金属材料组织与性能的控制概述课件.ppt

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1、l l时间：时间：时间：时间：3 3 3 3月月月月23232323日（日（日（日（星期三上午星期三上午星期三上午星期三上午1 1 1 1、2 2 2 2节节节节）l l地点：教学地点：教学地点：教学地点：教学B B B B楼东地下室楼东地下室楼东地下室楼东地下室（靠近操场）（靠近操场）（靠近操场）（靠近操场）实验一实验一实验一实验一金相试样的金相试样的制备制备及其显微组织及其显微组织观察观察基本概念基本概念基本概念基本概念l l结结结结晶晶晶晶，一一一一次次次次结结结结晶晶晶晶，重重重重结结结结晶晶晶晶（二二二二次次次次结结结结晶晶晶晶，同同同同素素素素异异异异构构构构转转转转变）变）变）变

2、）l l理论结晶温度，实际结晶温度理论结晶温度，实际结晶温度理论结晶温度，实际结晶温度理论结晶温度，实际结晶温度l l过冷、过冷度过冷、过冷度过冷、过冷度过冷、过冷度 影响过冷度的因素：影响过冷度的因素：影响过冷度的因素：影响过冷度的因素：冷却速度冷却速度冷却速度冷却速度、金属本性、金属本性、金属本性、金属本性改变改变改变改变熔体的熔体的熔体的熔体的过冷度过冷度过冷度过冷度即即即即可改变相变驱动力可改变相变驱动力可改变相变驱动力可改变相变驱动力，控制控制控制控制结晶过程的进行。结晶过程的进行。结晶过程的进行。结晶过程的进行。结晶过程：结晶过程：结晶过程：结晶过程：形核、长大形核、长大形核、长大

3、形核、长大金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制纯金属的结晶纯金属的结晶l同素异构转变（同素异构转变（同素异构转变（同素异构转变（重结晶重结晶重结晶重结晶）金金金金属属属属在在在在固固固固态态态态下下下下随随随随温温温温度度度度的的的的改改改改变变变变，由由由由一一一一种种种种晶晶晶晶格格格格转转转转变变变变为另一种晶格的现象；为另一种晶格的现象；为另一种晶格的现象；为另一种晶格的现象；如：铁、钴、钛如：铁、钴、钛如：铁、钴、钛如：铁、钴、钛l同素异构晶体同素异构晶体同素异构晶体同素异构晶体 同同同同属属属属于于于于一一一一种种种种金金金金属属属属，但但但但具具具具有有有有不不不不同

4、同同同晶晶晶晶体体体体结结结结构构构构的的的的晶晶晶晶体；体；体；体；如如如如 FeFe、FeFe、FeFeFeFe纯金属的结晶纯金属的结晶同素异构转变同素异构转变金金属属的的同同素素异异构构转转变变-Fe -Fe -Fe1394 912 纯金属的结晶同素异构转变纯金属的结晶同素异构转变纯金属的结晶同素异构转变纯金属的结晶同素异构转变固态相变的晶界形核l同素异构转变的同素异构转变的同素异构转变的同素异构转变的特点特点特点特点l有过冷现象，有有过冷现象，有有过冷现象，有有过冷现象，有固定固定固定固定的转变温度的转变温度的转变温度的转变温度l新晶体的形成也包括新晶体的形成也包括新晶体的形成也包括新

5、晶体的形成也包括形核形核形核形核和和和和长大长大长大长大两个过程；两个过程；两个过程；两个过程；l要要要要较大的过冷度较大的过冷度较大的过冷度较大的过冷度；l转变时引起体积发生变化，产生较大的内应力转变时引起体积发生变化，产生较大的内应力转变时引起体积发生变化，产生较大的内应力转变时引起体积发生变化，产生较大的内应力纯金属的结晶同素异构转变纯金属的结晶同素异构转变l铸锭结构铸锭结构 铸锭结构铸锭结构铸锭结构铸锭结构不均匀不均匀不均匀不均匀;主要分三个主要分三个主要分三个主要分三个典型晶区典型晶区典型晶区典型晶区：l细等轴晶区细等轴晶区细等轴晶区细等轴晶区 在在在在金金金金属属属属的的的的表表表

6、表层层层层形形形形成成成成的的的的一一一一层层层层厚厚厚厚度度度度不不不不大大大大、晶晶晶晶粒粒粒粒很很很很细细细细、三维方向三维方向三维方向三维方向尺寸相近尺寸相近尺寸相近尺寸相近的区域；的区域；的区域；的区域；原原原原因因因因：由由由由于于于于外外外外层层层层金金金金属属属属的的的的过过过过冷冷冷冷度度度度大大大大，模模模模壁壁壁壁具具具具有有有有自自自自发发发发形核的作用，因而导致生成的晶核多；形核的作用，因而导致生成的晶核多；形核的作用，因而导致生成的晶核多；形核的作用，因而导致生成的晶核多；纯金属的结晶铸锭的结构纯金属的结晶铸锭的结构柱状晶区柱状晶区柱状晶区柱状晶区 表层细晶粒层形成

7、后，铸锭的冷却速度下降，表层细晶粒层形成后，铸锭的冷却速度下降，表层细晶粒层形成后，铸锭的冷却速度下降，表层细晶粒层形成后，铸锭的冷却速度下降，晶核的形成速率不如成长率大，各晶粒成长较晶核的形成速率不如成长率大，各晶粒成长较晶核的形成速率不如成长率大，各晶粒成长较晶核的形成速率不如成长率大，各晶粒成长较快。由于沿垂直于模壁方向散热较快，故晶粒快。由于沿垂直于模壁方向散热较快，故晶粒快。由于沿垂直于模壁方向散热较快，故晶粒快。由于沿垂直于模壁方向散热较快，故晶粒编沿这一方向长大，形成柱状晶粒层。编沿这一方向长大，形成柱状晶粒层。编沿这一方向长大，形成柱状晶粒层。编沿这一方向长大，形成柱状晶粒层。

8、纯金属的结晶铸锭的结构纯金属的结晶铸锭的结构柱状晶区柱状晶区柱状晶区柱状晶区 尽管柱状晶尽管柱状晶尽管柱状晶尽管柱状晶晶质致密晶质致密晶质致密晶质致密，但在柱状晶的，但在柱状晶的，但在柱状晶的，但在柱状晶的接触面接触面接触面接触面由于杂质的存在而成为由于杂质的存在而成为由于杂质的存在而成为由于杂质的存在而成为弱面弱面弱面弱面，在热轧、锻造时，在热轧、锻造时，在热轧、锻造时，在热轧、锻造时容易开裂。容易开裂。容易开裂。容易开裂。对对对对高熔点和杂质多的金属高熔点和杂质多的金属高熔点和杂质多的金属高熔点和杂质多的金属（如铁、镍及其（如铁、镍及其（如铁、镍及其（如铁、镍及其合金），应合金），应合金）

9、，应合金），应控制控制控制控制柱状晶的生成；柱状晶的生成；柱状晶的生成；柱状晶的生成；柱状晶的性能具有方向性，沿其长轴方向强柱状晶的性能具有方向性，沿其长轴方向强柱状晶的性能具有方向性，沿其长轴方向强柱状晶的性能具有方向性，沿其长轴方向强度较高。对于承受单向载荷的构件，可采用柱度较高。对于承受单向载荷的构件，可采用柱度较高。对于承受单向载荷的构件，可采用柱度较高。对于承受单向载荷的构件，可采用柱状晶结构；状晶结构；状晶结构；状晶结构；纯金属的结晶铸锭的结构纯金属的结晶铸锭的结构粗等轴晶区粗等轴晶区粗等轴晶区粗等轴晶区 随随随随着着着着柱柱柱柱状状状状晶晶晶晶区区区区的的的的发发发发展展展展，过

10、过过过冷冷冷冷度度度度大大大大大大大大减减减减小小小小，温温温温度度度度趋趋趋趋于于于于均均均均匀匀匀匀化化化化，同同同同时时时时散散散散热热热热的的的的方方方方向向向向性性性性已已已已不不不不明明明明显显显显，内内内内部部部部液液液液体体体体处处处处于于于于均均均均匀匀匀匀冷冷冷冷却却却却状状状状态态态态，晶晶晶晶核核核核在在在在不不不不同同同同方方方方向向向向的的的的成成成成长长长长速速速速度度度度相相相相同同同同，因因因因此此此此在在在在铸铸铸铸锭锭锭锭的的的的中中中中心心心心便便便便形形形形成成成成粗粗粗粗大大大大的的的的等轴晶粒区等轴晶粒区等轴晶粒区等轴晶粒区。注意：注意：注意：注意

11、：等轴晶没有弱面，性能均匀，无方向性等轴晶没有弱面，性能均匀，无方向性等轴晶没有弱面，性能均匀，无方向性等轴晶没有弱面，性能均匀，无方向性.纯金属的结晶铸锭的结构纯金属的结晶铸锭的结构金属铸锭的组织金属铸锭的组织1 1细晶区细晶区 2 2柱状晶区柱状晶区 3 3中心等轴晶区中心等轴晶区l表表面面细细晶晶粒粒层层：综综合合性性能好能好l柱状晶粒层：柱状晶粒层：各向异性各向异性l中心粗大等轴晶粒层：中心粗大等轴晶粒层：高温性能好高温性能好l影响影响铸锭铸锭晶粒形状晶粒形状的的因素因素l在在在在铸铸铸铸锭锭锭锭上上上上保保保保持持持持较较较较大大大大的的的的温温温温度度度度梯梯梯梯度度度度（如如如如

12、加加加加热热热热温温温温度度度度高高高高，冷冷冷冷却却却却速速速速度度度度大大大大，铸铸铸铸造造造造温温温温度度度度高高高高，浇浇浇浇注注注注速速速速度度度度大大大大），可可可可获获获获得得得得较较较较发发发发达达达达的的的的柱柱柱柱状状状状晶晶晶晶；结结结结晶晶晶晶时时时时单单单单向向向向散散散散热热热热，也也也也有有有有利于柱状晶的形成；利于柱状晶的形成；利于柱状晶的形成；利于柱状晶的形成；l保保保保证证证证铸铸铸铸件件件件截截截截面面面面温温温温度度度度的的的的均均均均匀匀匀匀性性性性（如如如如铸铸铸铸造造造造温温温温度度度度低低低低，冷却速度小等）能够促进等轴晶的形成；冷却速度小等）能

13、够促进等轴晶的形成；冷却速度小等）能够促进等轴晶的形成；冷却速度小等）能够促进等轴晶的形成；此此此此外外外外，通通通通过过过过机机机机械械械械振振振振动动动动、电电电电磁磁磁磁搅搅搅搅拌拌拌拌等等等等方方方方法法法法可可可可破破破破坏柱状晶，有利于等轴晶的形成；坏柱状晶，有利于等轴晶的形成；坏柱状晶，有利于等轴晶的形成；坏柱状晶，有利于等轴晶的形成；纯金属的结晶铸锭的结构纯金属的结晶铸锭的结构 铸造缺陷主要有：缩孔、疏松、气孔铸造缺陷主要有：缩孔、疏松、气孔铸造缺陷主要有：缩孔、疏松、气孔铸造缺陷主要有：缩孔、疏松、气孔l缩孔缩孔缩孔缩孔 由液体凝固时由液体凝固时由液体凝固时由液体凝固时体积收

14、缩体积收缩体积收缩体积收缩造成的。如果最后凝固造成的。如果最后凝固造成的。如果最后凝固造成的。如果最后凝固的地方液体得不到补充，即可形成缩孔；的地方液体得不到补充，即可形成缩孔；的地方液体得不到补充，即可形成缩孔；的地方液体得不到补充，即可形成缩孔；l疏松（分散缩孔）疏松（分散缩孔）疏松（分散缩孔）疏松（分散缩孔）结晶时不能保证液体的补给，在枝晶间和枝晶内结晶时不能保证液体的补给，在枝晶间和枝晶内结晶时不能保证液体的补给，在枝晶间和枝晶内结晶时不能保证液体的补给，在枝晶间和枝晶内形成的细小分散的缩孔。形成的细小分散的缩孔。形成的细小分散的缩孔。形成的细小分散的缩孔。在热轧过程中疏松可以闭合在热

15、轧过程中疏松可以闭合在热轧过程中疏松可以闭合在热轧过程中疏松可以闭合纯金属的结晶铸锭的缺陷纯金属的结晶铸锭的缺陷气孔气孔 气气体体来来不不及及逸逸出出，留留在在金金属属内内部部，形成气孔；形成气孔；轧轧制制中中气气孔孔可可引引起起裂裂纹纹等等缺缺陷陷，故应严格控制。故应严格控制。纯金属的结晶铸锭的缺陷纯金属的结晶铸锭的缺陷l工程应用：工程应用：l细化铸铁金属晶粒细化铸铁金属晶粒l定向结晶定向结晶l制取单晶制取单晶纯金属的结晶结晶理论的工程应用纯金属的结晶结晶理论的工程应用细化晶粒细化晶粒基本定义基本定义 晶粒度晶粒度晶粒度晶粒度:用于描述晶粒大小的参数用于描述晶粒大小的参数用于描述晶粒大小的参

16、数用于描述晶粒大小的参数;常用的常用的常用的常用的表示方法表示方法表示方法表示方法：单位体积的晶粒数目（：单位体积的晶粒数目（：单位体积的晶粒数目（：单位体积的晶粒数目（ZVZV）；）；）；）；或单位面积内的晶粒数目（或单位面积内的晶粒数目（或单位面积内的晶粒数目（或单位面积内的晶粒数目（ZSZS）或晶粒的平均）或晶粒的平均）或晶粒的平均）或晶粒的平均线长度（或直径）表示线长度（或直径）表示线长度（或直径）表示线长度（或直径）表示;纯金属的结晶结晶理论的工程应用纯金属的结晶结晶理论的工程应用 工业生产上采用工业生产上采用晶粒度等级晶粒度等级来表示晶来表示晶粒大小。标准晶粒度共分粒大小。标准晶粒

17、度共分8 8级，级，1-41-4级为粗级为粗晶粒，晶粒，5-85-8级为细晶粒。级为细晶粒。一般晶粒度越大，也就是越细越好，一般晶粒度越大，也就是越细越好，其原因主要为以下两条：其原因主要为以下两条：纯金属的结晶结晶理论的工程应用纯金属的结晶结晶理论的工程应用 晶粒粗细决定了晶界面积的大小。晶粒粗细决定了晶界面积的大小。晶晶晶晶粒粒粒粒细细细细小小小小，金金金金属属属属材材材材料料料料总总总总晶晶晶晶界界界界面面面面积积积积增增增增加加加加。晶晶晶晶粒粒粒粒愈愈愈愈细细细细，晶晶晶晶界界界界愈愈愈愈多多多多，位位位位错错错错运运运运动动动动困困困困难难难难，则则则则金金金金属属属属材材材材料料

18、料料的强度和硬度显著提高。的强度和硬度显著提高。的强度和硬度显著提高。的强度和硬度显著提高。纯金属的结晶结晶理论的工程应用纯金属的结晶结晶理论的工程应用l 当当当当晶晶晶晶粒粒粒粒细细细细小小小小时时时时，同同同同一一一一位位位位向向向向的的的的晶晶晶晶粒粒粒粒数数数数目目目目增增增增加加加加，在在在在外外外外力力力力作作作作用用用用下下下下，变变变变形形形形的的的的晶晶晶晶粒粒粒粒也也也也多多多多，可可可可使使使使应应应应力力力力分分分分散散散散，变变变变形形形形均均均均匀匀匀匀，并并并并使使使使得得得得金金金金属属属属具具具具有有有有较较较较好好好好的的的的塑塑塑塑性性性性和和和和韧韧韧韧

19、性性性性，所所所所以以以以晶晶晶晶粒粒粒粒细细细细化化化化不不不不仅仅仅仅是是是是提提提提高高高高金金金金属属属属强强强强度度度度、硬硬硬硬度度度度，而而而而又又又又是是是是提提提提高高高高塑塑塑塑性性性性和和和和韧韧韧韧性性性性的的的的重重重重要要要要途途途途径径径径。纯金属的结晶结晶理论的工程应用纯金属的结晶结晶理论的工程应用纯铁晶粒度与力学性能的关系纯铁晶粒度与力学性能的关系晶粒度晶粒度(晶粒数晶粒数/mm2)b(N/mm2)s(N/mm2)()6.32374635.3512747044.819429410847.54 金属的结晶细晶强化细晶强化细晶强化细晶强化：通通通通过过过过细细细细

20、化化化化晶晶晶晶粒粒粒粒的的的的方方方方法法法法，提提提提高高高高材材材材料料料料的的的的强强强强度度度度、塑塑塑塑性性性性和和和和韧韧韧韧性等机械性能，这是一种性等机械性能，这是一种性等机械性能，这是一种性等机械性能，这是一种重要的材料强化途径重要的材料强化途径重要的材料强化途径重要的材料强化途径。措施措施：l增大金属的过冷度增大金属的过冷度增大金属的过冷度增大金属的过冷度 主要取决于液态金属的主要取决于液态金属的主要取决于液态金属的主要取决于液态金属的冷却速度冷却速度冷却速度冷却速度。通通通通过过过过采采采采用用用用冷冷冷冷却却却却能能能能力力力力强强强强的的的的模模模模子子子子，提提提提

21、高高高高液液液液体体体体金金金金属属属属冷冷冷冷却却却却速速速速度度度度：采采采采用用用用金金金金属属属属型型型型铸铸铸铸造造造造，增增增增大大大大铸铸铸铸件件件件的的的的冷冷冷冷却却却却速速速速度度度度。铸铸铸铸件件件件壁壁壁壁厚厚厚厚设设设设计计计计适适适适当当当当，薄薄薄薄壁壁壁壁铸铸铸铸件件件件可可可可提提提提高高高高冷冷冷冷却却却却速速速速度度度度，细细细细化化化化晶晶晶晶粒。粒。粒。粒。纯金属的结晶结晶理论的工程应用纯金属的结晶结晶理论的工程应用l过冷度的影响 过过过过冷冷冷冷度度度度增增增增大大大大，FFFF大大大大，结结结结晶晶晶晶驱驱驱驱动动动动力力力力大大大大，形形形形核核

22、核核率率率率和和和和长长长长大大大大速速速速度度度度都都都都大大大大，且且且且N N N N的的的的增增增增加加加加比比比比G G G G增增增增加加加加得得得得快快快快，提提提提高高高高了了了了N N N N与与与与G G G G的比值，晶粒变细。的比值，晶粒变细。的比值，晶粒变细。的比值，晶粒变细。l金属在结晶后的晶粒粗细与（金属在结晶后的晶粒粗细与（金属在结晶后的晶粒粗细与（金属在结晶后的晶粒粗细与（N/GN/G）有关）有关）有关）有关（N/GN/G）越大）越大）越大）越大 晶粒越细晶粒越细晶粒越细晶粒越细（N/GN/G）越小）越小）越小）越小 晶粒越粗晶粒越粗晶粒越粗晶粒越粗 纯金属的

23、结晶结晶理论的工程应用纯金属的结晶结晶理论的工程应用 但但但但过过过过冷冷冷冷度度度度过过过过大大大大，对对对对晶晶晶晶粒粒粒粒细细细细化化化化不不不不利利利利，结结结结晶晶晶晶发发发发生生生生困困困困难。难。难。难。不不不不仅仅仅仅如如如如此此此此，过过过过冷冷冷冷度度度度过过过过大大大大导导导导致致致致冷冷冷冷却却却却速速速速度度度度过过过过大大大大，会会会会使使使使金金金金属属属属中中中中内内内内应应应应力力力力增增增增大大大大，造造造造成成成成铸铸铸铸件件件件的的的的变变变变形形形形和和和和裂裂裂裂纹纹纹纹等等等等缺陷，生产中常采用其他细化晶粒的方法。缺陷，生产中常采用其他细化晶粒的方

24、法。缺陷，生产中常采用其他细化晶粒的方法。缺陷，生产中常采用其他细化晶粒的方法。纯金属的结晶结晶理论的工程应用纯金属的结晶结晶理论的工程应用措施：措施：l变质处理变质处理（工程上常用）（工程上常用）在在在在液液液液体体体体金金金金属属属属中中中中加加加加入入入入孕孕孕孕育育育育剂剂剂剂或或或或变变变变质质质质剂剂剂剂，增增增增加加加加非非非非自自自自发发发发形形形形核核核核的的的的数数数数量量量量或或或或者者者者阻阻阻阻碍碍碍碍晶晶晶晶核核核核长长长长大大大大，以以以以细细细细化化化化晶晶晶晶粒和改善组织。粒和改善组织。粒和改善组织。粒和改善组织。如如如如在在在在钢钢钢钢水水水水中中中中加加加

25、加入入入入钛钛钛钛、钒钒钒钒、铝铝铝铝等等等等可可可可增增增增加加加加形形形形核核核核数数数数量，细化晶粒。量，细化晶粒。量，细化晶粒。量，细化晶粒。纯金属的结晶结晶理论的工程应用纯金属的结晶结晶理论的工程应用纯金属的结晶结晶理论的工程应用 此外还可加入某些合金元素或盐类，可以降低此外还可加入某些合金元素或盐类，可以降低此外还可加入某些合金元素或盐类，可以降低此外还可加入某些合金元素或盐类，可以降低固相界面的表面能或附着在晶体的结晶前缘，固相界面的表面能或附着在晶体的结晶前缘，固相界面的表面能或附着在晶体的结晶前缘，固相界面的表面能或附着在晶体的结晶前缘，阻碍阻碍阻碍阻碍晶粒长大晶粒长大晶粒长

26、大晶粒长大，也可获得细晶组织；在铝合金液体中加，也可获得细晶组织；在铝合金液体中加，也可获得细晶组织；在铝合金液体中加，也可获得细晶组织；在铝合金液体中加入钛、锆；在铝硅合金中加入钠盐等，都可达到细入钛、锆；在铝硅合金中加入钠盐等，都可达到细入钛、锆；在铝硅合金中加入钠盐等，都可达到细入钛、锆；在铝硅合金中加入钠盐等，都可达到细化晶粒的目的。化晶粒的目的。化晶粒的目的。化晶粒的目的。措施：措施：l振动振动振动振动 在金属结晶过程中采用机械振动、超声振动在金属结晶过程中采用机械振动、超声振动在金属结晶过程中采用机械振动、超声振动在金属结晶过程中采用机械振动、超声振动等，以破碎晶体，获得更多的晶核

27、，细化晶粒。等，以破碎晶体，获得更多的晶核，细化晶粒。等，以破碎晶体，获得更多的晶核，细化晶粒。等，以破碎晶体，获得更多的晶核，细化晶粒。l电磁搅拌电磁搅拌电磁搅拌电磁搅拌 将正在结晶的金属放入交变电磁场中，由于将正在结晶的金属放入交变电磁场中，由于将正在结晶的金属放入交变电磁场中，由于将正在结晶的金属放入交变电磁场中，由于电磁感应，液态金属会翻滚，从而破坏正在结电磁感应，液态金属会翻滚，从而破坏正在结电磁感应，液态金属会翻滚，从而破坏正在结电磁感应，液态金属会翻滚，从而破坏正在结晶的树枝状晶体的枝晶，增加形核数目，细化晶的树枝状晶体的枝晶，增加形核数目，细化晶的树枝状晶体的枝晶，增加形核数目

28、，细化晶的树枝状晶体的枝晶，增加形核数目，细化晶粒。晶粒。晶粒。晶粒。纯金属的结晶结晶理论的工程应用纯金属的结晶结晶理论的工程应用第四讲第四讲第四讲第四讲 金属的结晶金属的结晶金属的结晶金属的结晶l重点重点结晶的必要充分条件结晶的必要充分条件过冷度过冷度过冷度与冷却速度有关过冷度与冷却速度有关过冷度与冷却速度有关过冷度与冷却速度有关结晶的过程结晶的过程形核、核长大形核、核长大形核、核长大形核、核长大晶粒的控制晶粒的控制方法方法方法方法作用作用作用作用二元合金的结晶二元合金的结晶 基本定义基本定义l合金系合金系 由由由由给给给给定定定定的的的的两两两两个个个个或或或或两两两两个个个个以以以以上上

29、上上的的的的组组组组元元元元按按按按不不不不同同同同的的的的比比比比例例例例配配配配制制制制一一一一系系系系列列列列不不不不同同同同成成成成分分分分的的的的合合合合金金金金，这这这这些些些些合合合合金金金金称称称称为为为为一一一一个个个个合合合合金金金金系系系系。由由由由两两两两个个个个组组组组元元元元形形形形成成成成的的的的合合合合金金金金系系系系称称称称为为为为二二二二元元元元合合合合金金金金系系系系，由由由由三三三三个个个个组组组组元元元元形形形形成成成成的的的的合合合合金金金金系系系系称称称称为为为为三三三三元元元元合合合合金金金金系系系系，如此类推。如此类推。如此类推。如此类推。二元

30、合金的结晶二元合金的结晶 合金的结晶过程采用合金的结晶过程采用合金相图合金相图进行分析进行分析l相图：相图：相图：相图：表表表表明明明明合合合合金金金金系系系系中中中中各各各各种种种种合合合合金金金金相相相相的的的的平平平平衡衡衡衡条条条条件件件件和和和和相相相相与与与与相相相相之之之之间间间间关关关关系系系系的的的的一一一一种种种种简简简简明明明明示示示示图图图图，又又又又称称称称平平平平衡衡衡衡图图图图或或或或状状状状态态态态图图图图；相相相相图图图图表表表表示示示示合合合合金金金金在在在在缓缓缓缓慢慢慢慢冷冷冷冷却却却却条条条条件件件件下下下下平平平平衡衡衡衡相相相相与与与与成成成成分分

31、分分、温温温温度度度度之之之之间间间间关关关关系系系系的的的的图图图图形形形形，它它它它是是是是研研研研制制制制新新新新材材材材料料料料，制制制制定定定定合合合合金金金金的的的的熔熔熔熔炼炼炼炼、铸铸铸铸造造造造、压压压压力力力力加加加加工工工工和和和和热热热热处处处处理理理理工工工工艺艺艺艺以以以以及及及及进进进进行金相分析的重要依据。行金相分析的重要依据。行金相分析的重要依据。行金相分析的重要依据。二元合金的结晶二元合金的结晶l平衡相、平衡组织平衡相、平衡组织 如如如如果果果果合合合合金金金金在在在在某某某某一一一一温温温温度度度度停停停停留留留留任任任任意意意意长长长长的的的的时时时时间

32、间间间，合合合合金金金金中中中中各各各各相相相相的的的的成成成成分分分分是是是是均均均均匀匀匀匀的的的的和和和和不不不不变变变变的的的的，各各各各相相相相的的的的相相相相对对对对质质质质量量量量也也也也不不不不变变变变，该该该该合合合合金金金金处处处处于于于于相相相相平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态，此此此此时时时时合合合合金金金金中中中中的的的的各各各各相相相相称称称称为为为为平平平平衡衡衡衡相相相相，由由由由这这这这些些些些平平平平衡衡衡衡相相相相所所所所构构构构成的成的成的成的组织组织组织组织称为平衡组织。称为平衡组织。称为平衡组织。称为平衡组织。相相相相平平平平衡衡衡衡是是是是合合合合

33、金金金金的的的的自自自自由由由由能能能能处处处处于于于于最最最最低低低低的的的的状状状状态态态态，也也也也就就就就是是是是合合合合金金金金最最最最稳稳稳稳定定定定的的的的状状状状态态态态。合合合合金金金金总总总总是是是是力力力力图图图图通通通通过过过过原子扩散趋于稳定状态。原子扩散趋于稳定状态。原子扩散趋于稳定状态。原子扩散趋于稳定状态。二元合金的结晶二元合金的结晶l平衡结晶平衡结晶平衡结晶平衡结晶 如如如如果果果果合合合合金金金金在在在在其其其其结结结结晶晶晶晶过过过过程程程程中中中中或或或或相相相相变变变变过过过过程程程程中中中中的的的的冷冷冷冷却却却却速速速速度度度度非非非非常常常常缓缓

34、缓缓慢慢慢慢，由由由由于于于于其其其其原原原原子子子子有有有有充充充充分分分分的的的的时时时时间间间间进进进进行行行行扩扩扩扩散散散散，所所所所以以以以合合合合金金金金中中中中的的的的各各各各相相相相将将将将近近近近似似似似处处处处于于于于平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态，这这这这种种种种冷冷冷冷却却却却方方方方式式式式称称称称为为为为平平平平衡衡衡衡冷冷冷冷却却却却，这这这这种种种种处处处处于于于于相相相相平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态的的的的结结结结晶晶晶晶或或或或相相相相变变变变方方方方式式式式称称称称为为为为平平平平衡结晶。衡结晶。衡结晶。衡结晶。l相变相变相变相变 材料中相与相之间

35、的转变。材料中相与相之间的转变。材料中相与相之间的转变。材料中相与相之间的转变。相相相相变变变变常常常常赋赋赋赋予予予予材材材材料料料料以以以以技技技技术术术术上上上上有有有有用用用用的的的的形形形形态态态态、微微微微观观观观结结结结构构构构和和和和性性性性能能能能，常常常常用用用用工工工工程程程程材材材材料料料料中中中中金金金金属属属属与与与与合合合合金金金金的的的的高高高高强强强强度度度度正正正正是是是是依依依依赖赖赖赖于于于于其其其其通过一次或多次相变形成的多相结构。通过一次或多次相变形成的多相结构。通过一次或多次相变形成的多相结构。通过一次或多次相变形成的多相结构。常常压压下下，二二元

36、元合合金金的的相相状状态态决决定定于于温温度度和和成成分分，故故二二元元合合金金相相图图可可用用温温度度成分成分坐标系的平面图表示。坐标系的平面图表示。相相图图是是通通过过实实验验，采采用用热热分分析析方方法法建建立的。立的。二元合金的结晶二元合金的结晶 以以CuCuNiNi合合金金为为例例，说说明明采采用用热热分分析析法法建立相图的具体步骤：建立相图的具体步骤：二元合金的结晶二元合金的结晶建立相图的具体步骤建立相图的具体步骤建立相图的具体步骤建立相图的具体步骤:二元合金的结晶二元合金的结晶建立相图的具体步骤建立相图的具体步骤建立相图的具体步骤建立相图的具体步骤:二元合金的结晶二元合金的结晶建

37、立相图的具体步骤建立相图的具体步骤建立相图的具体步骤建立相图的具体步骤:二元合金的结晶二元合金的结晶图图图图2-21 2-21 用热分析法建立合金相图用热分析法建立合金相图用热分析法建立合金相图用热分析法建立合金相图返回返回 根根据据结结晶晶过过程程中中出出现现的的不不同同类类型型的的结结晶反应晶反应，二元合金相图可分为以下类型：二元合金相图可分为以下类型：l 匀晶匀晶相图相图l 共晶共晶相图相图l 包晶相图包晶相图l 共析共析相图相图l 含有稳定化合物相图含有稳定化合物相图二元合金的结晶二元合金的结晶l 匀晶相图匀晶相图 两两两两组组组组元元元元在在在在液液液液态态态态和和和和固固固固态态态

38、态均均均均能能能能无无无无限限限限互互互互溶溶溶溶时时时时构构构构成成成成的的的的相图称为匀晶相图。相图称为匀晶相图。相图称为匀晶相图。相图称为匀晶相图。CuCuCuCuAuAuAuAu、AuAuAuAuAgAgAgAg、CuCuCuCuNiNiNiNi等等等等合合合合金金金金都都都都是是是是形形形形成成成成这这这这类类类类相相相相图图图图。在在在在这这这这类类类类合合合合金金金金中中中中，结结结结晶晶晶晶时时时时都都都都是是是是由由由由液液液液相相相相结结结结晶出晶出晶出晶出单相固溶体单相固溶体单相固溶体单相固溶体，这种结晶过程称为，这种结晶过程称为，这种结晶过程称为，这种结晶过程称为匀晶转

39、变匀晶转变匀晶转变匀晶转变。二元合金的结晶匀晶相图二元合金的结晶匀晶相图l以以以以CuCuCuCuNiNiNiNi合金相图为例的匀晶合金相图为例的匀晶合金相图为例的匀晶合金相图为例的匀晶相图分析相图分析相图分析相图分析 两两两两线线线线三三三三相区相区相区相区(两个单相区，一个双相区两个单相区，一个双相区两个单相区，一个双相区两个单相区，一个双相区)二元合金结晶匀晶相图二元合金结晶匀晶相图l以以以以CuCuCuCuNiNiNiNi合金相图为例的匀晶合金相图为例的匀晶合金相图为例的匀晶合金相图为例的匀晶相图分析相图分析相图分析相图分析 两两两两线线线线三三三三相区相区相区相区(两个单相区，一个双

40、相区两个单相区，一个双相区两个单相区，一个双相区两个单相区，一个双相区)二元合金结晶匀晶相图二元合金结晶匀晶相图l以以以以CuCuCuCuNiNiNiNi合金相图为例的匀晶合金相图为例的匀晶合金相图为例的匀晶合金相图为例的匀晶相图分析相图分析相图分析相图分析 两两两两线线线线三三三三相区相区相区相区二元合金结晶匀晶相图二元合金结晶匀晶相图l 合金平衡结晶过程分析合金平衡结晶过程分析合金平衡结晶过程分析合金平衡结晶过程分析 缓慢冷却至缓慢冷却至缓慢冷却至缓慢冷却至-之间时，发生匀晶反应：之间时，发生匀晶反应：之间时，发生匀晶反应：之间时，发生匀晶反应：二元合金的结晶匀晶相图二元合金的结晶匀晶相图

41、l 匀晶结晶的特点匀晶结晶的特点匀晶结晶的特点匀晶结晶的特点 固固固固溶溶溶溶体体体体结结结结晶晶晶晶包包包包括括括括形形形形核核核核、长长长长大大大大两两两两个个个个过过过过程程程程，且且且且呈呈呈呈树树树树枝枝枝枝状状状状长大；长大；长大；长大；固溶体结晶在一个温度区间进行，是固溶体结晶在一个温度区间进行，是固溶体结晶在一个温度区间进行，是固溶体结晶在一个温度区间进行，是变温结晶变温结晶变温结晶变温结晶过程；过程；过程；过程；两相区内，温度一定时，液固两相的两相区内，温度一定时，液固两相的两相区内，温度一定时，液固两相的两相区内，温度一定时，液固两相的成分成分成分成分是是是是确定确定确定确

42、定的；的；的；的；液液液液、固固固固线线线线还还还还表表表表示示示示合合合合金金金金在在在在缓缓缓缓慢慢慢慢冷冷冷冷却却却却条条条条件件件件下下下下，当当当当液液液液、固固固固两两两两相相相相平平平平衡衡衡衡共共共共存存存存时时时时，液液液液、固固固固相相相相的的的的化化化化学学学学成成成成分分分分随随随随温温温温度度度度变变变变化的规律。化的规律。化的规律。化的规律。两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。二元合金的结晶匀晶相图二元合金的结晶匀晶相图l 杠杆

43、定律杠杆定律杠杆定律杠杆定律 杠杠杠杠杆杆杆杆定定定定律律律律表表表表明明明明：合合合合金金金金两两两两平平平平衡衡衡衡相相相相的的的的质质质质量量量量分分分分数数数数比比比比等等等等于于于于该该该该两两两两相成分点到合金成分点距离的相成分点到合金成分点距离的相成分点到合金成分点距离的相成分点到合金成分点距离的反比反比反比反比。杠杠杠杠杆杆杆杆定定定定律律律律只只只只适适适适用用用用于于于于相相相相图图图图中中中中的的的的两两两两相相相相区区区区，且且且且只只只只能能能能在在在在平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态下使用。下使用。下使用。下使用。缓慢冷却至缓慢冷却至缓慢冷却至缓慢冷却至-之间时，发

44、生匀晶反应：之间时，发生匀晶反应：之间时，发生匀晶反应：之间时，发生匀晶反应：二元合金的结晶匀晶相图二元合金的结晶匀晶相图l 枝晶偏析枝晶偏析 二二二二元元元元合合合合金金金金（固固固固溶溶溶溶体体体体）结结结结晶晶晶晶时时时时成成成成分分分分是是是是变变变变化化化化的的的的，缓缓缓缓慢慢慢慢冷冷冷冷却却却却得得得得到的是到的是到的是到的是成分均匀成分均匀成分均匀成分均匀的固溶体；的固溶体；的固溶体；的固溶体；在在在在实实实实际际际际生生生生产产产产条条条条件件件件下下下下，由由由由于于于于合合合合金金金金在在在在结结结结晶晶晶晶过过过过程程程程中中中中冷冷冷冷却却却却速速速速度度度度一一一一

45、般般般般较较较较快快快快，且且且且在在在在固固固固态态态态下下下下原原原原子子子子扩扩扩扩散散散散又又又又很很很很困困困困难难难难，致致致致使使使使固固固固溶溶溶溶体体体体内内内内部部部部的的的的原原原原子子子子扩扩扩扩散散散散来来来来不不不不及及及及充充充充分分分分进进进进行行行行，由由由由于于于于固固固固溶溶溶溶体体体体结结结结晶晶晶晶按按按按树树树树枝枝枝枝状状状状方方方方式式式式长长长长大大大大，因因因因此此此此先先先先结结结结晶晶晶晶的的的的树树树树枝枝枝枝晶晶晶晶轴轴轴轴含含含含高高高高熔熔熔熔点点点点组组组组元元元元（如如如如NiNiNiNi成成成成分分分分）较较较较多多多多，后

46、后后后结结结结晶晶晶晶的的的的树树树树枝枝枝枝晶晶晶晶枝枝枝枝干干干干含含含含高高高高熔熔熔熔点点点点组组组组元元元元较较较较少少少少。结结结结果果果果造造造造成成成成固固固固溶溶溶溶体体体体一一一一个个个个晶晶晶晶粒粒粒粒内内内内的的的的化化化化学学学学成成成成分分分分分分分分布布布布也也也也不不不不均均均均匀匀匀匀，呈呈呈呈树树树树枝枝枝枝状状状状分分分分布布布布，这这这这种种种种现现现现象象象象称称称称为为为为“枝枝枝枝晶偏析晶偏析晶偏析晶偏析”或或或或“成分偏析成分偏析成分偏析成分偏析”。二元合金的结晶匀晶相图二元合金的结晶匀晶相图l 枝晶偏析枝晶偏析 下下下下图图图图为为为为耐耐耐耐

47、热热热热合合合合金金金金的的的的枝枝枝枝晶晶晶晶偏偏偏偏析析析析，采采采采用用用用电电电电子子子子探探探探针针针针进进进进行行行行成成成成分分分分分分分分析，更是一目了然；析，更是一目了然；析，更是一目了然；析，更是一目了然；二元合金的结晶匀晶相图二元合金的结晶匀晶相图l 枝晶偏析枝晶偏析 枝枝枝枝晶晶晶晶偏偏偏偏析析析析对对对对合合合合金金金金的的的的性性性性能能能能有有有有很很很很大大大大影影影影响响响响，严严严严重重重重的的的的成成成成分分分分偏偏偏偏析析析析会会会会使使使使金金金金属属属属的的的的力力力力学学学学性性性性能能能能下下下下降降降降，特特特特别别别别是是是是使使使使塑塑塑塑

48、性性性性和和和和韧韧韧韧性性性性显显显显著著著著降降降降低低低低，甚甚甚甚至至至至不不不不宜宜宜宜进进进进行行行行压压压压力力力力加加加加工工工工，耐耐耐耐蚀蚀蚀蚀性也降低性也降低性也降低性也降低；为为为为消消消消除除除除或或或或减减减减轻轻轻轻枝枝枝枝晶晶晶晶偏偏偏偏析析析析，工工工工程程程程上上上上广广广广泛泛泛泛采采采采用用用用均均均均匀匀匀匀化化化化退退退退火火火火的的的的热热热热处处处处理理理理方方方方法法法法：把把把把合合合合金金金金加加加加热热热热到到到到低低低低于于于于固固固固相相相相线线线线100-200100-200100-200100-200的的的的高高高高温温温温，进进

49、进进行行行行长长长长时时时时间间间间保保保保温温温温，使使使使偏偏偏偏析析析析的的的的原原原原子充分扩散，达到成分均匀化的目的。子充分扩散，达到成分均匀化的目的。子充分扩散，达到成分均匀化的目的。子充分扩散，达到成分均匀化的目的。二元合金的结晶匀晶相图二元合金的结晶匀晶相图l 共晶相图共晶相图 两两两两组组组组元元元元在在在在液液液液态态态态时时时时无无无无限限限限互互互互溶溶溶溶，在在在在固固固固态态态态时时时时有有有有限限限限互溶互溶互溶互溶并发生形成共晶组织的二元系相图并发生形成共晶组织的二元系相图并发生形成共晶组织的二元系相图并发生形成共晶组织的二元系相图；具具具具有有有有这这这这类类

50、类类相相相相图图图图的的的的合合合合金金金金系系系系有有有有PbPbPbPbSnSnSnSn、PbPbPbPbSbSbSbSb、AlAlAlAlSiSiSiSi、AgAgAgAgCuCuCuCu等等等等，在在在在FeFeFeFeC C C C、AlAlAlAlMgMgMgMg、MgMgMgMgSiSiSiSi等相图中也包含共晶部分。等相图中也包含共晶部分。等相图中也包含共晶部分。等相图中也包含共晶部分。二元合金的结晶共晶相图二元合金的结晶共晶相图l 共晶相图共晶相图 共共共共晶晶晶晶相相相相图图图图有有有有条条条条线线线线，种种种种相相相相，个个个个单单单单相相相相区区区区，个双相区个双相区个