1、二、凝固狀態的影響因素 第一節第一節 概述概述引子：固體狀態下原子的排列方式有無規則排列的非晶態，也可引子：固體狀態下原子的排列方式有無規則排列的非晶態，也可以成為規則排列的晶體。決定因素有三方面。以成為規則排列的晶體。決定因素有三方面。1.1. 物質的本質物質的本質：原子以那種方式結合使系統吉布斯自由能更低。：原子以那種方式結合使系統吉布斯自由能更低。溫度高時原子活動能力強排列紊亂能量低，而低溫下按特定方溫度高時原子活動能力強排列紊亂能量低，而低溫下按特定方式排列結合能高可降低其總能量。這是熱力學的基本原則。式排列結合能高可降低其總能量。這是熱力學的基本原則。2.2. 熔融液體的粘度熔融液體

2、的粘度：粘度表征流體中發生相對運動的阻力，隨溫：粘度表征流體中發生相對運動的阻力，隨溫度降低，粘度不斷增加，在到達結晶轉變溫度前，粘度增加到度降低，粘度不斷增加，在到達結晶轉變溫度前，粘度增加到能阻止在重力作用物質發生流動時，即可以保持固定的形狀，能阻止在重力作用物質發生流動時，即可以保持固定的形狀，這時物質已經凝固，不能發生結晶。例如玻璃、高分子材料。這時物質已經凝固，不能發生結晶。例如玻璃、高分子材料。3.3. 熔融液體的冷卻速度：熔融液體的冷卻速度：冷卻速度快，到達結晶溫度原子來不及冷卻速度快，到達結晶溫度原子來不及重新排列就降到更低溫度，最終到室溫時難以重組合成晶體，重新排列就降到更低

3、溫度，最終到室溫時難以重組合成晶體，可以將無規則排列固定下來。金屬材料需要達到可以將無規則排列固定下來。金屬材料需要達到10106 6/s/s才能才能獲得非晶態。獲得非晶態。 在一般生產過程的冷卻條件下，金屬材料凝固為晶體，這時的凝在一般生產過程的冷卻條件下，金屬材料凝固為晶體，這時的凝固過程也是結晶過程。固過程也是結晶過程。第1頁/共41頁第二節 純金屬的結晶一、結晶的能量條件一、結晶的能量條件 吉布斯自由能吉布斯自由能G G和溫度和溫度T T的曲線總的曲線總是凹向下的下降形式，并且液體的曲是凹向下的下降形式，并且液體的曲線下降的趨勢更陡。兩曲線相交處的線下降的趨勢更陡。兩曲線相交處的溫度溫

4、度T Tm m，當溫度，當溫度T= TT= Tm m時，液相和固時，液相和固相的自由能相等，處于平衡共存，所相的自由能相等，處于平衡共存，所以稱以稱T Tm m為臨界點，也就是理論凝固溫為臨界點，也就是理論凝固溫度。當度。當T TT TT Tm m時，時，從固體向液體的轉變使吉布斯自由能從固體向液體的轉變使吉布斯自由能下降，是自發過程，發生熔化過程。下降，是自發過程，發生熔化過程。所以結晶過程的熱力學條件就是溫度所以結晶過程的熱力學條件就是溫度在理論熔點以下。在理論熔點以下。 第2頁/共41頁二、結晶的結構條件第二節第二節 純金屬的結晶純金屬的結晶 在一定的過冷度下，液體中若出在一定的過冷度下

5、，液體中若出現一固態的晶體，該區域的能量將發現一固態的晶體，該區域的能量將發生變化，一方面一定體積的液體轉變生變化，一方面一定體積的液體轉變為固體，體積自由能會下降，另一方為固體，體積自由能會下降，另一方面增加了液固相界面，增加了表面面增加了液固相界面，增加了表面自由能，因此總的吉布斯自由能變化自由能，因此總的吉布斯自由能變化量為：量為： 原子的熱運動可造成局部能量在不斷變化，其瞬間能量在原子的熱運動可造成局部能量在不斷變化，其瞬間能量在平均值的上下波動，對應的結構平均值的上下波動，對應的結構( (原子排列原子排列) )在變化，小范圍可在變化，小范圍可瞬間為接近晶體的排列。小于臨界尺寸的瞬間為

6、接近晶體的排列。小于臨界尺寸的( (也稱為晶胚也稱為晶胚) )下一步下一步將減小到消失；大于臨界尺寸的進一步長大時吉布斯自由能下將減小到消失；大于臨界尺寸的進一步長大時吉布斯自由能下降，可以不斷長大，這種可以長大的小晶體稱為晶核。降，可以不斷長大，這種可以長大的小晶體稱為晶核。第3頁/共41頁三、結晶時的過冷現象第二節第二節 純金屬的結晶純金屬的結晶冷卻曲線冷卻曲線：材料在冷卻過程中，由：材料在冷卻過程中，由于存在熱容量，并且從液態變為固于存在熱容量，并且從液態變為固態還要放出結晶潛熱，利用熱分析態還要放出結晶潛熱，利用熱分析裝置，處在較慢的固定的散熱方式，裝置，處在較慢的固定的散熱方式，并將

7、溫度隨時間變化記錄下來，所并將溫度隨時間變化記錄下來，所得的曲線冷卻曲線，純金屬的冷卻得的曲線冷卻曲線，純金屬的冷卻曲線如圖示。曲線如圖示。 過冷現象過冷現象：熔體材料冷卻到理論結晶溫度以下，并不是立即就形：熔體材料冷卻到理論結晶溫度以下，并不是立即就形成晶體，材料處在應該轉變的理論溫度以下，還保留原來狀態，成晶體，材料處在應該轉變的理論溫度以下，還保留原來狀態，這種現象稱為過冷。這種現象稱為過冷。過冷度過冷度：為了表述材料過冷的程度，將理論轉變溫度與實際所處：為了表述材料過冷的程度，將理論轉變溫度與實際所處在的溫度之差稱為過冷度在的溫度之差稱為過冷度 。 T = Tm T第4頁/共41頁四、

8、結晶的一般過程 第二節第二節 純金屬的結晶純金屬的結晶溫度變化規律溫度變化規律： 材料的熔體在熔點以上不斷材料的熔體在熔點以上不斷散熱，溫度不斷下降，到理論結散熱，溫度不斷下降，到理論結晶溫度并不是馬上變成固態的晶晶溫度并不是馬上變成固態的晶體，繼續降溫而出現過冷。過冷體，繼續降溫而出現過冷。過冷到某一程度開始結晶，放出結晶到某一程度開始結晶，放出結晶潛熱，可能會使其溫度回升。到潛熱，可能會使其溫度回升。到略低于熔點的溫度時，放出的熱略低于熔點的溫度時，放出的熱量和散熱可達到平衡，這時處于量和散熱可達到平衡，這時處于固定溫度，在冷卻曲線上出現平固定溫度，在冷卻曲線上出現平臺。結晶過程完成，沒有

9、潛熱的臺。結晶過程完成，沒有潛熱的補充，溫度將重新不斷下降，直補充，溫度將重新不斷下降，直到室溫。到室溫。 第5頁/共41頁四、結晶的一般過程 第二節第二節 純金屬的結晶純金屬的結晶組織的變化組織的變化：在一定的過冷度下，在液態的熔體內首先有細小的：在一定的過冷度下，在液態的熔體內首先有細小的晶體生成，這個過程稱為晶體生成，這個過程稱為形核形核。隨后已形成的晶核不斷的。隨后已形成的晶核不斷的長大長大，同時在未轉變的液體中伴隨新的核心的形成。生長過程到相鄰的同時在未轉變的液體中伴隨新的核心的形成。生長過程到相鄰的晶體互相接觸，直到液體全部轉變完畢。晶體互相接觸，直到液體全部轉變完畢。每個成長的晶

10、體就是一每個成長的晶體就是一個晶粒，它們的接觸分界面就形成晶界。個晶粒，它們的接觸分界面就形成晶界。 第6頁/共41頁五、形核 第二節第二節 純金屬的結晶純金屬的結晶自發形核自發形核：在一定的過冷度下，在液態的熔融原子自身的熱運動：在一定的過冷度下，在液態的熔融原子自身的熱運動瞬間造成有序結構達到臨界尺寸，可以長大的小晶體為晶核，這瞬間造成有序結構達到臨界尺寸，可以長大的小晶體為晶核，這種在液體內部自身出現的形核過程稱為種在液體內部自身出現的形核過程稱為自發形核自發形核。冷卻速度愈大，。冷卻速度愈大，晶核的臨界尺寸愈小，形核愈容易。晶核的臨界尺寸愈小，形核愈容易。非自發形核非自發形核：液態材料

11、中往往存在某些固態懸浮微粒，在一定的：液態材料中往往存在某些固態懸浮微粒，在一定的過冷度下，液態的熔融原子依附在這些微粒表面形核，稱為過冷度下，液態的熔融原子依附在這些微粒表面形核，稱為非自非自發形核發形核。由于利用原微粒與液體的界面能，形核比自發方式容易。由于利用原微粒與液體的界面能，形核比自發方式容易得多，如果微粒與形成的晶體的界面能愈低，作用愈明顯。它是得多，如果微粒與形成的晶體的界面能愈低，作用愈明顯。它是實際工程材料凝固結晶中的主要形核方式。實際工程材料凝固結晶中的主要形核方式。形核率形核率(N)(N)：單位時間在單位母體（液體）的體積內晶核的形成：單位時間在單位母體（液體）的體積內

12、晶核的形成數目稱為形核率。無論是自發還是非自發形核，冷卻速度愈大，數目稱為形核率。無論是自發還是非自發形核，冷卻速度愈大，形核率愈高；同樣冷卻速度下，非自發形核的形核率比自發形核形核率愈高；同樣冷卻速度下，非自發形核的形核率比自發形核高得多，人為地向液體中加入有效的固體微粒（變質處理）來提高得多，人為地向液體中加入有效的固體微粒（變質處理）來提高形核率是工程中常用的方法。高形核率是工程中常用的方法。第7頁/共41頁六、晶核的長大 第二節第二節 純金屬的結晶純金屬的結晶長大條件長大條件：液：液/ /固界面附近液體中的原子遷移到固態表面按固體固界面附近液體中的原子遷移到固態表面按固體的排列，實現了

13、晶體的長大（反之為熔化）。長大的自發過程也的排列，實現了晶體的長大（反之為熔化）。長大的自發過程也要求一定的過冷度，不過比形核小的多。金屬材料要求的過冷度要求一定的過冷度，不過比形核小的多。金屬材料要求的過冷度很小，僅很小，僅0.010.010.050.05。 平面推進的均勻長大平面推進的均勻長大：結晶潛熱通過固體散熱，快速長大部分散：結晶潛熱通過固體散熱，快速長大部分散熱困難會放慢速度，緩慢長大部位散熱改善會提高速度，最終均熱困難會放慢速度，緩慢長大部位散熱改善會提高速度，最終均勻生長。勻生長。有利環境優先的樹枝狀長大有利環境優先的樹枝狀長大：生：生長部位的前端因溫度（合金中可長部位的前端因

14、溫度（合金中可因成分）有利晶體的長大，快速因成分）有利晶體的長大，快速生長部位更會，不平衡的發展會生長部位更會，不平衡的發展會在快速生長部位產生分支，而形在快速生長部位產生分支，而形成樹枝狀的晶體。成樹枝狀的晶體。第8頁/共41頁六、晶核的長大 第二節第二節 純金屬的結晶純金屬的結晶關于樹枝晶關于樹枝晶：按樹枝方式生長的晶體稱為樹枝晶，先凝固的稱為按樹枝方式生長的晶體稱為樹枝晶，先凝固的稱為主干，隨后是分支，再分支。值得指出的是：主干，隨后是分支，再分支。值得指出的是：純凈的材料結晶純凈的材料結晶完畢見不到樹枝晶，但凝固過程中一般體積收縮，樹枝之間若得完畢見不到樹枝晶，但凝固過程中一般體積收縮

15、，樹枝之間若得不到充分的液體補充，樹枝晶可保留下來；不到充分的液體補充，樹枝晶可保留下來；當當材料中含有雜質，材料中含有雜質，在結晶時固體中的雜質比液體少，最后不同層次的分枝雜質含量在結晶時固體中的雜質比液體少，最后不同層次的分枝雜質含量不相同，其組織中可見樹枝晶。不相同，其組織中可見樹枝晶。 關于長大線速度關于長大線速度：凝固過程中，晶體在不斷長大，界面在單位時凝固過程中，晶體在不斷長大，界面在單位時間向前推移的垂直距離間向前推移的垂直距離(G(Gdx/dt)dx/dt)稱為長大線速度。稱為長大線速度。 關于晶體缺陷關于晶體缺陷：生長中晶體分支受液體流動、溫差、重力等影響，生長中晶體分支受液

16、體流動、溫差、重力等影響，同方向的分支可能出現小的角度差，互相結合時會留下位錯；同方向的分支可能出現小的角度差，互相結合時會留下位錯；樹樹枝之間若得不到充分的液體補充，出現縮孔、疏松和空位；此外枝之間若得不到充分的液體補充，出現縮孔、疏松和空位；此外還有氣孔還有氣孔 、夾雜物、夾雜物 、成分偏析、成分偏析 等宏觀缺陷。等宏觀缺陷。第9頁/共41頁七、晶粒大小的概念 第二節第二節 純金屬的結晶純金屬的結晶 晶粒的尺寸指統計描述晶粒的大小，各晶粒的大小和形狀并晶粒的尺寸指統計描述晶粒的大小，各晶粒的大小和形狀并不全相同，這就是統計的含義，有多種來計量，例如單位體積內不全相同，這就是統計的含義，有多

17、種來計量，例如單位體積內的晶粒個數。在生產中用晶粒度，測定方法是在放大的晶粒個數。在生產中用晶粒度，測定方法是在放大100100倍下觀倍下觀察和標準的進行對比評級，察和標準的進行對比評級，1 18 8級級( (有更高的有更高的) )，級別高的晶粒細。，級別高的晶粒細。級別的定義為在放大級別的定義為在放大100100下，每平方英寸內下，每平方英寸內1 1個晶粒時為一級，數個晶粒時為一級，數量增加量增加 倍提高一級。用于計算的定量描述還用平均截線長來倍提高一級。用于計算的定量描述還用平均截線長來表示。表示。 第10頁/共41頁八、鑄件晶粒大小的控制 第二節第二節 純金屬的結晶純金屬的結晶決定晶粒尺

18、寸的要素決定晶粒尺寸的要素： 從液體凝固后，每個晶核生長成一個晶從液體凝固后，每個晶核生長成一個晶粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理論分析表明晶粒尺寸決粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理論分析表明晶粒尺寸決定于定于N/GN/G，即形核率高晶粒細小，而長大速度快，晶粒尺寸增大。，即形核率高晶粒細小，而長大速度快，晶粒尺寸增大。 控制原理與方法：控制原理與方法：生產過程通常希望材料得到細小的尺寸，為此生產過程通常希望材料得到細小的尺寸，為此控制晶粒尺寸的方法有：第一，降低澆注溫度和加快冷卻速度，控制晶粒尺寸的方法有：第一，降低澆注溫度和加快冷卻速度，如金屬模、或加快散熱，盡管形核率和長大速度都

19、提高，但形核如金屬模、或加快散熱，盡管形核率和長大速度都提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒將細化，可是快冷卻速度會增加率的提高快得多，所得到的晶粒將細化，可是快冷卻速度會增加零件的內應力有時甚至可能造成開裂，有時因生產環境和零件尺零件的內應力有時甚至可能造成開裂，有時因生產環境和零件尺寸達不到快速冷卻。第二，加變質劑即人為加入幫助形核的其它寸達不到快速冷卻。第二，加變質劑即人為加入幫助形核的其它高熔點細粉末，如在銅中加少量鐵粉或鋁中加高熔點細粉末，如在銅中加少量鐵粉或鋁中加AlAl2 2O O3 3粉等，以非粉等，以非均勻方式形核并阻礙長大。第三，鑄件凝固中用機械或超聲波震均勻方式形核并

20、阻礙長大。第三，鑄件凝固中用機械或超聲波震動等也可細化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高溫的材料，動等也可細化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高溫的材料，對這些因素進行相反的操作。對這些因素進行相反的操作。 第11頁/共41頁九、凝固體的結構第二節第二節 純金屬的結晶純金屬的結晶表層等軸細晶區表層等軸細晶區 晶粒細小，取向隨機，晶粒細小，取向隨機，尺寸等軸，因為澆鑄時錠模溫度低，大的尺寸等軸，因為澆鑄時錠模溫度低，大的過冷度加上模壁和涂料幫助形核，大的形過冷度加上模壁和涂料幫助形核，大的形核率使與錠模接觸的表層得到等軸細晶區。核率使與錠模接觸的表層得到等軸細晶區。柱狀晶區柱狀晶區 隨模具溫度的

21、升高，只能隨錠隨模具溫度的升高，只能隨錠模的散熱而降低溫度，形核困難，只有表模的散熱而降低溫度，形核困難，只有表層晶粒向內生長，不同晶向的生長速度不層晶粒向內生長，不同晶向的生長速度不一樣，那些較生長有利的部分晶粒同時向一樣，那些較生長有利的部分晶粒同時向內長大，掩蓋了大量的晶粒，形成了較粗內長大，掩蓋了大量的晶粒，形成了較粗且方向基本相同的長形晶粒區。且方向基本相同的長形晶粒區。 中心等軸晶區中心等軸晶區 凝固的進行后期，四周散凝固的進行后期，四周散熱和液體的對流，中心的溫度達到均勻，熱和液體的對流，中心的溫度達到均勻，降到凝固店以下后，表層晶粒的沉降、生降到凝固店以下后，表層晶粒的沉降、生

22、長中碎斷晶枝的沖入可作為核心，且可向長中碎斷晶枝的沖入可作為核心，且可向四周均勻生長，形成等軸晶。晶核數量的四周均勻生長，形成等軸晶。晶核數量的有限，該區間的晶粒通常較粗大。有限，該區間的晶粒通常較粗大。 力學性能力學性能 表層硬表層硬柱狀區有方向形柱狀區有方向形中心疏松、多雜質中心疏松、多雜質第12頁/共41頁第三節 材料的相結構 一、概念一、概念 合金合金：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至少有一種為金屬，：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至少有一種為金屬，組成具有金屬性的材料稱為合金。組成具有金屬性的材料稱為合金。 組元組元：通常把組成材料的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質：通常把組成

23、材料的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質稱為組元。組元大多數情況下是元素；在研究的范圍內既不稱為組元。組元大多數情況下是元素；在研究的范圍內既不分解也不發生任何化學反應的穩定化合物也可成為組元。分解也不發生任何化學反應的穩定化合物也可成為組元。相相：凡成分相同、結構相同并與其它部分有界面分開的物質均勻：凡成分相同、結構相同并與其它部分有界面分開的物質均勻組成部分，稱之為相。在固態材料中，按其晶格結構的基本組成部分，稱之為相。在固態材料中，按其晶格結構的基本屬性來分，可分為屬性來分，可分為固溶體固溶體和和化合物化合物兩大類。兩大類。組織組織：人們用肉眼或借助某種工具（放大鏡、光學顯微鏡、電子：人

24、們用肉眼或借助某種工具（放大鏡、光學顯微鏡、電子顯微鏡等）所觀察到的材料形貌。它決定于組成相的類型、顯微鏡等）所觀察到的材料形貌。它決定于組成相的類型、形狀、大小、數量、分布等。形狀、大小、數量、分布等。 組織組成物組織組成物：組織中形貌相同的組成部分。：組織中形貌相同的組成部分。第13頁/共41頁二、固溶體第三節第三節 材料的相結構材料的相結構1 1. . 固溶體固溶體： 當材料由液態結晶為固態時，組成元素間會象溶液那樣當材料由液態結晶為固態時，組成元素間會象溶液那樣互相溶解，形成一種在某種元素的晶格結構中包含有其它元互相溶解，形成一種在某種元素的晶格結構中包含有其它元素原子的新相，稱為固溶

25、體。與固溶體的晶格相同的組成元素原子的新相，稱為固溶體。與固溶體的晶格相同的組成元素稱為溶劑，在固溶體中一般都占有較大的含量；其它的組素稱為溶劑，在固溶體中一般都占有較大的含量；其它的組成元素稱為溶質，其含量與溶劑相比為較少。成元素稱為溶質，其含量與溶劑相比為較少。固溶體即一些固溶體即一些元素進入某一組元的晶格中，不改變其晶體結構，形成的均元素進入某一組元的晶格中，不改變其晶體結構，形成的均勻相。勻相。 溶質原子溶入固溶體中的量稱為固溶體的溶質原子溶入固溶體中的量稱為固溶體的濃度濃度。在一定的。在一定的條件下，溶質元素在固溶體中的極限濃度叫做溶質元素在固溶條件下，溶質元素在固溶體中的極限濃度叫

26、做溶質元素在固溶體中的體中的溶解度溶解度。濃度或溶解度一般用溶質元素所占的重量百分。濃度或溶解度一般用溶質元素所占的重量百分比來表示比來表示( (%Wt%Wt) )；有時也用溶質元素所占的原子數量百分比來；有時也用溶質元素所占的原子數量百分比來表示，這時也稱為摩爾濃度表示，這時也稱為摩爾濃度( (%Wa%Wa) )。第14頁/共41頁二、固溶體第三節第三節 材料的相結構材料的相結構2 2. . 固溶體固溶體的分類的分類 按溶質原子在固溶體按溶質原子在固溶體( (溶劑溶劑) )晶晶格中的位置不同可分為：格中的位置不同可分為： a) a) 置換固溶體置換固溶體 溶質原子取代了溶質原子取代了部分部分

27、溶劑晶格中某些溶劑晶格中某些節節點上的點上的溶劑原子溶劑原子而形成的固溶體而形成的固溶體。 在置換固溶體中，一般溶質原子的溶解度有一定的限制，在置換固溶體中，一般溶質原子的溶解度有一定的限制，即形成即形成有限固溶體有限固溶體。 溶質元素與溶劑元素之間的化學性質相近、原子尺寸相近、溶質元素與溶劑元素之間的化學性質相近、原子尺寸相近、價電子數相近、晶體結構相近時對應的溶解度愈大。價電子數相近、晶體結構相近時對應的溶解度愈大。 當晶體結構相同、并且原子尺寸差小于當晶體結構相同、并且原子尺寸差小于15%15%時，化學性質時，化學性質較接近的有時可以出現無限互溶，構成較接近的有時可以出現無限互溶，構成無

28、限無限固溶體固溶體。這是把含。這是把含量較高的組元稱為溶劑，含量較少的組元稱為溶質。量較高的組元稱為溶劑，含量較少的組元稱為溶質。第15頁/共41頁二、固溶體第三節第三節 材料的相結構材料的相結構2 2. . 固溶體固溶體的分類的分類b) b) 間隙固溶體間隙固溶體 溶質原子嵌入溶溶質原子嵌入溶劑晶格的空隙中，不占據晶格劑晶格的空隙中，不占據晶格結點位置。結點位置。 間隙固溶體都是有限溶解固溶體。間隙固溶體都是有限溶解固溶體。 溶質元素相對于溶劑元素，原子尺寸愈小則對應的溶解度溶質元素相對于溶劑元素，原子尺寸愈小則對應的溶解度愈大。愈大。間隙固溶體的形成的基本條件間隙固溶體的形成的基本條件D

29、D質質/D/D劑劑0.590.59。 在金屬材料中，通常是過渡族金屬元素為溶劑，小尺寸的在金屬材料中，通常是過渡族金屬元素為溶劑，小尺寸的C C、N N、H H、O O、B B等元素為溶質等元素為溶質。第16頁/共41頁二、固溶體第三節第三節 材料的相結構材料的相結構3 3. . 固溶體固溶體的性能特點的性能特點1) 由于固溶體的晶體結構與溶劑相同，固溶體的性能由于固溶體的晶體結構與溶劑相同，固溶體的性能基本上與原溶劑的性能相近，換句話說，固溶體的基本上與原溶劑的性能相近，換句話說，固溶體的性能主要決定于溶劑的性能，或在溶劑性能基礎上性能主要決定于溶劑的性能，或在溶劑性能基礎上發生一些改變。發

30、生一些改變。 2) 固溶體的性能與原溶劑性能的差別，或稱性能變化固溶體的性能與原溶劑性能的差別，或稱性能變化的大小，隨著溶質的濃度的大小，隨著溶質的濃度( (含量含量) )的增加而加大。的增加而加大。 3) 以金屬元素為溶劑的固溶體，隨著溶質的溶入，強以金屬元素為溶劑的固溶體，隨著溶質的溶入，強度將提高，稱為度將提高，稱為固溶強化固溶強化，溶質的溶入可造成晶格，溶質的溶入可造成晶格畸變，材料的塑性變形的阻力加大，同時塑性略有畸變，材料的塑性變形的阻力加大，同時塑性略有下降，但不明顯。在材料中是有效提高金屬材料力下降，但不明顯。在材料中是有效提高金屬材料力學性能的途徑之一。學性能的途徑之一。 第

31、17頁/共41頁三、化合物( (中間相) )第三節第三節 材料的相結構材料的相結構1 1. . 化合物概念化合物概念 當溶質的含量超過了其溶解度，在材料中將出現新相。若當溶質的含量超過了其溶解度，在材料中將出現新相。若新相為另一組元的晶體結構，則也是另一固溶體。若其晶體結新相為另一組元的晶體結構，則也是另一固溶體。若其晶體結構與組元都不相同，表明生成了新的物質構與組元都不相同，表明生成了新的物質。所以，所以，化合物化合物是構是構成的成的組元相互作用，生成不同與任何組元晶體結構的新物質組元相互作用，生成不同與任何組元晶體結構的新物質。 化合物結構的特點，一是有基本固定的原子數目比，可用化合物結構

32、的特點，一是有基本固定的原子數目比，可用化學分子式表示，二是晶體結構不同于其任何組元。在以下將化學分子式表示，二是晶體結構不同于其任何組元。在以下將學習的相圖中，它們的位置都在相圖的中間，所以也稱為中間學習的相圖中，它們的位置都在相圖的中間，所以也稱為中間相。相。 在金屬材料中，原子之間的結合除離子鍵和共價鍵外，金在金屬材料中，原子之間的結合除離子鍵和共價鍵外，金屬鍵在不同程度上也參與一定的作用，如果生成的化合物也具屬鍵在不同程度上也參與一定的作用，如果生成的化合物也具有金屬性，則稱之為有金屬性，則稱之為金屬化合物金屬化合物。第18頁/共41頁三、化合物( (中間相) )第三節第三節 材料的相

33、結構材料的相結構2 2. . 金屬化合物的類型金屬化合物的類型1)1)正常價化合物正常價化合物 兩組元服從原子價規律而生成的正常化學中兩組元服從原子價規律而生成的正常化學中所稱的化合物。通常是金屬元素與非金屬元素組成，組元間電所稱的化合物。通常是金屬元素與非金屬元素組成，組元間電負性差起主要作用，兩組元間電負性差較大，它們符合一般化負性差起主要作用，兩組元間電負性差較大，它們符合一般化合物的原子價規律。例如合物的原子價規律。例如MnSMnS、AlAl2 2O O3 3、TiNTiN、ZrOZrO2 2等，其結合鍵等，其結合鍵為離子鍵；也有的是共價鍵，如為離子鍵；也有的是共價鍵，如SiCSiC；

34、少數也有以金屬鍵結合；少數也有以金屬鍵結合, ,如如MgMg2 2PbPb。 2)2)電子化合物電子化合物電子濃度電子濃度 在金屬材料在金屬材料( (合金合金) )中，價電子數目中，價電子數目(e)(e)與原子數目與原子數目(a)(a)之比稱為電子濃度。由于溶質和溶劑的價電子數可能不同，電之比稱為電子濃度。由于溶質和溶劑的價電子數可能不同，電子濃度子濃度 e/a = Ve/a = VA A(1-x) + V(1-x) + VB Bx x。其中。其中x x為溶質的原子百分比濃為溶質的原子百分比濃度度( (摩爾分數摩爾分數) )，V VA A、V VB B分別為溶劑和溶質的價電子數。分別為溶劑和溶

35、質的價電子數。 第19頁/共41頁三、化合物( (中間相) )第三節第三節 材料的相結構材料的相結構2 2. . 金屬化合物的類型金屬化合物的類型2)2)電子化合物電子化合物電子化合物電子化合物 這類化合物大多是以第這類化合物大多是以第族或過渡族金屬元素與族或過渡族金屬元素與第第至第至第族金屬元素結合而成。它們也可以用分子式表示，族金屬元素結合而成。它們也可以用分子式表示，但大多不符合正常化學價規律但大多不符合正常化學價規律。當當 e/a e/a 為某些特定值時形成一為某些特定值時形成一新的晶體結構新的晶體結構，并且電子濃度不同，其對應的晶體結構的類型并且電子濃度不同，其對應的晶體結構的類型也

36、就不同也就不同。常間的電子濃度值有常間的電子濃度值有21/1421/14、21/1321/13、21/1221/12。由于這。由于這類中間相與電子濃度有關，所以就稱為電子化合物，主要出現類中間相與電子濃度有關，所以就稱為電子化合物，主要出現在金屬材料中，它們的結合鍵為金屬鍵。一些常見的電子化合在金屬材料中，它們的結合鍵為金屬鍵。一些常見的電子化合物可參看教材。例如物可參看教材。例如CuCu3131SnSn8 8，電子濃度，電子濃度21/1321/13，具有復雜立方晶，具有復雜立方晶格。格。 第20頁/共41頁三、化合物( (中間相) )第三節第三節 材料的相結構材料的相結構2 2. . 金屬化

37、合物的類型金屬化合物的類型3)3)間隙化合物間隙化合物尺寸因素化合物尺寸因素化合物( (間隙相與間隙化合物間隙相與間隙化合物) ) 主要受組元的原子尺寸因素控制，通常是由過渡族金屬原子主要受組元的原子尺寸因素控制，通常是由過渡族金屬原子與原子半徑小于與原子半徑小于0.1nm0.1nm的非金屬元素碳、氮、氫、氧、硼所組成。的非金屬元素碳、氮、氫、氧、硼所組成。由于非金屬元素由于非金屬元素(X)(X)與金屬元素與金屬元素(M)(M)原子半徑比不同，結構也有所原子半徑比不同，結構也有所不同。不同。 當當r rX X/r/rM M0.590.590.59時，形成的化合物的晶體結構也較復雜，通常時，形成

38、的化合物的晶體結構也較復雜，通常稱它們為間隙化合物，相應的分子式也較復雜，如鋼中常見的稱它們為間隙化合物，相應的分子式也較復雜，如鋼中常見的FeFe3 3C C、CrCr7 7C C3 3、CrCr2323C C6 6等。等。 第21頁/共41頁三、化合物( (中間相) )第三節第三節 材料的相結構材料的相結構2 2. . 金屬化合物的類型金屬化合物的類型3)3)間隙化合物間隙化合物通常晶體結構較復雜通常晶體結構較復雜 第22頁/共41頁三、化合物( (中間相) )第三節第三節 材料的相結構材料的相結構4 4）其他金屬化合物）其他金屬化合物拓撲密堆相拓撲密堆相(TCP(TCP相相) ) 屬于這

39、類結構的有：屬于這類結構的有：-W-W結構、結構、LavesLaves相、相、相結構等。結構的細節從略。相結構等。結構的細節從略。溶劑為化合物的固溶體溶劑為化合物的固溶體 溶質為化合物中的某一組元，相當于溶質為化合物中的某一組元，相當于原子比可在一定范圍內變動，晶格未發生變化。原子比可在一定范圍內變動，晶格未發生變化。也可能也可能溶質為溶質為化合物中組元化合物中組元之外元素的原子。之外元素的原子。 3 3. . 金屬化合物的性能特點金屬化合物的性能特點 大多數化合物，特別是正常價化合物，熔點都較高大多數化合物，特別是正常價化合物，熔點都較高(結合結合鍵強的表現之一鍵強的表現之一)，力學性能表現

40、為硬而脆，單一由化合物在，力學性能表現為硬而脆，單一由化合物在金屬材料中比較少見，而陶瓷材料則是以化合物為主體。少量金屬材料中比較少見，而陶瓷材料則是以化合物為主體。少量硬度高的質點加入到塑性材料中，將明顯提高材料的強度，即硬度高的質點加入到塑性材料中，將明顯提高材料的強度，即第二相強化機制第二相強化機制 。 另一方面，化合物往往由特殊的物理、化學另一方面，化合物往往由特殊的物理、化學( (電、磁、光、電、磁、光、聲等聲等) )性能，從而在功能材料中的應用得到迅速發展。性能，從而在功能材料中的應用得到迅速發展。 第23頁/共41頁第四節 相圖知識 一、概念一、概念 相相：凡成分相同、結構相同并

41、與其它部分有界面分開的物質均勻：凡成分相同、結構相同并與其它部分有界面分開的物質均勻組成部分，稱之為相。組成部分，稱之為相。相圖相圖：相圖又稱為狀態圖，它是表示體系的成分、外界環境和組：相圖又稱為狀態圖，它是表示體系的成分、外界環境和組成相與相之間的平衡關系的幾何圖形。它是研究材料組織變成相與相之間的平衡關系的幾何圖形。它是研究材料組織變化規律的重要參考工具。外界環境主要是溫度和壓力，例如化規律的重要參考工具。外界環境主要是溫度和壓力，例如物理學中已經介紹的純水和純鐵的相圖。物理學中已經介紹的純水和純鐵的相圖。 第24頁/共41頁一、概念第四節第四節 相圖知識相圖知識二元相圖二元相圖：當存在兩

42、個組元時，成分也是變量，但一種組元的含：當存在兩個組元時，成分也是變量，但一種組元的含量為獨立，另一組元則為余下部分。為在二維平面上表示，量為獨立，另一組元則為余下部分。為在二維平面上表示，通常只考慮在常壓下，取兩個變量溫度和成分。橫座標用線通常只考慮在常壓下，取兩個變量溫度和成分。橫座標用線段表示成分，縱座標表示溫度。平面上以按這時平衡狀態下段表示成分，縱座標表示溫度。平面上以按這時平衡狀態下存在的相來分隔。存在的相來分隔。( (如圖如圖) ) 相圖用途相圖用途：1.1. 由材料的成分和溫度預知平衡相；由材料的成分和溫度預知平衡相；2.2. 材料的成分一定而溫度發生變化材料的成分一定而溫度發

43、生變化時其他平衡相變化的規律；時其他平衡相變化的規律；3.3. 估算平衡相的數量。估算平衡相的數量。預測材料的組織和性能預測材料的組織和性能第25頁/共41頁一、概念第四節第四節 相圖知識相圖知識相圖與冷卻曲相圖與冷卻曲線的關系線的關系： 成分一定，在冷卻過程中，不同的相熱容量不相同，如果成分一定，在冷卻過程中，不同的相熱容量不相同，如果系統散熱能力一樣，溫度隨時間的變化系統散熱能力一樣，溫度隨時間的變化( (冷卻冷卻) )曲線上的斜率將曲線上的斜率將不同，曲線的轉折點對應溫度就是某些相開始出現或完全小時不同，曲線的轉折點對應溫度就是某些相開始出現或完全小時的溫度，利用這一特點，由實測的冷卻曲

44、線可以作出相圖。的溫度，利用這一特點，由實測的冷卻曲線可以作出相圖。第26頁/共41頁二、二元勻晶相圖與固溶體的凝固 第四節第四節 相圖知識相圖知識1. 1. 相圖形式相圖形式 兩組元在液態和固態都能無限互溶。如兩組元在液態和固態都能無限互溶。如CuCuNiNi、AgAgAuAu形形成二元合金對應的相圖就是二元勻晶相圖。成二元合金對應的相圖就是二元勻晶相圖。相圖的構成相圖的構成：由兩條曲線將：由兩條曲線將相圖分為三個區。左右兩端相圖分為三個區。左右兩端點分別為組元的熔點。上面點分別為組元的熔點。上面的一條曲線稱為液相線，液的一條曲線稱為液相線，液相線之上為液相的單相區，相線之上為液相的單相區，

45、常用常用L L表示；下面的一條曲表示；下面的一條曲線稱為固相線，固相線之下線稱為固相線，固相線之下為固溶體的單相區，常用為固溶體的單相區，常用表示；兩條曲線之間是雙相表示；兩條曲線之間是雙相區，標記區，標記L+L+表示。表示。 第27頁/共41頁二、二元勻晶相圖與固溶體的凝固 第四節第四節 相圖知識相圖知識2. 2. 兩相平衡時的數量分配規律杠桿定律兩相平衡時的數量分配規律杠桿定律 如圖，合金如圖，合金x x在溫度在溫度T T1 1將由兩相長期并存，這時兩相的成分將由兩相長期并存，這時兩相的成分和數量保持不變。過和數量保持不變。過x x點作水平線交液相線和固相線于點作水平線交液相線和固相線于a

46、 a、c c點，點，經熱力學證明經熱力學證明a a、c c點的成分分別為平衡的液體和固體的成分，點的成分分別為平衡的液體和固體的成分，設設m mL L和和m m 分別為兩相的數量，分別為兩相的數量，由物質不滅可推導出：由物質不滅可推導出：一般用占總體數量的百分一般用占總體數量的百分比的相對值來表示。如果比的相對值來表示。如果把線段把線段axcaxc當成一杠桿，則當成一杠桿，則他們滿足杠桿力的平衡原他們滿足杠桿力的平衡原理，所以稱之為理，所以稱之為杠桿定律杠桿定律。用杠桿定律來分析在理解和使用都有好的直觀性和方便。適用所有兩相平衡。用杠桿定律來分析在理解和使用都有好的直觀性和方便。適用所有兩相平

47、衡。第28頁/共41頁二、二元勻晶相圖與固溶體的凝固 第四節第四節 相圖知識相圖知識3.3.固溶體材料冷卻時組織轉變固溶體材料冷卻時組織轉變：1 1點以上液體冷卻點以上液體冷卻1 1點開始凝固，固體成點開始凝固，固體成分在對應固相線處分在對應固相線處1 12 2之間，溫度下降，之間，溫度下降，液體數量減少，固體數液體數量減少，固體數量增加，成分沿液相線量增加，成分沿液相線和固相線變化，和固相線變化，到到2 2點，液體數量為點，液體數量為0 0，固體成分回到合金原始固體成分回到合金原始成分，凝固完成成分，凝固完成2 2點以下固體冷卻，無點以下固體冷卻，無組織變化組織變化過程：過程：第29頁/共4

48、1頁二、二元勻晶相圖與固溶體的凝固 第四節第四節 相圖知識相圖知識3.3.固溶體材料冷卻時組織轉變固溶體材料冷卻時組織轉變：1.1.與純金屬凝固一樣由與純金屬凝固一樣由形核和長大來完成結晶形核和長大來完成結晶過程，實際進行在一定過程，實際進行在一定的過冷度下。的過冷度下。2.2.凝固在一溫度范圍內凝固在一溫度范圍內進行。只有在溫度不斷進行。只有在溫度不斷下將時固體量才增加，下將時固體量才增加，溫度不變，液固數量維溫度不變，液固數量維持平衡不變。持平衡不變。3.3.凝固過程中液體和固凝固過程中液體和固體的成分在不斷變化。體的成分在不斷變化。特點：特點： 如果冷卻速度較快，液體和固體成分來不及均勻

49、，除晶粒細小外，固體如果冷卻速度較快，液體和固體成分來不及均勻，除晶粒細小外，固體中的成分會出現不均勻，樹枝晶中成分也不均勻，產生晶內偏析；冷卻慢了中的成分會出現不均勻，樹枝晶中成分也不均勻，產生晶內偏析；冷卻慢了會出現區域偏析。工程中采用先快冷，再在固態較高溫度下讓成分均勻。會出現區域偏析。工程中采用先快冷，再在固態較高溫度下讓成分均勻。第30頁/共41頁三、二元共晶相圖第四節第四節 相圖知識相圖知識1. 1. 相圖形式相圖形式 兩組元在液態下無限互溶，固態下有限溶解，一組元溶入兩組元在液態下無限互溶，固態下有限溶解，一組元溶入另一組元中時都使凝固溫度下降，并發生共晶轉變。如另一組元中時都使

50、凝固溫度下降，并發生共晶轉變。如PbPbSnSn、AgAgCuCu等形成二元合金對應的相圖就是二元勻晶相圖。等形成二元合金對應的相圖就是二元勻晶相圖。 相圖的構成相圖的構成：t tA AE E和和t tB BE E為兩液相線，為兩液相線，與其對應的與其對應的t tA AC C和和t tB BD D為兩固相線；為兩固相線；CGCG和和DHDH固溶體固溶體、的溶解度隨溫的溶解度隨溫度變化線；度變化線；CEDCED為為水平水平共晶線。將共晶線。將相圖分成相圖分成三個單相區三個單相區 L L、；三個雙相區三個雙相區L L、L L、和和 一個三相區一個三相區L L，即，即CEDCED為共晶線。為共晶線。

51、 第31頁/共41頁三、二元共晶相圖第四節第四節 相圖知識相圖知識2. 2. 共晶合金的凝固共晶合金的凝固過程過程 在在T TE E溫度以上僅是液體的冷卻溫度以上僅是液體的冷卻到達略低于到達略低于T TE E的溫度，按的溫度，按L L相區分相區分析應為從液體中析出析應為從液體中析出C C成分的成分的相，而相，而按按L L相區分析應從液體中析出相區分析應從液體中析出D D成成分的分的相。如果相。如果和和按一定的比例按一定的比例析出，最終液體的成分不變，兩固相析出，最終液體的成分不變，兩固相不斷同時析出，即共同結晶，故稱為不斷同時析出，即共同結晶，故稱為共晶轉變，直到液體完全消失，結晶共晶轉變，直到液體完全消失，結晶過程過程完成完成，得到的是兩固相的混合物，得到的是兩固相的混合物，稱為共晶體。稱為共晶體。在在T TE E溫度以下僅是固體的冷卻溫度以下僅是固體的冷卻成分為成分為E點點第32頁/共41頁三、二元共晶相圖第四節第四節 相圖知識相圖知識2. 2. 共晶合金的凝固共晶合金的凝固特點特點 1)1) 在液體中在液體中和和同時具有析同時具有析出條件，都可以析出。出條件，都可以析出。2)2) 由于由于和和析出過