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1、第第 2章章 材料的制备与相图材料的制备与相图Chapter2 Materials Manufacture and Phase Diagrams2.1 材料的制备过程材料的制备过程 2.2 二元相图的基本类型二元相图的基本类型 2.3 典型二元相图的应用典型二元相图的应用Fe-C相图分析相图分析 2.4 凝固与结晶理论的应用凝固与结晶理论的应用 2021/9/2312.1 材料的制备过程材料的制备过程冶炼冶炼冶炼冶炼铸造铸锭铸件铸件铸件铸锭铸件热轧热锻板、型、管、线材机加工零件（机加工）零件焊接机加工冷轧、拔、冲零件2021/9/2322.1.1材料凝固与结晶的条件材料凝固与结晶的条件（1）熔
2、熔融融液液体体的的粘粘度度（内因）是是材材料料内内部部结结合合键键性性质质和和结结构构情情况况的的宏宏观观表表征征，其其大大小小表表示了液体中发生相对运动的难易程度。示了液体中发生相对运动的难易程度。聚合物粘度大，不易结晶；金属粘度小，一般为金属晶体（2）冷冷却却速速度度（外因）冷冷速速越越大大，则则在在单单位位时时间间内内逸逸散散的的热热量量越越多多，熔熔体体温温度度降降得得越越低低，而又直接关系其中原子或分子的扩散能力。而又直接关系其中原子或分子的扩散能力。冷速大，金属扩散能力降低，不易结晶，得到非晶合金。2021/9/2332.1.2金属材料的制备金属材料的制备1.金属的冶炼金属的冶炼2
3、.纯金属的结晶规律纯金属的结晶规律液态金属的结构特点（液态金属的结构特点（结晶的充分条件结晶的充分条件）结构起伏结构起伏(相起伏相起伏)液态金属中存在液态金属中存在短程有序原子集团短程有序原子集团2021/9/234金属结晶的必要条件金属结晶的必要条件过冷度过冷度过冷是结晶的必要条件过冷是结晶的必要条件热分析法测定金属结晶温度热分析法测定金属结晶温度2021/9/235不同冷速下的冷却曲线示意图不同冷速下的冷却曲线示意图过冷度的影响因素过冷度的影响因素冷速冷速2021/9/236自由能与温度的关系曲线自由能与温度的关系曲线金属结晶的金属结晶的能量条件能量条件2021/9/237纯金属结晶的普遍
4、规律纯金属结晶的普遍规律不断形成晶不断形成晶核与晶核不断长大的连续过程核与晶核不断长大的连续过程2021/9/238形核的方式形核的方式:自发形核自发形核以液态金属中的结构起伏为基础以液态金属中的结构起伏为基础非自发形核非自发形核依赖于液体中的固体质点依赖于液体中的固体质点2021/9/239晶核长大方式晶核长大方式平面方式长大平面方式长大以树枝晶方式长大为主以树枝晶方式长大为主2021/9/2310单晶体与多晶体示意图单晶体与多晶体示意图2021/9/2311金属锑锭的组织示意图金属锑锭的组织示意图2021/9/23122.2 2.2 二元相图的基本类型二元相图的基本类型有关相图的基本概念：
5、有关相图的基本概念：合金状态合金状态一定条件下合金有哪几个相组成一定条件下合金有哪几个相组成相变相变临界点临界点相变的温度相变的温度相相图图反反映映在在平平衡衡条条件件下下，合合金金的的状状态态同同温温度度、成分之间关系的图形。成分之间关系的图形。2021/9/2313 热分析法建立热分析法建立Cu-Ni二元合金相图的过程二元合金相图的过程2.2.1 相图的建立相图的建立2021/9/2314用热分析法建立用热分析法建立Cu-NiCu-Ni相图相图（a）冷却曲线）冷却曲线（b）测定的相图）测定的相图2021/9/23152.2.2匀晶相图匀晶相图特特点点：两两组组元元在在液液态态、固固态态下下
6、均均可可以以任任意意比比例互溶（无限固溶体）例互溶（无限固溶体）Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr等等1.相图分析相图分析特性点特性点特性线特性线相区相区基本相基本相2.固溶体合金的平衡结晶过程分析固溶体合金的平衡结晶过程分析2021/9/23162021/9/2317Cu-NiCu-Ni合金的显微组织示意图合金的显微组织示意图2021/9/2318（1）变温结晶）变温结晶（2）在结晶过程中，两平衡相的成分）在结晶过程中，两平衡相的成分和相对百分含量是不断变化的。液相的和相对百分含量是不断变化的。液相的成分沿着液相线变化，固相的成分沿着成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化；
7、此间的任一温度瞬时，都固相线变化；此间的任一温度瞬时，都可应用杠杆定律计算液固两相的相对百可应用杠杆定律计算液固两相的相对百分含量。分含量。固溶体合金的平衡结晶规律固溶体合金的平衡结晶规律(与纯金属相比与纯金属相比)2021/9/23193.杠杆定律杠杆定律及其应用及其应用内容表述内容表述:在合金相图的两相在合金相图的两相区内区内,若温度一定若温度一定,则该温则该温度下两平衡相的成分及两度下两平衡相的成分及两平衡相的相对量是一定的平衡相的相对量是一定的,且两相相对量之比等于各且两相相对量之比等于各自相距较远的线段之比。自相距较远的线段之比。适用条件适用条件：仅适用于两相区，用来仅适用于两相区，
8、用来求两个平衡相的化学成分求两个平衡相的化学成分和相对百分含量。和相对百分含量。2021/9/23204.不平衡结晶不平衡结晶枝晶偏析枝晶偏析（a）不平衡结晶；）不平衡结晶；（b）不平衡结晶的组织）不平衡结晶的组织概念概念:不平衡条件下不平衡条件下,先结晶出的固先结晶出的固溶体和后结晶出的固溶体成分不同溶体和后结晶出的固溶体成分不同,这种在一个晶粒内出现的成分不均匀这种在一个晶粒内出现的成分不均匀现象称为枝晶偏析。现象称为枝晶偏析。2021/9/2321消除办法消除办法:扩散退火扩散退火(均匀化退火均匀化退火)2021/9/23222.2.3共晶相图共晶相图1.相图分析相图分析（1）共晶相图的
9、形成）共晶相图的形成形成条件形成条件：固态为有限固溶体，发生共晶反应。：固态为有限固溶体，发生共晶反应。2021/9/2323（2）相区与基本相）相区与基本相（3）特性线与特性点）特性线与特性点MEN水平线水平线共晶线共晶线(三相区三相区)2021/9/23242.典型合金的平衡结晶过程典型合金的平衡结晶过程（1 1）有限固溶体合金）有限固溶体合金（2 2）共晶成分的合金）共晶成分的合金（3 3）亚共晶成分合金）亚共晶成分合金（4 4）过共晶成分合金）过共晶成分合金2021/9/2325（1）有限固溶体合金有限固溶体合金 10%Sn有限固溶体合金的冷却曲线及组织有限固溶体合金的冷却曲线及组织1
10、232021/9/2326（1）有限固溶体合金有限固溶体合金杠杆定律的应用杠杆定律的应用在在kth温度下，计算温度下，计算和和的百分含量的百分含量2021/9/2327（2 2）共晶成分的合金）共晶成分的合金共晶合金的冷却曲线及室温下的组织共晶合金的冷却曲线及室温下的组织2021/9/2328（3）亚共晶成分合金）亚共晶成分合金 亚共晶合金的冷却曲线及组织亚共晶合金的冷却曲线及组织11222021/9/2329初晶的截取位置及相应的组织形貌初晶的截取位置及相应的组织形貌（3）亚共晶成分合金）亚共晶成分合金2021/9/2330（4 4）过共晶成分的合金）过共晶成分的合金过共晶合金的冷却曲线及组
11、织过共晶合金的冷却曲线及组织12021/9/23313.3.两种填写相图的方法两种填写相图的方法以相组分形式填写的相图以相组分形式填写的相图2021/9/2332 3.3.两种填写相图的方法两种填写相图的方法标明组织组分的铅标明组织组分的铅-锡合金相图锡合金相图2021/9/23332.2.4 2.2.4 包晶相图的特征包晶相图的特征Fe-C相图包晶部分相图包晶部分2021/9/23344.4.包晶相图的特征包晶相图的特征2021/9/2335 2.2.5 2.2.5 具有稳定化合物的相图具有稳定化合物的相图2021/9/23362.2.6 2.2.6 具有共析反应的相图具有共析反应的相图20
12、21/9/2337合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系2.2.7 二元合金相图与性能之间的关系二元合金相图与性能之间的关系1.合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系2021/9/23382.合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系合金铸造性能与相图的关系合金铸造性能与相图的关系2021/9/2339预习预习准备准备“2.3铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析”内容的课堂讨论内容的课堂讨论 参见参见“学习指导学习指导”P1617中的中的课堂讨论（铁碳合金相图）提纲课堂讨论（铁碳合金相图）提纲进行充分准备。进行充分准备。2021/9/23402.3 2.3 铁碳合金相
13、图分析铁碳合金相图分析2021/9/2341铁碳相图讨论总结铁碳相图讨论总结一、相、相组分、组织、组织组分的关系一、相、相组分、组织、组织组分的关系1相相=相组分相组分(相组成物）相组成物）2组织是由相组成的组织是由相组成的3组织组分一定是组织，组织组分一定是组织，但组织不一定等于组织组分，但组织不一定等于组织组分，组织组织=各组织组分总和各组织组分总和2021/9/2342对平衡组织的影响对平衡组织的影响对力学性能的影响对力学性能的影响Wc不同，不同，F和和Fe3C的相对量不同；的相对量不同；Fe3C的形态不同，导致性能不同的形态不同，导致性能不同Fe3C的形态对性能的影响的形态对性能的影响
14、：共析共析Fe3C呈片状呈片状强度、硬度强度、硬度塑性、韧性塑性、韧性Fe3C呈网状呈网状强度、塑性、韧性强度、塑性、韧性共晶共晶Fe3C为连续基体为连续基体硬度硬度强度、塑性、韧性强度、塑性、韧性二、含碳量对铁碳合金平衡组织与二、含碳量对铁碳合金平衡组织与性能的影响性能的影响2021/9/23432.4凝固与结晶理论的应用凝固与结晶理论的应用2.4.1铸态晶粒度的控制铸态晶粒度的控制晶粒度晶粒度:晶粒大小晶粒大小用晶粒的平均面积或平均直径用晶粒的平均面积或平均直径来表示来表示晶粒度对性能的影响晶粒度对性能的影响细晶强化细晶强化晶粒度的影响因素晶粒度的影响因素 形核率（形核率（N）N晶粒细化晶粒细化长大速度（长大速度（G）G晶粒细化晶粒细化 则晶粒细化则晶粒细化2021/9/2344控制晶粒度的方法：控制晶粒度的方法：2.化学变质处理化学变质处理3.增强液体流动法增强液体流动法1.控制过冷度控制过冷度低温浇注低温浇注金属型代替砂型金属型代替砂型水冷铸铁水冷铸铁局部加冷铁局部加冷铁2021/9/23452.4.2定向凝固技术定向凝固技术2021/9/2346单晶体的制备单晶体的制备1.尖端形核法尖端形核法2.垂直提拉法垂直提拉法2021/9/2347