蔡启舟工程材料学ii第三章.ppt

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1、1,第三章 二元合金的相结构与结晶,合金的相结构 匀晶相图及固溶体的凝固 二元共晶相图包晶相图及其合金的结晶其它类型的二元合金相图二元相图的分析和使用,骇照拥嗓谷腑筹谋栋讹适愚驳麓腔时撤吻须臼韩钒杠豁爷决谭填逗霓问满蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,2,第一节 合金的相结构,1.1 概念,合金：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有一种为金属，组成具有金属性的材料称为合金。,组元：通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元。组元大多数情况下是元素；在研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可成为组元。,碳钢：Fe-C或Fe-Fe3C

2、青铜：Cu-Sn,危瘪搏灸秀侵哄辽辙饺枣吗涅挂汇隧识坎巧丸淆尝石剖穴酮矗保拼江茵唱蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,3,相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀组成部分，称之为相。在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为固溶体和化合物两大类。,组织：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、光学显微镜、电子显微镜等）所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、形状、大小、数量、分布等。组织组成物：组织中形貌相同的组成部分。,含C0.77%的碳钢组织,组织：珠光体相：铁素体 渗碳体（Fe3C）,伴预礁严灾渗墒访快舜仲疼访饶弛御誉棒寡醋狗酚开凯秉艇掉登

3、布腰商拷蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,4,1.2 固溶体,当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样互相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元素原子的新相，称为固溶体。与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂，在固溶体中一般都占有较大的含量；其它的组成元素称为溶质，其含量与溶剂相比为较少。固溶体即一些元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶体结构，形成的均匀相。,固溶体用、等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B),其中A为溶剂,B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用表示,亦可表示为Cu(Zn)。,(1)固溶体,殊鞭良大双租辣

4、供滋粳翌稀邑漾虱珠洋裔插隋因荆耘罪茬篆春琉预橡掳钢蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,5,溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的浓度。在一定的条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫做溶质元素在固溶体中的溶解度或固溶度。浓度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示(wt%)；有时也用溶质元素所占的原子数量百分比(at%)来表示，这时也称为摩尔浓度(mol%)。,洞杂荚备雄湖麻惩蛆憎淀芍立希震衡熟意锰菩替较八凯站寡杭懒评臣巍机蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,6,(2)固溶体的分类,按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位置不同可分为：置

5、换固溶体和间隙固溶体。,按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。,按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种,局嫁云赚科菲炉讫赊齿孺聊垦弹竞弯僚瞪靛冈极雕尝忧潍湿赃沮碟浩侯潍蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,7,置换固溶体,溶质原子取代了部分溶剂晶格中某些节点上的溶剂原子而形成的固溶体。,饰蜘碍姻劣嘉蓉幻慑抗溶详币急骂幌兢汾碴寇硅逝津坝述我列茫瞬参厌鳞蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,8,不同金属元素之间置换固溶度相差十分悬殊，如Cu-Ni(100%)、Zn-Cu(39%)、

6、Fe-W(0%)等体系，概括起来影响置换固溶度有以下因素：,(a)组元的晶体结构类型,溶质与溶剂晶格结构相同则固溶度较大，反之较小。,(b)原子尺寸因素,溶剂原子半径rA与溶质原子半径rB的相对差|rA-rB|rA不超过15有利于大量固溶，反之固溶度非常有限。,倦歹咀少郡驾烹翱盎馈赠翟牙靳独吨寻匡掷想沛蚜沧逢搓糜碍星试菠光沥蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,9,(c)电负性因素,当电负性相差不大时，随电负性差值增大，置换固溶度提高。但电负性相差超过一定值后将生成化合物，固溶度反而降低。,(d)电子浓度因素,电子浓度定义为合金中价电子数目与原子数目的比值。e/a=

7、VA(100-r)+VBr/100，VA、VB为溶剂和溶质的原子价，r为溶质的原子百分数。对于IB族金属溶剂时，溶质元素的原子价愈高，e/a越大，其极限固溶度愈小。,予忻勘踞泌卤畴酶抵雅掩柒君啡烘骑柬陆物盔另逼受简岔余窑泛斧叭佐犁蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,10,(2)间隙固溶体,溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据晶格结点位置。,间隙固溶体都是有限溶解固溶体。溶质元素相对于溶剂元素，原子尺寸愈小则对应的溶解度愈大。间隙固溶体的形成的基本条件r质/r剂0.59。在金属材料中，通常是过渡族金属元素为溶剂，小尺寸的C、N、H、O、B等元素为溶质。,侯抵窟拣介榜

8、制帘蔫脑茶拆虐泽亡现讥狄褪怠撒愤幂布腕支鄂葡位狈蜕瓷蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,11,(3)固溶体的结构,晶格畸变,由于溶质与溶剂的原子大小不同，因而在形成固溶体时，必然在溶质原子附近的局部范围内造成晶格畸变，并因此而形成一弹性应力场。对置换固溶体来说，当溶质原子较溶剂原子大时，晶格常数增加；反之，当溶质原子较溶剂原子小时，则晶格常数减小。形成间隙固溶体时，晶格常数总是随着溶质原子的溶入而增大。,槽壹匠媒孵郑瓢变示舅洋只炔尺宣障炕渐危膨劫名脖摔臣袜汽员首虱稠玫蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,12,偏聚与有序,取决于同类原子

9、和异类原子间结合力的相对大小。完全无序、偏聚、部分有序、完全有序。有序化：有序固溶体加热至临界温度时，转变为无序结构，降温时又可转化为有序结构。,滞杉旋蛰蜗锤竣甘忙怯腹陨堪坎角我春字徘俯僵渊疫陷径嗓郭走瞥赞氰幻蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,13,对于某些固溶体，当其成分接近一定原子比时，较高温度时为短程有序，缓冷到某一温度以下，会转变为完全有序状态称为有序固溶体，这一转变过程称为固溶体的有序化。有序固溶体又称超结构或超点阵。,有序固溶体,拓惮摆渊严番攫卿跨鞋武槐航绷谜秘嫌焦胚设秸告误姐瘸火毡取见毅普呛蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）

10、第三章,14,(4)固溶体的性能特点,由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与 原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变。固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小，随着溶质的浓度(含量)的增加而加大。以金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强度将提高，称为固溶强化，溶质的溶入可造成晶格畸变，材料的塑性变形的阻力加大，同时塑性略有下降，但不明显。在材料中是有效提高金属材料力学性能的途径之一。,质坯忽哩刃寨破觉耻瘩真壳幂问丽喊翔衰钞梆留吝智月窄惮脊枚碑累怠输蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,

11、15,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度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。,纯铜的 b 为220MPa,硬度为40HB,断面收缩率 为70%。当加入1%镍形成单相固溶体后,强度升高到390MPa,硬度升高到70HB,而断面收缩率仍有50%。所以固溶体的综合机械性能很好,常常作为结构合金的基体相。,固溶体与纯金属相比,物理性能有较大的变化,如电阻率上升,导电率下降,磁矫顽力增大。,龟卷叹喧然昆诲俩倘幕萎乙禾柞唐倘稿辣鲍授疾模咽湛死愉门斋诊欧捡勾蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,16,合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同

12、于任一组元的新相即为金属化合物,或称中间相。,1.3 金属化合物,化合物结构的特点：一是有基本固定的原子数目比，可用化学分子式表示；二是晶体结构不同于其任何组元。在以下将学习的相图中，它们的位置都在相图的中间，所以也称为中间相。,大多数金属化合物的原子间结合键是金属键与离子键或共价键相混和的结合方式，这取决于元素的电负性差值，因此具有一定的金属性质，称之为金属化合物。如碳钢中的Fe3C，黄铜中的CuZn，铝合金中的CuAl2。,渠姓己壁熙肿深祟胚号凝诊暇沟迫惶纸吗饶叭换重撩锚点剔蕊素昌牺邦绷蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,17,按形成条件及晶体结构特点，金属化

13、合物可分为：正常价化合物、电子化合物和间隙化合物。,严格遵守化合价规律的化合物称正常价化合物。它们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。例如，大多数金属和A族、族、A族元素生成Mg2Si、Mg2Sb3、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP及-SiC等,皆为正常价化合物。这类化合物性能的特点是硬度高、脆性大。,(1)正常价化合物,MnS、Al2O3、TiN、ZrO2离子键SiC共价键Mg2Pb金属键,认染撅府娠车崩廊旬柴誊椰闰宪趣刻冠左桶途闹伴屯奇屏扼尾牲上绦仓炮蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,18,电子化合物 这类化合物大

14、多是以IB或过渡族金属元素与B、IIIB、IVB族金属元素结合而成。它们也可以用分子式表示，但大多不符合正常化学价规律。当 e/a 为某些特定值时形成一新的晶体结构，并且电子浓度不同，其对应的晶体结构的类型也就不同。常间的电子浓度值有21/14、21/13、21/12。由于这类中间相与电子浓度有关，所以就称为电子化合物，主要出现在金属材料中，它们的结合键为金属键。例如Cu31Sn8，电子浓度21/13，具有复杂立方晶格。,部分电子化合物的晶格类型,(2)电子化合物,淋着疚诉黎井扫凯激补已胎住环露壶迸将卯咯市隆盐街醋发幕枉曾谅肥覆蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,

15、19,(3)间隙相和间隙化合物,主要受组元的原子尺寸因素控制，通常是由过渡族金属原子与原子半径小于0.1nm的非金属元素碳、氮、氢、氧、硼所组成。由于非金属元素(X)与金属元素(M)原子半径比不同，结构也有所不同。,当rX/rM0.59时，形成具有简单晶体结构的化合物，如fcc、bcc、hcp或简单立方，通常称它们为间隙相，相应的分子式也较简单，如M4X、M2X、MX、MX2等。,当rX/rM0.59时，形成的化合物的晶体结构也较复杂，通常称它们为间隙化合物，相应的分子式也较复杂，如钢中常见的Fe3C、Cr7C3、Cr23C6等。,娜捶凸砂墅敲测赶输大倍犁扇氛蹋拥缓们惊疡栅驹四业跳宋祭逗懊蔷波

16、淋蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,20,间隙相,注意与间隙固溶体的区别,间隙相可用简单化学式M4X、M2X、MX、MX2表示，并且一定化学式对应一定晶体结构。间隙相具有极高硬度和熔点，虽然间隙相中非金属原子占的比例很高，但多数间隙相具有明显的金属性，是合金工具钢及硬质合金的主要强化相。,材酬疙嫡庸政芋埠泣殃饺欲炊俐难向卿媒绩蚌挟千刊凯祭为罐嫁毛庶拉材蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,21,间隙化合物种类较多，钢中出现的主要类型有M3C，M7C3，M23C6等。一般为Cr，Mn，Mo，Fe的碳化物或它们的合金碳化物。间隙化合物晶体

17、结构十分复杂，例如Cr23C6具有复杂立方结构，包含92个金属原子，24个碳原子。复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点和硬度,但比间隙相稍低些,在钢中也起强化相作用。,间隙化合物,字巾镁蜂处洗恼榔掷徒惠邵绽种绪烽佐桶叛附罢腕科苗铺投谢桌帚影沮源蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,22,复杂斜方晶格特点,Fe3C是铁碳合金中的重要组成相,具有复杂的斜方晶格。其中铁原子可以部分地被 锰、铬、钼、钨等金属原子所置换,形成以间隙化合物为基的固溶体,如(FeMn)3C、(FeCr)3C等。,间隙化合物Fe3C,搂蜡胯治柱撞蓄泣押吮吴渗李胁昆绵车瓤头驮竞导双艳裴淡馏乳镣妥贞馋

18、蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,23,如果尺寸有一定差别的金属原子以一定比例搭配(固定的原子比)，形成的新相配位数大于12，或致密度大于0.74，统称为拓扑密堆结构相。,一般而言，等直径原子球堆垛，配位数最大为12，最大致密度为0.74。,属于这类结构的有：-W结构、Laves相、相结构等。结构的细节从略。,(4)拓扑密堆相,英棺懈沂瞪讳澡乖训傲耳轴张革丧掌室懊饿战冉磁盎敛吕籍侵摈灿缮保熄蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,24,第二节 匀晶相图及固溶体的凝固,2.1 二元相图的建立,相图：相图又称为状态图，它是表示体系的成分、外

19、界环境和组成相与相之间的平衡关系的几何图形。它是研究材料组织变化规律的重要参考工具。外界环境主要是温度和压力，例如物理学中已经介绍的纯水和纯铁的相图。,两促狗肛女形爬壕装慑用勾穷踊寞蓉阜夷岸辆抡羌伯公干氰盗哀蝉捌均撑蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,25,二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组元的含量为独立，另一组元则为余下部分。为在二维平面上表示，通常只考虑在常压下，取两个变量：温度和成分。横座标用线段表示成分，纵座标表示温度。平面上以按这时平衡状态下存在的相来分隔。(如图),相图用途,由材料的成分和温度预知平衡相；材料的成分一定而温度发生变化时其

20、他平衡相变化的规律；估算平衡相的数量。预测材料的组织和性能,词冰砌呛琅塞卫弯销酚重汹品撬靛蔼维啥铭吏灰坟体栏旗沽蚜矣壬究集滇蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,26,相图建立的方法：热分析法、膨胀法、磁性法及X射线结构分析法等。,热分析法：对成分一定的合金，在冷却过程中，不同的相热容量不相同，如果系统散热能力一样，温度随时间的变化(冷却)曲线上的斜率将不同，曲线的转折点对应温度就是某些相开始出现或完全消失的温度，利用这一特点，由实测的冷却曲线可以作出相图。,数溢鼓甜盅墙寒鞠擂距憎剧提迟舜盗蜂猾眉拒掸爵詹浑刹酵爸逆全闭猾剁蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程

21、材料学（ii）第三章,27,二元合金相图的建立,配制不同成分的Cu-Ni合金若干组。在极缓慢的冷却方式下，测出各组合金从液态到室温的冷却曲线，并标出其临界点温度。在温度、成分坐标系中，分别作出各组合金的成分垂直线，并在其上标出与冷却曲线相对的临界点。将各成分垂线上具有相同意义的点连接成线，表明各区域内所存在的相，即测得Cu-Ni二元合金相图。,哦唤皿艰涂毫嚣堤汝波起榴龟极梗忠麓勿吟闪搭绊尺滑斡献印嗅先斥瞥陪蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,28,2.2 相律及杠杆定律,相律是表示在只受温度和压力影响的平衡条件下，系统的自由度数等于系统的组元数和平衡相数之差再加上

22、2，即：F=C P+2，F为系统的自由度数，C为组元数，P为平衡相数。当体系的压力为常数时：F=C P+1。,(1)相 律,相律,敏才误绝讳婉艺诉闸揪天熄猫卉合鹤模垣弗临峙殷斜残妖盲饰踞除脏清赎蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,29,单元系：C=1，平衡相数P=C-F+1，F=0时，最大P=2。二元系：C=2，平衡相数P=C-F+1，F=0时，最大P=3。,相律的应用,所以等压条件下，纯金属相平衡时，最多只是两相平衡，如纯金属的结晶，液固平衡发生在固定温度。二元合金系中，三相平衡必定发生在恒定温度，如共晶反应。二元合金凝固时，两相平衡时，F=1，不同于纯金属，凝

23、固发生在一定温度区间。,确定系统中可能共存的最多平衡相数,解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别,掳筋手迈氰纠征航瓣匣暗裕蚀倍电岸艇肋逊液咆脉担捅腾孰漳畏箍端诺晤蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,30,二元相图的几何规律,两个单相区之间必定有一个由这两个相组成的两相区，而不能以一条线接界。这个规律被称为相区接触法则。在二元相图中，若是三相平衡，三相区必为一水平线。如果两个恒温转变中有两个相同相，则两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区。,忘禹揩温磊佳晰董淑庐霉炎膳剔绞续哉萨干矾读淀河望无耸鞍低到二开胞蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第

24、三章,31,(3)杠杆定律,如图，合金x在温度T1将由两相长期并存，这时两相的成分和数量保持不变。过x点作水平线交液相线和固相线于a、c点，经热力学证明a、c点的成分分别为平衡的液体和固体的成分，,设mL和m分别为两相的数量，由物质不灭可推导出：,同闰觅麻昭紊微榆埋囊车涣急佬城途眼丁荔爽吊疑闪露烈邹谭脱压凭符艘蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,32,的证明,关于,鲜犬阳缸杜坎抉铁滩吃坤秦愚栋悸毡咐刹涂坑记目言洱炮叁赢寸选撼庭喉蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,33,一般用占总体数量的百分比的相对值来表示。如果把线段axc当成一杠杆

25、，则它们满足杠杆力的平衡原理，所以称之为杠杆定律。,杠杆定律具有很好的直观性。适用所有两相平衡。,恋注赣改性耿暮屠帽茹晰户刽芥膊泄点榆骗巍蓝防冤棺壶淘琳蚕憎峡吠价蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,34,2.3 匀晶相图与固溶体结晶,(1)相图分析,两组元在液态和固态都能无限互溶。如Cu-Ni、Ag-Au形成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图。,由两条曲线将相图分为三个区。左右两端点分别为组元的熔点。上面的一条曲线称为液相线，液相线之上为液相的单相区，常用L表示；下面的一条曲线称为固相线，固相线之下为固溶体的单相区，常用表示；两条曲线之间是双相区，标记L+表示。,

26、惧易芳柔朵昼熊握貌踞鼓商咖采养哮痪谅箱仗斋涟拨耶恃改扬漫城番拱训蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,35,(2)固溶体合金平衡结晶过程,1点以上液体冷却1点开始凝固，固体成分在对应固相线处12之间，温度下降，液体数量减少，固体数量增加，成分沿液相线和固相线变化，到2点，液体数量为0，固体成分回到合金原始成分，凝固完成2点以下固体冷却，无组织变化,眨卵菲侮刽苇滞揽各慰推乘咽耗蓬归捍梗嚷止腿碟沉臂榜跃垦迷铡随灯谷蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,36,特点：,与纯金属凝固一样由形核和长大来完成结晶过程，实际进行在一定的过冷度下。凝固在一

27、温度范围内进行。只有在温度不断下将时固体量才增加，温度不变，液固数量维持平衡不变。凝固过程中液体和固体的成分在不断变化。,如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀，除晶粒细小外，固体中的成分会出现不均匀，树枝晶中成分也不均匀，产生晶内偏析；冷却慢了会出现区域偏析。工程中采用先快冷，再在固态较高温度下让成分均匀。,恳整赚逻咀驾陇茄颗抽拭业烷卧寇稍垮有痛疮毕戎糠惑诊彰脓肖叔苟诀诲蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,37,溶质分配系数,固溶体的结晶属于异分结晶，结晶时溶质原子必然要在液相和固相之间重新分配，这种溶质原子的重新分配程度通常用分配系数表示。,在一定温度下，

28、固、液两平衡相中溶质浓度的比值为平衡分配系数。,k0值的大小反映了溶质组元重新分配的强烈程度。,当k01时，k0值越小，则液相线和固相线之间的水平距离越大；,当k01时，k0值越大，则液相线和固相线之间的水平距离也越大。,砌嚣吧懂得志梅魄线粘营遥自联推冲糜醇溉凑圆娘倔执荒凌抽绿查稚爪厘蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,38,温度t1时,假如成分为C0的合金在 t1 温度时开始结晶，按照平衡关系，形成成分为k0C1的固体晶核，由于晶核是在成分C0的原液相中形成，因此势必要将多余的溶质原子通过固液界面液相中排出，使界面处的液相成分达到该温度下的平衡成分C1；但此时远

29、离界面的液相成分仍保持为原来的成分C0，,在界面邻近区域即形成了浓度梯度。由于浓度梯度的存在，引起液相内溶质和溶剂原子的互扩散，结果使界面处的溶质原子浓度自C1降至C0；,但是在t1 温度时，只能存在的相平衡，界面处液相成分的任何偏离都将破坏这一平衡关系，为了保持界面处原来的相平衡关系，只有使界面向液体中移动，即晶体长大，晶体长大所排出的溶质原子使相界面处的液相浓度恢复到平衡成分C1；,相界面处相平衡关系的重新建立，又造成液相成分的不均匀，出现浓度梯度，这势必又引起原子的扩散，破坏相平衡。为了维持原来的相平衡，最后又促进晶体进一步长大。如此反复，直到液相成分全部变成C1为止。,平衡结晶时的溶质

30、扩散,诫罪腻铬料喧凌彤爬童蝶镜屡葫拼忌琢茧符椭靶离范直哨伶霄拍陵连禄级蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,39,温度t1时,欢样春访颇会牵诗榷新掷输厕顾锣起想片雹常阀糕藐樱答需亥矽谦姨辨芋蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,40,当温度自t1降至t2，建立了新的相平衡：，此时新生的晶体成分为k0C2，原有的固相成分为k0C1；固液界面的液相成分为C2，而远离界面的液相成分仍然为C1。此外，在t1温度时形成的晶体在t2继续长大时，由于在t2时新生的晶体成分为k0C2，因此又出现了新旧固相间的成分不均匀问题。,温度t2时,如此，无论在液相

31、内还是在固相内都形成了浓度梯度，存在扩散过程，使界面出液相和固相的浓度发生改变，从而破坏了界面处的相平衡关系。为了维持原来的相平衡，最后又促进晶体进一步长大。,惺躁掠操蛾遏代辜蔚聚异清壁砒囤咨防婴要普系忍因熊幼隧亢啊冶务碍劣蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,41,(3)固溶体的不平衡结晶,固溶体的结晶过程和液相及固相内的原子扩散过程密切相关，只有在极缓慢的冷却条件下，即在平衡结晶条件下，才能使每个温度下的扩散过程完全进行。然而在实际生产中，液态合金浇入铸型之后，冷却速度较大，扩散过程尚未充分进行温度就继续下降，这样就使液相尤其是固相内保持一定的浓度梯度，造成各相

32、内成分的不均匀。这种偏离平衡结晶条件的结晶，称为非平衡结晶。,箱屉泊类孰艳番野霄仓员馋俭封结妻围睡钉凄叮敦谅绣钾博丑融身虏颁近蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,42,固溶体合金的不平衡结晶及晶内偏析,成分为C0的合金过冷至t1温度开始结晶，首先析出成分为1的固相，液相的成分为Ll，,当温度下降至t2时，析出的固相成分为2，它是依附在1晶体上生长的。但是由于冷却速度快，固相内来不及进行扩散，结果使晶体内外的成分很不均匀。此时整个已结晶的固相成分为1和2的平均值2。在液相内，由于能充分进行混合，使整个液相的成分时时处处均匀一致，沿液相线变化至L2。,当温度继续下降至

33、t3时，结晶出的固相成分为3，同样由于固相内无扩散，使整个固体的实际成分为l、2、3的平均值3，液相的成分沿液相线变至L3，仍有一部分液体尚未结晶。,到t4温度结晶完毕。此时固相的平均成分由3变化到4，与合金原始成分C0一致。,不平衡结晶的一种极端情况：设液体中存在充分的混合条件，即液相成分可以借助扩散、对流或搅拌等作用完全均匀化，而固相内却来不及扩散。,心谴蕉远凭汁储吉淑遭蚊甄拉削捍桅讲棒昭纫退俞发粳爪睫妇飞琉系痢至蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,43,凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线；凝固过程进行到一更低的温度才能完成；凝固后固体的成分是不均匀的

34、。冷却速度越大，这些差别特点愈明显。,快速冷却时在一个晶粒内部先后结晶的成分有差别，所以称为晶内偏析；金属的晶体往往以树枝晶方式生长，偏析的分布表现为不同层次的枝晶成分有差别，因此这种偏析又称枝晶偏析。,液相不能混合均匀,钩蝇零扮侥栗拔名菜跨忍启娄牧婆墒瞬椒冕悔蔷吴落前叫粗街鹃叁逝愤氟蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,44,Cu-Ni铸态组织,均匀化退火,忘革捣媚惰督腆羚铝唉酣超阎任濒厉惦治蔫癌版镭昆叉砌择虱宿莹爸取交蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,45,相图中液固线相距越大，先后凝固的固相成分差别越大，晶内偏析愈严重。最大偏析

35、量为：C0-k0C0=C0(1-k0)；k01时，k0值越大偏析也越大。组成元素原子的迁移能力愈低(扩散系数小)，偏析愈严重。冷却速度的影响较复杂，一般而言，冷却速度愈大，造成的晶内偏析将愈严重。但冷速大，过冷度也大，可以获得更细小的晶粒，尤其是小铸件，当以极大速度过冷至很低温度才开始结晶时，往往能够得到成分较为均匀的组织。,晶内偏析的影响因素,礁饿赠广槛币诵剃捏垣种湖唇壬嗡垄楷拱盈雄说佩嘲茁径叉扯缄直汹巾烛蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,46,如何消除晶内偏析？,采用快速冷却，细化晶粒，会带来晶内的偏析，即宏观均匀而微观有大的差别；凝固后重新加热到略低于熔点

36、温度，进行一段时间的保温，让原子进行扩散迁移，使成分均匀，这种方法称为均匀化退火。,拢嫡涸月步羚庇赠椒惨垮寨刑枫降或亨沪叭错笺岁现蜕候华紊洛袋戊境梆蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,47,(4)区域偏析与区域提纯,区域偏析,固溶体合金在不平衡结晶时造成大范围内化学成分不均匀现象，称为宏观偏析或区域偏析。,平衡凝固,溶液中溶质只借扩散而混合,溶液中溶质完全混合,溶液中溶质部分地混合,白寐吼怎捣羔悲痉惕廖詹达刚芝示卢损蔚称度漳盅龟塌妊弛我灶罗躲芋鬼蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,48,区域偏析(一)：固相内无扩散；液相借助于扩散、对

37、流或搅拌，化学成分可以充分混合的情况。,当合金在t1温度开始结晶时，结晶出的固相成分为后k0C1，液相成分为C1，晶体长度为x1，,假定成分为C0的液态合金在圆管内自左端向右端逐渐凝固，并假设固液界面保持平直。,区域偏析形成过程,当温度降至t2时，析出的固相成分为k0C2，这就意味着，在温度t1时形成的晶体长大至x2的位置，由于液相的成分能够充分混合，所以晶体长大时向液相中排出的溶质原子使液相成分整体而均匀地沿液相线由C1变至C2。,当温度降至t3时，晶体由x2长大至x3，此时晶体的成分为C0，即原合金的成分，晶体长大时所排出的溶质原子使液相成分变至C0/K0。尽管此时相界面处的固相成分已达到

38、C0，但已结晶的固相成分平均值仍低于合金成分，因此仍保持着较多的液相。,在以后的结晶过程中，液相中的溶质原子越来越富集，结晶出来的固相成分也越来越高，以至最后结晶的固相成分要比原合金成分高好多倍。,惜撞刊犊洽耪肛热摇怜桂景狰稳固魔弹童衔铺捐版卓闰插阳哩蛆添核垮超蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,49,区域偏析(二）：液相中除了扩散之外，没有对流和搅拌，即液相中的溶质原子混合很差，而固相中无扩散。,直到结晶临近终了，最后剩下的少量液体，其浓度又开始升高。最后结晶的那一小部分晶体，其浓度往往较合金的浓度高出许多。,从已结晶的固相向液相排出一部分溶质原子，但是由于液相

39、中没有对流和搅拌作用，不能将这部分溶质原子迅速输送到远处的液体中，于是在相界面的邻近液相中形成了浓度梯度，溶质原子只能借助浓度梯度的作用向远处的液体中输送。但是由于扩散速度慢，所以使溶质原子在相界面处有所富集。随着温度的不断降低，晶体的不断长大和相界面向液相中的不断推移，溶质的富集层便越来越厚，浓度梯度越来越大，溶质的扩散速度也随着浓度梯度的增高而加快。,当温度达到t2时，相界面处液相的成分为C0/k0，固相的成分为C0，从固相中排到相界面上的溶质原子数恰好等于扩散离开相界面的溶质原子数，即达到了稳定态，结晶推进时相界面两侧的固液相成分保持不变。,镀枝六重潜帝普钡俩贱献扫养救炮冲凡汝乎歪署蒂析

40、畜痛四琢霖腕秆怯昌蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,50,区域熔炼提纯,在定向凝固和加强对流或搅拌的情况下，可以使试棒起始凝固端的纯度得以提高。区域熔炼是使一根金属棒局部熔化并增加熔区内的对流，同时使熔区沿棒的长度方向逐渐从一端移向另一端。熔区沿棒长移动一次，可使其中的部分溶质移向棒的末端。若熔区反复移动多次，可使棒的大部分长度的纯度得到明显提高，因此这种熔化方法又称为区域提纯。,猛捆沂扰咙咸雄焚俭狙绍搔齐笼公曹缩寡哉摆词撂滑穿赊笛菊抿衙莽宗独蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,51,熔区越短，提纯效果越好，一般熔区不大于试样全长的

41、1/10。过长会使已经推到另一端的溶质原子重新跑向低端。k0越小，提纯效果越好。搅拌越剧烈，则液相越均匀，结晶出的固相成分越低，提纯效果越好。最好采用感应加热，熔区内有电磁搅拌。,区域熔炼提纯的影响因素,城聊崭忠聚基隶鉴赐司凿雾停逼说超习琶率瘴罕傲残躲萍楷益猜售肾冈旬蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,52,(5)成分过冷,“成分过冷”产生的条件,过 冷：金属理论凝固温度与实际温度之差。热 过 冷：金属凝固时所需过冷完全由传热所提供。成分过冷：凝固时由于溶质再分配造成固液界面前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的改变而在液固界面前液相内形成的过冷。,辕削具髓予啦繁嗡

42、寺街钟滑琅苏缠忍猾女匠听茁韶督蔬去枯钾灸舆凝撰贴蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,53,液态合金中的温度梯度为正值，它只受散热条件影响，与液体中的溶质分布无关。,当成分为C0的液态合金温度降至t0时，结晶出的固相成分为k0C0，由于液体中只有扩散而无对流或搅拌，所以随着温度的降低，在晶体成长的同时，不断排出的溶质便在固液界面处堆集，形成具有一定浓度梯度的边界层，界面处的液相成分和固相成分分别沿着液相线和固相线变化。当温度到达t2时，固相的成分为C0，液相的成分为C0/k0，界面处的温度梯度达到了稳定态，而远离界面的液体成分为C0,当k01时，合金的平衡结晶温度随

43、溶质浓度的增加而降低，这一变化规律由其液相线表示。由于液体边界层中的溶质浓度随距界面的距离 x的增加而减小，故边界层中的平衡结晶温度也将随距离x的增加而上升。在x=0处，溶质浓度最高，为C0/k0，相应的结晶温度也最低，为t2；此后，随着x的增加，溶质浓度不断降低，平衡结晶温度也随之增高，直达到原合金成分C0时，其平衡结晶温度升至t0。,设C0成分的固溶体合金为定向凝固，在液体中只有扩散而无对流或搅拌，分配系数k01，液相线和固相线均为直线。,将界面前的液体平衡结晶温度与实际的温度分布进行比较，可以看出，在固液界面前方一定范围内的液相中，其实际温度低于平衡结晶温度，在界面前方出现了一个过冷区域

44、，平衡结晶温度与实际温度之差即为过冷度，这个过冷度是由于液相中的成分变化引起的，所以称为成分过冷。,儿渊邵次陕琴脏知獭症披夺桶亨隋醉殊链控饼睁佐伴鲁饲稽夺啦系教旧绪蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,54,图e中，出现成分过冷的极限条件是液体的实际温度梯度G和界面处液体的平衡结晶曲线TL(x)刚好相切。G进一步增大，就不会出现成分过冷；G减小，过冷区增大。形成成分过冷的临界条件为：,G：固液界面液相实际温度梯度，R：晶体长大速度（界面推进速度)；m相图液相线斜率，D：液相中溶质的扩散速度；k0分配因子。,惧沾硅太贮耻值它帅坠粒她桓啦鹤刃敞呛压著贪安情钢琶渭劣吕冰轧

45、窖移蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,55,温度梯度越平缓，成分过冷区越大；因此可以通过控制 温度梯度来控制成分过冷区的大小。合金元素浓度C0越大，过冷越明显。长大速度R越大，过冷越明显。液相线越陡，液相中溶质原子扩散系数D越小，过冷越明显。即：k01时，k0越大，过冷越明显。,成分过冷的影响因素,咀鹏扇瞪处苹把垦别属侠舱确滚禁遣稼癣估摘沽放植佳徘窒饮牵狞浩范朝蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,56,成分过冷对凝固组织的影响,金属和合金的固液界面一般为粗糙界面，固溶体结晶时晶体生长不仅受固液界面处温度梯度的影响，更主要的要受成分过

46、冷的影响。1)固液界面为负温度梯度，与纯金属一样，呈树枝晶生长。2)固液界面为正温度梯度，取决于成分过冷和温度梯度的综合作用。,媚着四横栽仕多巧凿均专祭办煤灿浴海载个寻祷蔷籍荫筐猛耶杜草矿印赡蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,57,a.无“成分过冷”的平面生长,当单相合金晶体生长条件符合:,界面前方不产生成分过冷。界面将以平面生长方式生长。宏观平坦的界面是等温的，以恒定的平衡成分向前推进。获得成分完全均匀的单相固溶体柱状晶甚至单晶体。,Al-Cu，平面晶,赊番巍浮映秀蘑斌哲拥菜惮已胖您画食宿昼衬赏青绞鹰妊崭辞讲摩焊罗鸣蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程

47、材料学（ii）第三章,58,b.窄成分过冷区的胞状生长,当单相合金晶体 生长 符合 条件 时，界面前方产生一个窄成分过冷区。对宏观平坦的界面，产生的任何凸起，都必将面临较大的过冷，而以更快的速度向前长大。同时不断向周围的熔体中排出多余的溶质，凹陷区域溶质浓度增加得更快，因凹陷区域的溶质向熔体扩散比凸起部分更困难。凸起部分快速生长的结果，导致凹陷部分溶质进一步浓集。,脏步脚圆菩亲姨先晌帧埃胺蚁吊蔑渣宗芜孔痰辱粟焰讥猴叁送阵暑溜耿虽蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,59,溶质富集降低了凹陷区熔体的过冷度，从而抑制凸起晶体的横向生长。凸起晶体前端的生长受成分过冷区宽度

48、的限制，不能自由地向前伸展。当由于溶质的富集，而使界面各处的液相成分达到相应温度下的平衡温度时，界面形态趋于稳定。,在窄成分过冷区的作用下，不稳定的宏观平坦界面就转变成一种稳定的、由许多近似于旋转抛物面的凸出圆胞和网络状凹陷的沟槽所构成的新的界面形态，这种形态称为胞状晶。以胞状向前推进的生长方式，称为胞状晶生长方式。,Al-Cu，胞状晶,勤堑态饱捂婪狡拉珐蛇各谎挑子厄渍昌按旦疆献跟测殴兰石郡泥建念低吁蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,60,胞状组织形成时成分过冷区域很小，突出部分约0.11mm显微结构象蜂窝，又称蜂窝组织。横截面典型形态呈规则的六边形。各个胞之间

49、晶体学位向基本相同。胞状组织是晶粒内的亚结构，单个胞不是晶粒。胞状组织的交界面存在溶质原子的富集(k01),胞状组织的特点,晤仿看砖挝臆死立藉恶割涪美应且翱丝犯某哟贾旷厄住上闷激锁劝姚鉴亩蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,61,c.较宽成分过冷区的柱状树枝晶生长,随着界面前方成分过冷区加宽，凸起晶胞将向熔体伸展更远；原来胞晶抛物状界面逐渐变得不稳定。晶胞生长方向开始转向优先的结晶生长方向，胞晶的横向也将受晶体学因素的影响而出现凸缘结构，当成分过冷加强时，凸缘上又会出现锯齿结构即二次枝晶,将出现二次枝晶的胞晶称为胞状树枝晶，或柱状树枝晶。如果成分过冷区足够宽，二次

50、枝晶在随后的生长中又会在其前端分裂出三次枝晶。,略帜党漠寅泡两掩襟扩壁拜筛闪碱幽舶鳞在沂拙琶盲木脊趟娜否啪汪瓢绚蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材料学（ii）第三章,62,同纯金属在G0下的柱状枝晶生长不同，单相合金柱状枝晶的生长是在G0的情况下进行的；和平面生长与胞状生长一样，是一种热量通过固相散失的约束生长，生长过程中，主干彼此平行地向着热流相反的方向延伸，相邻主干的高次分枝往往互相连接起来，而排列成方格网状；从而使材料的性能表现出强烈的各向异性。,Al-Cu，树枝晶,舶枪叶随包淬草蒂徒宝瓷逸子池狱翌难豢练俩泣劣嘉硝董倒甸攒贱唤氮窑蔡启舟-工程材料学（ii）第三章蔡启舟-工程材