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1、工程材料学,第三章 材料的凝固与相图,纯金属的结晶 合金的相结构 合金的结晶与相图,第一节 纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal ),凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律 同素异晶(构)转变,一、 凝固与结晶的概念,1.凝固 ( coagulation ) 物质由液态转变成固态的过程。 凝结蒸发 凝固熔化 凝华升华,2.结晶 ( crystal ) *晶体物质由液态转变成固态的过程。,*物质中的原子由近程有序排列向远 程有序排列的过程。 意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才得到固态，固态下材料的组织
2、结构与从液态转变为固态的过程有关，从而也影响材料的性能。,3 凝固状态的影响因素,物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低，而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则。 熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻力，随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温度前，粘度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。 熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。金属
3、材料需要达到106/s才能获得非晶态。 在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。,二、 结晶的现象与规律,(一）.结晶的一般过程,微小 晶核,长大,晶体,液态结构 由X射线衍射对金属的径向分布密度函数的测定表明. 液体中原子间的平均距离比固体中略大； 液体中原子的配位数比密排结构晶体的配位数减小，通常在811的范围内。 上述两点均导致熔化时体积略为增加，但对非密排结构的晶体如 Sb，Bi，Ga，Ge等，则液态时配全数反而增大，故熔化时体积略为收缩。 除此以外，液态结构的最重要特征是原子排列为长程无序，短程有序 并且短程有序原子集团不是固定不变的，它是一种此消
4、彼长，瞬息万变，尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏，这有别于晶体的长程有序的稳定结构。,固态结构 原子间的平均距离比液体中略小； 密排六方晶体的原子配位数比液体大 原子排列为长程有序，短程有序 并且长程有序原子集团基本固定不变,结晶的过程 液体中形成核心 核心长大,(二）.结晶的过冷现象,1.纯金属结晶时的冷却曲线,2. 过冷现象与过冷度,过冷现象 ( supercooling ) 过冷度 ( degree of supercooling ) T = T0 Tn 过冷是结晶的必要条件。,(三）. 结晶的能量条件及结构条件,1.金属结晶的能量条件: G = U S T G 物体的自由能 U
5、物体的内能 S 熵 T 温度 K,G / T = S,-,T,G,Tn,To,TL,液相,固相,2.金属结晶的结构条件,近程有序结构,结构起伏,结晶,远程有序结构,(四）.结晶的一般规律,形核 长大,(四）.结晶的一般规律:,形核、长大。,1.晶核的形成,在一定的过冷度下,当G体G表时,晶核就形成。 晶核形成的形式: *自发形核 T = 200(纯净液体、均匀形核) *非自发形核 T = 20（依附未熔质点形核） 液态金属中总是存在不稳定的规则排列的微小原子集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。 过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核，不再融化，结晶开始。 过冷度越大，晶核就越多，形核
6、率越大，形核越快。,2.晶核的长大方式树枝状,2.晶核的长大方式树枝状,金属的树枝晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,3.影响晶核的形核率和 晶体长大率的因素,过冷度的影响,未熔杂质的影响,4、晶粒大小的概念,晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大小和形状并不全相同，这就是统计的含义，有多种来计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生产中用晶粒度，测定方法是在放大100倍下观察和标准的进行对比评级，18级(有更高的)，级别高的晶粒细。级别的定义为在放大100下，每平方英寸内1个晶粒时为一级，数量增加 倍提高一级。用于计算的定量描述还用平均截线长来表示。,1)过冷度的影响,在一般工业条件下
7、，急冷， T增大，N、G值增大，晶粒(crystal grain)越细，性能越好；缓冷，N、G值 减小，晶粒越粗，性能越差。,1)过冷度的影响,2)未熔杂质的影响,*自发形核 T = 200,*非自发形核 T = 20,(五）.细化晶粒的途径,提高冷却速度,晶粒细小,变质处理,机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。,晶粒度即晶粒大小，一般情况下，晶粒愈小，则金属的强度、塑性、韧性愈好，因此工程上细化晶粒是提高金属机械性能的最重要的途径之一,凝固体的结构,表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。
8、 柱状晶区 随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。 中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固店以下后，表层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大,纯铁的同素异晶( allomorph )转变反应式:,三 金属的同素异晶转变,纯铁的冷却曲线,1394,1534,912, - Fe, - Fe, - Fe,第二节 合金的相结构
9、 ( Phase Structure of Alloy ),基本概念 合金在固态下的相结构及性能,一 基本概念,合金 ( alloy ) 一种金属元素与若干种其它种元素结合成的具有金属特 性的物质。 组元 ( 元 ) ( element ) 组成合金的基本物质，可以是元素，也可以是化合物。 相 ( phase ) 合金中化学成分、晶体结构相同，且以界面相互分开的组 成部分。 显微组织 ( microscopic structure ),二 合金在固态下的相结构及性能,固溶体 (solid solution )合金中各组元在固态互相溶解形成的晶格与某组元相同的新相。该组元称溶剂，其它称溶质。 金
10、属化合物 ( metallic compound ) 机械混合物 ( mechanical impurity ),(一）.固溶体 ( solid solution ),溶剂A + 溶质B = C bcc fcc bcc,例如: Fe + C = F ( 铁素体 ) 体心 六方 体心 浓度： 溶质原子溶入固溶体 中的量。 溶解度：一定温度下的最大浓度，也称固溶度。,固溶体的结构特点,铁素体的晶体结构,一)固溶体的主要类型及形成条件,1.置换固溶体 ( substitution solid solution ) * 形成特征: R溶剂 R溶质,例如: Au - Cu,置换固溶体结构示意图,置换固溶
11、体的分类,无限固溶体,有限固溶体,无序固溶体,有序固溶体,有序固溶体结构示意图,2.间隙固溶体 ( interstitial solid solution ),* 形成的特征: R溶质 / R溶剂 0.59 例如: Fe - C,间隙固溶体结构示意图,二)固溶体的性能,固溶强化 ( solution strength ),晶格畸变 ( distortion of lattice ),溶质原子对晶格畸变影响示意图,(二）.金属化合物 ( intermetallic compound ),溶剂A + 溶质B = C bcc fcc cph,例如: 3Fe + C = Fe3C 体心 六方 复杂结构
12、,金属化合物的结构特点,具有原子整数倍关系,渗碳体( Fe3C )晶格结构示意图,一) 金属化合物的主要类型,1.正常价化合物( normal compounds ) 正常价化合物： 由元素周期表中相距较远的元素组成，符合化合价规律，如： Mg2Si, ZnS, 2.电子价化合物 ( electron compounds ) ：一般不符合化合价规律， 其晶体结构由电子浓度（价电子总数与原子总数之比）决定，如下表所例： 3.间隙化合物 ( interstitial compounds ),3.间隙化合物 ( interstitial compounds ),由过渡族金属元素（原子半径较大）与非金
13、属元素（原子半径较小）组成，非金属原子（C、N、B等）处于晶格间隙中。 间隙化合物的晶体结构不同于任一组元，如：VC (fcc 结构) Fe 3C (复杂晶格),二) 金属化合物的主要性能,具有一定程度的金属性质。 具有较高的熔点。 硬度较高。 脆性高。,(三）. 机械混合物 ( mechanical impurity ),机械混合物的结构特点,具有重量百分比的关系,溶剂A + 溶质B = C bcc fcc bcc + fcc,例如 88.5F + 11.5Fe3C = 100P 体心 复杂结构 体心 + 复杂,机械混合物的性能特点,取决于组元的相对数量。 取决于组成相的大小和形状。 具体数
14、值介于组元性能之间。,第三节 二元合金相图的建立 与结晶过程分析,一.基础知识 1.合金系 ( alloy series ) 2.平衡组织 ( statenchyma ) 3.相图 ( phase diagram ),二.相图的建立,热 分 析 法,二.相图的建立,a,b,ab : 液相线,ab : 固相线,L,L + S,S,L : 液相区,S : 固相区,L+S:液固共存区,杠杆定理,QS=(bcab) 100%,QL=(acab) 100%,QS + QL = 1 aQS + bQL = c,100C时,糖在水中的饱和度为 80%。,90C时,糖在水中的饱和度为 70%。 过饱和体的浓度为含糖量90%。,1.匀晶相图,2.共晶相图,温度,成分,100%A,100%B,L,SA,L + SA,SB,L + SB,2.共晶相图,SA+(SA+SB),SB +(SA+SB),Y,SA+SB,共晶相图的建立,共晶相图,SA+(SA+SB),SB +(SA+SB),Y,SA+SB,3.共析相图,SA+(SA+SB),SB +(SA+SB),Y,SA+SB,共析相图,4.包晶相图,相图与合金物理、力学性能之间的关系,合金的流动性、缩孔性质 与相图之间的关系,本章的作业,P 65 3. 4. 6. 9.10，11,欢迎进入第四章学习内容,
