第一章 金属与合金的晶体构造及其结晶过程PPT讲稿.ppt

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1、第一章第一章 金属与合金的晶体构造及其金属与合金的晶体构造及其结晶晶过程程第1页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU基本内容基本内容1 14 45 52 26 63 3金属与合金的晶体构造及其结晶过程金属与合金的晶体构造及其结晶过程铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图钢的热处理钢的热处理钢的热处理钢的热处理钢铁钢铁钢铁钢铁有色金属及其合金有色金属及其合金有色金属及其合金有色金属及其合金非金属材料非金属材料非金属材料非金属材料第2页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU第一篇 机械工程材料 第一章第一章金属与合金的晶体结构

2、及其结晶过程金属与合金的晶体结构及其结晶过程 第3页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU金属与合金的晶体构造及其结晶过程 基本概念基本概念v金属：金属：l合金：合金：由一种金属元素所组成。如由一种金属元素所组成。如Cu，Al，Mg，Zn由一种金属元素为主，加入其他金属由一种金属元素为主，加入其他金属（或非金属）元素所组成，例（或非金属）元素所组成，例FeC铁碳合金铁碳合金(钢、铸铁钢、铸铁)CuZn铜锌合金铜锌合金(黄铜黄铜)1 1第4页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 一、晶体与非晶

3、体一、晶体与非晶体1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。有固定熔点。长程有序，各向异性。有固定熔点。2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。长程无序，各向同性。无固定熔点。长程无序，各向同性。无固定熔点。3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。大多数无机化合物和有机化合物，甚

4、至植物纤维都是晶体。第5页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU金属晶体模型第6页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、晶格、晶胞、晶格常数二、晶格、晶胞、晶格常数名词术语晶体晶体非晶体非晶体晶格晶格晶胞晶胞晶格常数晶格常数原子呈有序排列原子呈有序排列原子呈无序排列原子呈无序排列描述原子排列规律的空间格子描述原子排列规律的空间格子组成晶格的最基本单元组成晶格的最基本单元晶胞的棱边长度晶胞的棱边长度将晶体中原子排列，假想成空间的几何格架将晶体中原子排列，假想成空间的几何格架第7页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院N

5、WPUNWPU第8页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、晶格、晶胞、晶格常数二、晶格、晶胞、晶格常数第9页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、晶格、晶胞、晶格常数二、晶格、晶胞、晶格常数 晶晶胞胞：空空间间点点阵阵中中能能代代表表原原子子排排列列规规律律的的最最小小的的几几何何单单元元称称之之为为晶晶胞胞，是是构构成成空空间间点阵的最基本单元。点阵的最基本单元。晶格常数晶格常数三三个个棱棱边边的的长长度度a,b,c及及其其夹角夹角,表示。表示。第10页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、

6、晶格、晶胞、晶格常数二、晶格、晶胞、晶格常数晶面晶面：晶格中原子所构成的平面。：晶格中原子所构成的平面。晶向晶向：原子所构成的方向。：原子所构成的方向。第11页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU三、金属中常见的三种晶格类型三、金属中常见的三种晶格类型l常见金属晶格类型常见金属晶格类型体心立方晶格体心立方晶格Mn，Mo，W，Cr，V，Fe，Fe等等第12页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU体心立方晶格体心立方晶格v体心立方晶格的晶胞中体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体八个原子处于立方体的角上的角上,一个原子处于立方体的中心

7、一个原子处于立方体的中心,角上八角上八个原子与中心原子紧靠。个原子与中心原子紧靠。v体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征：晶格常数：晶格常数：a=b=c,=90第13页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU体心立方晶格体心立方晶格 原子个数原子个数v每个晶胞实际占有的原子个数。每个晶胞实际占有的原子个数。（分析时要认真考虑每个原子的空间状况）（分析时要认真考虑每个原子的空间状况）v在体心立方晶胞中在体心立方晶胞中,每个角上的原子在晶格中同时属于每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为因而每个角上的原子属于一个晶胞仅

8、为1/8,而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为心立方晶胞所含的原子数为2个。个。第14页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU体心立方晶格体心立方晶格原子半径原子半径v晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线角线,所以原子半径与晶格常数所以原子半径与晶格常数a之间的关系之间的关系为：为：第15页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU体心立

9、方晶格体心立方晶格致密度致密度v晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度为致密度(也称密排系数也称密排系数)。致密度越大。致密度越大,原子排列紧密程原子排列紧密程度越大。度越大。v体心立方晶胞的致密度为：体心立方晶胞的致密度为：v晶胞晶胞(或晶格或晶格)中有中有68%的体积被原子所占据的体积被原子所占据,其余为其余为空隙。空隙。第16页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格Cu，Ag，Pb，Ni，Fe等等第17页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学

10、院机电学院NWPUNWPU面心立方晶格面心立方晶格v金属原子分布在立方体的八个角上和六个金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。的原子紧靠。v面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征：晶格常数：晶格常数：a=b=c,=90第18页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU面心立方晶格面心立方晶格 原子个数原子个数4原子半径原子半径致密度致密度0.74（74%）第19页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格Mg，Zn

11、，Be，Cd等等第20页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU密排六方晶格密排六方晶格v十二个金属原子分布在六方体的十二个角上十二个金属原子分布在六方体的十二个角上,在上下在上下底面的中心各分布一个原子底面的中心各分布一个原子,上下底面之间均匀分布上下底面之间均匀分布三个原子。三个原子。v密排六方晶胞的特征：密排六方晶胞的特征：晶格常数晶格常数：用底面正六边形的边长：用底面正六边形的边长a和两底面之间的和两底面之间的距离距离c来表达来表达,两相邻侧面之间的夹角为两相邻侧面之间的夹角为120,侧侧面与底面之间的夹角为面与底面之间的夹角为90。第21页，共72页，编辑

12、于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU密排六方晶格密排六方晶格 原子个数原子个数6原子半径原子半径致密度致密度0.74（74%）R=a/2第22页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU第二节第二节 金属的结晶金属的结晶 一、金属的冷却曲线和过冷现象一、金属的冷却曲线和过冷现象l金属的结晶金属的结晶n冷却曲线冷却曲线（热分析法）（热分析法）（液态金属转变为固态金属的过程液态金属转变为固态金属的过程）第23页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU一、金属的冷却曲线和过冷现象一、金属的冷却曲线和过冷现象Tm是理论结晶温度是理论

13、结晶温度T1是实际结晶温度是实际结晶温度T1不变不变T1Tm特点特点过冷度过冷度TT1-Tm冷却速度冷却速度T纯金属结晶纯金属结晶冷却曲线冷却曲线第24页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程l形核和长大形核和长大自发形核自发形核非自发形核非自发形核呈树枝状呈树枝状特点特点在一定时间内完成在一定时间内完成过程：局部过程：局部整体整体实质：实质：形核形核长大长大第25页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程晶核长大晶核长大沿着有利于散热的方向按树枝状方式生长。沿着有

14、利于散热的方向按树枝状方式生长。晶核晶核在理论结晶温度以下，液态中某些原子小集团自发地聚集成为在理论结晶温度以下，液态中某些原子小集团自发地聚集成为结晶核心。结晶核心。术术语语第26页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程l晶粒大小及其控制晶粒大小及其控制细晶强化的基本原理细晶强化的基本原理v形核形核，v长大长大细晶强化的方法细晶强化的方法-增大过冷度增大过冷度T(中、小型零件中、小型零件)形核率，形核率，v长大长大-变质处理变质处理形核率形核率-震动、搅拌结晶震动、搅拌结晶v长大长大，形核率形核率金属晶粒愈细小，力学性能愈好！

15、金属晶粒愈细小，力学性能愈好！第27页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU三、金属的同素异晶转变三、金属的同素异晶转变金属在固态下随温度不同而发生晶格类型的转变金属在固态下随温度不同而发生晶格类型的转变特点特点：转变发生于固态转变发生于固态在一定温度下进行在一定温度下进行晶格类型发生变化晶格类型发生变化 形核形核长大长大局部局部整体整体1538L(体心体心)912(体心体心)1394(面心面心)Fe FeFe第28页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU三、金属的同素异晶转变三、金属的同素异晶转变纯铁的同素异构转变曲线纯铁的同素异构

16、转变曲线第29页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU三、金属的同素异晶转变三、金属的同素异晶转变v金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜热。金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜热。v金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向。金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向。v金属的同素异晶转变往往伴随着体积的变化，因而容易金属的同素异晶转变往往伴随着体积的变化，因而容易在金属中引起较大的内应力。在金属中引起较大的内应力。v金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素进行多种热处理就

17、是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。异晶转变。第30页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构l单晶体与多晶体单晶体与多晶体第31页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构v如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称为单晶如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称为单晶体，也就是说单晶体是由一个晶粒组成的。单晶体只体，也就是说单晶体是由一个晶粒组成的。单晶体只有通过特殊的方法才能制取，如在电子行业中广泛使有通过特殊的方法才能制取，如在电子行业中广泛使

18、用的硅或锗单晶体。用的硅或锗单晶体。v实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体，每一个实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体，每一个单晶体称为一个晶粒，其边界称为晶界。单晶体称为一个晶粒，其边界称为晶界。v单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。第32页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构l晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷按其作用范围可分为：按其作用范围可分为：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上

19、尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。第33页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构点缺陷点缺陷 产生原因产生原因：由于原子热振动造成的。：由于原子热振动造成的。过饱和点缺陷过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。结构变化结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）引起收缩或膨胀。）性能变

20、化性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）力学性能（屈服强度提高。）：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）力学性能（屈服强度提高。）第34页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构点缺陷（空位和间隙原子）点缺陷（空位和间隙原子）第35页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构线缺陷（位错）线缺陷（位错）位错位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。最常见的：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。最常见的有刃型位错和螺型位错。有刃型位错和螺型

21、位错。研究位错的意义研究位错的意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。响。第36页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构第37页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构位错密度：位错密度：（1）单单位体位体积积中位中位错线错线的的总长总长度，度，L/V 式式中中：为为位位错错密密度度,单单位位为为m-2，

22、L 为为位位错错线线总总长度长度,单单位位为为m,V为为体体积积,单单位位为为m3。（2）晶体强度与位错密度的关系。）晶体强度与位错密度的关系。（3）位错观察：浸蚀法、电境法。）位错观察：浸蚀法、电境法。第38页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构 不锈钢中的位错线不锈钢中的位错线强度与位错密度的关系强度与位错密度的关系第39页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构面缺陷面缺陷 面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和面缺陷主要包括晶界

23、、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。物理化学性能具有重要影响。晶界晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。第40页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构亚晶界亚晶界：位向差小于：位向差小于1度的亚晶粒之间的边界，为位错结构。度的亚晶粒之间的边界，为位错结构。金金-镍合金的亚结构镍合金的亚结构第41页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU四、实际金属的晶体结构四、实际金属的晶体结构界面特性界面特性（1）界面能会引起界面吸附。界面

24、能会引起界面吸附。（2）界面上原子扩散速度较快。界面上原子扩散速度较快。（3）对位错运动有阻碍作用。对位错运动有阻碍作用。（4）易被氧化和腐蚀。易被氧化和腐蚀。（5）原子的混乱排列利于固态相变的形核。原子的混乱排列利于固态相变的形核。（6）熔点低。熔点低。第42页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU第三节第三节 合金的相结构和二元合金相图合金的相结构和二元合金相图 一、合金的相结构一、合金的相结构 合合金金：两两种种或或两两种种以以上上的的金金属属与与金金属属，或或金金属属与与非非金金属属经经一一定定方方法合成的具有金属特性的物质。法合成的具有金属特性的物质。组

25、组元元：组组成成合合金金最最基基本本的的物物质质。可可以以是是元元素素，也也可可以以是是化化合物。合物。（如一元、二元、三元合金（如一元、二元、三元合金 合合金金系系：给给定定合合金金以以不不同同的的比比例例而而合合成成的的一一系系列列不不同同成成分分合合金金的总称。如的总称。如Fe-CFe-C，Fe-CrFe-Cr等。等。相相：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。第43页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU一、合金的相结构一、合金的相结构组织组织：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。：由不同形态、大小

26、、数量和分布的相组成的综合体。如单相、两相、多相合金。如单相、两相、多相合金。金属及的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织。金属及的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织。第44页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU一、合金的相结构一、合金的相结构相的分类相的分类：合金中的相按结构可分为：合金中的相按结构可分为：固溶体和金属化合物固溶体和金属化合物。固溶体固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。：晶体结构与其某一组元相同的相。金属化合物金属化合物：组元之间形成的新相，：组元之间形成的新相，其结构不同于任何组元。其结构不同于任何组元。第45页，共72页

27、，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU一、合金的相结构一、合金的相结构l固溶体固溶体合金的组元在固态下能够相互溶解而形成单一、均匀的物质合金的组元在固态下能够相互溶解而形成单一、均匀的物质 v合合金金组组元元通通过过溶溶解解形形成成一一种种成成分分和和性性能能均均匀匀的的、且且结结构构与与组元之一相同的固相称为固溶体。组元之一相同的固相称为固溶体。v与与固固溶溶体体晶晶格格相相同同的的组组元元为为溶溶剂剂，一一般般在在合合金金中中含含量量较较多多；另另一一组组元为溶质，含量较少。元为溶质，含量较少。v固溶体用固溶体用、等符号表示。等符号表示。A A、B B组元组成的固溶体也

28、组元组成的固溶体也可表示为可表示为A(B),A(B),其中其中A A为溶剂为溶剂,B,B为溶质。例如铜锌合金中锌为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用溶入铜中形成的固溶体一般用表示表示,亦可表示为亦可表示为Cu(Zn)Cu(Zn)。第46页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU一、合金的相结构一、合金的相结构n置置换换固溶体固溶体溶质原子取代溶剂原子溶质原子取代溶剂原子n间间隙固溶体隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中第47页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU一、合金的相结构一、合金的相结构

29、间隙间隙固溶体固溶体置换固溶体置换固溶体特点特点，HB，(晶格畸变晶格畸变，强化效果，强化效果)晶格：与溶剂相同晶格：与溶剂相同性能：产生固溶强化性能：产生固溶强化(体心体心)(六方六方)(体心体心)FeCF第48页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU一、合金的相结构一、合金的相结构 溶质原子对晶格畸变影响示意图溶质原子对晶格畸变影响示意图第49页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU一、合金的相结构一、合金的相结构l金属化合物金属化合物合金各组元按一定整数比化合而成的固体物质合金各组元按一定整数比化合而成的固体物质 特点特点一般，

30、T熔，HB，晶格：与各组元不同晶格：与各组元不同性能：硬而脆性能：硬而脆(不同于各组元不同于各组元)FeCFe3C(体心体心)(六方六方)(复杂复杂)第50页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU一、合金的相结构一、合金的相结构 渗碳体渗碳体(Fe3C)晶格结构示意图晶格结构示意图第51页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU一、合金的相结构一、合金的相结构金属化合物的特性金属化合物的特性 力力学学性性能能：金金属属化化合合物物一一般般具具有有复复杂杂的的晶晶体体结结构构，熔熔点点高高，高高硬硬度度、低低塑塑性性，硬硬而而脆脆。当当合

31、合金金中中出出现现金金属属化化合合物物时时，通通常常能能提提高高合合金金的的强强度度、硬硬度度和和耐耐磨磨性性。金金属属化化合合物物是是工工具具钢钢、高高速速钢钢等钢中的重要组成相。等钢中的重要组成相。物物化化性性能能：具具有有电电学学、磁磁学学、声声学学性性质质等等，可可用用于于半半导导体体材材料料、形状记忆材料、储氢材料等。形状记忆材料、储氢材料等。第52页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU一、合金的相结构一、合金的相结构l机械混合物机械混合物各组元在固态下以混合的形式存在各组元在固态下以混合的形式存在 特点特点FFe3C P(体心体心)(六方六方)(体心

32、六方体心六方)晶格：晶格：保持各组元晶格类型保持各组元晶格类型性能：性能：取决于各组元的性能和数量比取决于各组元的性能和数量比形式：形式：固固+固、固固、固+化、固化、固+元素、化元素、化+化、元素化、元素+化、元素化、元素+元素等元素等第53页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图 合金相图是用来表示合金在不同成分、温度下的组织状态，合金相图是用来表示合金在不同成分、温度下的组织状态，以及它们之间相互关系的一种图形（亦称状态图或平衡图）以及它们之间相互关系的一种图形（亦称状态图或平衡图）是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和

33、是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理工艺等的重要工具。热处理工艺等的重要工具。第54页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图l二元合金相图的建立二元合金相图的建立v金相法金相法v膨胀法膨胀法v电阻法电阻法v热分析法（以热分析法（以Cu-Ni系相图为例）：系相图为例）：配制一系列成分不同的配制一系列成分不同的Cu-Ni合金；合金；测定上述合金的冷却曲线测定上述合金的冷却曲线找出各合金的临界点找出各合金的临界点以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将各临界点以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将各临界点连接起来即得到连接

34、起来即得到Cu-Ni合金相图合金相图第55页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图匀晶相图第56页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图l匀晶相图匀晶相图特点：液态、固态均无限互溶特点：液态、固态均无限互溶同类：同类：Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr等等AB温度abab:液相线液相线ab:固相线固相线LL+SSL:液相区液相区S:固相区固相区L+S:液固共存区液固共存区第57页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相

35、图二、二元合金相图L+v匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线结晶过程匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线结晶过程第58页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图v晶内偏析：一个晶粒内化学成分不均匀的现象晶内偏析：一个晶粒内化学成分不均匀的现象Cu-Ni合金的铸态组织示意图合金的铸态组织示意图偏析的存在，将使晶粒内部偏析的存在，将使晶粒内部性能不一致，影响合金的力性能不一致，影响合金的力学性能、抗蚀性及加工工艺学性能、抗蚀性及加工工艺性能。为了达到成分的均匀性能。为了达到成分的均匀化，必须加热到高温并保持化，必须加热到高温并保持相当一段时间，这种热

36、处理相当一段时间，这种热处理方法称为方法称为均匀化退火均匀化退火。第59页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图l共晶相图共晶相图v共晶相图：液态无限互溶，有共晶转变，形成共晶组织共晶相图：液态无限互溶，有共晶转变，形成共晶组织v相图分析：点、线、区相图分析：点、线、区v结晶过程：冷却曲线、组织转变结晶过程：冷却曲线、组织转变第60页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图相图分析：点、线、区相图分析：点、线、区v点：点：v线：线：v区：区：第61页，共72页，编辑于202

37、2年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图共晶相图：共晶、亚共晶、过共晶共晶相图：共晶、亚共晶、过共晶第62页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图结晶过程：共晶合金v冷却曲线冷却曲线v组织转变组织转变第63页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图结晶过程：亚共晶合金v冷却曲线冷却曲线v组织转变组织转变第64页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图结晶过程：过共晶合金v冷却曲线

38、冷却曲线v组织转变组织转变v思考题！第65页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图结晶过程：小于亚共晶成分合金(IV)v冷却曲线冷却曲线v组织转变组织转变第66页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图组织和相的关系第67页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU二、二元合金相图二、二元合金相图l共析相图共析相图cdeS1S2+S3第68页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU三、合金性能与相图的关系三、合金性能与相

39、图的关系HRC b第69页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU三、合金性能与相图的关系三、合金性能与相图的关系v由图可见，当合金形成单相固溶体时，随溶质溶入量的增由图可见，当合金形成单相固溶体时，随溶质溶入量的增加，合金的硬度、强度升高，而电导率降低，呈透镜形曲线加，合金的硬度、强度升高，而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在合金性能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。变化，在合金性能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。v当合金形成两相混合物时，其性能是两相性能值的算术平均值。当合金形成两相混合物时，其性能是两相性能值的算术平均值。随着成分的变化，合金的强度、硬

40、度、导电率等性能在两组成相随着成分的变化，合金的强度、硬度、导电率等性能在两组成相的性能间呈线性变化，对于共晶成分或共析成分的合金，其性能的性能间呈线性变化，对于共晶成分或共析成分的合金，其性能还与两组成相的致密程度有关，组织愈细，性能愈好。还与两组成相的致密程度有关，组织愈细，性能愈好。v当合金形成稳定化合物时，在化合物处性能出现极大值或极小当合金形成稳定化合物时，在化合物处性能出现极大值或极小值。值。第70页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU三、合金性能与相图的关系三、合金性能与相图的关系合金的流动性、缩孔性质与相图之间的关系合金的流动性、缩孔性质与相图之

41、间的关系铸造性能（包括流动性、铸造性能（包括流动性、缩孔分布、偏析大小）与缩孔分布、偏析大小）与相图中液相线和固相线之相图中液相线和固相线之间的距离密切相关。相图间的距离密切相关。相图中液相线与固相线的距离中液相线与固相线的距离愈宽，形成枝晶偏析的倾愈宽，形成枝晶偏析的倾向越大，同时先结晶出的向越大，同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，则流动性愈差，分流动，则流动性愈差，分散缩孔愈多。散缩孔愈多。第71页，共72页，编辑于2022年，星期二机电学院机电学院NWPUNWPU三、合金性能与相图的关系三、合金性能与相图的关系v固溶体中溶质含量越高，铸造性能愈差；固溶体中溶

42、质含量越高，铸造性能愈差；v共晶成分的合金铸造性能最好，即流动性好，分散缩共晶成分的合金铸造性能最好，即流动性好，分散缩孔少，偏析程度小，所以铸造合金的成分常选共晶成孔少，偏析程度小，所以铸造合金的成分常选共晶成分或接近共晶成分。分或接近共晶成分。v压力加工性能好的合金是单相固溶体。因为固溶体压力加工性能好的合金是单相固溶体。因为固溶体的塑性变形能力大，变形均匀；而两相混合物的塑的塑性变形能力大，变形均匀；而两相混合物的塑性变形能力差。性变形能力差。v相图中的单相合金不能进行热处理，只有相图中存在同相图中的单相合金不能进行热处理，只有相图中存在同素异构转变、共析转变、固溶度变化的合金才能进行热素异构转变、共析转变、固溶度变化的合金才能进行热处理。处理。合金的性能与相图的关系小结合金的性能与相图的关系小结第72页，共72页，编辑于2022年，星期二