材料的結(jié)構(gòu)結(jié)晶-相圖

第三章材料的結(jié)構(gòu)、結(jié)晶與相圖工程材料及熱處理3.5

碳鋼3.1

純金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3.2

合金的結(jié)構(gòu)3.3

二元合金相圖3.4

鐵碳合金本章講授與學(xué)習(xí)內(nèi)容一、晶體與非晶體自然界存在的固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩大類。金屬和合金大都是晶體。晶體:

其內(nèi)部原子在空間作有規(guī)則的排列，如食鹽、金剛石等；純金屬及合金均屬于晶體。非晶體:

其內(nèi)部原子雜亂無章地不規(guī)則的堆積，如玻璃、瀝青等。3.1純金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3.1.1晶體的概念晶體與非晶體最本質(zhì)的差別在于組成晶體的原子、離子、分子等質(zhì)點是規(guī)則排列的，而非晶體中這些晶體是無規(guī)則的堆積在一起的。非晶體的結(jié)構(gòu)與液體結(jié)構(gòu)相同，或者可以說是被凍結(jié)的液體.晶體具有一定的熔點，非晶體則沒有。晶體的某些物理性能和力學(xué)性能在不同的方向上具有不同的數(shù)值成為各向異性。

1．晶格

為了清楚的表明原子在空間的排列規(guī)律，人為地將原子看作一個點，再用一些假想線條，將晶體中各原子的中心連接起來，便形成了一個空間格子，這種抽象的、用于描述原子在晶體中規(guī)則排列方式的空間幾何圖形稱為結(jié)晶格子，簡稱晶格。

2晶胞

晶體中原子的排列具有周期性變化的特點，因此只要在晶格中選取一個能夠完全反映晶格特征的最小的幾何單元進行分析，便能確定原子排列的規(guī)律。組成晶格的最基本幾何單元稱為晶胞。實際上整個晶格就是由許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。晶體中原子排列示意圖

圖3-2體心立方晶格3、常見金屬的晶格類型(1)體心立方晶格:

晶胞是一個正六方體，立方體的八個角上和立方體的中心各有一個原子，如圖3-2。如鉻Cr、鈉Na、α-Fe、釩V、鉬Mo、鎢W等。3.常見的金屬晶格

體心立方晶格（b.c.c）在立方體的八個角點上各有一個與相鄰晶胞共有的原子，并在立方體的中心有一個原子Body-CentredCubicLattice模型晶胞晶胞原子數(shù)體心立方晶格的基本參數(shù)晶格常數(shù)a＝b＝c，故只用a即可表示2，每個頂點的原子為八個晶胞所共有晶胞原子數(shù)原子半徑配位數(shù)8致密度0.68屬于這類晶格的金屬有α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb等

一個晶胞中所包含的原子數(shù)目晶格中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半尺寸晶體中與任一原子最近的且相等的原子數(shù)目晶胞中原子本身所占有的體積百分數(shù)(2).面心立方晶格(f.c.c)

Face-CentredCubicLattice在立方體的八個角點和六個面的中心上，各有一個與相鄰晶胞共有的原子模型晶胞晶胞原子數(shù)面心立方晶格的基本參數(shù)晶格常數(shù)a晶胞原子數(shù)4原子半徑致密度配位數(shù)12屬于這種晶格的金屬有：γ-Fe，Ni，A1，Cu，Pb，Au，Rh等0.748×1/8+6×1/2面的對角線(3).密排六方晶格(c.p.h)Close-PackedHexagonalLattice正六棱柱體，在上下兩面的角點和中心，各有一個與相鄰晶胞共有的原子，并在上下兩面中間有三個原子模型晶胞晶胞原子數(shù)密排六方晶格的基本參數(shù)晶格常數(shù)a和c晶胞原子數(shù)6原子半徑配位數(shù)12致密度0.74屬于這類晶格的金屬有Mg，Zn，Be，Cd等六棱柱底面的邊長和高12×1/6+2×1/2+3底面邊長的一半與面心立方晶格相同注：當(dāng)金屬從高配位數(shù)結(jié)構(gòu)向低配位數(shù)結(jié)構(gòu)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，隨著致密度的減小和晶體體積的膨脹，原子半徑同時發(fā)生變化。由此可見，同種原子處于不同的晶格中，其原子半徑也是不同的(4)三種晶格的比較4.立方晶系的晶面和晶向表示方法晶面晶向晶體中各方位上的原子面各方向上的原子列晶面指數(shù)表示晶面的符號晶向指數(shù)表示晶向的符號由英國晶體學(xué)家W.H.Miller于1939年提出(1)晶面指數(shù)的標(biāo)定3.將所得數(shù)值化為最簡單整數(shù)，用圓括號括起，就成為該晶面的晶面指數(shù)(hkl)。1.以晶胞的三個棱邊作三維坐標(biāo)的坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)為單位長度，求出所求晶面在三個坐標(biāo)軸上的截距。2.將所得的三個截距值變?yōu)榈箶?shù)。若截距為負，則在相應(yīng)的指數(shù)上方加負號。（110）（111）（001）（100）（010）注：(hkl)代表的是一組互相平行的晶面。原子排列完全相同，只是空間位向不同的各組晶面稱為晶面族。用{hkl}(1)晶向指數(shù)的標(biāo)定2.將空間坐標(biāo)值按比例化為最小簡單整數(shù)，加上方括號，即為晶向指數(shù)[uvw]。如果有負值則在相應(yīng)指數(shù)上加負號。1.以晶胞的三個棱邊作三維坐標(biāo)的坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)為單位長度，過原點引一平行于待定晶向的直線，求出該直線上任一結(jié)點的坐標(biāo)值。注：指數(shù)相同的晶面和晶向是互相垂直的[010][100][111][110][110][uvw]代表的是一組互相平行的晶向原子排列完全相同，只是空間位向不同的各組晶向稱為晶向族，用<hkl>(3)晶向及晶面的原子密度晶向的原子密度該晶向上單位長度上的原子個數(shù)晶面的原子密度該晶面上單位面積中的原子個數(shù)正是由于這種密度的差異，引起相互間結(jié)合力的大小的不同，從而導(dǎo)致了金屬理想狀態(tài)的單晶體在不同方向上表現(xiàn)出不同的性能，即各向異性。單晶體都具有各向異性。5.實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)(1).多晶體結(jié)構(gòu)晶體內(nèi)部晶格位向完全一致且不發(fā)生改變的晶體單晶體多晶體有許多外形不規(guī)則的單晶體組成晶界晶粒晶粒組成多晶體的單晶體晶界晶粒和晶粒之間的交界處金屬材料的晶粒一般很小，鋼鐵材料的晶粒尺寸僅為10-2～10-1mm晶體缺陷晶格不完整的部位影響金屬的性能面缺陷點缺陷線缺陷(2).晶體缺陷1）點缺陷：空間三維尺寸都很小的缺陷空位間隙原子置換原子晶格上沒有原子的結(jié)點稱為空位在晶格結(jié)點以外的存在的原子空位間隙原子空位間隙原子占據(jù)晶格結(jié)點的異類原子置換原子置換原子大置換原子小置換原子點缺陷的存在破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。點缺陷對性能的影響2）線缺陷：晶體中的位錯刃形位錯立體圖正刃形位錯和負刃形位錯位錯線正刃形位錯負刃形位錯位錯：是晶體中某處一列或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)律的位置移動生產(chǎn)中一般是采用增加位錯的辦法提高強度，但塑性隨之降低位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度;位錯對性能的影響：3）面缺陷晶界晶粒與晶粒之間的交界面晶界對位錯運動有阻礙作用金屬中的強化部分金屬的晶粒越細，晶界總面積越大金屬的強度也越高實際使用的金屬材料力求獲得細的晶粒晶界處的原子排列不規(guī)律，是兩個不同位向的晶粒的過渡晶體中一維尺寸很小，另兩維尺寸很大的缺陷亞晶界晶粒內(nèi)部也不是理想的晶體，而是位向差很小的，稱為鑲嵌塊的小晶塊所組成，稱為亞晶粒對金屬同樣也有強化作用亞晶粒的交界稱亞晶界晶界的特點①原子排列不規(guī)則；②熔點低；③耐蝕性差；④阻礙位錯運動，是強化部位，因而實際使用的金屬力求獲得細晶粒；⑤是相變的優(yōu)先形核部位。

3.1.2純金屬的結(jié)晶物質(zhì)由液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。結(jié)晶：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱為結(jié)晶。

1、冷卻曲線與過冷度

冷卻曲線：是溫度與時間的關(guān)系曲線，可用來描述金屬的結(jié)晶規(guī)律。可通過熱分析法測量繪制，其方法是使熔化后的金屬液緩慢冷卻，每隔一定時間記錄下溫度值，將溫度T和對應(yīng)時間t繪制成T-t曲線。冷卻曲線冷卻曲線由冷卻曲線可見，液態(tài)金屬隨著冷卻時間的增長溫度不斷下降，但當(dāng)冷卻到某一溫度時，冷卻時間雖然增長但其溫度并不下降，在冷卻曲線上出現(xiàn)了一個水平線段，這個水平線段所對應(yīng)的溫度就是純金屬進行結(jié)晶的溫度。出現(xiàn)水平線段的原因，是由于結(jié)晶時放出的結(jié)晶潛熱補償了向外界散失的熱量。結(jié)晶完成后，由于金屬繼續(xù)向周圍散熱量，故溫度又重新下降。如圖所示，金屬在無限緩慢冷卻條件下(即平衡條件下)所測得的結(jié)晶溫度Ｔ0稱為理論結(jié)晶溫度。但在實際生產(chǎn)中，金屬由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時冷卻速度都是相當(dāng)快的，金屬總是要在理論結(jié)晶溫度Ｔ0以下的某一溫度Ｔ1才開始進行結(jié)晶，溫度Ｔ1稱為實際結(jié)晶溫度。實際結(jié)晶Ｔ1溫度低于理論結(jié)晶溫度Ｔ0的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。而Ｔ0與Ｔ1之差ΔＴ稱為過冷度，即ΔＴ＝Ｔ0－Ｔ1。過冷度并不是一個恒定值，液體金屬的冷卻速度越大，實際結(jié)晶的溫度Ｔ1就越低，即過冷度ΔＴ就越大。實際金屬總是在過冷情況下進行結(jié)晶的，所以過冷是金屬結(jié)晶的一個必要條件。

2、金屬的結(jié)晶過程

晶體形核和成長過程。如圖3-10所示，在液體金屬開始結(jié)晶時，在液體中某些區(qū)域形成一些有規(guī)則排列的原子團，成為結(jié)晶的核心，即晶核（形核過程）。然后原子按一定規(guī)律向這些晶核聚集，而不斷長大，形成晶粒（成長過程）。在晶體長大的同時，新的晶核又繼續(xù)產(chǎn)生并長大。當(dāng)全部長大的晶體都互相接觸，液態(tài)金屬完全消失，結(jié)晶完成。由于各個晶粒成長時的方向不一，大小不等，在晶粒和晶粒之間形成界面，稱為晶界。所以結(jié)晶過程，就是不斷地形核和晶核不斷長大的過程。如下圖所示：

結(jié)晶過程示意圖結(jié)晶過程結(jié)晶時由每一晶核長成的晶體就是一個晶粒。晶核在長大過程中，起初是不受約束的，能夠自由生長，當(dāng)互相接觸后，便不能再自由生長，最后即形成由許多向位不同的晶粒組成的多晶體，由于晶界的晶粒內(nèi)部凝固得遲、故便在其上面富集著較多低熔點的雜質(zhì)。實驗表明，在晶核開始長大的初期，因其內(nèi)部原子規(guī)則排列的特點，其外形也是比較規(guī)則的，隨著晶核長大的和晶體棱角的形成，由于棱角處散熱條件優(yōu)于其它部位，晶粒在棱邊和頂角處就優(yōu)先長大，如下圖所示，由此可見，其生長方式，象樹枝狀一樣，先生長出干枝稱為一次晶軸；然后再生長出分枝稱為二次晶軸。依次類推……。因此，得到的晶體稱為樹枝狀晶體，簡稱為枝晶。3、金屬結(jié)晶后的晶粒大小1.晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響

金屬結(jié)晶后是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒大小可以用單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目來表示。數(shù)目越多，晶粒越小。

實驗表明，在常溫下的細晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強度、硬度、塑性和韌性。這是因為，晶粒越細，塑性變形越可分散在更多的晶粒內(nèi)進行，使塑性變形越均勻，內(nèi)應(yīng)力集中越??；而且晶粒越細，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒與晶粒間犬牙交錯的機會就越多，越不利于裂紋的傳播和發(fā)展，彼此就越緊固，強度和韌性就越好。4.控制晶粒大小的方法金屬結(jié)晶后單位體積中晶粒的數(shù)目Ｚ取決于結(jié)晶時的形核率Ｎ（單位時間，單位體積液態(tài)金屬中生成的晶核數(shù)目）和晶核長大速度Ｇ（單位時間內(nèi)晶核長大的長度），它們的關(guān)系如下：由上式可知，結(jié)晶時形核率Ｎ越大，晶核長大速度Ｇ越小，結(jié)晶后單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目Ｚ就越大，晶粒就越細小。晶粒大小對力學(xué)性能的影響很大，在室溫下，一般情況是金屬的晶粒越細，其強度、硬度越高；塑性、韌性越好，這種現(xiàn)象稱為細晶強化。因此，細化晶粒是改善材料力學(xué)性能的重要措施。

因此，要控制金屬結(jié)晶后晶粒大小，必須控制形核率Ｎ和長大速度Ｇ這兩個因素，主要控制途徑如下：①

增加過冷度增加過冷度，就是要提高金屬凝固的冷卻速度。實際生產(chǎn)中常常是采用降低鑄型溫度和采用導(dǎo)熱系數(shù)大的金屬鑄型來提高冷卻速度。

②

進行變質(zhì)處理變質(zhì)處理是在澆注前向液態(tài)金屬中加入被稱為變質(zhì)劑的某種物質(zhì)，發(fā)增加形核率Ｎ或降低長大線速度Ｇ，從而細化晶粒的方法。有的變質(zhì)劑加入液態(tài)金屬時，它們或它們的氧化物會形成起非自發(fā)晶核作用的雜質(zhì)微粒，使形核率大大增加，細化晶粒，如往鋼液中加入鈦、鋁等。還有一種變質(zhì)劑，能附著在晶體前面強烈阻礙晶粒長大，降低長大線速度Ｇ，如往鋁硅鑄造合金中加入鈉鹽，鈉附著在硅的表面，降低硅的長大線速度Ｇ，阻礙粗大片狀硅晶體形成，使合金組織細化。③附加振動金屬結(jié)晶時，利用機械振動、超聲波振動，電磁振動等方法，既可使正在生長的晶體破碎而細化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率Ｎ，從而細化晶粒。

4.金屬鑄錠的組織結(jié)構(gòu)鑄錠組織（1）表面細晶粒層表面細晶粒的形成主要是因為鋼液剛澆入鑄模后,由于模壁溫度較低,表面金屬遭到劇烈的冷卻,造成了較大的冷卻所致,此外,模壁的人工晶核作用也是這層晶粒細化的原因之一。

（2）柱狀晶粒層柱狀晶粒的形成主要是因為鑄錠模壁散熱的影響。

（3）中心等軸晶粒區(qū)

隨著柱狀晶粒成長到一定程度,鑄錠中心部的剩余液體溫度差也愈來愈小,趨于均勻冷卻的狀態(tài)；同時由于一些未熔雜志推移至鑄錠中心,或?qū)⒅鶢罹У闹Х种_斷,漂移到鑄錠中心,它們都可以成為剩余液體的晶核,這些晶核由于在不同方向上的成長速度相同,因而便形成較粗大的等軸晶粒區(qū)。

1.表面細晶粒層2.柱狀晶粒層3.等軸晶粒區(qū)3.1.3同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：1394℃912℃

-Fe?-Fe?-Fe

大多數(shù)金屬結(jié)晶后，其晶格不再發(fā)生變化，但也有少數(shù)金屬（如鐵、鉻、錫、鈷、鈦等）在固態(tài)時會發(fā)生晶格類型的轉(zhuǎn)變，這種在固態(tài)下隨溫度的變化由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)晶變。同素異晶轉(zhuǎn)變也是成核長大過程。

金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也是一種結(jié)晶過程，有一定的轉(zhuǎn)變溫度和過冷度；也有晶核的形成和長大兩個階段。故同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變又稱為重結(jié)晶。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)缦滤?。（體心立方晶格）（面心立方晶格）（體心立方晶格）它同樣遵循著結(jié)晶的一般規(guī)律：有一定的轉(zhuǎn)變溫度；轉(zhuǎn)變時需要過冷；有潛熱產(chǎn)生；轉(zhuǎn)變過程也包括晶核的形成和晶核的長大兩階段。

3.3合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的定義指由兩種或兩種以上金屬元素，或金屬元素和非金屬元素經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法結(jié)合在一起組成的具有金屬特性的物質(zhì)黃銅銅鋅鋼鐵碳組成合金最簡單、最基本且能獨立存在的物質(zhì)組元合金中含有兩種或兩種以上元素的原子，這些原子之間必然相互發(fā)生作用，使得結(jié)晶形成的小晶體（晶粒）具有也含有兩種或兩種以上的元素。由多種元素構(gòu)成的小晶體的化學(xué)成分和晶格類型可以是完全均勻一致的，也可以是不一致的，它們組成了合金中的相和組織基本概念在金屬或合金中，凡化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同，并與其他部分有界面分開的均勻組織部分相相金屬化合物固溶體組織指用肉眼或顯微鏡所觀察到的材料的微觀形貌，包含合金不同形狀、大小、數(shù)量和分布的相基本概念固溶體定義表示方法α、β、γ溶劑與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素除溶劑以外的其它元素溶質(zhì)

根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所處位置的不同固溶體分類置換固溶體間隙固溶體合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相（1）置換固溶體溶質(zhì)原子取代溶劑原子而占據(jù)晶格中某些結(jié)點位置而形成的固溶體定義（2）間隙固溶體定義溶質(zhì)原子較小，如碳、氫等，它們位于溶劑晶格間隙形成的固溶體溶質(zhì)元素通常為原子半徑較小的非金屬元素溶劑一般為過渡族元素（3）固溶體的溶解度定義溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度根據(jù)溶解度的不同固溶體有限固溶體無限固溶體組成元素?zé)o限互溶的固溶體溶解度有一定限度的固溶體形成無限固溶體的條件溶質(zhì)與溶劑組元的晶格類型必須相同，原子的尺寸相差不大，得失電子的能力相當(dāng)。由于晶格間隙有限，所以間隙固溶體都是有限固溶體（4）固溶體的性能晶格畸變?nèi)苜|(zhì)原子和溶劑原子的半徑不同固溶體強度、硬度上升，韌性下降固溶強化通過形成固溶體而使金屬強度、硬度增加的現(xiàn)象金屬化合物合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相定義特點較高的熔點、硬度和較大的脆性，可用分子式來表示，如Fe-C合金中的Fe3C根據(jù)形成條件及結(jié)構(gòu)特點金屬化合物間隙化合物正常價化合物電子化合物2.二元相圖的基本類型與分析1.二元相圖的建立3.4二元合金相圖基本知識合金的結(jié)晶特點：1.合金的結(jié)晶過程不一定在恒溫下進行，而是在一個溫度范圍內(nèi)完成，而純金屬在恒溫下完成；2.合金的結(jié)晶不僅會發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變化，還會伴有化學(xué)成分的變化，而純金屬僅發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變化。合金系：兩個或兩個以上的組元按不同比例下配制成的一系列不同成分的合金的總稱合金：是兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)組元：組成合金的最簡單、最基本且能獨立存在的物質(zhì)；在大多數(shù)的情況下就是組成元素。按所含組元的數(shù)目，合金分為二元合金、三元合金及多元合金相：是指合金中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)皆相同，并以界面互相分開的各均勻組成部分組織：指用肉眼或顯微鏡所觀察到的材料的微觀形貌，包含合金中不同形狀、大小、數(shù)量和分布的相，又稱顯微組織。相圖：反映在平衡條件下各成分合金的結(jié)晶過程以及相和組織存在范圍與變化規(guī)律的簡明示意圖狀態(tài)圖：相圖可以反映材料在不同條件下的狀態(tài)平衡圖：相圖是通過材料在極其緩冷的條件下所測得的試驗數(shù)據(jù)建立的，反映各相平衡狀態(tài)的關(guān)系相圖狀態(tài)圖平衡圖緩慢冷卻條件下1.二元相圖的建立Cu—Ni二元合金系為例，說明二元相圖的建立過程1）配制出不同成分的合金測出它們的冷卻曲線找出各曲線上的臨界點溫度℃時間100%Cu20%Ni80%Ni60%Ni40%Ni100%NiCu-Ni合金的冷卻曲線結(jié)晶的開始溫度和終了溫度2）在溫度-成分坐標(biāo)系中過合金成分點作成分垂線將臨界點標(biāo)在成分線上將成分垂線上相同意義的點連接起來，標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母Cu-Ni合金的二元相圖溫度時間LαCuNi20%80%60%40%Ni%100%Cu20%Ni80%Ni60%Ni40%Ni100%NiCu-Ni合金的冷卻曲線Cu-Ni合金相圖液相線：結(jié)晶開始點的連線固相線：結(jié)晶終了點的連線在溫度-成分坐標(biāo)系中過合金成分點作成分垂線將臨界點標(biāo)在成分線上將成分垂線上相同意義的點連接起來，標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母L+α溫度2.二元相圖的基本類型與分析相圖與合金性能之間的關(guān)系二元勻晶相圖二元共晶相圖二元包晶相圖形成穩(wěn)定化合物的二元合晶相圖具有共析反應(yīng)的二元合晶相圖二元相圖的分析步驟二元相圖的基本類型二元勻晶相圖定義：兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶，且只發(fā)生勻晶反應(yīng)的相圖勻晶反應(yīng)：從液相中直接結(jié)晶出固溶體的反應(yīng)二元勻晶相圖是最簡單的二元相圖，Cu-Ni;Cu-Au;Au-Ag;W-Mo等合金都具有這類相圖LαABCuNiNi%Cu-Ni合金相圖液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)L+α兩相區(qū)銅的熔點鎳的熔點1）相圖分析LαABCuNiNi%Cu-Ni合金相圖合金平衡結(jié)晶過程ααLLLLαα?xí)r間L+αⅠt1t2t3t4溫度l1l2l3α1α4α3α2l42）合金的結(jié)晶過程溫度分析1.液、固相線不僅是相區(qū)分線，也是結(jié)晶時兩相的成分變化線2.勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變，在結(jié)晶過程中，液、固兩相的成分隨溫度而變化3）杠桿定律確定兩平衡相的成分LαABCuNiNi%L+αt1x1xx2abo確定兩平衡相的相對重量LαABCuNiNi%L+αx1xx2t1abo確定兩平衡相的成分設(shè)合金成分為x過x作成分垂線在垂線上相當(dāng)于t1的點做水平線其與液、固相線的交點a，b所對應(yīng)的成分x1、x2分別為液相、固相的成分LαABCuNiNi%L+αx1xx2t1abo確定兩平衡相的相對重量設(shè)成分為x的合金的重量為1固相相對重量為Qα，其成分為x2，則：液相的相對重量為QL，其成分為x1QL+Qα

=1QL*x1

+

Qα*x2

=x確定兩平衡相的相對重量QL+Qα

=1QL*x1

+

Qα

*x2

=xQL=Qα=x2-xx2-x1x-x1x2-x1LαABCuNiNi%L+αx1xx2t1aboQL=Qα=QLQα注：杠桿定律只適用于兩相區(qū)支點是合金的成分端點是所求兩平衡相的成分4）枝晶偏析也稱晶內(nèi)偏析在一個晶粒中，造成先結(jié)晶晶軸(枝干)的成分和后結(jié)晶晶軸(分枝)成分的差異定義：在一個枝晶范圍內(nèi)或一個晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象成因：實際冷卻速度較快致使擴散過程落后于結(jié)晶過程影響因素冷卻速度給定成分合金的液相線與固相線的垂直距離距離越大偏析相對越嚴(yán)重速度越大偏析相對越嚴(yán)重對合金性能的影響加工性能力學(xué)性能耐腐蝕性能解決方法將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長時間保溫來消除枝晶偏析，稱為擴散退火可使原子充分擴散，使成分均勻二元共晶相圖定義：組成二元合金的兩組元，在液態(tài)能無限互溶，但在固態(tài)只能有限互溶且發(fā)生共晶反應(yīng)時，其所構(gòu)成的相圖Pb-Sb，A1-Si，Pb-Sn，Ag-Cu等二元合金均為這類的相圖1）相圖分析AEB液相線固相線ACEDBA點Pb的熔點Sn的熔點B點相圖中的點和線PbSn109080706050403020AGBCDEFLL+ααα+βL+β327℃溫度℃19.261.997.5Sn%βCF線Sn在Pb中的溶解度曲線DG線Pb在Sn中的溶解度曲線E點共晶點CED線共晶線PbSn109080706050403020AGBCDEFLL+ααα+βL+β327℃溫度℃19.261.997.5Sn%β1）相圖分析相圖中的相區(qū)液相區(qū)液相線以上合金全部處于液相L

相區(qū)

相是Sn溶于Pb中的固溶體

相是Pb溶于Sn中的固溶體兩相共存區(qū)單相區(qū)

相區(qū)固相區(qū)L+

L+

+

位于每兩個單相區(qū)之間1）相圖分析共晶反應(yīng)水平線CED共晶反應(yīng)線濃度為E的L相同時結(jié)晶出濃度為C的α相和濃度為D的β相共晶體在一定溫度下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩個成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變過程共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機械混合物共晶溫度發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度共晶合金LEαcβD+183℃(183℃)具有共晶成分的合金共晶反應(yīng)是在恒溫下進行的共晶體共晶反應(yīng)共晶溫度共晶合金液體冷卻注:發(fā)生共晶反應(yīng)時，L、α、β三個相平衡共存，它們的成分固定，但各自的重量在不斷變化水平線CED是一個三相區(qū)2）典型合金的結(jié)晶過程含Sn量小于C點成分合金的結(jié)晶過程（以合金Ⅰ為例）LLααLβⅡβⅡαααα1234溫度時間合金Ⅰ冷卻1點開始結(jié)晶出α相1點到2點勻晶反應(yīng)單相α固溶體2點到3點固溶體冷卻組織無變化3點以下α固溶體被Sn過飽和出現(xiàn)βⅡα+βⅡ二次相從已有固相中析出的新固相，記作βⅡ冷卻過程中兩固相的重量變化α相β相沿CF線變化沿DG線變化室溫下的βⅡ相對重量QβⅡ=F4FG×100%α+βⅡ合金Ⅰ室溫下的組織成分大于D點合金的結(jié)晶過程與合金相似，其室溫組織為β+αⅡ二次析出形成二次相的過程共晶合金的結(jié)晶過程（以合金Ⅱ為例）LEαcβD+183℃該合金冷卻到E點共晶反應(yīng)溫度繼續(xù)下降共晶反應(yīng)結(jié)束α相β相沿CF線變化沿DG線變化βⅡαⅡ析出析出合金Ⅱ室溫下的組織α+β二次相不易分辨Lα+βα+βα+βLLα+β121’共晶反應(yīng)剛結(jié)束時兩相的相對重量百分比Qα=EDCD×100%QβⅡ=100%-Qα=54.6%=97.5-61.997.5-19.2×100%=45.5%亞共晶合金的結(jié)晶過程（以合金Ⅲ為例）LLαL(α+β)αβⅡLαL溫度時間3122’(α+β)αβⅡ(α+β)α合金液體勻晶轉(zhuǎn)變一次α相一次α的成分沿AC線變化到C點液相的成分沿AE線變化到E點βⅡ析出LEαcβD+183℃LLαL(α+β)αβⅡLαL溫度時間3122’(α+β)αβⅡ(α+β)α[勻晶反應(yīng)＋共晶反應(yīng)＋二次析出]合金Ⅲ室溫下的組織βⅡα+(α+β)+亞共晶合金的結(jié)晶過程過共晶合金的結(jié)晶過程（以合金Ⅳ為例）結(jié)晶過程與亞共晶合金相似不同的是二次相α合金Ⅳ室溫下的組織β(α+β)αⅡ++一次相β3）組織組成物在相圖上的標(biāo)注組織組成物組成合金顯微組織的獨立成分相與相的差別主要在結(jié)構(gòu)和成分上組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上組織和相的區(qū)別二元包晶相圖定義：當(dāng)兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時形成有限固溶體而且發(fā)生包晶反應(yīng)時，其所構(gòu)成的相圖常用的Fe-C，Cu-Zn，Cu-Sn等合金相圖中，均包括這種類型的相圖二元包晶相圖1）相圖分析三個局部的勻晶相圖一條水平線組成2）包晶反應(yīng)定義：包晶水平線上發(fā)生的反應(yīng)是由一種液相和一種固相相互作用生成另一種固相的轉(zhuǎn)變過程LB＋δHγJ成分為B(O.53％C)的液相LB成分為H(0.09％C)的初晶δH成分為J(0.017％C)的γJ固溶體2）包晶反應(yīng)具體過程γLδδγL反應(yīng)產(chǎn)物γ形核、成長新相γ對內(nèi)不斷“吃掉”δ相，向內(nèi)擴張直到液相和固相任一方或雙方消耗完了為止，反應(yīng)才告結(jié)束由于是一相包著另一相進行反應(yīng)，故稱為包晶反應(yīng)液相L固相δ交界面上形成一層相外殼三相共存對外不斷消耗液相，向液內(nèi)長大3）典型合金的結(jié)晶過程合金Ⅰ在溫度緩冷到2點時，反應(yīng)前的液相L和固相δ數(shù)量比為：反應(yīng)后兩相全部耗盡，形成單一的新相γ[勻晶反應(yīng)＋包晶反應(yīng)]L/δ=HJ/JB結(jié)晶過程溫度℃結(jié)晶過程：合金Ⅱ在溫度緩冷到2點時，反應(yīng)前的液相L和固相δ數(shù)量比為：L/δ=H2/2B參加包晶反應(yīng)的

相量過剩，所以反應(yīng)后形成δ+γ兩相進入HNJ勻晶區(qū)，隨溫度的下降，3點以下形成單相γ[勻晶反應(yīng)＋包晶反應(yīng)+勻晶反應(yīng)]結(jié)晶過程：合金Ⅲ在溫度緩冷到2點時，反應(yīng)前的液相L和固相δ數(shù)量比為：L/δ=H2/2B參加包晶反應(yīng)的L相量過剩，所以反應(yīng)后形成L+γ兩相進入JBCE勻晶區(qū)，隨溫度的下降，3點以下形成單相γ[勻晶反應(yīng)＋包晶反應(yīng)+勻晶反應(yīng)]具有共析反應(yīng)的二元合金相圖水平線上的共析反應(yīng)，自

固相中同時析出β1和β2

兩種新相，即

cβ1dβ2e+水平線dce稱為共析線反應(yīng)產(chǎn)物稱為共析體共析反應(yīng)：在一定溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的反應(yīng)共析反應(yīng)是在固態(tài)下進行的反應(yīng)中的原子擴散比較困難易于達到較大的過冷度生核率高與共晶組織相比，共析組織要細得多共析反應(yīng)的特點二元相圖的分析步驟1.先分清圖中包括哪些基本類型的相圖2.相區(qū)的確定兩相區(qū)的確定：兩個單相區(qū)之間夾有一個兩相區(qū)，該兩相區(qū)的相由兩個相鄰單相區(qū)的相組成相區(qū)接觸法則：相鄰兩個相區(qū)的相數(shù)差為1單相區(qū)的確定相圖中液相線以上為液相區(qū)相圖中每一條水平線必定與3個單相區(qū)接觸

三相區(qū)的確定：二元相圖中的水平線是三相區(qū)，其三個相由與該三相區(qū)點接觸的三個單相區(qū)的相組成常見三相等溫水平線上的反應(yīng)3.分析典型合金的結(jié)晶過程做出典型合金冷卻曲線示意圖，二元合金冷卻曲線的特征是

在單相區(qū)和兩相區(qū)冷卻曲線為一斜線；

由一個相區(qū)過渡到另一個相區(qū)時，冷卻曲線上出現(xiàn)拐點,發(fā)生三相等溫轉(zhuǎn)變時，冷卻曲線呈一水平臺階分析合金結(jié)晶過程

畫出組織轉(zhuǎn)變示意圖計算各相、各組織組成物相對重量比：在單相區(qū)，合金由單相組成，相的成分、重量即合金的成分、重量；在兩相區(qū)，兩相的成分隨溫度下降沿各自的相線變化，各相、各組成物的相對重量可由杠桿定律；在三相區(qū)，三個相的成分固定，相對重量不斷變化，杠桿定律不適用。相圖與合金性能之間的關(guān)系1.相圖與合金力學(xué)性能、物理性能之間的關(guān)系組織為機械混合物的合金，其性能與合金成分呈直線關(guān)系組織為固溶體的合金，隨溶質(zhì)元素含量的增加，合金的強度和硬度也增加，產(chǎn)生固溶強化，如果是無限互溶的合金，則在溶質(zhì)含量為50%附近強度和硬度最高，性能與合金成分之間呈曲線關(guān)系2.相圖與鑄造性能之間的關(guān)系單相固溶體的合金，澆鑄時合金流動性差澆鑄時不能充滿鑄型凝固后形成許多分散的縮孔此類合金不宜制作鑄件共晶成分的合金或接近共晶成分的合金，流動性好不易產(chǎn)生分散的縮孔在凝固的過程中出現(xiàn)的集中縮孔的現(xiàn)象采取設(shè)置冒口的方法，并控制這種縮孔于冒口處，待鑄件成型后，再將冒口切除此類合金的塑性較好，具有良好的壓力加工性能3.4鐵碳合金相圖3.3.2鐵碳合金相圖的分析3.3.1鐵碳合金的組元和相3.3.3

典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程3.3.4

含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響基本概念鐵碳合金:

碳鋼和鑄鐵的統(tǒng)稱，都是以鐵和碳為基本組元的合金碳鋼:

含碳量為0.0218%～2.11%的鐵碳合金鑄鐵:含碳量大于2.11%的鐵碳合金鐵碳合金相圖:

研究鐵碳合金的工具，是研究碳鋼和鑄鐵成分、溫度、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）時，合金太脆，無實用價值，因此所討論的鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C3.3.1鐵碳合金的組元和相1.純鐵純鐵指的是室溫下的

-Fe注：純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是一個相變過程，有著很重要的實際意義，正是因為有了這種轉(zhuǎn)變，才有可能使鋼鐵通過熱處理及合金化的途徑實現(xiàn)組織性能的多種變化強度、硬度低，塑性、韌性好2.碳碳是非金屬元素，自然界存在的游離的碳有金剛石和石墨，它們是同素異構(gòu)體石墨具有簡單的六方晶格碳在鐵碳合金中的存在形式有三種

C溶于Fe的不同晶格中形成固溶體

C與Fe形成金屬化合物，即滲碳體

C以游離態(tài)的石墨存在于合金中石墨耐高溫，可導(dǎo)電，有一定的潤滑性，但其強度、硬度、塑性和韌性極低

C溶于Fe的不同晶格中形成固溶體鐵素體

C溶于

-Fe中所形成的間隙固溶體，體心立方晶格符號“F”或“

”表示鐵素體是一種強度和硬度低，而塑性和韌性好的相鐵素體在室溫下可穩(wěn)定存在奧氏體

C溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體，面心立方晶格符號“A”或“γ”表示奧氏體強度低、塑性好，鋼材的熱加工都在奧氏體相區(qū)進行奧氏體在高溫下可穩(wěn)定存在

C與Fe形成金屬化合物，即滲碳體Fe3C

Fe與C組成的金屬化合物具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)滲碳體的含碳量為6.69％滲碳體以“Fe3C”或“Cm”符號表示滲碳體的熔點為1227℃，硬度很高(HB＝800)而脆，塑性幾乎等于零滲碳體在鋼和鑄鐵中，一般呈片狀、網(wǎng)狀或球狀存在。它的形狀和分布對鋼的性能影響很大，是鐵碳合金的重要強化相碳在

-Fe中溶解度很低，所以常溫下碳以滲碳體或石墨的形式存在3.3.2鐵碳合金相圖的分析包晶相圖由三個相圖組成共析相圖共晶相圖五個基本相：五個單相區(qū)液相L高溫鐵素體δ鐵素體

奧氏體γ滲碳體Fe3C相圖的分析三條水平線

HJB水平線（1495℃）包晶線，發(fā)生包晶反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為奧氏體L0.53+δ0.09←→γ0.17

ECF水平線（1148℃）共晶線，發(fā)生共晶反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為奧氏體和滲碳體的機械混合物，稱為萊氏體，用“Le”表示L4.3←→γ2.11+Fe3C萊氏體組織特征為蜂窩狀，性能硬而脆三條水平線

PSK水平線（727℃）共析線，發(fā)生共析反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為鐵素體和滲碳體的機械混合物，稱為珠光體，用“P”表示γ

0.77←→F

0.0218+

Fe3C共析線又稱為A1線珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布圖中的特性點A點：純鐵的熔點C點：共晶點D點:

Fe3C的熔點G點：J點：包晶點N點：S點：共析點E點：

-Fe中的最大溶碳量

-Fe-Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點

-Fe-Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點圖中的特性線ABCD－液相線AHJECF－固相線GS、GP為

固溶體轉(zhuǎn)變線HN、JN為

固溶體轉(zhuǎn)變線GS線又稱為A3線JN線又稱為A4線六條重要的固態(tài)轉(zhuǎn)變線六條重要的固態(tài)轉(zhuǎn)變線二次滲碳體通常沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布隨著溫度下降，C的溶解度下降當(dāng)含碳量超過0.77%的鐵碳合金自1148℃冷卻到727℃時，會從奧氏體中析出滲碳體，稱為二次滲碳體標(biāo)記為Fe3CⅡES線又稱為Acm線ES線為碳在

-Fe中的固溶線PQ線為碳在

-Fe中的固溶線標(biāo)記為Fe3CⅢ隨著溫度下降，C的溶解度下降鐵碳合金自727℃向室溫冷卻時，會從鐵素體中析出滲碳體，稱為三次滲碳體因為析出量極少，在含碳量高的合金中不予以考慮CD線是從液體中結(jié)晶出滲碳體的開始溫度線從液體中結(jié)晶出的滲碳體稱為一次滲碳體標(biāo)記為Fe3CⅠ注：各種不同的滲碳體分屬于不同的組織組成物，區(qū)別在于形態(tài)和分布不同。但屬于同一個相3.3.3典型鐵碳合金相圖的結(jié)晶過程一、鐵碳合金的分類1.工業(yè)純鐵（<0.0218%C）室溫下的平衡組織幾乎全部為鐵素體的鐵碳合金，工業(yè)上很少使用2.鋼（0.0218%--2.11%C）高溫組織為單相奧氏體，易于變形。根據(jù)室溫組織的不同分為三類(1)

亞共析鋼（0.0218%--0.77%C）指室溫下的平衡組織為鐵素體與珠光體的鐵碳合金，有熟鐵之稱(2)

共析鋼（0.77%C）指室溫下的平衡組織為珠光體的鐵碳合金，即碳素工具鋼中的T8鋼(3)

過共析鋼（0.77%C--2.11%C）指室溫下的平衡組織為珠光體與二次滲碳體的鐵碳合金3.白口鑄鐵（2.11%--6.69%C）指液態(tài)結(jié)晶時都有共晶反應(yīng)且室溫下的平衡組織中皆含有變態(tài)萊氏體的一類鐵碳合金其斷口白亮而得名，俗稱生鐵具有較低的熔點，流動性好，便于鑄造成形含有一定數(shù)量的萊氏體，硬度高、脆性大，故不能承受鍛造、軋制等壓力加工，也不宜切削加工特點分類亞共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵4、灰鑄鐵（

2.11%C）指室溫下的平衡組織具有鐵素體、珠光體，或是兩者皆有的基體，且基體上分布著不同形態(tài)石墨的鐵碳合金，其斷口呈暗灰色，冷卻至室溫的萊氏體二、純鐵、鋼、白口鑄鐵的平衡結(jié)晶過程γ

Fe3CⅢδγLδFeABGPHJNQ7123456①（1）純鐵的平衡結(jié)晶過程7123456Lδγ1—2點勻晶反應(yīng)形成δ鐵素體2—3點不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變3—4點開始從δ鐵素體中析出奧氏體，4點后全部轉(zhuǎn)化為奧氏體4—5點不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變5—6點開始從奧氏體中析出鐵素體，6點后全部轉(zhuǎn)化為鐵素體

6—7點不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變7點以后開始從鐵素體中析出三次滲碳體γ

Fe3CⅢδγLδFeABGPHJNQ7123456①7123456Lδγ工業(yè)純鐵結(jié)晶過程的基本反應(yīng)勻晶反應(yīng)十固溶體轉(zhuǎn)變反應(yīng)＋二次析出反應(yīng)室溫組織F十Fe3CⅢ工業(yè)純鐵的顯微組織γLFeABEGPSHJNQ（0.77）123②3’123γLγPP1—2點勻晶反應(yīng)形成奧氏體2—3點不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變3點以后發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，反應(yīng)結(jié)束后全部轉(zhuǎn)化為珠光體γ

0.77←→F

0.0218+

Fe3C3’點后繼續(xù)冷卻從珠光體的鐵素體中析出少量的三次滲碳體（2）共析鋼的平衡結(jié)晶過程γL3’123γLγPP共析鋼結(jié)晶過程的基本反應(yīng)勻晶反應(yīng)十共析反應(yīng)室溫組織100%的珠光體P共析鋼的顯微組織(400×)珠光體是鐵素體與滲碳體片層相間的組織。白色的F基體上分布著黑色條紋狀的Fe3C，呈黑白相間的層狀形貌Pγ

γLδFeABGPHJNQ12345③122′3455′γγL

γP

1—2點勻晶反應(yīng)形成δ鐵素體2—2′點發(fā)生包晶反應(yīng)L0.53+δ0.09←→γ0.172′—3點剩余的液相發(fā)生通過勻晶轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體3—4點不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變4—5點從奧氏體中析出鐵素體5—5′點發(fā)生共析反應(yīng)γ

0.77←→F

0.0218+

Fe3C5′點以后從鐵素體中析出少量的三次滲碳體（3）亞共析鋼的平衡結(jié)晶過程LLδPγ

γLδLδ122’3455’γLγL

γP

亞共析鋼結(jié)晶過程的基本反應(yīng)勻晶反應(yīng)+包晶反應(yīng)+固溶體轉(zhuǎn)變反應(yīng)+共析反應(yīng)亞共析鋼的室溫組織鐵素體F+珠光體P亞共析鋼的顯微組織(400×)白色組織為鐵素體，黑色組織為珠光體PFe3CⅡγPFe3CⅡγFe3CⅡFeABEGPSHJNQ（2.11）（0.77）1234④4’1234LLγγ1—3點勻晶反應(yīng)形成奧氏體3—4點從奧氏體晶界析出二次滲碳體，并在晶界上呈網(wǎng)狀分布4—4′點剩余的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)γ

0.77←→F

0.0218+

Fe3C4點以后二次滲碳體不再變化，珠光體的變化同共析鋼（4）過共析鋼的平衡結(jié)晶過程PFe3CⅡγPFe3CⅡγFe3CⅡ4’1234LLγ過共析鋼結(jié)晶過程的基本反應(yīng)勻晶反應(yīng)十二次析出反應(yīng)+共析反應(yīng)室溫的組織珠光體P+網(wǎng)狀二次滲碳體Fe3C過共析鋼的顯微組織(400×)白色或黑色的Fe3C呈細網(wǎng)狀分布在層片狀的P周圍（5）共晶白口鑄鐵的平衡結(jié)晶過程2’11’2LLeLLeFe3CγFe3CPγPLe′Fe3C