1、第2章 金属材料组织和性能的控制,刘美红 教授 昆明理工大学机电工程学院 E-mail: 电话：13648861980,2.1纯金属的结晶,工程上使用的金属材料通常要经过液态和固态的加工过程。例如制作机器零件的钢材，要经过冶炼、注锭、轧制、锻造、机加工和热处理等工艺过程。生产上将金属的凝固叫做结晶。,金属材料冶炼后，浇注到锭模或铸模中，通过冷却，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。 固态金属处于晶体状态，因此金属从液态转变为固态（晶态）的过程称为结晶过程。 通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶，而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。,通
2、常的固态金属属于晶体材料，金属原子是规则排列，也叫长程有序。 液态金属中，金属原子作不规则运动。但在小范围内，原子会出现规则排列。这些小范围内的规则排列称短程有序。这种短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。,从本质上讲，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）到另一种原子规则排列状态（晶态）的转变叫金属的结晶。,一、纯金属结晶的条件 通过实验，测得液体金属在结晶时的温度-时间曲线称为冷却曲线。绝大多数纯金属（如铜、铝、银等）的冷却曲线如下图所示。,纯金属（纯铜）的冷却曲线,液态金属和固态金属的自由能-温度关系曲线,纯铜的冷却曲线中T0为纯铜的熔点(理论结晶温度), Tn为开始结晶温度。
3、 abc段 液态金属逐渐冷却, bc段 温度低于理论结晶温度, 这种现象称为过冷现象。理论结晶温度T0与开始结晶温度 Tn之差叫做过冷度, 用 T 表示。 T =T0- Tn 冷却速度越大, 则开始结晶温度越低, 过冷度也就越大。 cde段 正在结晶，金属液体和金属晶体共存。 de段 结晶时温度保持不变（恒温）。液态原子无序状态转变为有序状态时放出结晶潜热，保持结晶过程温度不变。在非常缓慢冷却的条件下，平台温度与理论结晶温度相差很小。 ef段 金属全部转变为固态晶体后, 固态金属逐渐冷却。,结晶条件： 自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。在一定温度条件下，
4、只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。,两条曲线交点所对应的温度T0即为理论结晶温度或熔点。液态金属要结晶，温度必须低于T0，也就是说要有一定的过冷度。此时金属在液态和固态之间存在一个自由能差（F ）。F 就是液态金属结晶的动力。,液态金属和固态金属的自由能-温度关系曲线,在一般情况下，金属在聚集状态的自由能随温度的提高而降低。由于液态金属中原子排列的规则性比固态金属中的差，所以液态金属和固态金属的自由能随温度变化的情况不同。 右图可以看出，液态的自由能变化曲线比固态的更陡，于是必然要相交。交点所对应的温度T0时，液态和固态的自由能相等，液态和固态可长期共
5、存，处于动平衡状态。高于T0时，液态比固态的自由能低，金属的液态处于稳定状态；低于T0时，金属的稳定状态为固态。T0即为理论结晶温度或熔点。,液态金属和固态金属的自由能-温度关系曲线,故：液态金属要结晶，温度必须低于T0，要有一定的过冷度。此时金属在液态和固态之间存在一个自由能差（F ）。F 就是液态金属结晶的动力。,二、纯金属的结晶过程 金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。1. 形核 液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。生成的核心叫做晶核。形核有两种方式。,金属结晶过程示意图,(1) 自发形核 在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有
6、序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。 由液态金属内部由金属原子自发形成的晶核叫自发晶核。,自发形核,(2) 非自发形核 实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。这种依附于杂质而形成的晶核叫做非自发晶核。,非自发形核,自发形核与非自发形核是同时存在的，在实际金属和合金中，非自发形核比自发形核更重要，往往起优先的、主导的地位。,2、晶体的长大 晶体的长大有两种方式: (1)平面长大 ，(2)树枝状长大 (1)平面长大 当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。 晶体长大时，
7、不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢，而非密排面的垂直方向上的长大速度较快。 平面长大的结果，晶体获得表面为密排面的规则形状。,平面长大的规则形状晶体,(2)树枝状长大 当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。 优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。 结晶后得到具有树枝状的晶体。,枝晶生长示意图,树枝状长大的树枝状晶体,实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。,二、同素异构转变 许多金属在固态下只有一种晶体结构。 如铝、铜
8、、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。 钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格。 有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式。 如铁、钴、钛等。 这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。 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。,纯铁的结晶过程,液态纯铁在1538进行结晶，得到具有体心立方晶格的-Fe。 继续冷却到1394时发生同素异构转变, 成为面心立方晶格的 -Fe。 再冷却到912时又发生一次同素异构转变, 成为体心立方晶格的- Fe。 -Fe（体心立方晶格） -Fe（面心立方晶格） - Fe（体心立方晶格） 以不同晶体结构存在的
9、同一种金属的晶体称为该金属的同素异晶体。上式中的 -Fe、 -Fe 、 - Fe 均是纯铁的同素异晶体。,金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。 在发生同素异构转变时金属也有过冷现象，也会放出潜热，并具有固定的转变温度。 新同素异构晶体的形成也包括形核和长大两个过程。 同素异构转变是在固态下进行，因此转变需要较大的过冷度。 由于晶格的变化导致金属的体积发生变化，转变时会产生较大的内应力。例如-Fe转变为-Fe时，铁的体积会膨胀约1。它可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形和开裂。 适当提高冷却速度，可以细化同素异构转变后的晶粒，从而提高金属的机械性能。（如正
10、火处理）,三、细化铸态金属晶粒的措施 金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。 一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。 晶粒大小可用晶粒度来表示，晶粒度号越大晶粒越细。,晶粒度表,对于纯金属，决定其性能的主要结构因素是晶粒大小。在一般情况下, 晶粒越小, 则金属的强度、塑性和韧性越好。 细晶强化：工程上使晶粒细化, 提高金属机械性能的方法。 细化铸态金属晶粒有以下措施 ： 增大金属的过冷度 变质处理 振动 电磁搅拌,成核速率、长大速度与过冷度的关系,增大金属的过冷度 一定体积的液态金属中,若成核速率N(单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3s)越大, 则结晶后的晶粒
11、越多, 晶粒就越细小; 晶体长大速度G(单位时间晶体长大的长度, m/s)越快, 则晶粒越粗。,成核速率、长大速度与过冷度的关系,随着过冷度的增加, 成核速率和长大速度均会增大。当过冷度超过一定值后，成核速率和长大速度都会下降。这是由于液体金属结晶时成核和长大，均需原子扩散才能进行。当温度太低时，原子扩散能力减弱，因而成核速率和长大速度都降低。 对于液体金属，一般不会得到如此大的过冷度，通常处于曲线的左边上升部分。所以, 随着过冷度的增大，成核速率和长大速度都增大，但前者的增大更快，因而比值N/G也增大, 结果使晶粒细化。,成核速率、长大速度与过冷度的关系,增大过冷度的主要办法是提高液态金属的
12、冷却速度, 采用冷却能力较强的模子。例如采用金属型铸模, 比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。 超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。 非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。,变质处理 变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。 变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。例如， 在铝合金液体中加入钛、锆； 钢水中加入钛、钒、铝， 铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，都可使晶粒细化。,振动 在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，
13、获得细小的晶粒。 电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。,四、铸锭的结构 1、铸锭结构: 铸锭分为三个各具特征的晶区,(1)细等轴晶区； (2)柱状晶区； (3)粗等轴晶区,（1）、细等轴晶区 液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。,(1)细等轴晶区； (2)柱状晶区； (3)粗等轴晶区,（2）柱状晶区 细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却
14、速度降低，过冷度减小， 生核速率降低，但此时长大速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。,(1)细等轴晶区； (2)柱状晶区； (3)粗等轴晶区,（3）粗等轴晶区 随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区。,(1)细等轴晶区； (2)柱状晶区； (3)粗等轴晶区,2、铸
15、锭晶粒形状的影响因素 柱状晶是由外往里顺序结晶的，晶质较致密。 对于熔点高和杂质多的金属，例如铁、镍及其合金，不希望生成柱状晶: 柱状晶的接触面由于常有非金属夹杂或低熔点杂质而为弱面，在热轧、锻造时容易开裂 对于熔点低，不含易熔杂质，塑性较好的金属，即使全部为柱状晶，也能顺利地进行热轧、热锻，所以铝、铜等有色金属及合金，反而希望铸锭得到柱状晶结构。,柱状晶的性能具有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向的强度较高。对于那些主要受单向载荷的机器零件，例如汽轮机叶片等，柱状晶结构是非常理想的。金属加热温度高，冷却速度大，铸造温度高和浇注速度大等，有利于在铸锭或铸件的截面上保持较大的温度梯度，获得较发达的柱
16、状晶。结晶时单向散热，有利于柱状晶的生成。 为了获得柱状晶结构，可采用定向结晶的方法。具有细长柱状晶的铝镍钴永磁合金即是用这种方法生产的。,等轴晶没有弱面，其晶枝彼此嵌入，结合较牢，性能均匀，无方向性，是一般情况下的金属特别是钢铁铸件所要求的结构。铸造温度低，冷却速度小等，有利于截面温度的均匀性，促进等轴晶的形成。 用机械振动、电磁搅拌等方法，可破坏柱状晶的形成，有利于等轴晶的形成。若冷却速度很快，可全部获得细小的等轴晶，砂型铸造往往得到较粗的等轴晶。,五、单晶的制取 单晶是电子元件和激光元件的重要原料。金属单晶也开始应用于某些特殊场合如喷气发动机叶片等。 根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液
17、体结晶时只存在一个晶核，要严格防止另外形核。 单晶可用下列两种方法制取： 尖端形核法制取单晶 垂直提拉法制取单晶,1. 尖端形核法制取单晶 将原料放入一个尖底的圆柱形坩埚中加热熔化, 然后让坩埚缓慢地向冷却区下降,底部尖端的液体首先达到过冷状态，开始形核。恰当控制各种因素，就可能形成一个晶核。随着坩埚的继续缓慢下降，晶体不断长大而获得单晶。,2、垂直提拉法制取单晶 先将坩埚中原料加热熔化，并使其温度保持在稍高于材料的熔点之上。将籽晶夹在籽晶杆上。然后让籽晶与熔体接触。将籽晶一面转动一面缓慢地拉出，即长成一个单晶。这种方法广泛地用于制取电子工业中应用的单晶硅。,单晶硅的制取,第三章 合金的相结构
18、与结晶,合金的结晶过程较为复杂, 通常运用合金相图来分析合金的结晶过程。 合金 两种或两种以上的金属，或金属与非金属, 通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。 如碳钢、铸铁是由铁和碳组成的合金 黄铜是由铜和锌组成的合金,几个基本概念,组元 组成合金的独立的、最基本的单元。 组成合金的元素，也可以是化合物。 可以是金属、非金属元素或稳定化合物。 Binary system: A-B（二元）Ternary system: A-B-C（三元） （多元） 如：碳钢的组元是铁和碳或者是铁和金属化合物Fe3C。二元合金 黄铜的组元是铜和锌二元合金,合金的应用比纯金属广泛得多。合金的强度、
19、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多；某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能。,组元间由于物理的和化学的相互作用，形成具有一定晶体结构和一定化学成分的相。 相 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。液态物质为液相，固态物质为固相。 固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。,合金的相结构,一、固溶体 固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。 固溶体用、等符号表示。 A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶
20、剂, B为溶质。 如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用表示, 亦可表示为Cu(Zn)。,1. 固溶体的分类 （1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分：置换固溶体与间隙固溶体两种。 置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子 间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。,间隙固溶体,置换固溶体,（2）按溶质原子在溶剂中的溶解度分 有限固溶体和无限固溶体两种。 若超过这个溶解度有其它相形成，则此种固溶体为有限固溶体。（常见） 若溶质可以任意比例溶入，即溶质溶解度可达100%，则固溶体为无限固溶体。 （不常见） 间隙固溶体一定是有限固溶体。 无限固溶体一定只能是置换固溶体。,（3）按溶质原子
21、在固溶体中分布是否有规律分 无序固溶体和有序固溶体两种。 溶质原子有规则分布的为有序固溶体； 溶质原子无规则分布的为无序固溶体。 在一定条件(如成分、温度等)下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。这种转变叫做有序化。,2. 固溶体的性能,固溶强化：固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。 溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，引起的晶格畸变也越大，强化效果越好。 固溶强化：通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的方法
22、。,固溶体的硬度、屈服强度和抗拉强度总是比组成它的纯金属的平均值高； 塑性韧性方面，如伸长率、断面收缩率和冲击吸收功等，固溶体要比组成它的两个纯金属的平均值低，但是比一般的金属化合物高得多。 固溶体具有比纯金属和金属化合物更为优越的综合力学性能。 各种金属材料总是以固溶体为基体相。,固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。,纯铜的b为220 MPa, 硬度为40 HB, 断面收缩率为70%。 当加入1%的镍形成单相固溶体后, 强度升高到390 MPa, 硬度升高到70 HB, 而断面收缩率仍有50%。,固溶体综合机械性能很好,
23、常作为结构合金的基体相。 与纯金属相比,固溶体物理性能有较大的变化, 如电阻率上升, 导电率下降, 磁矫顽力增大。,二、金属化合物,合金组元间相互作用，除可形成固溶体外，当超过固溶体的固溶度极限时，还可形成金属化合物，又称为中间相。 金属化合物：合金组元相互作用形成的晶体结构类型和性能完全不同于任一组元的新相, 或称中间相。可以用分子式来大致表示其组成。,金属化合物一般熔点较高, 硬度高, 脆性大。 合金中含有金属化合物时, 强度、硬度和耐磨性提高, 而塑性和韧性降低。 金属化合物种类 正常价化合物 电子化合物 间隙化合物,1、正常价化合物,正常价化合物 ：严格遵守化合价规律的化合物 由元素周
24、期表中相距较远、电负性相差较大的两元素组成，可用确定的化学式表示。例如，大多数金属和A族、族、A族元素生成Mg2Si、Mg2Sb3、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP及-SiC等, 皆为正常价化合物。 性能的特点是硬度高、脆性大。,2、电子化合物,电子化合物:不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度的化合物。电子浓度: 化合物中价电子数与原子数之比 它们由B族或过渡族元素与B族、A族、A族、A族元素所组成。 一定电子浓度的化合物相应有确定的晶体结构, 并且还可溶解其组元, 形成以电子化合物为基的固溶体。,Cu-Zn合金和Cu-Al合金中电子化合物及其结构类型,贡献的价电子数Au、Ag、Cu为1
25、个, Be、Mg、Zn为2个, Al为3个, Fe、Ni为0个。,电子化合物主要以金属键结合, 具有明显的金属特性, 可以导电。 熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属中为重要的强化相。,3. 间隙化合物,间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。 尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中。 根据结构特点，间隙化合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。,间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物。 间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度, 非常稳定。 合理
26、存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。,间隙相（VC),复杂结构的间隙化合物：当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。 钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C、FeB、Fe2B等都是这类化合物。 Fe3C是铁碳合金中的重要组成相, 具有复杂的斜方晶格。其中铁原子可以部分地被 锰、铬、钼、钨等金属原子所置换, 形成以间隙化合物为基的固溶体, 如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等。 具有很高的熔点和硬度, 但比间隙相稍低些, 在钢中也起强化相作用。,复杂结构的间隙化合物(Fe3
27、C),组织,一、组织的概念 将一小块金属材料用金相砂纸磨光后进行抛光, 然后用侵蚀剂侵蚀, 即获得一块金相样品。 在金相显微镜下观察，可以看到金属材料内部的由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成微观形貌称做显微组织(简称组织)。 金属材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成。组织是一个与相紧密相关的概念。 金属与合金中，由于形成条件的不同，可能形成不同的相，相的数量、形态及分布状态也可能不同，从而形成不同的组织。,相是组织的基本组成部分。 同样的相，当它们的形态及分布不同时，就会出现不同的组织，使材料表现不同的性能。 工业生产中，控制和改变合金的组织极为重要。,相 在金属或合金中，凡化
28、学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。,(a) 0.01%C 铁素体,纯铁室温平衡组织 500倍,(b) 0.45%C 铁素体+珠光体,45钢室温平衡组织 500倍,T8钢室温平衡组织 500倍,(c) 0.77%C 珠光体,T12钢室温平衡组织 500倍,(d) 1.2%C珠光体+二次渗碳体,例如, 图(a)为纯铁的室温平衡组织。这种组织叫铁素体，由颗粒状的单相相(也称铁素体相)组成。,二、影响组织的因素 金属材料的组织取决于它的化学成分和工艺过程。 不同碳含量的铁碳合金在平衡结晶后获得的室温组织不一样 。 金属材料的化学成分一定时, 工艺过程则是其组织的最重要的影响
29、因素。 纯铁经冷拔后, 等轴状铁素体晶粒变成拉长铁素体晶粒。 经球化退火后, 得到的组织为球状珠光体。室温平衡组织片状珠光体。,碳含量为0.77%的铁碳合金,三、组织与性能的关系:灰口铸铁(a)的组织为铁素体和片状石墨; (b)的组织为铁素体和团絮状石墨; (c)的组织为铁素体和球状石墨。,抗拉强度 冲击韧性 150 MPa (c) 350 MPa (b) 420 MPa (a),三、组织与性能的关系 纯铁经冷拔后,晶粒被拉长变形, 同时其内部位错密度等晶体缺陷增多, 其强度与硬度均比未变形前要高得多。 纯铁经变形度为80%的冷拔变形后, 其抗拉强度由冷拔前的180 MPa提高到500 MPa
30、。冷变形对纯铁的物理、化学性能也有较大的影响, 如导电性、耐蚀性降低。,三、组织与性能的关系 碳含量为0.77%的铁碳合金, 室温平衡组织中含有片状的Fe3C相, 其硬度高达800 HB。切削加工时, 车刀要不断切断Fe3C, 因此刀具的磨损很厉害。 球化退火后, Fe3C相变为分散的颗粒状, 切削时对刀具的磨损较小, 使切削性能得到提高。,二元合金相图的建立,相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。 合金在极其缓慢冷
31、却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。 在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分。因此二元合金相图可用温度成分坐标系的平面图来表示。,铜镍二元合金相图是一种最简单的基本相图。图中的每一点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。,例如， A点表示，Ni的质量分数为30%的铜镍合金在1200时处于液相L+固相的两相状态; B点表示, Ni的质量分数为60%的铜镍合金在1000 时处于单一固相状态。,要了解合金有较纯金属性能优良的原因，首先要了解各合金组元彼此相互作用形成哪些合金相，它们的化学成分及其晶体结构如何，然后再研究合金结晶后各组成相的形态、大小、数量和分布状况，即其组织
32、状态，并进一步探讨合金的化学成分、晶体结构、组织状态和性能之间的变化规律。掌握相同的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，并根据要求研制新的合金。 利用相图，可以一目了然地了解到不同成分的合金在不同温度下的平衡状态，它存在哪些相，相的成分及相对含量如何，以及在加热或冷却时，可能发生哪些转变等。 相图是研究金属材料的一个十分重要的工具。,组织是决定材料性能的一个极为重要的因素。而相是组成组织的基本组成部分。相的类型、数量、大小及分布状态的不同，会形成不同的组织。在条件相同的条件下，不同的组织使材料表现出不同的性能。 因此，在工业生产中，控制和改变合金的组织具有极为重要的意义。
33、 合金结晶后，既可获得单相的固熔体，也可获得单相的化合物，但更常见的是获得既有固熔体又有金属化合物的多相组织。组元不同，获得的固熔体和化合物的类型也不同，即使组元确定以后，结晶后所获得的相的性质、数目及其相对含量也随着合金成分和温度的变化而变化，即在不同的成分和温度下，合金将以不同的状态存在。相图,一、二元匀晶相图Binary Isomorphous Systems Isomorphous system（匀晶系）:the components of the system are completely (mutually) soluable in each other in both the l
34、iquid and solid states. 两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所形成的相图。 Examples: Cu-Ni, Ag-Au, Cr-Mo, Cd-Mg, Fe-Ni, Mo-W 结晶时都是从液相结晶出单相的固熔体。 注：几乎所有的二元合金相图都包含有匀晶转变部分。,匀晶相图合金的结晶过程,1. 发生匀晶反应的合金的结晶过程: 相图中aa1c 线为液相线, 该线以上合金处于液相; ac1c 为固相线, 该线以下合金处于固相。 液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点以及加热时熔化的终点和始点。,单相区 L为液相, 是Cu和Ni形成的液
35、溶体; 为固相, 是Cu和 Ni组成的无限固溶体。 双相区: L + 相区。Fe-Cr、Au-Ag合金也具有匀晶相图。,结晶过程：,以b点成分的合金( Ni含量为b%)为例分析结晶过程。 在1点温度以上, 合金为液相L。 缓慢冷却至12温度之间时, 合金发生匀晶反应: L, 从液相中逐渐结晶出 固溶体。 2点温度以下, 合金全部结晶为 固溶体, 其它成分合金的结晶过程也完全类似。,2. 匀晶结晶特点 (1) 生核与长大 与纯金属一样, 固溶体从液相中结晶出来的过程中, 也包括有生核与长大两个过程, 但固溶体更趋于呈树枝状长大。 (2) 变温结晶 固溶体结晶在一个温度区间内进行, 即为一个变温结
36、晶过程。,(3) 两相的成分确定 在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即Ni含量)是确定的。 确定相成分的方法是：,过指定温度T1作水平线, 分别交液相线和固相线于a1点、c1点, a1点、c1点成分轴上的投影点即相应为 L相和相的成分。 随着温度的下降, 液相成分沿液相线变化, 固相成分沿固相线变化。 到温度T2 时,L相成分及相成分分别为 a2和 c2点在成分轴上的投影。,T1,a1,c1,x1,x2,T2,x3,x4,a2,c2,(4) 两相的质量比一定 在两相区内, 温度一定时, 两相的质量比是一定的, 如在 T1温度时, 两相的质量比可用下式表达：或,这个式子与力学中的杠杆定律相
37、似, 因而亦被称作杠杆定律。由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合金中所占的相对质量（即质量分数）,T1,a1,c1,x1,x2,c2,b1,Phase Amounts (percentages or fractions) in equilibrium (重点及难点): Lever rule (杠杆定律): 杠杆定律是计算合金平衡组织中的组成相或组织组成物的质量分数的重要工具。应当熟练掌握和运用。 a mass balance calculation, analogous to mechanical one.Liquid mass fraction (in weight percentage)
38、 L,设合金的质量为Q合金=1, 其中 Ni质量分数为b%, 在 T1温度时,L相中的 Ni质量分数为a%,相中的Ni质量分数为c%。 则合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量+ 相中含Ni的质量. 即： Q合金bQLaQc因为 Q合金QLQ所以 （QLQ ）bQLaQc化简后得：,c-b为线段 bc的长度; b-a为线段 ab的长度。故得：或 这个式子与力学中的杠杆定律相似, 因而亦被称作杠杆定律。由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合金中所占的质量分数（即相对质量）分别为：运用杠杆定律时要注意, 它只适用于相图中的两相区, 并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点
39、, 而支点为合金的成分点。,(5) 容易产生枝晶偏析 由于固溶体结晶时成分变化，缓慢冷却时原子的扩散能充分进行, 形成的是成分均匀的固溶体。 如果冷却较快, 原子扩散不能充分进行, 则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多, 后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多。结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均。这种现象称为枝晶偏析。 枝晶偏析对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。 生产上为了消除其影响, 常把合金加热到高温(低于固相线100 左右), 并进行长时间保温, 使原子充分扩散, 获得成分均匀的固溶体, 这种处理称为扩散退火。,Cu-Ni合金枝晶偏析示意图,Noneq
40、uilibrium cooling 固溶体的凝固依赖于组元的扩散，要达到平衡凝固，必须有足够的时间使扩散进行充分。但在工业生产中，合金溶液浇涛后的冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡凝固。Let us begin cooling from a temperature of about 1300; This is indicated by point a in the liquid region. This liquid has a composition of L(35Ni), and no changes occur while cooling
41、 through the liquid phase region (moving down vertically from point a). At point b (approximately 1260), phase particles begin to form, which, from the tie line constructed, have a composition of(46Ni).,Schematic representation of the development of microstructure during the nonequilibrium solidific
42、ation of a 35%Ni65%Cu alloy.,There are some important consequences for isomorphous alloys that have solidified under nonequilibrium conditions. As discussed above, the distribution of the two elements within the grains is nonuniform, a phenomenon termed segregation(偏析) .A cored structure(晶内偏析组织)is f
43、ormed. 冷却较快, 原子扩散不能充分进行, 则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多, 后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多。 在一个晶粒内化学成分的分布不均称为枝晶偏析-coring。,Cu-Ni合金枝晶偏析示意图,枝晶偏析对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。 Coring(枝晶偏析)may be eliminated by a homogenization heat treatment(均匀化退火，扩散退火) carried out at a temperature below the solidus point for the particular al
44、loy composition. During this process, atomic diffusion occurs, which produces compositionally homogeneous grains. 为了消除其影响, 把合金加热到高温(低于固相线100 左右), 进行长时间保温, 原子充分扩散, 获得成分均匀的固溶体, 这种处理称为扩散退火。,二、二元共晶相图Binary Eutectic Systems,两组元在液态可相互无限互溶，而固态只能相互有限互溶，甚至完全不溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图，称为二元共晶相图。 Pb-Sn相图是一个典型的二元共晶相
45、图。具有该类相图的合金还有Al-Si， Pb-Sb，Pb-Bi，Ag-Cu等。 两组元的混合使合金的熔点比各组元低，因此，液相线从两端纯组元向中间凹下，两条液相线的交点所对应的温度称为共晶温度。在该温度下，液相通过共晶凝固同时结晶出两个固相，这样两相的混合物称为共晶组织或共晶体。,Three singlephase regions：, and liquid LThe phase is a solid solution rich in lead; it has tin as the solute component and an FCC crystal structure. The phase
46、solid solution also has an FCC structure, but lead is the solute. 相图中有三个单相区: L、 Pb与Sn形成的液相L相, Sn溶于Pb中的有限固溶体相, Pb溶于Sn中的有限固溶体相。 Three Two-phase regions: L+、L+、+ 相图中有三个两相区： L+、L+、+,liquid line(液相线): AE and BE solidus line(固相线): AM and NB solvus line(固溶度曲线): MF and NG MF为Sn在Pb中的溶解度曲线，也叫固溶度曲线；NG为Pb在Sn中的固
47、溶度曲线。 horizontal isotherm line MEN（三相共存线，水平线MEN）：L+ Point E is called an invariant pointeutectic point (共晶点) At the temperature of horizontal isotherm line, TE, there will be occurred Eutectic Reactions(共晶反应):,L (61.9 wt%Sn) (18.3wt%Sn)+ (97.8wt%Sn),183oC,eutectic temperature,Eutectic composition,eu
48、tectic structure (a mixture),LE （M+N） 在三相共存水平线所对应的温度下，成分相当于E点的液相（LE）同时结晶出与M点相对应的M和N点所对应的N两个相，形成两个固熔体的混合物。 这种在一定的温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的转变过程，叫做共晶反应。共晶转变的产物为两个固相的混合物，称为共晶组织。 所以相图中MEN水平线称为共晶线（ eutectic isotherm ）,E点称为共晶点（ eutectic point ）， E点对应的温度称为共晶温度（eutectic temperature）。,TE,共晶组织 eutectic struc
49、ture (a mixture),不同成分合金的平衡结晶过程,Alloy I: composition Sn18.3% (for example: Sn=10%) 下图为为w(Sn)=10的Pb-Sn合金平衡凝固过程示意图。,12点 发生匀晶结晶过程： 当合金I缓慢冷却至1点时，开始从液相中结晶出固熔体。随着温度的降低， 固熔体的数量不断增多，而液相的数量不断减少，它们的成分分别沿着固相线AM和液相线AE发生变化。冷却至2点温度时，结晶完毕，全部结晶成 单相 固溶体。（与匀晶系合金的结晶过程完全相同。） 23点 单相固熔体冷却， 固熔体不发生变化； 3点以下 Sn在 中的溶解度沿 MF线降低,温度降低, 固溶体的溶解度下降。多余的锡以固熔体的形式从固熔体中析出。 从固熔体中析出另一个固相的过程称为脱溶过程，也即过饱和固熔体的分解过程，也称为二次结晶，二次结晶析出的相称为次生相或二次相，次生的固熔体用II表示。,
