gc纯金属的结晶.ppt

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1、一、一、 凝固与结晶的概念凝固与结晶的概念1.1.凝固凝固 物质由液态转变成物质由液态转变成固态固态的过程。的过程。2.2.结晶结晶 * *物质由液态转变成物质由液态转变成晶体晶体的过程。的过程。 * *物质中的原子由物质中的原子由近程有序排列近程有序排列向向远远 程有序排列程有序排列的过程。的过程。 引子：自然界的物质通常都能够以引子：自然界的物质通常都能够以气态气态、液态液态或或固态固态存在。存在。并且在一定的条件下，它们可以发生互相转变。并且在一定的条件下，它们可以发生互相转变。 晶体结晶都具有严格的平衡结晶温度。而非晶体没有。固体：是指能够保持自己形状的状态，固体材料有晶体和非晶体，从

2、液态到非晶体的凝固过程，在冷却到一定温度，材料的黏度增加到能保持自己形状的状态。 晶体的形成过程包括，原始相可以是气体(凝结)、液态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一种晶体。二、凝固状态的影响因素二、凝固状态的影响因素 引子：固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态，也可引子：固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态，也可以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面。以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面。 物质的本质物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由：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，能更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低，

3、而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量。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。这是热力学的基本原则。能量最低原理能量最低原理 熔融液体的粘度熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻：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，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。生结晶。例如玻璃、高分子材料。dxd

4、vsf 2. 2. 熔融液体的粘度熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生粘度表征流体中发生相对运动的阻力，随相对运动的阻力，随温度降低，粘度不断温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转增加，在到达结晶转变温度前，变温度前，粘度增加粘度增加到能阻止原子迁移排到能阻止原子迁移排列形成晶体列形成晶体，这时物，这时物质已经凝固，保持固质已经凝固，保持固定的形状，不能发生定的形状，不能发生结晶。例如玻璃、高结晶。例如玻璃、高分子材料。分子材料。3 3、熔融液体的冷却速度：、熔融液体的冷却速度：冷却速度快，冷却速度快，原原子扩散子扩散能力越差，到达结晶温度原子来能力越差，到达结晶温度原子来不及不及扩散扩散重新排列

5、就降到更低温度，最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。金属材料需要达无规则排列固定下来。金属材料需要达到到10106 6/s/s才能获得非晶态。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。固为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶2.1.1 2.1.1 纯金属的结晶纯金属的结晶 金属材料要经过液态和固态的加工过程。金属材料要经过液态和固态的加工过程。 钢材经过冶炼、注锭、锻造、轧制、机加工钢材经过

6、冶炼、注锭、锻造、轧制、机加工和热处理等工艺过程。和热处理等工艺过程。 金属浇注、冷却金属浇注、冷却后，液态金属转变为后，液态金属转变为固态金属，获得一定固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。形状的铸锭或铸件。冶炼注锭冶炼注锭 液态金属中金属原子作不液态金属中金属原子作不规则运动。在小范围内，原子规则运动。在小范围内，原子会出现规则排列，称会出现规则排列，称短程有序短程有序。 短程有序的原子集团是不短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。稳定的，瞬时出现瞬时消失。液态金属结构液态金属结构 通常的固态金属属于晶通常的固态金属属于晶体材料，金属原子规则排列，体材料，金属原子规则排列，叫叫长程

7、有序长程有序。固态金属结构固态金属结构 金属从液态到固体晶态的转变称为金属从液态到固体晶态的转变称为一次结晶一次结晶。简称。简称金属结晶金属结晶。结晶的一般过程结晶的一般过程 温度变化规律：温度变化规律： 材料的熔体在熔点以上材料的熔体在熔点以上不断散热，温度不断下降，不断散热，温度不断下降，到理论结晶温度并不是马上到理论结晶温度并不是马上变成固态的晶体，继续降温变成固态的晶体，继续降温而出现而出现过冷过冷。过冷到某一程。过冷到某一程度开始结晶，度开始结晶，放出结晶潜热放出结晶潜热，可能会使其温度回升。到略可能会使其温度回升。到略低于熔点的温度时，低于熔点的温度时，放放出的出的热热量和量和散热

8、散热可达到可达到平衡平衡，这，这时处于时处于固定温度固定温度，在冷却曲，在冷却曲线上出现线上出现平台平台。 结晶过程完成，没有潜结晶过程完成，没有潜热的补充，温度将重新不断热的补充，温度将重新不断下降，直到室温。下降，直到室温。 一、纯金属结晶的条件纯金属（纯铜）的冷却曲线纯金属（纯铜）的冷却曲线 冷却速度越大冷却速度越大, , 则开始结则开始结晶温度越低晶温度越低, , 过冷度也就越大。过冷度也就越大。 dede段段 正在结晶，恒温结正在结晶，恒温结晶。液态原子无序状态转变为有晶。液态原子无序状态转变为有序状态时放出结晶潜热，保持温序状态时放出结晶潜热，保持温度不变。度不变。 纯铜的冷却曲线

9、纯铜的冷却曲线中中T T0 0为纯铜的熔点为纯铜的熔点( (理论结晶温理论结晶温度度),), T Tn n为开始结晶温度。为开始结晶温度。 bcbc段段 温度低于理论结晶温度温度低于理论结晶温度, , 称为称为过冷过冷现现象象。理论结晶温度。理论结晶温度T T0 0与开始结晶温度与开始结晶温度T Tn n之差叫做之差叫做过过冷度冷度，用，用T T 表示：表示：T =TT =T0 0- T- Tn n 过冷现象与过冷度过冷现象与过冷度 过冷现象过冷现象 过冷度过冷度 T = T0 T1 过冷是结晶的必要条件。过冷是结晶的必要条件。 自发转变的能量条件：自发转变的能量条件： 自然界的一切自发转变过

10、程，总是由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一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。状态。 在一定温度条件下，只有引起体系自在一定温度条件下，只有引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。低的过程才能自发进行。 结晶过程不是在任何情况下都能结晶过程不是在任何情况下都能自动发生。自然界的一切自发转变过自动发生。自然界的一切自发转变过程总是向着自由能降低的方向进行。程总是向着自由能降低的方向进行。在单一的组元情况下在单一的组元情况下, ,自由能：自由能： TSUG固固固TSUG液液液TSUG1、能量条

11、件两曲线相交处的温度两曲线相交处的温度T T0 0，当温度，当温度T= TT= T0 0时，液相和固相的自由时，液相和固相的自由能相等，处于平衡共存，所以称能相等，处于平衡共存，所以称T0T0为临界点，也就是理论凝为临界点，也就是理论凝固温度。当固温度。当T TT TT T0 0时，从固体时，从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生熔化向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生熔化过程。过程。 所以结晶过程的热力学条件就是温度必须冷却到理论结所以结晶过程的热力学条件就是温度必须冷却到理论结晶温度晶温度T T0 0以下才行。即过冷以下才行。即过冷液态金属结晶条件：液态金属结晶

12、条件：液态金属要结晶，温度必液态金属要结晶，温度必须低于理论结晶温度须低于理论结晶温度T T0 0，要有一定的过冷度，要有一定的过冷度T T ，使金属在液态和固态之间存在自由能差使金属在液态和固态之间存在自由能差F F 。液态金属结晶的动力：液态金属结晶的动力：F F 交点对应的温度交点对应的温度T T0 0即为理论结晶即为理论结晶温度。温度。2、结构条件瞬时出现短程有序的原子集团，即结构起伏 三、结晶的过程包括两个基本过程：包括两个基本过程：形核、长大形核、长大 1. 1. 形核形核 液态金属内部生成一些极小的晶体作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。为结晶的核

13、心。生成的核心叫做晶核。 (1) (1) 自发形核自发形核 (2) (2) 非自发形核非自发形核老师提示老师提示 实际金属结晶时，以实际金属结晶时，以非自发非自发形核为主。晶形核为主。晶核形成、晶体长大时晶体核形成、晶体长大时晶体表面能的增加是金属结晶的阻力。表面能的增加是金属结晶的阻力。自发形核自发形核 在一定的过冷度下，液体中若出在一定的过冷度下，液体中若出现一固态的晶体，该区域的能量将发现一固态的晶体，该区域的能量将发生变化，一方面一定体积的液体转变生变化，一方面一定体积的液体转变为固体，体积自由能会下降，另一方为固体，体积自由能会下降，另一方面增加了液固相界面，增加了表面面增加了液固相

14、界面，增加了表面自由能，因此总的吉布斯自由能变化自由能，因此总的吉布斯自由能变化量为：量为： 其中其中GGV V为单位体积内固液吉布斯自由为单位体积内固液吉布斯自由能之差，能之差，V V为晶体的体积，为晶体的体积，为界面能，为界面能，A A为界面的面积。为界面的面积。一个细小的晶体出现后，一个细小的晶体出现后，是否能长大，决定于在晶体的体积增加是否能长大，决定于在晶体的体积增加时，其自由能是否为下降。时，其自由能是否为下降。 存在过冷的液体，依靠自身的原子运动可能形成晶核，存在过冷的液体，依靠自身的原子运动可能形成晶核，这种方式称为这种方式称为自发形核自发形核。1. 1. 能量变化能量变化在一

15、定过冷度下，在一定过冷度下，GGV V为负值，而为负值，而恒恒为正值。可见晶体总是希望有最大的体为正值。可见晶体总是希望有最大的体积和最小的界面积。设积和最小的界面积。设GGV V和和为常数，为常数，最有利的形状为球。设球的半径为最有利的形状为球。设球的半径为r r，有：有： 这里这里r rc c称为临界尺寸称为临界尺寸，当细小晶体的半径，当细小晶体的半径大于临界尺寸大于临界尺寸，晶体，晶体长大时吉布斯自由能下降，这种长大时吉布斯自由能下降，这种可以长大可以长大的小晶体称为晶核。的小晶体称为晶核。如果它的半径小于临界尺寸，晶体长大时吉布斯自由能将上升，如果它的半径小于临界尺寸，晶体长大时吉布斯

16、自由能将上升，自发过程为不断减小到消失。自发过程为不断减小到消失。 vcvGrdrGdrGrG2043423得令2. 2. 临界大小临界大小 熔体的温度在熔点附近时，尽管处在液态，即总体的排列熔体的温度在熔点附近时，尽管处在液态，即总体的排列是无序的，但局部的小区域并非静止不动的，原子的运动可造是无序的，但局部的小区域并非静止不动的，原子的运动可造成局部能量在不断变化，其瞬间能量在平均值的上下波动，对成局部能量在不断变化，其瞬间能量在平均值的上下波动，对应的结构应的结构( (原子排列原子排列) )在变化，小范围可瞬间为接近晶体的排列，在变化，小范围可瞬间为接近晶体的排列，其范围大小对应的能量于

17、平均能量之差其范围大小对应的能量于平均能量之差GG如上所述，这就称为如上所述，这就称为“能量起伏能量起伏”和和“结构起伏结构起伏”。 对于过冷液体，出现对于过冷液体，出现GG大小差别的几率正比于大小差别的几率正比于 )exp(RTG小于临界尺寸的小于临界尺寸的( (也称为晶胚也称为晶胚) )下一步减小到消失，大于临界尺下一步减小到消失，大于临界尺寸的可能不断长大，也就是晶核。等于临界尺寸大小的晶核高寸的可能不断长大，也就是晶核。等于临界尺寸大小的晶核高出平均能量的那部分称为出平均能量的那部分称为“形核功形核功”。 过冷度愈小，固液自由能差也小，临界尺寸大，形核功过冷度愈小，固液自由能差也小，临

18、界尺寸大，形核功也高，出现的几率也小。也高，出现的几率也小。太小的过冷度在有限的时空范围内不太小的过冷度在有限的时空范围内不能形核，即形核要求有基本的过冷度。能形核，即形核要求有基本的过冷度。 3.3.晶核的来源晶核的来源 2. 2. 晶体的长大晶体的长大晶体的长大有两种方式晶体的长大有两种方式: : (1)(1)平面长大平面长大冷却速度较慢时，晶体表面向前平行推移长冷却速度较慢时，晶体表面向前平行推移长大。不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿大。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。密排面的垂直方向上的长大速度最慢。 晶体获得表面为密排面晶体获得表面为密排

19、面的规则形状。的规则形状。平面长大的规则形状晶体平面长大的规则形状晶体平面长大平面长大 (2)(2)树枝状长大树枝状长大冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热快，长大较快，成为晶枝。优先形成的晶枝称一快，长大较快，成为晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长时，在侧面生出新的晶次晶轴，在一次晶轴增长时，在侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。轴。 结晶后得到具有树枝结晶后得到具有树枝状的晶体。状的晶体。树枝状长大的树枝状晶体树枝状长大的树枝状晶体实际金属结晶时，晶体多实际金属结晶时，晶体

20、多以树枝状长大方式长大。以树枝状长大方式长大。树枝状长大树枝状长大金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶实际金属结晶时，晶体多实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。以树枝状长大方式长大。长大条件长大条件 从热力学分析可知，要使系统的自由能下降，在液从热力学分析可知，要使系统的自由能下降，在液固界固界面附近的部分液体转变为固体，依然要求在界面附近要面附近的部分液体转变为固体，依然要求在界面附近要存在过冷存在过冷度度，前面冷却曲线上平台和理论结晶温度之差就是长大所要求的，前面冷却曲线上平台和理论结晶温度之差就是长大所要求的过冷度，也称为过

21、冷度，也称为“动态过冷度动态过冷度”。 金属材料的动态过冷度很小，仅金属材料的动态过冷度很小，仅0.010.050.010.05，而非金属材，而非金属材料的动态过冷度就大得多。若液料的动态过冷度就大得多。若液固界面处于平衡，则界面的温固界面处于平衡，则界面的温度应该为理论结晶温度度应该为理论结晶温度。长大速度长大速度 凝固过程中，晶体在不断长大，界面在单位时间向前推移的凝固过程中，晶体在不断长大，界面在单位时间向前推移的垂直距离称为长大线速度。垂直距离称为长大线速度。正温度梯度下晶体的长大正温度梯度下晶体的长大( (平面长大平面长大) ) 正温度梯度是指液正温度梯度是指液固界面前沿的液体温度随

22、到界面的距固界面前沿的液体温度随到界面的距离的增加而升高，这时结晶过程的潜热只能通过已凝固的固体离的增加而升高，这时结晶过程的潜热只能通过已凝固的固体向外散失。向外散失。 平衡时界面的温度为理论结晶温度，平衡时界面的温度为理论结晶温度，液体的温度高于理论结晶温度。当通过液体的温度高于理论结晶温度。当通过已凝固的固体散失热量时，达到动态过已凝固的固体散失热量时，达到动态过冷的部分液体转变为固体，界面向前推冷的部分液体转变为固体，界面向前推移，到达理论结晶温度处，生长过程将移，到达理论结晶温度处，生长过程将停止。所以这时界面的形状决定于散热，停止。所以这时界面的形状决定于散热，实际上为理论结晶温度

23、的等温面。在小实际上为理论结晶温度的等温面。在小的区域内界面为平面，局部的不平衡带的区域内界面为平面，局部的不平衡带来的小凸起因前沿的温度较高而放慢生来的小凸起因前沿的温度较高而放慢生长速度，因此可理解为齐步走，称为长速度，因此可理解为齐步走，称为平平面推进方式生长面推进方式生长。负温度梯度下晶体的长大（负温度梯度下晶体的长大（树枝状长大树枝状长大） 负温度梯度是指液负温度梯度是指液固界面前沿的液体温度随固界面前沿的液体温度随到界面的距离的增加而降到界面的距离的增加而降低，这时结晶过程的潜热低，这时结晶过程的潜热不仅可通过已凝固的固体不仅可通过已凝固的固体向外散失，而且还可向低向外散失，而且还

24、可向低温的液体中传递。温的液体中传递。 在小的区域内若为平面，局部的不在小的区域内若为平面，局部的不平衡可带来某些小凸起，因前沿的温度平衡可带来某些小凸起，因前沿的温度较低而有利生长，因而凸起的生长速度较低而有利生长，因而凸起的生长速度将大于平均速度，凸起迅速向前发展，将大于平均速度，凸起迅速向前发展，可理解赛跑的竞争机制，在凸起上可能可理解赛跑的竞争机制，在凸起上可能再有凸起，如此发展而表现为数枝晶的再有凸起，如此发展而表现为数枝晶的方式长大。枝晶间的空隙最后填充，依方式长大。枝晶间的空隙最后填充，依然得到一完整的晶体。然得到一完整的晶体。关于树枝晶关于树枝晶： 按树枝方式生长的晶体称为树枝

25、晶，先凝固的称为主干，随按树枝方式生长的晶体称为树枝晶，先凝固的称为主干，随后是分支，再分支。后是分支，再分支。 值得指出的是：值得指出的是： 纯净的材料结晶完毕见不到树枝晶，但凝固过程中一般体纯净的材料结晶完毕见不到树枝晶，但凝固过程中一般体积收缩，树枝之间若得不到充分的液体补充，树枝晶可保留下来；积收缩，树枝之间若得不到充分的液体补充，树枝晶可保留下来； 生长中晶体分支受液体流动、温差、重力等影响，同方向生长中晶体分支受液体流动、温差、重力等影响，同方向的分支可能出现小的角度差，互相结合时会留下位错；的分支可能出现小的角度差，互相结合时会留下位错； 或材料中含有杂质，在结晶时固体中的杂质比

26、液体少，最或材料中含有杂质，在结晶时固体中的杂质比液体少，最后不同层次的分枝杂质含量不相同，其组织中可见树枝晶。后不同层次的分枝杂质含量不相同，其组织中可见树枝晶。一、晶粒尺寸一、晶粒尺寸 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。在生产中用的晶粒个数。在生产中用晶粒度晶粒度，测定方法是在放大，测定方法是在放大100100倍下观倍下观察和标准的进行对比评级，察和标准的进行对比评级，1 18 8级级( (有更高的

27、有更高的) )，级别高的晶粒细级别高的晶粒细。级别的定义为在放大级别的定义为在放大100100下，每平方英寸内下，每平方英寸内1 1个晶粒时为一级，数个晶粒时为一级，数量增加量增加 倍提高一级。用于计算的定量描述还用平均截线长来倍提高一级。用于计算的定量描述还用平均截线长来表示。表示。 3 3、晶粒大小、晶粒大小晶粒度晶粒度 晶粒大小可用晶粒度来表示，晶粒晶粒大小可用晶粒度来表示，晶粒度度号越大晶粒越细。号越大晶粒越细。 晶粒度晶粒度12345678单位面积单位面积晶粒数晶粒数（个（个mm2)16326412825651210242048晶粒平均晶粒平均直径直径(mm)0.250 0.177

28、0.125 0.088 0.062 0.0440.0310.022晶粒度晶粒度表表 一般情况下一般情况下, , 晶粒越小晶粒越小, , 金属的强度、金属的强度、塑性和韧性越好。使晶粒细化塑性和韧性越好。使晶粒细化, , 提高金属提高金属机械性能的方法称为机械性能的方法称为细晶强化细晶强化。 老师提示：老师提示：重点内容重点内容 金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。晶体。 一个晶粒是由一个晶核长成的晶体。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。实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。 2.1.3 2.1.3 细化铸态金属晶粒的措施细化铸

29、态金属晶粒的措施细化铸态金属晶粒措施细化铸态金属晶粒措施 1. 1. 增大金属的过冷度增大金属的过冷度 成核速率成核速率N N ：单位时间单位体积形成的晶核单位时间单位体积形成的晶核数数, ,个个/m/m3 3ss 长大速度长大速度G G ：单单位时间晶体长大的长度位时间晶体长大的长度, m/s, m/s 成核速率成核速率N N 大大, , 结晶后晶粒结晶后晶粒多多, , 晶粒细小晶粒细小; ; 长大速度长大速度G G 快快, , 晶粒粗。晶粒粗。 实际工程中，过冷度常处实际工程中，过冷度常处于曲线的左边部分。于曲线的左边部分。 随着过冷度的增大，成核随着过冷度的增大，成核速率和长大速度都增大

30、，成核速率和长大速度都增大，成核速率增大更快，比值速率增大更快，比值N N/ /G G也增也增大大, , 晶粒细化。晶粒细化。 增大过冷度的主要方法：增大过冷度的主要方法： 提高液态金属的冷却速度。提高液态金属的冷却速度。 采用冷却能力较强的模子。采用冷却能力较强的模子。 采用金属型铸模采用金属型铸模, , 比采用砂型铸模获得比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。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。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、非晶态金属具有特别高的强度和韧性

31、、优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。性等。 2. 2. 变质处理变质处理 在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以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的方法叫细化晶粒和改善组织的方法叫变质处理变质处理。 变质剂的作用：增加晶核数量，阻碍晶变质剂的作用：增加晶核数量，阻碍晶核长大。核长大。 如：如： 铝合金液体中加入钛、锆，铝合金液体中加入钛、锆， 钢水中加入钛、钒、铝，钢水中加入钛、钒、铝， 铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金， 都可使晶粒细化。都可使晶粒细化。 3. 3. 振动振动 在结晶过程中采用机械

32、振动、超声波振在结晶过程中采用机械振动、超声波振动方法，破碎正在生长中的树枝状晶体，形动方法，破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。 4. 4. 电磁搅拌电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场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，液态金属翻滚，冲中，由于电磁感应现象，液态金属翻滚，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，细化晶粒。核心，细化晶粒。第三节第三节 合金的结晶合金的结晶合金合金 一种金属元素同另一种或几种其一种金属元素同另一种或几种其它元素它元素, , 通过

33、熔化或其它方法结合在一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。起所形成的具有金属特性的物质。 组元：组元：组成合金的独立的、最基本的单元。组成合金的独立的、最基本的单元。 组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。一、合金的相结构及性能一、合金的相结构及性能相关概念相关概念 二元合金：二元合金：由两个组元组成的合金。由两个组元组成的合金。 如铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。如铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。 合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多；纯金属高许多； 某些合金还具有特殊的电、磁、耐热

34、、耐某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能。蚀等物理、化学性能。 合金的应用比纯金属广泛得多。合金的应用比纯金属广泛得多。 相：相： 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体在金属或合金中，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结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。部分。 液态物质为液相。液态物质为液相。 固态物质为固相。固态物质为固相。固态合金中有两类基本相：固态合金中有两类基本相： 固溶体固溶体 金属化合物金属化合物 组织 在金相显微镜下观察，可以看到金属材在金相显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做料内部的微观形貌。这种微

35、观形貌称做显微组织显微组织( (简称简称组织组织) )。组织由数量、形态、组织由数量、形态、大小和分布方式不大小和分布方式不同的各种相组成。同的各种相组成。 金属材料的组织可以由单相组成，也可以金属材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成。由多相组成。 二、影响组织的因素 组织取决于化学成分和工艺过程。组织取决于化学成分和工艺过程。 1 1、化学成分、化学成分 不同碳质量分数的铁碳合金在平衡结晶后的室不同碳质量分数的铁碳合金在平衡结晶后的室温组织不一样。温组织不一样。 图图(a)(a)为纯铁的组织，叫为纯铁的组织，叫铁素体铁素体。 图图(c)(c)是碳质量分数为是碳质量分数为0.77%0.7

36、7%的铁碳合金的组的铁碳合金的组织织, , 叫叫珠光体珠光体。 (a) 0.01%C (b) 0.45%C (c) 0.77%C (d) 1.2%C铁碳合金的室温平衡组织铁碳合金的室温平衡组织 2 2、工艺、工艺 金属材料的化学成分一定时金属材料的化学成分一定时, , 工艺过程是工艺过程是组织最重要的影响因素。组织最重要的影响因素。 纯铁经冷拔后纯铁经冷拔后, , 等轴形状的铁素体晶粒等轴形状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶粒。变成拉长了的铁素体晶粒。变形前变形前 变形后变形后 片状珠光体片状珠光体 球状珠光体球状珠光体 碳质量分数为碳质量分数为0.77%0.77%的铁碳合金的铁碳合金 室温平

37、衡组织为室温平衡组织为 片状珠光体片状珠光体。 球化退火后组织为球化退火后组织为球状珠光体球状珠光体。 三、组织与性能的关系 材料的性能与组织密切相关。材料的性能与组织密切相关。 三种不同组织的灰口铸铁三种不同组织的灰口铸铁 (a)(a)组织为铁素体和片状石墨，组织为铁素体和片状石墨， b b为为150MPa150MPa (b) (b)组织为铁素体和团絮状石墨，组织为铁素体和团絮状石墨，b b为为350MPa350MPa (c) (c)组织为铁素体和球状石墨，组织为铁素体和球状石墨， b b为为420MPa420MPa 冲击韧度最高的是冲击韧度最高的是(c),(c),其次为其次为(b),(b)

38、,最低的是最低的是(a)(a) 灰口铸铁的组织灰口铸铁的组织（a a） （b b） （c c） 纯铁纯铁 冷拔前抗拉强度为冷拔前抗拉强度为180 MPa180 MPa。 冷拔后（变形度为冷拔后（变形度为80%80%）抗拉强度为）抗拉强度为500 MPa500 MPa。 碳含量为碳含量为0.77%0.77%的铁碳合金的铁碳合金 室温平衡组织中片状室温平衡组织中片状FeFe3 3C C相相, , 切削加工时切削加工时, , 刀刀具磨损很厉害。具磨损很厉害。 球化退火后球化退火后, Fe, Fe3 3C C相变为分散的颗粒状相变为分散的颗粒状, , 切削切削时对刀具的磨损较小。时对刀具的磨损较小。老

39、师提示老师提示 金属的组织结构由材料的成金属的组织结构由材料的成分、工艺所决定。金属材料的性能由金分、工艺所决定。金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定。不同组织结属内部的组织结构所决定。不同组织结构的材料具有不同的性能。构的材料具有不同的性能。 1、固溶体固溶体固溶体 合金组元通过溶解形成一种成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分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。同的固相。溶剂溶剂 与固溶体晶格相同的组元与固溶体晶格相同的组元溶质溶质 其他另一组元（含量较少）其他另一组元（含量较少） 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

40、也可表示为组元组成的固溶体也可表示为A(B), A(B), 其中其中A A为为溶剂溶剂, B, B为溶质。为溶质。 例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用体一般用表示表示, , 亦可表示为亦可表示为Cu(Zn)Cu(Zn)。 1. 1. 固溶体的分类固溶体的分类 （1 1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分 置换固溶体置换固溶体: :溶质原子代换了溶剂晶格某些溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子结点上的原子; ; 间隙固溶体间隙固溶体溶质原子进入溶剂晶格的间隙溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。之中。置换固溶体置换固溶体 间隙固溶

41、体间隙固溶体 （2 2）按溶质原子在溶剂中的溶解度分）按溶质原子在溶剂中的溶解度分 有限固溶体、无限固溶体有限固溶体、无限固溶体两种。两种。 固溶体中溶质的含量即为固溶体的固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度浓度，用，用质量分数或摩尔分数表示。质量分数或摩尔分数表示。 在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中的的极限浓度极限浓度即为溶质在固溶体中的即为溶质在固溶体中的溶解度溶解度。 有限固溶体有限固溶体 超过溶解度有其它相形成。超过溶解度有其它相形成。 无限固溶体无限固溶体 溶质可以任意比例溶入，即溶质可以任意比例溶入，即溶质溶解度可达溶质溶解度可达100%1

42、00%。 （3 3）按溶质原子在固溶体中分布有否规律分）按溶质原子在固溶体中分布有否规律分 无序固溶体：无序固溶体：溶质原子无规则分布溶质原子无规则分布 有序固溶体：有序固溶体：溶质原子规则分布溶质原子规则分布无序固溶体无序固溶体有序固溶体有序固溶体有序化转变：有序化转变：在一定条件下，一些合金的无序在一定条件下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。固溶体可转变为有序固溶体。 2. 2. 固溶体的性能固溶体的性能 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。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

43、提高合金的强度和硬移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。度。通过形成固溶体使金属强度和硬通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为度提高的现象称为固溶强化固溶强化。 固溶强化是金属强化的一种重要形式。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。度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。 如：如： 纯铜的纯铜的b b为为220 MPa, 220 MPa, 硬度为硬度为40 HB, 40 HB, 断面收缩率断面收缩率为为70%70%。 当加入当加入1%1%的镍形成单相固溶体后的镍形成单相固溶体后

44、, , 强强度升高到度升高到390 MPa, 390 MPa, 硬度升高到硬度升高到70 HB, 70 HB, 而断而断面收缩率仍有面收缩率仍有50%50%。 固溶体综合机械性能很好固溶体综合机械性能很好, , 常作为结构常作为结构合金的基体相。合金的基体相。 固溶体与纯金属相比固溶体与纯金属相比, , 物理性能有较大物理性能有较大的变化的变化, , 如电阻率上升如电阻率上升, , 导电率下降导电率下降, , 磁矫磁矫顽力增大。顽力增大。 2、金属化合物 合金组元相互作用形成的晶格类型合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物即为金

45、属化合物, , 或称或称中间相中间相。 金属化合物一般熔点较高金属化合物一般熔点较高, , 硬度高硬度高, , 脆性大。脆性大。 合金中含有金属化合物时合金中含有金属化合物时, , 强度、硬强度、硬度和耐磨性提高度和耐磨性提高, , 而塑性和韧性降低。而塑性和韧性降低。 1. 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。严格遵守化合价规律的化合物。 由元素周期表中相距较远、电负性相差较大由元素周期表中相距较远、电负性相差较大的两元素组成，可用确定的化学式表示。的两元素组成，可用确定的化学式表示。 大多数金属和大多数金属和AA族、族、族、族、AA族元素生成族元素生成MgMg2 2

46、SiSi、MgMg2 2SbSb3 3、MgMg2 2SnSn、CuCu2 2SeSe、ZnSZnS、AlPAlP及及-SiC-SiC等。等。 性能特点是硬度高、脆性大。性能特点是硬度高、脆性大。 2. 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不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度( (化合物中价电子数与原子数之比化合物中价电子数与原子数之比) )的化合物叫的化合物叫做做电子化合物电子化合物。 由由BB族或过渡族元素与族或过渡族元素与BB族、族、AA族、族、AA族、族、AA族元素所组成。族元素所组成。 一定电子浓度的化合物相应有确定的晶体一定电子浓度的化合物相应有确定的晶

47、体结构结构, , 并且还可溶解其组元并且还可溶解其组元, , 形成以电子化合形成以电子化合物为基的固溶体。物为基的固溶体。 生成电子化合物时生成电子化合物时, , 元素每个原子所贡献的元素每个原子所贡献的价电子数：价电子数： AuAu、AgAg、CuCu为为1 1个个 BeBe、MgMg、ZnZn为为2 2个个 AlAl为为3 3个个 FeFe、NiNi为为0 0个个Cu-ZnCu-Zn合金中电子化合物：合金中电子化合物： 性能：性能：主要以金属键结合主要以金属键结合, , 具有明显的金属具有明显的金属特性特性, , 导电，熔点和硬度较高，但塑性较差，有导电，熔点和硬度较高，但塑性较差，有色金

48、属中重要的强化相。色金属中重要的强化相。CuZn CuZn 体心立方晶格，电子浓度体心立方晶格，电子浓度21/1421/14（3/2 3/2 ）CuCu5 5ZnZn8 8 复杂立方晶格，电子浓度复杂立方晶格，电子浓度21/1321/13CuZnCuZn3 3 密排六方晶格，电子浓度密排六方晶格，电子浓度21/1221/12（7/4 7/4 ） 3. 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。半径较小的非金属元素形成的化合物。 性能：性能：具有金属特性，有极具有金属特性，有极高的熔点和硬度高的熔点和硬度, , 非常稳定。提非常稳定。提高钢的强度、热强性、红硬性和高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。中的重要组成相。间隙相（间隙相（TiC) a. a.简单结构的间隙化合物（间隙相）简单结构的间隙化合物（间隙相） 当非金属原子半径与金属原子半径之比小于当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.590.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相间隙相。结束结束