。原子呈规则排列的固体。l 常态下金属主要以晶体形式常态下金属主要以晶体形式存在。存在。l 晶体具有各向异性晶体具有各向异性。l非晶体：非晶体：原子呈无序排列的固原子呈无序排列的固体。体。l 在一定条件下晶体和非晶体在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。可互相转化。晶格：晶格：用假想的直线将原子用假想的直线将原子中心连接起来所形成中心连接起来所形成的三维的三维空间格架。空间格架。直线
3、的交点（原子中心）直线的交点（原子中心）称结点。称结点。由结点形成的空间点的由结点形成的空间点的阵列称阵列称空间点阵空间点阵。晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。晶格常数：晶格常数：各棱边的尺寸各棱边的尺寸 a、b、c；夹角；夹角、。晶系：晶系：l根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。l90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系：立方晶系：a=b=c，=90 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单斜
4、单斜三斜三斜原子半径：原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。的一半。晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。一个晶胞内所包含的原子数目。配位数配位数:晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目.致密度：致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。晶胞中原子本身所占的体积百分数。l二、金属的晶体结构二、金属的晶体结构l1、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构 l 金属原子是通过正离子与自金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称由电子的相互作用而结合的，称为为金属键金属键。l 金属原子趋向于
5、紧密排列。金属原子趋向于紧密排列。电子云电子云正离子正离子金属键示意图金属键示意图l 具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。l 常见纯金属的晶格类型有体心立方常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方、面心立方(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格的参数体心立方晶格的参数l体心立方晶格体心立方晶格原子个数：原子个数：2配位数：配位数：8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)ar43 原子
6、半径：原子半径：面面心心立立方方晶晶格格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的参数面心立方晶格的参数 a42r 原子半径：原子半径：原子个数：原子个数：4配位数：配位数：12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：al面心立方晶格面心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格的参数密排六方晶格的参数a21r：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数：12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等等晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高和高 c，c/a=1.6
7、33l密排六方晶格密排六方晶格l 单晶体与多晶体单晶体与多晶体l单晶体：单晶体：由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体。由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体。l 特征：同一位向特征：同一位向 如金刚石、水晶单晶硅等。如金刚石、水晶单晶硅等。l多晶体：多晶体：l 实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒晶粒。l晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。l多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。光学金
8、相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图l 晶体缺陷晶体缺陷l晶格的不完整部位称晶格的不完整部位称晶体缺陷晶体缺陷。l 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类,即点、线、面缺陷。即点、线、面缺陷。点缺陷点缺陷：空间三维方向上尺寸都很小的缺陷。空间三维方向上尺寸都很小的缺陷。l空位：空位：晶格中某些缺排原子的空结点。晶格中某些缺排原子的空结点。l间隙原子：间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。也可以是外来原子。l置换原子：置换原子：取代原来原子位置
9、的外来原子称置换原子。取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变，从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。格畸变，从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位空位间隙原间隙原子子小置换原小置换原子子大置换原大置换原子子l 线缺陷线缺陷：在三维尺寸的两个方向上尺寸很小，另一个：在三维尺寸的两个方向上尺寸很小，另一个方向上尺寸较大的缺陷；方向上尺寸较大的缺陷；l 晶体中的晶体中的位错位错是典型的线位错。是典型的线位错。l 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发
10、生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作滑移区的交界线称作位错；位错；l 分为分为刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。l刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是是刃型位错刃型位错。l半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“”表示。表示。l半原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“”表示。表示。l位错密度：位错密度：l 单位体积内所包含的位错线
11、单位体积内所包含的位错线总长度。总长度。=S/V(cm/cm3或或1/cm2)l金属的位错密度为金属的位错密度为1041012/cm2；l位错对性能的影响位错对性能的影响：l 金属的塑性变形主要由位错金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。强化金属的主要途径。l 减少或增加位错密度都可以减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。提高金属的强度。金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2)加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2)电子显微镜下的位错观察电子显微镜下的位错观察l 面缺陷面缺陷：在三维尺寸的一个方向上尺寸很小
12、，另两个方向：在三维尺寸的一个方向上尺寸很小，另两个方向上尺寸较大的缺陷，主要有晶界与亚晶界两种。上尺寸较大的缺陷，主要有晶界与亚晶界两种。l 晶界是不同位向晶粒间的过度部位晶界是不同位向晶粒间的过度部位，宽度为，宽度为510个原子个原子间距，位向差一般为间距，位向差一般为2040。l 亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的小晶块。的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶粒之间的交界面称亚晶界亚晶界。原子排列不规则原子排列不规则.熔点低熔点低。耐蚀性差耐蚀性差。易产生内吸附易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。外来原子易在晶界偏聚。阻碍位错运动
13、，是强化部位，因而实际阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。使用的金属力求获得细晶粒。是相变的优先形核部位。是相变的优先形核部位。晶体缺陷对金属材料带来的性能影响：晶体缺陷对金属材料带来的性能影响：缺陷的存在对金属的物理性能和机械性能都有一定的缺陷的存在对金属的物理性能和机械性能都有一定的影响，利用缺陷强化金属。影响，利用缺陷强化金属。点缺陷点缺陷：存在对金属的物理性能和力学性能都有一定影：存在对金属的物理性能和力学性能都有一定影响，尤其影响晶体的电阻和晶体密度最显著。可达到响，尤其影响晶体的电阻和晶体密度最显著。可达到固溶固溶强化（强化（强度、硬度提高，塑性、韧性降低强
14、度、硬度提高，塑性、韧性降低）；）；线缺陷线缺陷：大量位错互相缠结，交织在一起，阻碍塑性变：大量位错互相缠结，交织在一起，阻碍塑性变形，造成金属强化称形，造成金属强化称加工硬化（加工硬化（强度、硬度提高，塑性、强度、硬度提高，塑性、韧性降低韧性降低）；）；面缺陷面缺陷：细晶强化（细晶强化（强度、硬度提高，塑性、韧性改强度、硬度提高，塑性、韧性改善善）。l2.1.2 纯金属的结晶纯金属的结晶l物质由液态转变为固态的过程称为物质由液态转变为固态的过程称为凝固凝固。l物质由液态转变为晶态的过程称为物质由液态转变为晶态的过程称为结晶结晶。l物质由一个相转变为另一个相的过程称为物质由一个相转变为另一个相
15、的过程称为相变相变，结晶过程是结晶过程是相变过程。相变过程。凝固凝固结晶结晶非晶体非晶体晶体晶体液体液体水水结晶结晶 =相变相变 冰冰l一、一、金属结晶的基本规律金属结晶的基本规律l1、纯金属的结晶条件、纯金属的结晶条件l 金属结晶时温度与时间的关金属结晶时温度与时间的关系曲线称系曲线称冷却曲线。冷却曲线。l 曲线上水平阶段所对应的温曲线上水平阶段所对应的温度称度称实际结晶温度实际结晶温度T1。l 曲线上水平阶段是由于结晶曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的时放出结晶潜热引起的。纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线l 纯金属都有一个纯金属都有一个理论结晶温度理论结晶温度T0（熔点熔点或或平
16、衡结晶温平衡结晶温度度）。在该温度下）。在该温度下,液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态动平衡状态。l 结晶只有在结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。以下的实际结晶温度下才能进行。纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线l 液态金属在理论结晶温度以下液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称开始结晶的现象称过冷过冷。l 理论结晶温度与实际结晶温度理论结晶温度与实际结晶温度的差的差 T称为称为过冷度，过冷度，T=T0 T1。l 过冷度大小与冷却速度有关，过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大冷速越大，过冷度越大。l（1）结晶的基本过程）结晶的基本过程l结晶由结晶由晶核的形成晶核的形成和
17、和晶核的长大晶核的长大两个基本过程组成两个基本过程组成.l 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为散，称为晶胚晶胚。在。在T0以下以下,经一段时间后经一段时间后,一些大尺寸的晶坯一些大尺寸的晶坯将会长大，称为将会长大，称为晶核晶核。l 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直晶核不断形成，不断长大，直 到液体完全消失。到液体完全消失。每个晶核最每个晶核最 终长成一个晶粒，两晶粒接触终长成一个晶粒，两晶粒接触 后形成晶界。后形成晶界。l（2）晶核
18、的形成方式）晶核的形成方式l 形核有两种方式，形核有两种方式，即即均匀形核均匀形核和和非均匀形核非均匀形核。l 由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核均匀形核。l 以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核非均匀形核,非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。l（3）晶核的长大方式）晶核的长大方式l 晶核的长大方式有两种，即晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。均匀长大和树枝状长大。其中，主要以树枝状长大方式长大。其中，主要以树枝状长大方式长大。l均匀长大：均匀长大：l在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。在
19、正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。均匀长大均匀长大l 实际金属结晶主要以实际金属结晶主要以树枝状长树枝状长大大。因为存在因为存在负温度梯度，负温度梯度，且且晶核晶核棱角处散热好棱角处散热好，生长快，先形成，生长快，先形成一一次轴次轴，一次轴产生，一次轴产生二次轴二次轴，树枝，树枝间最后被填充。间最后被填充。负温度梯度负温度梯度树枝状长大的实际观察树枝状长大的实际观察(定向凝固定向凝固)二、晶粒大小及其控制二、晶粒大小及其控制l1 1、晶粒度、晶粒度l 表示晶粒大小的尺度表示晶粒大小的尺度叫叫晶粒度晶粒度，可用晶粒的平可用晶粒的平均面积或平均直径表示。均面积或平均直径表示。l 工业生产上
20、采用工业生产上采用晶粒晶粒度等级度等级来表示晶粒大小。来表示晶粒大小。l 标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过。通过100倍倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。l2、决定晶粒度的因素、决定晶粒度的因素l晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶核的形成速度晶核的形成速度和和长大速度长大速度。l单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率形核率(N)。l单位时间内晶核生长的长度叫单位时间内晶核生长的长度叫长大速度长大速度(G)。l N/G比值越大，晶粒越细小。比值越大，晶粒越细小。因
21、此，凡是促进形核、因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。抑制长大的因素，都能细化晶粒。3、控制晶粒度的方法、控制晶粒度的方法l 控制过冷度：控制过冷度：随过冷度随过冷度增加，增加，N/G值增加，值增加，晶粒变细。晶粒变细。缓冷缓冷快冷快冷lAl-Si合金组织合金组织l 变质处理：变质处理：又称又称孕育处理孕育处理，即有意向液态金属内加入即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。l 所加入的非均匀形核物质叫所加入的非均匀形核物质叫变质剂变质剂（或称（或称孕育剂孕育剂）。）。变质处理变质处理使铸铁中石墨使铸铁中石墨细化。细化。变质剂为变质
22、剂为硅铁或硅钙合硅铁或硅钙合金。金。电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图l 振动、搅拌等振动、搅拌等:对正在结晶的金属进行振动或搅动，一对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面方面可靠外部输入的能量来促进形核可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可另一方面也可使成使成长中的枝晶破碎，使晶核长中的枝晶破碎，使晶核l数目显著增加。数目显著增加。细晶的熔模铸件细晶的熔模铸件(上上)普通铸件普通铸件(下下)4、晶粒大小对金属性能的影响、晶粒大小对金属性能的影响l 常温下常温下，晶粒越细，晶界面积晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越高，越大，
23、因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好，同时塑性、韧性也越好，即即细晶强细晶强化化。l 高温下高温下，晶界呈粘滞状态，在，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益；但晶粒太粗易产生应力集粒无益；但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。不好。单晶叶片单晶叶片s=i+Kd-1/2晶粒大小与金属强度晶粒大小与金属强度的关系的关系 构转变构转变。同素异构转变属于相变之一同素异构转变属于相变之一固态相变固态相变。1394912-Fe -Fe -Fel 物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称物质在固态下晶体
24、结构随温度变化的现象称同素异同素异纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变l1、铁的同素异构转变：、铁的同素异构转变：l 铁在固态冷却过程中有两次晶铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化：体结构变化：l -Fe、-Fe 为为体心立方结体心立方结(BCC)，l-Fe为为面心立方结构面心立方结构(FCC)；都是铁的；都是铁的同素异构体同素异构体。-Fe-Fe-Fe-Fe912FCCBCCl 合金合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质；是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质；组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。l
25、组元组元是指组成合金的最基本、能够独立存在的物质。是指组成合金的最基本、能够独立存在的物质。多数情多数情况下，况下，组元是指组成合金的元素组元是指组成合金的元素。但对于。但对于既不发生分解、又不发既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元生任何反应的化合物也可看作组元,如如Fe-C合金中的合金中的Fe3C。l 组成合金的元素相互作用可形成不同的组成合金的元素相互作用可形成不同的相相。l 相相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。有界面分开的均匀组成部分。l 显微组织显微组织是指在显微镜下观察到的金属
26、中各相或各晶粒的是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形形态、数量、大小态、数量、大小和和分布分布的组合。的组合。l固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两类。两类。l1 1 固溶体固溶体l 合金中其结构与组成元素之一合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固的晶体结构相同的固相称相称固溶体固溶体。用用、表示。表示。l 与固溶体晶体结构相同的元素称与固溶体晶体结构相同的元素称溶剂溶剂。其它元素称其它元素称溶质溶质。l 固溶体是合金的重要组成相固溶体是合金的重要组成相,实实际合金多是际合金多是单相固溶体合金单相固溶体合金或或以固以固溶体为基的合金溶体为基的
27、合金。l 按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换固置换固溶体溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体l 置换固溶体置换固溶体l 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。l溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，无序固溶体，呈有序分布的称呈有序分布的称有序固有序固溶体。溶体。l 间隙固溶体：间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。l形成间隙固溶体的形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素溶质元素是原子半径较
28、小的非金属元素，如，如C、N、B等，而等，而溶剂元素一般是过溶剂元素一般是过渡族元素渡族元素。l 固溶体的溶解度固溶体的溶解度l溶质原子在固溶体中极限浓度。溶质原子在固溶体中极限浓度。l溶解度有一定限度的固溶体称溶解度有一定限度的固溶体称有限固有限固溶体溶体。l组成元素无限互溶的固溶体称组成元素无限互溶的固溶体称无限固无限固溶体溶体。l组成元素组成元素原子半径原子半径、电化学性相近电化学性相近，晶格类型相同晶格类型相同的置换固溶体，才可能的置换固溶体，才可能形成无限固溶体形成无限固溶体.l间隙固溶体都是有限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。Cu-Ni无限固溶体无限固溶体Cu-Zn有限固溶体有限
29、固溶体固溶体固溶体化合物化合物l 固溶体的性能固溶体的性能l 随溶质含量增加，固溶体的强度、随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降硬度增加，塑性、韧性下降称作称作固溶固溶强化强化。l产生固溶强化的原因：产生固溶强化的原因：溶质原子使溶质原子使晶格晶格发生畸变发生畸变及对位错的及对位错的钉扎作用钉扎作用.l 与纯金属相比，固溶体的强度、硬与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低度高，塑性、韧性低;l 与金属化合物相比，其硬度要低得与金属化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。多，而塑性和韧性则要高得多。固溶体合金成分与性能关固溶体合金成分与性能关系系l2 金属
30、化合物金属化合物l 合金中其晶体结构与组成元合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物金属化合物。l 金属化合物具有金属化合物具有较高的熔点、较高的熔点、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组成。其组成。l 合金中出现金属化合物，可合金中出现金属化合物，可提高其强度、硬度和耐磨性，但提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。降低塑性。l 金属化合物也是合金的重要金属化合物也是合金的重要组成相。组成相。Fe3C的晶格的晶格钢中的钢中的Fe3C 正常价化合物正常价化合物符合正常符合正常 原子价规律，如原子价规律，如Mg2Si。电子化
31、合物电子化合物符合电子浓符合电子浓 度规律，如度规律，如Cu3Sn。电子浓度电子浓度为价电子数与原为价电子数与原 子数的子数的比值。比值。间隙化合物间隙化合物由过渡族元由过渡族元 素与素与C、N、B、H 等小原子半径等小原子半径的非金属元素组成。的非金属元素组成。Al-Mg-Si合金中的合金中的Mg2SiPb基轴承合金中的电子化合物基轴承合金中的电子化合物l 2.2 铁碳合金相图铁碳合金相图l合金的结晶过程比纯金属复杂，常用合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图相图进行分析进行分析.l 相图相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解，程的
32、简明图解，又称又称状态图状态图或或平衡图平衡图。l 相图相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，化的规律，是制订熔炼、铸造及热处理等工艺的重要依据是制订熔炼、铸造及热处理等工艺的重要依据。l 根据组元数根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。分为二元相图、三元相图和多元相图。l 几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热热分析法分析法。l二元相图的建立步骤为：二元相图的建立步骤为：以以Cu-Ni合金为例合金为例l1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线配制不同成分的
33、合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。上的临界点（停歇点或转折点）。l2.将临界点标在温度将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。成分坐标中的成分垂线上。l3.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。母。l 相图中，结晶开始相图中，结晶开始点的连线叫点的连线叫液相线液相线。结。结晶终了点的连线叫晶终了点的连线叫固相固相线线。l 两组元在液态和固态下均无限互溶形成单一均匀固溶体时两组元在液态和固态下均无限互溶形成单一均匀固溶体时所构成的相图称二元匀晶相图。所构成的相图称二元匀晶相图。l以以Cu-Ni合金
34、为例进行分析。合金为例进行分析。1、匀晶相图、匀晶相图l 相图由两条线构成，上面是相图由两条线构成，上面是l液相线，下面是固相线。液相线，下面是固相线。l 相图被两条线分为三个相相图被两条线分为三个相l区，液相线以上为液相区区，液相线以上为液相区L，固，固l相线以下为相线以下为 固溶体区，两条线固溶体区，两条线l之间为两相共存的两相区（之间为两相共存的两相区（L+）。）。LL+成分成分（wt%Ni）温度温度（）CuNi液相线液相线固相线固相线ABl 合金的结晶过程合金的结晶过程l 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为合金为例说明。例说明。l 当
35、液态金属自高温当液态金属自高温冷却到冷却到 t1温度时，开始温度时，开始结晶出成分为结晶出成分为 1的固溶的固溶体，其体，其Ni含量高于合金含量高于合金平均成分。平均成分。L L+l 这种从液相中结晶出单一固相的转变称为这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变匀晶转变或或匀匀晶反应晶反应。l 随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，。同时，液液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。l 当合金冷却到当合金冷却到t3时，最后时，最后一滴一滴L3成分的液体也转变为固成分的液体也转变为固溶体，此时溶体，此时
36、固溶体的成分又变固溶体的成分又变回到合金成分回到合金成分 3上来上来。l 液固相线不仅是相区分界液固相线不仅是相区分界线线,也是结晶时两相的成分变也是结晶时两相的成分变化线化线；l 匀晶转变是变温转变匀晶转变是变温转变。l 杠杆定律杠杆定律l 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆杠杆定律定律求出两平衡相的相对重量。求出两平衡相的相对重量。l 确定两平衡相的成分：确定两平衡相的成分：l 设合金成分为设合金成分为x，过，过x做成做成分垂线。在成分垂线相当于温度分垂线。在成分垂线相当于温度t 的的o点作水点作水平线，其与
37、液固相线交点平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成即分别为液相和固相的成分。分。l 确定两平衡相的相对重量：确定两平衡相的相对重量：l 设合金的重量为设合金的重量为1，液相重量为液相重量为QL，固相重量为固相重量为Q,l 则则 QL+Q =1 QL x1+Q x2=x 解方程组得：解方程组得：12 tLLObaxx1x2ABobQaoQabaoxxxxQabobxxxxQLL.211212l 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定杠杆定律律。即。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各合金
38、在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。自相区距离较远的成分线段之比。l 在杠杆定律中，在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相是所求的两平衡相（或两组织组成物）（或两组织组成物）的成分。的成分。l 杠杆定律只适用于两相平衡区杠杆定律只适用于两相平衡区。l例题例题（如图）（如图）%5.61%10045.058.045.053.0 Q%5.38%10045.058.053.058.0 LQ 1L245%Ni58%Ni53%Ni L121300T0100%Cu100%Nil 枝晶偏析枝晶偏析l 合金的结晶只有
39、在缓慢冷却条件下才能得到合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素有较多的高熔点元素（如（如Cu-Ni合金中的合金中的Ni）,后后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如如Cu-Ni合合金中的金中的Cu)。l在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析枝晶偏析。l不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。不仅与冷速有关，
40、而且与液固相线的间距有关。l冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。l枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。l 生产上常将铸件加热到固相线以下生产上常将铸件加热到固相线以下 100-200 长时间保温，以使原子充长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火扩散退火。Cu-Ni合金的合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织l 当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶当
41、两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生并发生共共晶反应晶反应时所构成的相图称作时所构成的相图称作共晶相图共晶相图。（。（以以 Pb-Sn 相图为例进相图为例进行分析）行分析）l 相：相：相图中有相图中有L、三种相三种相,l 是溶质是溶质Sn 在在 Pb中的固溶体中的固溶体，l 是溶质是溶质Pb在在Sn中的固溶体中的固溶体。l 相区：相区：l三个单相区：三个单相区：L、；l三个两相区：三个两相区：L+、L+、+；l一个三相区：一个三相区：即水平线即水平线CED。ABl 固溶线固溶线:溶解度点的连线称溶解度点的连线称固溶线固溶线。相图中的相图中的CF、DG线分线分别为别为 Sn在在 Pb
42、中和中和 Pb在在 Sn中的固溶线。中的固溶线。l 液、固相线液、固相线:液相线液相线AEB，固相线固相线ACEDB。l A、B分别为分别为Pb、Sn的熔点。的熔点。ABl 和和 固溶体的溶解度随温度降低而下降。固溶体的溶解度随温度降低而下降。l 共晶线：共晶线：水平线水平线CED叫做叫做共晶线共晶线。l 在共晶线对应的温度下在共晶线对应的温度下(183)，E点成分的合金同时结晶出点成分的合金同时结晶出C点成分的点成分的 固溶体和固溶体和D点成分的点成分的 固溶体固溶体，形成，形成 这两个相的机械混合物：这两个相的机械混合物：LE (C+D)l共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶反应的产物
43、，即两相的机械混合物称共晶体共晶体或或共晶组织共晶组织。l发生共晶反应的温度称发生共晶反应的温度称共晶温度。共晶温度。l代表共晶温度和共晶成分的点称代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。共晶点。l具有共晶成分的合金具有共晶成分的合金称称共晶合金共晶合金。l共晶线上，共晶线上，凡成分位于共晶点凡成分位于共晶点l以左的合金以左的合金称称亚共晶合金亚共晶合金；位于共位于共l晶点以右的合金晶点以右的合金称称过共晶合金过共晶合金。l 凡具有共晶线成分的合金液体凡具有共晶线成分的合金液体 冷却到共晶温度时都将发生共晶反冷却到共晶温度时都将发生共晶反 应。应。l 在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成
44、分和在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变共晶转变或或共晶反应共晶反应。AB183 l 合金的结晶过程合金的结晶过程l 含含Sn量小于量小于C点合金点合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l 在在3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体固溶体,这种直接这种直接从液相中结晶出的固相称从液相中结晶出的固相称一次相一次相或或初生相初生相。.2l 温度降到温度降到3点以下，点以下，固溶体中固溶体中Sn过饱和，开始析出新过饱和，开始析出新相相 相。相。由已有固相析出的新固相由已有固相析出的新固相称称二
45、次相二次相或或次生相次生相。由。由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l 随温度下降，随温度下降，l 和和 相的成分分相的成分分l别沿别沿CF线和线和DG线线l变化。变化。l合金室温组织合金室温组织为为 +。l成分大于成分大于 D点合金结点合金结晶过程与晶过程与合金相似合金相似,室温组织为室温组织为 +。ABCDEFGl 共晶合金共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l液态合金冷却到液态合金冷却到E 点时点时,发生共晶反应：发生共晶反应：LE (C+D)。wt%Sn温度,119.2l 共晶结束后，随温度下降，共晶结束后，随温度下降，和和 的成分分别沿的成分分别沿CF线线和和DG线变化，
46、并从共晶线变化，并从共晶 中析出中析出 ，从共晶，从共晶 中析出中析出 ，由于共晶组织细由于共晶组织细,与共晶与共晶 结合，结合，与共晶与共晶 结合，共结合，共晶合金的室温组织仍为晶合金的室温组织仍为(+)共晶体。共晶体。层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织l 亚共晶合金亚共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l 合金液体在合金液体在2点以前为匀晶转变。点以前为匀晶转变。l 冷却到冷却到2点，固相成分变化到点，固相成分变化到C点，液相成分变化到点，液相成分变化到E点，点，在在2点，具有
47、点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：点成分的剩余液体发生共晶反应：L (+)，转变为共晶组织。转变为共晶组织。l 温度继续下降，将从一次温度继续下降，将从一次 和共晶和共晶 中析出中析出，从共晶，从共晶 中析出中析出。其室温组织为其室温组织为+(+)+。l 过共晶合金结晶过程过共晶合金结晶过程l与亚共晶合金相似与亚共晶合金相似,不同的是一不同的是一次相为次相为 ,二次相为二次相为。l室温组织为室温组织为+(+)+。l 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注l 组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。l 将组织组成物标注在相图中，可使所标
48、注的组织与显微镜下将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。观察到的组织一致。l 相与相之间的差别主要在结构和成分上。相与相之间的差别主要在结构和成分上。l 组织组成物之间的差别主组织组成物之间的差别主l要在形态上。如要在形态上。如 、和和l共晶共晶 的结构成分相同，属的结构成分相同，属l同一个相，但它们的形态不同一个相，但它们的形态不l同，分属不同组织组成物。同，分属不同组织组成物。组织组成物在组织组成物在相图上的标注相图上的标注l 当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图生包晶反应时
49、所构成的相图称作称作包晶相图包晶相图。l以以Pt-Ag相图为例简要分析：相图为例简要分析：L+L+L +l 相图分析相图分析l单相区：单相区：L、l二相区：二相区：L+、L+、+l三相区：三相区：L+（水平线（水平线PDC）在一定温度下，由一个液在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相包着一个固相生成另一新固相的反应称相的反应称包晶转变包晶转变或或包晶反包晶反应应。l 水平线水平线PDC称包晶线，与称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：下发生包晶反应：LC+P D。该反应是液相该反应是液相L包着固相包着固相,新新相相 在在 L 与与 的界面上
50、形核，的界面上形核，并向并向 L 和和 两个方向长大。两个方向长大。L+L+L +l 合金的结晶过程合金的结晶过程l 包晶成分合金：包晶成分合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出。二次析出。l室温组织：室温组织：+IIl PD成分成分合金合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出。二次析出。l室温组织：室温组织：+II+II时间温度l DC成分成分合金：合金：匀晶匀晶包晶包晶匀晶匀晶二次析出二次析出l室温组织：室温组织：+II。时间温度l最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:S P+Fe3C。(奥氏体，奥氏体，铁素体，铁素体，Fe3C渗碳体渗碳体)l4、共析相图共析相图
