工程材料及應(yīng)用第三章材料的凝固與相圖

工程材料及應(yīng)用第三章材料的凝固與相圖1第一頁，共四十六頁，2022年，8月28日Steelmakingflowlines1.1碳鋼概論

Chapter1鋼鐵中的合金元素

2第二頁，共四十六頁，2022年，8月28日SteelFinishingflowlines1.1碳鋼概論

Chapter1鋼鐵中的合金元素

3第三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)概述一、凝固與結(jié)晶

引子自然界的物質(zhì)通常都能夠以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)存在。并且在一定的條件下，它們可以發(fā)生互相轉(zhuǎn)變。凝固一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變過程的統(tǒng)稱。結(jié)晶晶體的形成形成過程。凝結(jié)－蒸發(fā)凝固－熔化凝華－升華晶體的形成過程包括，原始相可以是氣體(凝華)、液態(tài)、非晶態(tài)的固體或從一種晶體轉(zhuǎn)變未另一種晶體。意義材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多數(shù)用冶煉來方法生產(chǎn)出來，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過冷卻后才得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結(jié)構(gòu)與從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程有關(guān)，從而也影響材料的性能。4第四頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、凝固狀態(tài)的影響因素

第一節(jié)概述引子固體狀態(tài)下原子的排列方式有無規(guī)則排列的非晶態(tài)，也可以成為規(guī)則排列的晶體。決定因素有三方面:物質(zhì)的本質(zhì)：原子以那種方式結(jié)合使系統(tǒng)吉布斯自由能更低。溫度高時原子活動能力強(qiáng)排列紊亂，而低溫下按特定方式排列結(jié)合可降低其總能量(符合熱力學(xué)的基本原則)。熔融液體的粘度：粘度表征流體中發(fā)生相對運動的阻力，隨溫度降低，粘度不斷增加。在到達(dá)結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度前，粘度增加到能阻止在重力作用物質(zhì)發(fā)生流動時，即可以保持固定的形狀，這時物質(zhì)已經(jīng)凝固，不能發(fā)生結(jié)晶。例如玻璃、高分子材料。熔融液體的冷卻速度：冷卻速度快，到達(dá)結(jié)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，可以將無規(guī)則排列固定下來。金屬材料需要達(dá)到106℃/s才能獲得非晶態(tài)。

在一般生產(chǎn)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(jié)晶過程。5第五頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)純金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶的能量條件

吉布斯自由能（G）吉布斯自由能G和溫度T的曲線總是凹向下的下降形式，并且液體的曲線下降的趨勢更陡。兩曲線相交處的溫度Tm，當(dāng)溫度T=Tm時，液相和固相的自由能相等，處于平衡共存，所以稱Tm為臨界點，也就是理論凝固溫度。當(dāng)T<Tm時，從液體向固體的轉(zhuǎn)變使吉布斯自由能下降，是自發(fā)過程，發(fā)生結(jié)晶過程；反之，當(dāng)T>Tm時，從固體向液體的轉(zhuǎn)變使吉布斯自由能下降，是自發(fā)過程，發(fā)生熔化過程。所以結(jié)晶過程的熱力學(xué)條件就是溫度在理論熔點以下。6第六頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件第二節(jié)純金屬的結(jié)晶

在一定的過冷度下，液體中若出現(xiàn)一固態(tài)的晶體，該區(qū)域的能量將發(fā)生變化，一方面一定體積的液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，體積自由能會下降，另一方面增加了液－固相界面，增加了表面自由能，因此總的吉布斯自由能變化量為：

原子的熱運動可造成局部能量在不斷變化，其瞬間能量在平均值的上下波動，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)(原子排列)在變化，小范圍可瞬間為接近晶體的排列。小于臨界尺寸的(也稱為晶胚)下一步將減小到消失；大于臨界尺寸的進(jìn)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。7第七頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、結(jié)晶時的過冷現(xiàn)象第二節(jié)純金屬的結(jié)晶冷卻曲線：材料在冷卻過程中，由于存在熱容量，并且從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)還要放出結(jié)晶潛熱，利用熱分析裝置，處在較慢的固定的散熱方式，并將溫度隨時間變化記錄下來，所得的曲線冷卻曲線，純金屬的冷卻曲線如圖示。

過冷現(xiàn)象：熔體材料冷卻到理論結(jié)晶溫度以下，并不是立即就形成晶體，材料處在應(yīng)該轉(zhuǎn)變的理論溫度以下，還保留原來狀態(tài)。過冷度：材料過冷的程度，ΔT=Tm

－T8第八頁，共四十六頁，2022年，8月28日四、結(jié)晶的一般過程第二節(jié)純金屬的結(jié)晶溫度變化規(guī)律：

材料的熔體在熔點以上不斷散熱，溫度不斷下降，到理論結(jié)晶溫度并不是馬上變成固態(tài)的晶體，繼續(xù)降溫而出現(xiàn)過冷。過冷到某一程度開始結(jié)晶，放出結(jié)晶潛熱，可能會使其溫度回升。到略低于熔點的溫度時，放出的熱量和散熱可達(dá)到平衡，這時處于固定溫度，在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺。結(jié)晶過程完成，沒有潛熱的補(bǔ)充，溫度將重新不斷下降，直到室溫。9第九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)純金屬的結(jié)晶組織的變化：在一定的過冷度下，在液態(tài)的熔體內(nèi)首先有細(xì)小的晶體生成，這個過程稱為形核。隨后已形成的晶核不斷的長大，同時在未轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變完畢。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。

10第十頁，共四十六頁，2022年，8月28日五、形核第二節(jié)純金屬的結(jié)晶自發(fā)形核：在一定的過冷度下，在液態(tài)的熔融原子自身的熱運動瞬間造成有序結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界尺寸，可以長大的小晶體為晶核，這種在液體內(nèi)部自身出現(xiàn)的形核過程稱為自發(fā)形核。冷卻速度愈大，晶核的臨界尺寸愈小，形核愈容易。非自發(fā)形核：液態(tài)材料中往往存在某些固態(tài)懸浮微粒，在一定的過冷度下，液態(tài)的熔融原子依附在這些微粒表面形核，稱為非自發(fā)形核。由于利用原微粒與液體的界面能，形核比自發(fā)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。實際工程材料凝固結(jié)晶中的主要形核方式。形核率(N)：單位時間在單位母體（液體）的體積內(nèi)晶核的形成數(shù)目。無論自發(fā)或非自發(fā)形核，冷卻速度愈大，形核率愈高；同樣冷速下，非自發(fā)形核的形核率比自發(fā)形核高得多。人為地向加入有效的固體微粒（變質(zhì)處理）提高形核率，工程中常用。11第十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日六、晶核的長大第二節(jié)純金屬的結(jié)晶長大條件：液/固界面附近液體中的原子遷移到固態(tài)表面按固體的排列，實現(xiàn)了晶體的長大（反之為熔化）。長大的自發(fā)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很小，僅0.01—0.05℃。平面推進(jìn)的均勻長大(從溫度角度)：結(jié)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，最終均勻生長。有利環(huán)境優(yōu)先的樹枝狀長大（從成分角度）：生長部位的前端因溫度（合金中可因成分）有利晶體的長大，快速生長部位更會，不平衡的發(fā)展會在快速生長部位產(chǎn)生分支，而形成樹枝狀的晶體。12第十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日六、晶核的長大第二節(jié)純金屬的結(jié)晶關(guān)于樹枝晶：按樹枝方式生長的晶體稱為樹枝晶，先凝固的稱為主干，隨后是分支，再分支。①純凈的材料結(jié)晶完畢見不到樹枝晶，但凝固過程中一般體積收縮，樹枝之間若得不到充分的液體補(bǔ)充，樹枝晶可保留下來；②當(dāng)材料中含有雜質(zhì)，在結(jié)晶時固體中的雜質(zhì)比液體少，最后不同層次的分枝雜質(zhì)含量不相同，其組織中可見樹枝晶。

關(guān)于長大線速度：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(G＝dx/dt)稱為長大線速度。

關(guān)于晶體缺陷：生長中晶體分支受液體流動、溫差、重力等影響，同方向的分支可能出現(xiàn)小的角度差，互相結(jié)合時會留下位錯；樹枝之間若得不到充分的液體補(bǔ)充，出現(xiàn)縮孔、疏松和空位；此外還有氣孔、夾雜物、成分偏析等宏觀缺陷。13第十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日七、晶粒大小的概念第二節(jié)純金屬的結(jié)晶

晶粒的尺寸指統(tǒng)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(tǒng)計的含義，有多種來計量，例如單位體積內(nèi)的晶粒個數(shù)。在生產(chǎn)中用晶粒度，測定方法是在放大100倍下觀察和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行對比評級，1—8級(有更高的)，級別高的晶粒細(xì)。級別的定義為在放大100下，每平方英寸內(nèi)1個晶粒時為一級，數(shù)量增加倍提高一級。還用平均截線長度法來定量描述。

14第十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日八、鑄件晶粒大小的控制第二節(jié)純金屬的結(jié)晶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N/G，即形核率高晶粒細(xì)小，而長大速度快，晶粒尺寸增大。15第十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日控制原理與方法得到細(xì)小的尺寸，為此控制晶粒尺寸的方法有：1)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提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒將細(xì)化，可是快冷卻速度會增加零件的內(nèi)應(yīng)力有時甚至可能造成開裂，有時因生產(chǎn)環(huán)境和零件尺寸達(dá)不到快速冷卻。2)加變質(zhì)劑即人為加入幫助形核的其它高熔點細(xì)粉末，如在銅中加少量鐵粉或鋁中加Al2O3粉等，以非均勻方式形核并阻礙長大。3)鑄件凝固中用機(jī)械或超聲波震動等也可細(xì)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(jìn)行相反的操作。

16第十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日九、凝固體的結(jié)構(gòu)第二節(jié)純金屬的結(jié)晶表層等軸細(xì)晶區(qū)晶粒細(xì)小，取向隨機(jī)，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，大的形核率使與錠模接觸的表層得到等軸細(xì)晶區(qū)。柱狀晶區(qū)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，只有表層晶粒向內(nèi)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內(nèi)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(qū)。

中心等軸晶區(qū)凝固的進(jìn)行后期，四周散熱和液體的對流，中心的溫度達(dá)到均勻，降到凝固點以下后，表層晶粒的沉降、生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(shù)量的有限，該區(qū)間的晶粒通常較粗大。

力學(xué)性能 表層硬 柱狀區(qū)有方向形 中心疏松、多雜質(zhì)17第十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)一、概念

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，組成具有金屬性的材料稱為合金。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(zhì)稱為組元。組元大多數(shù)情況下是元素；在研究的范圍內(nèi)既不分解也不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定化合物也可成為組元。相：凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的物質(zhì)均勻組成部分，稱之為相。在固態(tài)材料中，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性來分，可分為固溶體和化合物兩大類。組織：人們用肉眼或借助某種工具（放大鏡、光學(xué)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、形狀、大小、數(shù)量、分布等。

組織組成物：組織中形貌相同的組成部分。18第十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、固溶體第三節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)1.固溶體：

當(dāng)材料由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)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(jié)構(gòu)中包含有其它元素原子的新相，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；其它的組成元素稱為溶質(zhì)，其含量與溶劑相比為較少。固溶體即一些元素進(jìn)入某一組元的晶格中，不改變其晶體結(jié)構(gòu)，形成的均勻相。

溶質(zhì)原子溶入固溶體中的量稱為固溶體的濃度。在一定的條件下，溶質(zhì)元素在固溶體中的極限濃度叫做溶質(zhì)元素在固溶體中的溶解度。濃度或溶解度一般用溶質(zhì)元素所占的重量百分比來表示(%Wt)；有時也用溶質(zhì)元素所占的原子數(shù)量百分比來表示，這時也稱為摩爾濃度(%Wa)。19第十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、固溶體第三節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)2.固溶體的分類

按溶質(zhì)原子在固溶體(溶劑)晶格中的位置不同可分為：a)置換固溶體溶質(zhì)原子取代了部分溶劑晶格中某些節(jié)點上的溶劑原子而形成的固溶體。

在置換固溶體中，一般溶質(zhì)原子的溶解度有一定的限制，即形成有限固溶體。溶質(zhì)元素與溶劑元素之間的化學(xué)性質(zhì)相近、原子尺寸相近、價電子數(shù)相近、晶體結(jié)構(gòu)相近時對應(yīng)的溶解度愈大。當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)相同、并且原子尺寸差小于15%時，化學(xué)性質(zhì)較接近的有時可以出現(xiàn)無限互溶，構(gòu)成無限固溶體。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(zhì)。20第二十頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、固溶體第三節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)2.固溶體的分類b)間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格的空隙中，不占據(jù)晶格結(jié)點位置。

間隙固溶體都是有限溶解固溶體。

溶質(zhì)元素相對于溶劑元素，原子尺寸愈小則對應(yīng)的溶解度愈大。間隙固溶體的形成的基本條件D質(zhì)/D劑<0.59。

在金屬材料中，通常是過渡族金屬元素為溶劑，小尺寸的C、N、H、O、B等元素為溶質(zhì)。21第二十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、固溶體第三節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)3.固溶體的性能特點由于固溶體的晶體結(jié)構(gòu)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，固溶體的性能主要決定于溶劑的性能，或在溶劑性能基礎(chǔ)上發(fā)生一些改變。

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(zhì)的濃度(含量)的增加而加大。

以金屬元素為溶劑的固溶體，隨著溶質(zhì)的溶入，強(qiáng)度將提高，稱為固溶強(qiáng)化，溶質(zhì)的溶入可造成晶格畸變，材料的塑性變形的阻力加大，同時塑性略有下降，但不明顯。在材料中是有效提高金屬材料力學(xué)性能的途徑之一。

22第二十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、化合物(中間相)第三節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)1.化合物概念

當(dāng)溶質(zhì)的含量超過了其溶解度，在材料中將出現(xiàn)新相。若新相為另一組元的晶體結(jié)構(gòu)，則也是另一固溶體。若其晶體結(jié)構(gòu)與組元都不相同，表明生成了新的物質(zhì)。所以，化合物是構(gòu)成的組元相互作用，生成不同于任何組元晶體結(jié)構(gòu)的新物質(zhì)?；衔锝Y(jié)構(gòu)的特點有基本固定的原子數(shù)目比，可用化學(xué)分子式表示2)晶體結(jié)構(gòu)不同于其任何組元。位置都在相圖的中間，稱為中間相。

在金屬材料中，原子之間的結(jié)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有金屬性，則稱之為金屬化合物。23第二十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、化合物(中間相)第三節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)2.金屬化合物的類型1)正常價化合物兩組元服從原子價規(guī)律而生成的正?；瘜W(xué)中所稱的化合物。通常是金屬元素與非金屬元素組成，組元間電負(fù)性差起主要作用，兩組元間電負(fù)性差較大，它們符合一般化合物的原子價規(guī)律。例如MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等，其結(jié)合鍵為離子鍵；也有的是共價鍵，如SiC；少數(shù)也有以金屬鍵結(jié)合,如Mg2Pb。2)電子化合物電子濃度在金屬材料(合金)中，價電子數(shù)目(e)與原子數(shù)目(a)之比稱為電子濃度。由于溶質(zhì)和溶劑的價電子數(shù)可能不同，電子濃度e/a=VA(1-x)+VBx。其中x為溶質(zhì)的原子百分比濃度(摩爾分?jǐn)?shù))，VA、VB分別為溶劑和溶質(zhì)的價電子數(shù)。

24第二十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、化合物(中間相)第三節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)2.金屬化合物的類型2)電子化合物電子化合物這類化合物大多是以第Ⅰ族或過渡族金屬元素與第Ⅱ至第Ⅴ族金屬元素結(jié)合而成。它們也可以用分子式表示，但大多不符合正?；瘜W(xué)價規(guī)律。當(dāng)e/a為某些特定值時形成一新的晶體結(jié)構(gòu)，并且電子濃度不同，其對應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)的類型也就不同。常見的電子濃度值有21/14、21/13、21/12。由于這類中間相與電子濃度有關(guān)，所以就稱為電子化合物，主要出現(xiàn)在金屬材料中，它們的結(jié)合鍵為金屬鍵。例如Cu31Sn8，電子濃度21/13，具有復(fù)雜立方晶格。25第二十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、化合物(中間相)第三節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)2.金屬化合物的類型3)間隙化合物尺寸因素化合物(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與原子半徑小于0.1nm的非金屬元素碳、氮、氫、氧、硼所組成。由于非金屬元素(X)與金屬元素(M)原子半徑比不同，結(jié)構(gòu)也有所不同。

當(dāng)rX/rM<0.59時，形成具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的化合物，如fcc、bcc、cph或簡單立方，通常稱它們?yōu)殚g隙相，相應(yīng)的分子式也較簡單，如M4X、M2X、MX、MX2等。

當(dāng)rX/rM>0.59時，形成的化合物的晶體結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，通常稱它們?yōu)殚g隙化合物，相應(yīng)的分子式也較復(fù)雜，如鋼中常見的Fe3C、Cr7C3、Cr23C6等。

26第二十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、化合物(中間相)第三節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)2.金屬化合物的類型3)間隙化合物通常晶體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜

27第二十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、化合物(中間相)第三節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)4）其他金屬化合物拓?fù)涿芏严?TCP相)屬于這類結(jié)構(gòu)的有：β-W結(jié)構(gòu)、Laves相、σ相結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)從略。溶劑為化合物的固溶體溶質(zhì)為化合物中的某一組元，相當(dāng)于原子比可在一定范圍內(nèi)變動，晶格未發(fā)生變化。也可能溶質(zhì)為化合物中組元之外元素的原子。

3.金屬化合物的性能特點

大多數(shù)化合物，特別是正常價化合物，熔點都較高(結(jié)合鍵強(qiáng)的表現(xiàn)之一)，力學(xué)性能表現(xiàn)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。少量硬度高的質(zhì)點加入到塑性材料中，將明顯提高材料的強(qiáng)度，即第二相強(qiáng)化機(jī)制。另一方面，化合物往往由特殊的物理、化學(xué)(電、磁、光、聲等)性能，從而在功能材料中的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。28第二十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日第四節(jié)相圖知識一、概念

相：凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的物質(zhì)均勻組成部分。相圖:又稱狀態(tài)圖，表示體系的成分、外界環(huán)境和組成相與相之間的平衡關(guān)系的幾何圖形。研究材料組織變化規(guī)律的重要參考工具。外界環(huán)境主要是溫度和壓力，例如物理學(xué)中已經(jīng)介紹的純水和純鐵的相圖。29第二十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日一、概念第四節(jié)相圖知識二元相圖：當(dāng)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，通常只考慮在常壓下，取兩個變量溫度和成分。橫座標(biāo)用線段表示成分，縱座標(biāo)表示溫度。平面上以按這時平衡狀態(tài)下存在的相來分隔。(如圖)

相圖用途：由材料的成分和溫度預(yù)知平衡相；材料的成分一定，溫度發(fā)生變化,其它平衡相變化的規(guī)律；估算平衡相的數(shù)量。預(yù)測材料的組織和性能30第三十頁，共四十六頁，2022年，8月28日一、概念第四節(jié)相圖知識相圖與冷卻曲線的關(guān)系：

成分一定，在冷卻過程中，不同的相熱容量不相同，如果系統(tǒng)散熱能力一樣，溫度隨時間的變化(冷卻)曲線上的斜率將不同，曲線的轉(zhuǎn)折點對應(yīng)溫度就是某些相開始出現(xiàn)或完全小時的溫度，利用這一特點，由實測的冷卻曲線可以作出相圖。31第三十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、二元勻晶相圖與固溶體的凝固第四節(jié)相圖知識1.相圖形式

兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限互溶。二元勻晶相圖，如Cu—Ni、Ag—Au。相圖的構(gòu)成：兩條曲線將相圖分為三個區(qū)。左右兩端點分別為組元的熔點。上面曲線為液相線，液相線之上為液相的單相區(qū)，常用L表示；下面的曲線為固相線，固相線之下為固溶體的單相區(qū)，常用α表示；兩條曲線之間是雙相區(qū)，標(biāo)記L+α。32第三十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、二元勻晶相圖與固溶體的凝固第四節(jié)相圖知識2.兩相平衡時的數(shù)量分配規(guī)律－－杠桿定律合金x在溫度T1將由兩相長期并存，兩相的成分和數(shù)量保持不變。過x點作水平線交液相線和固相線于a、c點，a、c點的成分分別為平衡的液體和固體的成分。設(shè)mL和m分別為兩相的數(shù)量，由物質(zhì)不滅推導(dǎo)出：用占總體數(shù)量的百分比的相對值來表示。如果把線段axc當(dāng)成一杠桿，則滿足杠桿力的平衡原理。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。33第三十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日質(zhì)量為Q合金

,Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為b%,在T1溫度時,

L相中的Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為a%,

α相中的Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c%。則合金中含Ni的總質(zhì)量=L相中含Ni的質(zhì)量+α相中含Ni的質(zhì)量

34第三十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、二元勻晶相圖與固溶體的凝固第四節(jié)相圖知識3.固溶體材料冷卻時組織轉(zhuǎn)變：1點以上液體冷卻1點開始凝固，固體成分在對應(yīng)固相線處1－2之間，溫度下降，液體數(shù)量減少，固體數(shù)量增加，成分沿液相線和固相線變化，到2點，液體數(shù)量為0，固體成分回到合金原始成分，凝固完成2點以下固體冷卻，無組織變化過程：35第三十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日二、二元勻晶相圖與固溶體的凝固第四節(jié)相圖知識3.固溶體材料冷卻時組織轉(zhuǎn)變：1.與純金屬凝固一樣由形核和長大來完成結(jié)晶過程，實際進(jìn)行在一定的過冷度下。2.凝固在一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。只有在溫度不斷下將時固體量才增加，溫度不變，液固數(shù)量維持平衡不變。3.凝固過程中液體和固體的成分在不斷變化。特點：

如果冷卻速度較快，液體和固體成分來不及均勻，除晶粒細(xì)小外，固體中的成分會出現(xiàn)不均勻，樹枝晶中成分也不均勻，產(chǎn)生晶內(nèi)偏析；冷卻慢了會出現(xiàn)區(qū)域偏析。工程中采用先快冷，再在固態(tài)較高溫度下讓成分均勻。36第三十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、二元共晶相圖第四節(jié)相圖知識1.相圖形式

兩組元在液態(tài)下無限互溶，固態(tài)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(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。如Pb—Sn、Ag—Cu等形成二元合金。相圖的構(gòu)成：AE和BE為兩液相線，AC和BD為兩固相線；CG和DH固溶體α、β的溶解度隨溫度變化線；CED為水平共晶線。將相圖分成三個單相區(qū)L、α、β；三個雙相區(qū)L＋α、L＋β、α＋β和一個三相區(qū)L＋α＋β，即CED為共晶線。37第三十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、二元共晶相圖第四節(jié)相圖知識2.共晶合金的凝固過程

在TE溫度以上僅是液體的冷卻到達(dá)略低于TE的溫度，按L＋α相區(qū)分析應(yīng)為從液體中析出C成分的α相，而按L＋β相區(qū)分析應(yīng)從液體中析出D成分的β相。如果α和β按一定的比例析出，最終液體的成分不變，兩固相不斷同時析出，即共同結(jié)晶，故稱為共晶轉(zhuǎn)變，直到液體完全消失，結(jié)晶過程完成，得到的是兩固相的混合物，稱為共晶體。在TE溫度以下僅是固體的冷卻成分為E點38第三十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、二元共晶相圖第四節(jié)相圖知識2.共晶合金的凝固特點

在液體中α和β同時具有析出條件，都可以析出。由于α和β析出過程在成分上可以互相補(bǔ)充和促進(jìn)，共同析出。凝固過程可以在恒溫下進(jìn)行到結(jié)束。最終得到兩相交替的混合組織。結(jié)論：合金Ⅳ(成分在E點附近)L→α+β轉(zhuǎn)變發(fā)生在TE溫度，得到的兩項交替分布的組織稱為共晶體。39第三十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日三、二元共晶相圖第四節(jié)相圖知識3.典型合金的凝固合金Ⅰ(成分在AG之間)L→L+α→α