1、工工 程程 材材 料料第三章 金屬的結晶 與二元相圖 敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固液態金屬結晶的動力液態金屬結晶的動力過冷度：過冷度：TTmTn 純銅的冷卻曲線理論結晶溫度理論結晶溫度 液態和固態金屬的自由能溫度關系曲線敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固氣體氣體液體液體固體固體敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固溫度升高溫度降低 不同溫度梯度下液固界面形狀 晶體平面長大示意圖密排面密排面非密排面非密排面敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固 電鏡下觀察

2、到的樹枝晶負溫度梯度負溫度梯度敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固鑄錠組織鑄錠組織敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固冒口冒口疏松疏松氣孔氣孔中心偏析中心偏析敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固 二元合金相圖的表示方法二元合金相圖的表示方法 合金結晶后，既可以獲得單相固溶體，也可以獲得單相金屬化合物，但更常見的合金結晶后，既可以獲得單相固溶體，也可以獲得單相金屬化合物，但更常見的是獲得既有固溶體又有金屬化合物的多相組織。同種組元，結晶后所獲得的相的是獲得既有固溶體又有金屬化合物的多相組織。同種

3、組元，結晶后所獲得的相的性質、數目及其相對含量會隨著合金成分和溫度的變化而變化。性質、數目及其相對含量會隨著合金成分和溫度的變化而變化。 相圖就是用來表示平衡條件下合金系中合金的狀態與溫度、成分間關系的圖解。相圖就是用來表示平衡條件下合金系中合金的狀態與溫度、成分間關系的圖解。它是研究金屬材料的一個重要工具。它是研究金屬材料的一個重要工具。500600700800900100011001020304050607080901084 962 CuAgAg%wt+L+ L+L敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固記錄儀記錄儀時間溫度開始凝固開始凝固凝固終了凝固終了熱電

4、偶熱電偶電爐電爐加熱元件加熱元件CuNi合金冷卻曲線測定合金冷卻曲線測定敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固900100011001200130014001500020406080100溫度/ w(Ni)/%NiCu1083B 兩組元不但在液態無線互溶，而且在固態也無限互溶的二元合金兩組元不但在液態無線互溶，而且在固態也無限互溶的二元合金系所組成的相圖稱為系所組成的相圖稱為勻晶相圖勻晶相圖。結晶時，從液相結晶出單相固溶體的過程稱為。結晶時，從液相結晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉變勻晶轉變。如

5、：如：CuNi、AuAg、AuPt（鉑）、（鉑）、FeNi合金系。合金系。 勻晶轉變勻晶轉變L1455L+A敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固Cu30Ni70合金的平衡結晶過程900100011001200130014001500L2L0204060801001L+1455溫度/ bw(Ni)/%NiCuca10830123L3L4234L1023時間O敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固杠桿定律杠桿定律 杠桿定理是分析相圖時的重要杠桿定理是分析相圖時的重要工具，可用來確定兩相平衡時的兩工具，可用來確定兩相平衡時的兩相成分和

6、相對量。相成分和相對量。 %100mnmrW%100mnnrWLnrmrmnnrmnmrWWL杠桿定律只適用于雙相區杠桿定律只適用于雙相區 900100011001200130014001500LL020406080100L+1455溫度/ mnrw(Ni)/%NiCu1083敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固CuNi合金枝晶偏析示意圖Cu-30%Ni合金的非平衡結晶組織 富Ni富Cu敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固液相線 102030405060708090PbPbSnSn0100200300400327.5 231.

7、9 LCEDGF191961.961.997.5L+L+ +BA183 w（Sn）溫度， 固相線 共晶線 固溶線 L)(183NMCEoL L單相區：單相區：L、相、相；兩相區：兩相區：L、L、；三相區：三相區：MEN線上L共晶相圖共晶相圖敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固MEN61.9L+BA183 LL+ +PbPbSnSn123含含Sn19Sn19合金的平衡結晶合金的平衡結晶敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固 Pb PbSnSn共晶合金的平衡結晶過程（共晶合金的平衡結晶過程（61.961.9SnSn） )(183DC

8、EL LL(+)L(+)(L溫度時間O(+)CED61.9L+BA183 LL+ +PbPbSnSn敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固%45.45%100195 .979 .615 .97%100%CDEC%6 .54%100195 .97199 .61%100%CDDECED61.9L+BA183 LL+ +PbPbSnSn敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固層片狀（Al-CuAl2，定向凝固） 棒狀或條狀（Sb-MnSb，橫截面） 螺旋狀（Zn-Mg） Fe-C(石墨)的共晶組織 針狀（Al-Si） 球狀或短棒狀（Cu-

9、CuO） 常見合金的共晶組織常見合金的共晶組織 敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固PbPbSnSn亞共晶合金的平衡結晶過程（亞共晶合金的平衡結晶過程（5050SnSn） CED61.9L+BA183 LL+ +PbPbSnSn123溫度溫度時間時間0122 3LL敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固CEDBALL+ +PbPbSnSn123%7 .27%100199 .61509 .61%1002%CEE%3 .72%1002%1%CEC亞共晶合金組織+（+）共 過共晶合金組織 +（+）共 組織組成物在相圖上的標注組織組成物

10、在相圖上的標注敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固包晶反應包晶反應 個液相和一個固相反應，生成一個固相的過程。個液相和一個固相反應，生成一個固相的過程。 恒溫L203040506070809010AgPtBCPFDAL96266.3123442.412121186 10.5EAg，溫度， 400600800100012001400160018001772L+L+ +敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固 只有只有P P點成分的合金才能在包晶反應后得到點成分的合金才能在包晶反應后得到100100的的相，相，P P點左側會點左側會有

11、有相剩余，相剩余，P P點右側會有點右側會有L L相剩余。相剩余。 金屬在固態下隨溫度的改變，由一種晶格轉變為另一種晶格的現象，稱為金屬在固態下隨溫度的改變，由一種晶格轉變為另一種晶格的現象，稱為同素異構轉變同素異構轉變，金屬的異構轉變也稱為，金屬的異構轉變也稱為二次結晶二次結晶或或重結晶重結晶。 以不同晶體結構存在的同一種金屬的晶體稱為該金屬的以不同晶體結構存在的同一種金屬的晶體稱為該金屬的同素異晶體同素異晶體。純鐵的冷卻曲線敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固鐵碳合金中的碳有三種存在形式鐵碳合金中的碳有三種存在形式敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相

12、長長3 材料的凝固材料的凝固鐵素體鐵素體奧氏體奧氏體不同形貌的滲碳體不同形貌的滲碳體1500150014001400130013001200120011001100100010009009008008007007006006001 12 23 34 45 56 615381538 12271227 AH 0.09JBNECFDKSP 0.0218LL+L+FeFe3 3C C+Fe+Fe3 3C C+Fe3C0.532.114.31148 727 0.77FeFe3Cw（C）%+ + +G 912 Q敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固1 12 2點：點：LL

13、3 34 4點：點：4 45 5點：點：單相固溶體單相固溶體5 56 6點：點： 7 7點：點： Fe3C室溫組織：室溫組織：Fe3C敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固12點：點：L23點：點：單相單相3點：共析反應點：共析反應)(30218. 072777. 0CFe 室溫組織：室溫組織：P P%8 .88%1000218. 069. 677. 069. 6%PKSK敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固17. 0149509. 053. 0 L)(30218. 072777. 0CFe 12點：點：L2點：發生包晶反應點：

14、發生包晶反應且液相有剩余。且液相有剩余。23點：點：L單相單相34點：點：單相單相45點：異晶轉變點：異晶轉變5點：共析轉變點：共析轉變室溫組織：室溫組織：P，隨隨C增加，增加，P含量增加。含量增加。 敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固室溫時室溫時 、FeFe3 3CC兩相平衡：兩相平衡： %945%PKK%65%3PKPCFe室溫時，先共析室溫時，先共析 、P P的組織相對量：的組織相對量： %8 .42%1000218. 077. 045. 077. 05%PKK%2 .57%1000218. 077. 00218. 045. 05%PSPP敦敦 德德

15、勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固1 13 3點同共析鋼。點同共析鋼。3 34 4點：點：脫溶，析出脫溶，析出二次滲碳體，二次滲碳體，成分沿成分沿ESES線變化直到線變化直到S S點。點。4 4點：共析轉變點：共析轉變室溫組織：室溫組織：P PFe3CFe3C，二次滲碳體呈網狀分布二次滲碳體呈網狀分布在原奧氏體晶界上。在原奧氏體晶界上。敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固%52%EFCF%48%3EFECCFe敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固PFe3CLd 敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相

16、長長3 材料的凝固材料的凝固敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固C C含量的變化對鐵碳合金含量的變化對鐵碳合金組織組織相對量的影響相對量的影響C C含量的變化對鐵碳合金含量的變化對鐵碳合金兩相兩相的相對量的影響的相對量的影響C C含量的變化對鐵碳合金含量的變化對鐵碳合金性能性能的影響的影響敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固 成核速率成核速率N N 越大越大, , 則結晶則結晶后的晶粒越多

17、后的晶粒越多, , 晶粒就越細小晶粒就越細小; ; 晶體長大速度晶體長大速度G G 越快越快, , 則則晶粒越粗。晶粒越粗。 隨著過冷度的增大，成核隨著過冷度的增大，成核速率和長大速度都增大，前者速率和長大速度都增大，前者的增大更快，比值的增大更快，比值N N / /GG也增大也增大, , 使晶粒細化。使晶粒細化。 增加過冷度增加過冷度 增大過冷度的主要辦法是增大過冷度的主要辦法是提高液態金屬的冷卻速度提高液態金屬的冷卻速度, , 如用如用金屬型代替砂型。金屬型代替砂型。過冷度對形核率和長大速率的影響敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固 變質處理變質處理ZL1

18、02經（2/3NaF+1/3NaCl）變質處理共晶體共晶體共晶體共晶體ZL102未經變質處理敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固振動、攪拌等振動、攪拌等 在金屬結晶的過程中采用機械振動、超聲波振動等方法，可以破碎在金屬結晶的過程中采用機械振動、超聲波振動等方法，可以破碎正在生長的樹枝晶，形成更多的結晶核心，獲得細小的晶粒。正在生長的樹枝晶，形成更多的結晶核心，獲得細小的晶粒。 將正在結晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感應現象，液將正在結晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感應現象，液態金屬會翻滾起來，沖斷正在結晶的樹枝狀晶體的晶枝，增加結晶核心，態金屬

19、會翻滾起來，沖斷正在結晶的樹枝狀晶體的晶枝，增加結晶核心，從而可細化晶粒。從而可細化晶粒。 超聲波震動對Al36Si組織的影響機械震動對鑄錠組織的影響敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固Al-50%Si中間合金經綜合細化處理后的微觀組織敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固鑄錠組織示意圖鉛錠宏觀組織敦敦 德德 勵勵 學學 知知 行行 相相 長長3 材料的凝固材料的凝固不純的砒霜顏色為紅色，稱為紅信石，是鶴頂紅的原型。砒霜（三氧化二砷）三氧化二砷）的毒性，明代本草綱目卷十云：“人服一錢（約3克）即死”，今人一般認為成人的中毒量為0.01克，致死量為0.1-0.2克。另外，在世界衛生組織確證的19種致癌物質中，砷居首位。相傳在法國，人們把砒霜稱