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1、工程材料及应用第三章材料的凝固与相图1第一页，讲稿共四十六页哦Steelmaking flowlines 1.1 碳钢概碳钢概论论 Chapter 1 钢铁中的合钢铁中的合金元素金元素 2第二页，讲稿共四十六页哦Steel Finishing flowlines 1.1 碳钢碳钢概论概论 Chapter 1 钢铁中的钢铁中的合金元素合金元素 3第三页，讲稿共四十六页哦第一节第一节 概述概述一、凝固与结晶一、凝固与结晶 引子引子 自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且在一自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且在一定的条件下，它们可以发生互相转变。定的条件下，它们可以发生互
2、相转变。凝固凝固 一切物质一切物质从液态到固态转变从液态到固态转变过程的统称。过程的统称。结晶结晶 晶体的形成形成过程。晶体的形成形成过程。凝结蒸发凝固熔化凝华升华晶体的形成过程包括，原始相可以是气体(凝华)、液态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一种晶体。意义意义 材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用冶炼来方法生材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才得到固态，固态下材料的产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过程有关，从而也影响材料的性能。组织结构与从液态转变为固态的
3、过程有关，从而也影响材料的性能。4第四页，讲稿共四十六页哦二、凝固状态的影响因素二、凝固状态的影响因素 第一节第一节 概述概述引子引子 固体状态下原子的排列方式有无规则排列的固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态非晶态，也可以成为规则排，也可以成为规则排列的列的晶体晶体。决定因素有三方面决定因素有三方面:物质的本质物质的本质：原子以那种方式结合使：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能系统吉布斯自由能更低。温度高时更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱，而低温下按特定方式排列结合可降低其总原子活动能力强排列紊乱，而低温下按特定方式排列结合可降低其总能量能量(符合热力学的基本原则符合热力学的基
4、本原则)。熔融液体的粘度熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生：粘度表征流体中发生相对运动的阻力相对运动的阻力，随温度降低，随温度降低，粘度不断增加。在到达结晶转变温度前，粘度增加到能阻止在粘度不断增加。在到达结晶转变温度前，粘度增加到能阻止在重力作重力作用物质发生流动用物质发生流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。发生结晶。例如玻璃、高分子材料。熔融液体的冷却速度：熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度原子来不及重新排列就降冷却速度快，到达结晶温度原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以
5、重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到。金属材料需要达到10106 6/s/s才能获得非晶态。才能获得非晶态。在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，这时的凝固过在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。程也是结晶过程。5第五页，讲稿共四十六页哦第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶一、结晶的能量条件一、结晶的能量条件 吉布斯自由能（吉布斯自由能（G G）吉布斯自由能吉布斯自由能G G和温和温度度T T的曲线总是的曲线总是凹向下的下降凹向下的下降形式，并且形式，并且液体
6、的曲线下降的趋势液体的曲线下降的趋势更陡更陡。两曲线相。两曲线相交处的温度交处的温度T Tm m，当温度，当温度T=TT=Tm m时，液相和时，液相和固相的自由能相等，处于平衡共存，所固相的自由能相等，处于平衡共存，所以称以称T Tm m为临界点，也就是理论凝固温度。当为临界点，也就是理论凝固温度。当T TT TT Tm m时，从固体向液体的转变使时，从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生吉布斯自由能下降，是自发过程，发生熔化过程。所以结晶过程的热力学条件熔化过程。所以结晶过程的热力学条件就是温度在理论熔点以下。就是温度在理论熔点以下。6第六页，讲稿共四十六页哦二、结晶的结构条
7、件二、结晶的结构条件第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶 在一定的过冷度下，液体中若出现一在一定的过冷度下，液体中若出现一固态的晶体，该区域的能量将发生变化，固态的晶体，该区域的能量将发生变化，一方面一定一方面一定体积的液体转变为固体体积的液体转变为固体，体积，体积自由能会下降，另一方面自由能会下降，另一方面增加了液固相界增加了液固相界面面，增加了表面自由能，因此总的吉布斯，增加了表面自由能，因此总的吉布斯自由能变化量为：自由能变化量为：原子的热运动可造成局部能量在不断变化，其瞬间能量在平均值原子的热运动可造成局部能量在不断变化，其瞬间能量在平均值的上下波动，对应的结构的上下波动，对应的结构
8、(原子排列原子排列)在变化，小范围可瞬间为接近晶体在变化，小范围可瞬间为接近晶体的排列。小于临界尺寸的的排列。小于临界尺寸的(也称为晶胚也称为晶胚)下一步将减小到消失；大于临下一步将减小到消失；大于临界尺寸的进一步长大时吉布斯自由能下降，可以不断长大，这种可界尺寸的进一步长大时吉布斯自由能下降，可以不断长大，这种可以长大的小晶体称为以长大的小晶体称为晶核晶核。7第七页，讲稿共四十六页哦三、结晶时的过冷现象三、结晶时的过冷现象第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶冷却曲线冷却曲线：材料在冷却过程中，由于存在：材料在冷却过程中，由于存在热热容量容量，并且从液态变为固态还要放出，并且从液态变为固态还
9、要放出结结晶潜热晶潜热，利用热分析装置，处在较慢的，利用热分析装置，处在较慢的固定的散热方式，并将温度随时间变固定的散热方式，并将温度随时间变化记录下来，所得的曲线化记录下来，所得的曲线冷却曲线冷却曲线，纯，纯金属的冷却曲线如图示。金属的冷却曲线如图示。过冷现象过冷现象：熔体材料冷却到理论结晶温度以下，并不是立即就形成晶体，材料：熔体材料冷却到理论结晶温度以下，并不是立即就形成晶体，材料处在应该转变的理论温度以下，还保留原来状态。处在应该转变的理论温度以下，还保留原来状态。过冷度过冷度：材料：材料过冷的程度过冷的程度，T=Tm T8第八页，讲稿共四十六页哦四、结晶的一般过程四、结晶的一般过程
10、第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶温度变化规律温度变化规律：材料的熔体在熔点以上不断散材料的熔体在熔点以上不断散热，温度不断下降，到理论结晶温热，温度不断下降，到理论结晶温度并不是马上变成固态的晶体，继度并不是马上变成固态的晶体，继续降温而出现过冷。过冷到某一程续降温而出现过冷。过冷到某一程度开始结晶，放出结晶潜热，可能度开始结晶，放出结晶潜热，可能会使其温度回升。到略低于熔点的会使其温度回升。到略低于熔点的温度时，放出的热量和散热可达到温度时，放出的热量和散热可达到平衡，这时处于固定温度，在冷却平衡，这时处于固定温度，在冷却曲线上出现平台。结晶过程完成，曲线上出现平台。结晶过程完成，没有
11、潜热的补充，温度将重新不断没有潜热的补充，温度将重新不断下降，直到室温。下降，直到室温。9第九页，讲稿共四十六页哦第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶组织的变化组织的变化：在一定的过冷度下，在液态的熔体内首先有细小的晶体生成：在一定的过冷度下，在液态的熔体内首先有细小的晶体生成，这个过程称为，这个过程称为形核形核。随后已形成的晶核不断的。随后已形成的晶核不断的长大长大，同时在未转变的液体，同时在未转变的液体中伴随新的核心的形成。生长过程到相邻的晶体互相接触，直到液体全中伴随新的核心的形成。生长过程到相邻的晶体互相接触，直到液体全部转变完毕。部转变完毕。每个成长的晶体就是一个晶粒，它们的接触分
12、界面就形成晶界每个成长的晶体就是一个晶粒，它们的接触分界面就形成晶界。10第十页，讲稿共四十六页哦五、形核五、形核 第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶自发形核自发形核：在一定的过冷度下，在液态的熔融原子自身的热运动瞬间：在一定的过冷度下，在液态的熔融原子自身的热运动瞬间造成有序结构达到临界尺寸，可以长大的小晶体为造成有序结构达到临界尺寸，可以长大的小晶体为晶核晶核，这种在液体，这种在液体内部自身出现的形核过程称为内部自身出现的形核过程称为自发形核自发形核。冷却速度愈大，晶核的临界尺。冷却速度愈大，晶核的临界尺寸愈小，形核愈容易。寸愈小，形核愈容易。非自发形核非自发形核：液态材料中往往存在某
13、些固态悬浮微粒，在一定的过冷：液态材料中往往存在某些固态悬浮微粒，在一定的过冷度下，液态的熔融原子依附在这些微粒表面形核，称为度下，液态的熔融原子依附在这些微粒表面形核，称为非自发形核非自发形核。由。由于利用原微粒与液体的界面能，形核比自发方式容易得多，如果微粒于利用原微粒与液体的界面能，形核比自发方式容易得多，如果微粒与形成的晶体的界面能愈低，作用愈明显。实际工程材料凝固结晶中与形成的晶体的界面能愈低，作用愈明显。实际工程材料凝固结晶中的主要形核方式。的主要形核方式。形核率形核率(N)(N)：单位时间在单位母体（液体）的体积内晶核的形成数目。：单位时间在单位母体（液体）的体积内晶核的形成数目
14、。无论自发或非自发形核，冷却速度愈大，形核率愈高；无论自发或非自发形核，冷却速度愈大，形核率愈高；同样冷速下，非自发形核的形核率比自发形核高得多。人为地向加入有效的同样冷速下，非自发形核的形核率比自发形核高得多。人为地向加入有效的固体微粒（变质处理）提高形核率，工程中常用。固体微粒（变质处理）提高形核率，工程中常用。11第十一页，讲稿共四十六页哦六、晶核的长大六、晶核的长大 第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶长大条件长大条件：液：液/固界面附近液体中的原子迁移到固态表面按固体的排列固界面附近液体中的原子迁移到固态表面按固体的排列，实现了晶体的长大（反之为熔化）。长大的自发过程也要求一定的，
15、实现了晶体的长大（反之为熔化）。长大的自发过程也要求一定的过冷度过冷度，不过，不过比形核小的多比形核小的多。金属材料要求的过冷度很小，仅。金属材料要求的过冷度很小，仅0.010.010.050.05。平面推进的均匀长大平面推进的均匀长大(从温度角度从温度角度)：结晶潜热通过固体散热，快速长大部分：结晶潜热通过固体散热，快速长大部分散热困难会放慢速度，缓慢长大部位散热改善会提高速度，最终均匀生长。散热困难会放慢速度，缓慢长大部位散热改善会提高速度，最终均匀生长。有利环境优先的树枝状长大（有利环境优先的树枝状长大（从成分从成分角度角度）：生长部位的前端因温度（合：生长部位的前端因温度（合金中可因成
16、分）有利晶体的长大，快金中可因成分）有利晶体的长大，快速生长部位更会，不平衡的发展会在速生长部位更会，不平衡的发展会在快速生长部位产生分支，而形成树枝快速生长部位产生分支，而形成树枝状的晶体。状的晶体。12第十二页，讲稿共四十六页哦六、晶核的长大六、晶核的长大 第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶关于树枝晶关于树枝晶：按树枝方式生长的晶体称为树枝晶，先凝固的称为主干按树枝方式生长的晶体称为树枝晶，先凝固的称为主干，随后是分支，再分支。，随后是分支，再分支。纯净的材料结晶完毕见不到树枝晶，但凝固过程中一般体积收缩，纯净的材料结晶完毕见不到树枝晶，但凝固过程中一般体积收缩，树枝之间若得不到充分的
17、液体补充，树枝晶可保留下来；树枝之间若得不到充分的液体补充，树枝晶可保留下来；当当材料中含有杂质，在结晶时固体中的杂质比液体少，最后不同层次材料中含有杂质，在结晶时固体中的杂质比液体少，最后不同层次的分枝杂质含量不相同，其组织中可见树枝晶。的分枝杂质含量不相同，其组织中可见树枝晶。关于长大线速度关于长大线速度：凝固过程中，晶体在不断长大，界面在单位时间向凝固过程中，晶体在不断长大，界面在单位时间向前推移的垂直距离前推移的垂直距离(G(Gdx/dt)dx/dt)称为长大线速度。称为长大线速度。关于晶体缺陷关于晶体缺陷：生长中晶体分支受生长中晶体分支受液体流动液体流动、温差温差、重力重力等影响，同
18、方等影响，同方向的分支可能出现小的角度差，互相结合时会留下向的分支可能出现小的角度差，互相结合时会留下位错位错；树枝之间若得不树枝之间若得不到充分的液体补充，出现缩孔、疏松和空位；此外还有气孔到充分的液体补充，出现缩孔、疏松和空位；此外还有气孔、夹杂物、夹杂物、成分偏析、成分偏析 等宏观缺陷。等宏观缺陷。13第十三页，讲稿共四十六页哦七、晶粒大小的概念七、晶粒大小的概念 第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶 晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大小和形状并不全相同，晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大小和形状并不全相同，这就是统计的含义，有多种来计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生
19、产中这就是统计的含义，有多种来计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生产中用晶粒度，测定方法是在放大用晶粒度，测定方法是在放大100100倍下观察和标准的进行对比评级，倍下观察和标准的进行对比评级，1 18 8级级(有更高的有更高的)，级别高的晶粒细。级别的定义为，级别高的晶粒细。级别的定义为在放大在放大100100下，每平方英寸内下，每平方英寸内1 1个晶粒时为一级，数量增加个晶粒时为一级，数量增加 倍提高一级。倍提高一级。还用平均截线长度法来定还用平均截线长度法来定量描述。量描述。14第十四页，讲稿共四十六页哦八、铸件晶粒大小的控制八、铸件晶粒大小的控制 第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶
20、决定晶粒尺寸的要素决定晶粒尺寸的要素从液体凝固后，每个晶核生长从液体凝固后，每个晶核生长成一个晶粒，晶核多晶粒的尺成一个晶粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理论分析表寸自然就小。凝固理论分析表明晶粒尺寸决定于明晶粒尺寸决定于N/GN/G，即形核率高晶粒细小，而长大即形核率高晶粒细小，而长大速度快，晶粒尺寸增大。速度快，晶粒尺寸增大。15第十五页，讲稿共四十六页哦控制原理与方法控制原理与方法得到细小的尺寸，为此控制晶粒尺寸的方法有：得到细小的尺寸，为此控制晶粒尺寸的方法有：1)1)降低浇注温度和加快冷却速度降低浇注温度和加快冷却速度 如：金属模、或加快散热，尽管形核率和长大速度都提高，但形核如：
21、金属模、或加快散热，尽管形核率和长大速度都提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒将细化，可是快冷却速度会增加零率的提高快得多，所得到的晶粒将细化，可是快冷却速度会增加零件的内应力有时甚至可能造成开裂，有时因生产环境和零件尺寸达件的内应力有时甚至可能造成开裂，有时因生产环境和零件尺寸达不到快速冷却。不到快速冷却。2)2)加变质剂加变质剂 即人为加入帮助形核的其它高熔点细粉末，如在铜中即人为加入帮助形核的其它高熔点细粉末，如在铜中加少量铁粉或铝中加加少量铁粉或铝中加AlAl2 2O O3 3粉等，以非均匀方式形核并阻碍长大。粉等，以非均匀方式形核并阻碍长大。3)3)铸件凝固中用铸件凝固中用机械或
22、超声波震动机械或超声波震动等也可细化晶粒尺寸。等也可细化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高温的材料，对这些因素进行相反的若希望晶粒粗大，如用于高温的材料，对这些因素进行相反的操作。操作。16第十六页，讲稿共四十六页哦九、凝固体的结构九、凝固体的结构第二节第二节 纯金属的结晶纯金属的结晶表层等轴细晶区表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，尺寸晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过冷度加等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过冷度加上上模壁和涂料模壁和涂料帮助形核，大的形核率使与锭模接帮助形核，大的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。触的表层得到等轴细晶区。柱状晶区柱状晶区 随模具
23、温度的升高，只能随锭模的随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温度，形核困难，只有表层晶粒散热而降低温度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相盖了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。同的长形晶粒区。中心等轴晶区中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周散热和凝固的进行后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固点以下后，表层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝点以下后，表
24、层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大。常较粗大。力学性能力学性能 表层硬表层硬柱状区有方向形柱状区有方向形中心疏松、多杂质中心疏松、多杂质17第十七页，讲稿共四十六页哦第三节第三节 材料的相结构材料的相结构 一、概念一、概念 合金合金：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：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。具有金属性的材料称为合金。组元组元：通常把组成材料的：通常把组成材料
25、的最简单、最基本、能够独立存在的物质最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组称为组元。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。化学反应的稳定化合物也可成为组元。相相：凡：凡成分相同成分相同、结构相同结构相同并与其它部分并与其它部分有界面分开有界面分开的物质均匀组成部分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，称之为相。在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为固溶固溶体体和和化合物化合物两大类。两大类。组织组织：人们用：人们用肉眼肉眼或借
26、助某种或借助某种工具工具（放大镜、光学显微镜、电子显微镜（放大镜、光学显微镜、电子显微镜等）所观察到的等）所观察到的材料形貌材料形貌。它决定于组成相的类型、形状、大小、数量。它决定于组成相的类型、形状、大小、数量、分布等。、分布等。组织组成物组织组成物：组织中形貌相同的组成部分。：组织中形貌相同的组成部分。18第十八页，讲稿共四十六页哦二、固溶体二、固溶体第三节第三节 材料的相结构材料的相结构1 1.固溶体固溶体：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某
27、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，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。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。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。溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的浓度浓度。在一定的条件下，。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
28、素在固溶体中的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溶解度。浓。浓度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示(%Wt%Wt)；有时也用；有时也用溶质元素所占的原子数量百分比来表示，这时也称为摩尔浓度溶质元素所占的原子数量百分比来表示，这时也称为摩尔浓度(%Wa%Wa)。19第十九页，讲稿共四十六页哦二、固溶体二、固溶体第三节第三节 材料的相结构材料的相结构2 2.固溶体固溶体的分类的分类 按溶质原子在固溶体按溶质原子在固溶体(溶剂溶剂)晶格晶格中的中的位置位置不同可分为：不同可分为：a)a)置换固溶体置换固溶体 溶质原子取代
29、了溶质原子取代了部分部分溶剂晶格中某些溶剂晶格中某些节节点上的溶剂原子点上的溶剂原子而形成的固溶体而形成的固溶体。在置换固溶体中，一般溶质原子的溶解度有一定的限制，即形成在置换固溶体中，一般溶质原子的溶解度有一定的限制，即形成有限固有限固溶体溶体。溶质元素与溶剂元素之间的溶质元素与溶剂元素之间的化学性质相近化学性质相近、原子尺寸相近原子尺寸相近、价电子价电子数相近数相近、晶体结构相近晶体结构相近时对应的溶解度愈大。时对应的溶解度愈大。当当晶体结构相同晶体结构相同、并且原子、并且原子尺寸差小于尺寸差小于15%15%时，时，化学性质较接近化学性质较接近的有的有时可以出现无限互溶，构成时可以出现无限
30、互溶，构成无限无限固溶体固溶体。这是把含量较高的组元称为溶。这是把含量较高的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质。剂，含量较少的组元称为溶质。20第二十页，讲稿共四十六页哦二、固溶体二、固溶体第三节第三节 材料的相结构材料的相结构2 2.固溶体固溶体的分类的分类b)b)间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据晶格结点位置。的空隙中，不占据晶格结点位置。间隙固溶体间隙固溶体都是都是有限溶解固溶体。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。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间隙固溶体
31、的形成的基本条件D D质质/D/D剂剂0.590.59。在金属材料中，通常是过渡族金属元素为溶剂，小尺寸的在金属材料中，通常是过渡族金属元素为溶剂，小尺寸的C C、N N、H H、O O、B B等元素为溶质等元素为溶质。21第二十一页，讲稿共四十六页哦二、固溶体二、固溶体第三节第三节 材料的相结构材料的相结构3 3.固溶体固溶体的性能特点的性能特点由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上固溶体的性能基本上与原溶剂的性能相近与原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定，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。于溶
32、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固溶体的性能与原溶剂性能的差别差别，或称性能变化的大，或称性能变化的大小，随着溶质的浓度小，随着溶质的浓度(含量含量)的增加而加大。的增加而加大。以以金属元素为溶剂的固溶体金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强度将，随着溶质的溶入，强度将提高，称为提高，称为固溶强化固溶强化，溶质的溶入可造成晶格畸变，材料，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。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。在材料中是有效提高金属材料力学性能的途径之一
33、。22第二十二页，讲稿共四十六页哦三、化合物三、化合物(中间相中间相)第三节第三节 材料的相结构材料的相结构1 1.化合物概念化合物概念 当溶质的含量超过了其溶解度，在材料中将出现新相。若新相为另一组当溶质的含量超过了其溶解度，在材料中将出现新相。若新相为另一组元的晶体结构，则也是另一固溶体。若其晶体结构与组元都不相同，元的晶体结构，则也是另一固溶体。若其晶体结构与组元都不相同，表明生成了新的物质表明生成了新的物质。所以，所以，化合物化合物是构成的是构成的组元相互作用，生成不组元相互作用，生成不同于任何组元晶体结构的新物质同于任何组元晶体结构的新物质。化合物结构的特点化合物结构的特点有基本有基
34、本固定的原子数目比固定的原子数目比，可用化学分子式表示，可用化学分子式表示2)2)晶体结构不同晶体结构不同于其任何组元。位置都于其任何组元。位置都在相图的中间在相图的中间，称为，称为中间相中间相。在金属材料中，原子之间的结合除离子键和共价键外，金属键在不在金属材料中，原子之间的结合除离子键和共价键外，金属键在不同程度上也参与一定的作用，如果生成的化合物也具有金属性，则称同程度上也参与一定的作用，如果生成的化合物也具有金属性，则称之为之为金属化合物金属化合物。23第二十三页，讲稿共四十六页哦三、化合物三、化合物(中间相中间相)第三节第三节 材料的相结构材料的相结构2 2.金属化合物的类型金属化合
35、物的类型1)1)正常价化合物正常价化合物 两组元两组元服从原子价规律服从原子价规律而生成的正常化学中所称的化合而生成的正常化学中所称的化合物。通常是物。通常是金属金属元素与非元素与非金属金属元素组成，组元间电负性差起主要作用，元素组成，组元间电负性差起主要作用，两组元间电负性差较大，它们符合一般化合物的原子价规律。例如两组元间电负性差较大，它们符合一般化合物的原子价规律。例如MnSMnS、AlAl2 2O O3 3、TiNTiN、ZrOZrO2 2等，其结合键为离子键；也有的是共价键，如等，其结合键为离子键；也有的是共价键，如SiCSiC；少数也有以金属键结合少数也有以金属键结合,如如MgMg
36、2 2PbPb。2)2)电子化合物电子化合物电子浓度电子浓度 在金属材料在金属材料(合金合金)中，价电子数目中，价电子数目(e)(e)与原子数目与原子数目(a)(a)之比称之比称为为电子浓度电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓度 e/a e/a=V=VA A(1-x)+V(1-x)+VB Bx x。其中。其中x x为溶质的原子百分比浓度为溶质的原子百分比浓度(摩尔分数摩尔分数)，V VA A、V VB B分分别为溶剂和溶质的价电子数。别为溶剂和溶质的价电子数。24第二十四页，讲稿共四十六页哦三、化合物三、化合物(中间相中间相)第三节第三
37、节 材料的相结构材料的相结构2 2.金属化合物的类型金属化合物的类型2)2)电子化合物电子化合物电子化合物电子化合物 这类化合物大多是以这类化合物大多是以第第族族或或过渡族金属元素过渡族金属元素与与第第至第至第族金属元素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学价规律。当当 e/a e/a 为某些特定值时形成一新的晶体结构为某些特定值时形成一新的晶体结构，并且电子浓并且电子浓度不同，其对应的晶体结构的类型也就不同度不同，其对应的晶体结构的类型也就不同。常见的常见的电子浓度值有电子浓度值有21/1421/14、21
38、/1321/13、21/1221/12。由于这类中间相与电子浓度有关，所以就称为。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CuCu3131SnSn8 8，电子浓度，电子浓度21/1321/13，具有，具有复杂立方晶格复杂立方晶格。25第二十五页，讲稿共四十六页哦三、化合物三、化合物(中间相中间相)第三节第三节 材料的相结构材料的相结构2 2.金属化合物的类型金属化合物的类型3)3)间隙化合物间隙化合物尺寸因素化合物尺寸因素化合物(间隙相与间隙化合物间隙相与间隙化合物)主要受组
39、元的主要受组元的原子尺寸原子尺寸因素控制，通常是由因素控制，通常是由过渡族金属过渡族金属原子与原子与原子半原子半径小于径小于0.1nm0.1nm的非金属元素碳、氮、氢、氧、硼所组成。由于非金属元的非金属元素碳、氮、氢、氧、硼所组成。由于非金属元素素(X)(X)与金属元素与金属元素(M)(M)原子半径比不同，结构也有所不同。原子半径比不同，结构也有所不同。当当r rX X/r/rM M0.590.590.59时，形成的化合物的晶体结构也较复杂时，形成的化合物的晶体结构也较复杂，通常称它们为，通常称它们为间隙间隙化合物化合物，相应的分子式也较复杂，如钢中常见的，相应的分子式也较复杂，如钢中常见的F
40、eFe3 3C C、CrCr7 7C C3 3、CrCr2323C C6 6等。等。26第二十六页，讲稿共四十六页哦三、化合物三、化合物(中间相中间相)第三节第三节 材料的相结构材料的相结构2 2.金属化合物的类型金属化合物的类型3)3)间隙化合物间隙化合物通常晶体结构较复杂通常晶体结构较复杂 27第二十七页，讲稿共四十六页哦三、化合物三、化合物(中间相中间相)第三节第三节 材料的相结构材料的相结构4 4）其他金属化合物）其他金属化合物拓扑密堆相拓扑密堆相(TCP(TCP相相)属于这类结构的有：属于这类结构的有：-W-W结构、结构、LavesLaves相、相、相结相结构等。结构的细节从略。构等
41、。结构的细节从略。溶剂为化合物的固溶体溶剂为化合物的固溶体 溶质为化合物中的某一组元，相当于原子比可溶质为化合物中的某一组元，相当于原子比可在一定范围内变动，晶格未发生变化。在一定范围内变动，晶格未发生变化。也可能也可能溶质为化合物中组元溶质为化合物中组元之外之外元素的原子。元素的原子。3 3.金属化合物的性能特点金属化合物的性能特点 大多数化合物，特别是正常价化合物，大多数化合物，特别是正常价化合物，熔点都较高熔点都较高(结合键强的结合键强的表现之一表现之一)，力学性能表现为，力学性能表现为硬而脆硬而脆，单一由化合物在金属材料中比，单一由化合物在金属材料中比较少见，而陶瓷材料则是以化合物为主
42、体。少量硬度高的质点加入较少见，而陶瓷材料则是以化合物为主体。少量硬度高的质点加入到塑性材料中，将明显提高材料的强度，即第二相强化机制到塑性材料中，将明显提高材料的强度，即第二相强化机制。另一方面，化合物往往由另一方面，化合物往往由特殊的物理、化学特殊的物理、化学(电、磁、光、声等电、磁、光、声等)性能，从而在功能材料中的应用得到迅速发展。性能，从而在功能材料中的应用得到迅速发展。28第二十八页，讲稿共四十六页哦第四节第四节 相图知识相图知识 一、概念一、概念 相相：凡：凡成分成分相同、相同、结构结构相同并与其它部分有相同并与其它部分有界面分开界面分开的物质均匀组成部分的物质均匀组成部分。相图
43、相图:又称又称状态图状态图，表示体系的，表示体系的成分成分、外界环境外界环境和和组成相与相组成相与相之间的平衡关之间的平衡关系的几何图形。系的几何图形。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。压力，例如物理学中已经介绍的纯水和纯铁的相图。29第二十九页，讲稿共四十六页哦一、概念一、概念第四节第四节 相图知识相图知识二元相图二元相图：当存在两个组元时，：当存在两个组元时，成分也是变量成分也是变量，但一种组元的含量为独立，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
44、表示，通常只考虑在，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常压下，取两个变量取两个变量温度温度和和成分成分。横座标用线段表示成分，纵座标表示温度。平。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。面上以按这时平衡状态下存在的相来分隔。(如图如图)相图用途相图用途：由材料的成分和温度预知平衡相；由材料的成分和温度预知平衡相；材料的成分一定，温度发生变化材料的成分一定，温度发生变化,其它平衡其它平衡相变化的规律；相变化的规律；估算平衡相的数量。估算平衡相的数量。预测材料的组织和性能预测材料的组织和性能30第三十页，讲稿共四十六页哦一、概念一、概
45、念第四节第四节 相图知识相图知识相图与冷却曲线相图与冷却曲线的关系的关系：成分一定，在冷却过程中，不同的相热容量不相同，如果系统成分一定，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，温度随时间的变化散热能力一样，温度随时间的变化(冷却冷却)曲线上的斜率将不同，曲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小时的温度，利用线的转折点对应温度就是某些相开始出现或完全小时的温度，利用这一特点，由实测的冷却曲线可以作出相图。这一特点，由实测的冷却曲线可以作出相图。31第三十一页，讲稿共四十六页哦二、二元匀晶相图与固溶体的凝固二、二元匀晶相图与固溶体的凝固 第四节第四节
46、 相图知识相图知识1.1.相图形式相图形式 两组元在液态和固态都能无限互溶。两组元在液态和固态都能无限互溶。二元匀晶相图，如二元匀晶相图，如CuCuNiNi、AgAgAuAu。相图的构成相图的构成：两条曲线将相图分为：两条曲线将相图分为三个区。左右两端点分别为组元的三个区。左右两端点分别为组元的熔点。上面曲线为液相线，液相线熔点。上面曲线为液相线，液相线之上为液相的单相区，常用之上为液相的单相区，常用L L表示表示；下面的曲线为固相线，固相；下面的曲线为固相线，固相线之下为固溶体的单相区，常线之下为固溶体的单相区，常用用表示；两条曲线之间是双相表示；两条曲线之间是双相区，标记区，标记L+L+。
47、32第三十二页，讲稿共四十六页哦二、二元匀晶相图与固溶体的凝固二、二元匀晶相图与固溶体的凝固 第四节第四节 相图知识相图知识2.2.两相平衡时的数量分配规律杠杆定律两相平衡时的数量分配规律杠杆定律合金合金x x在温度在温度T T1 1将由两相长期并存，两相的成分和数量保持不变。过将由两相长期并存，两相的成分和数量保持不变。过x x点作水平点作水平线交液相线和固相线于线交液相线和固相线于a a、c c点，点，a a、c c点的成分分别为平衡的液体和固体的成点的成分分别为平衡的液体和固体的成分。分。设设m mL L和和m m 分别为两相的数量，分别为两相的数量，由由物质不灭推导出：物质不灭推导出：
48、用占总体数量的百分比的相用占总体数量的百分比的相对值对值来表示。如果把线段来表示。如果把线段axcaxc当当成一杠杆，则满足杠杆力的平衡成一杠杆，则满足杠杆力的平衡原理。原理。用杠杆定律来分析在理解和使用都有好的直观性和方便用杠杆定律来分析在理解和使用都有好的直观性和方便,适用所有两相平衡。适用所有两相平衡。33第三十三页，讲稿共四十六页哦 质量为Q合金,Ni质量分数为b%,在 T1温度时,L相中的 Ni质量分数为a%,相中的Ni质量分数为c%。则合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量+相中含Ni的质量 34第三十四页，讲稿共四十六页哦二、二元匀晶相图与固溶体的凝固二、二元匀晶相图与固溶体的
49、凝固 第四节第四节 相图知识相图知识3.3.固溶体材料冷却时组织转变固溶体材料冷却时组织转变：1 1点以上液体冷却点以上液体冷却1 1点开始凝固，固体成分在点开始凝固，固体成分在对应固相线处对应固相线处1 12 2之间，温度下降，液之间，温度下降，液体数量减少，固体数量增体数量减少，固体数量增加，成分沿液相线和固相加，成分沿液相线和固相线变化，线变化，到到2 2点，液体数量为点，液体数量为0 0，固，固体成分回到合金原始成分，体成分回到合金原始成分，凝固完成凝固完成2 2点以下固体冷却，无组织点以下固体冷却，无组织变化变化过程：过程：35第三十五页，讲稿共四十六页哦二、二元匀晶相图与固溶体的凝
50、固二、二元匀晶相图与固溶体的凝固 第四节第四节 相图知识相图知识3.3.固溶体材料冷却时组织转变固溶体材料冷却时组织转变：1.1.与纯金属凝固一样由与纯金属凝固一样由形形核和长大核和长大来完成结晶过程来完成结晶过程，实际进行在一定的，实际进行在一定的过冷过冷度度下。下。2.2.凝固凝固在一温度范围在一温度范围内进内进行。只有在温度不断下将时固行。只有在温度不断下将时固体量才增加，体量才增加，温度不变，液固温度不变，液固数量维持平衡不变数量维持平衡不变。3.3.凝固过程中液体和固体凝固过程中液体和固体的的成分在不断变化成分在不断变化。特点：特点：如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀，除如果