第2章材料的制备与相图
Materials Manufacture
and Phase Diagrams
2.1材料的制备过程
2.2二元相图的基本类型
2.3典型二元相图的应用-Fe・C相图分析
2.4凝固与结晶理论的应用
2.1材料的制备过程冶炼一
2-1-1材料凝固与结晶的条件
(1)熔融液体的粘度(内因) --------------- 是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征，其大小表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)冷却速度(外因) ---- 冷速越大，则在勰聽黠磁品雳得越低'
* 冷速大，金属扩散能力降低，不易结晶，得到非晶合金。
2.1.2金属材料的制
备1 •金属的冶炼
2 •纯金属的结晶规律
*（1）液态金属的结构特点（结晶的充分条件）液态金属中存在
短程有序
结构起伏
（相起伏）
过冷度的影响因素冷速f A7? 不同冷速下的冷却曲线示意图
自由能与温度的关系曲线
金属结晶的
能量条件
(3)纯金属结晶的普遍规律不断形成晶
核与晶核不断长大的连续过程
形核的方式:
①自发形核以液态金属中的结构起伏为基础
晶核长大方式鬱*①平面方式长大"飞②以树枝晶方式长大为主
厂 1 ------ —P
金属铢锭的组织示意图
2.2二元相图的基本类型
有关相图的基本概念:
*合金状态一定条件下合金有哪几个相组成*相变*临
界点相变的温度*相图反映在平衡条件下，合金的状
态同温度、
成分之间关系的图形。
涿2.2.1相图的建立
厂* * 热分析法建立CmNi二元合金相图的过程
妾3.2几种不同成分的Cu・Ni合佥
用热分析出建立Cu・Ni相
图
B
2
O
S
60 80 100
Ni
(a)冷却曲线(b)测定的相图
222匀晶相图
*特点：两组元在液态、固态下均可以任意比例互溶（无限固溶体）
Cu-Ni> Cu-Au> Au-Ag> Fe・Ci•等*1•相图分析
* •特性点•特性线•相区•基本相
2.固溶体合金的平衡结晶过程分析
吉Cu・Ni“的显微恥示盘图
倒2-11 C u - N i含全显微姐织V- m ill叱战态>
固溶体合金的平衡结晶规律
(与纯金属相比)
* (1)变温结晶* (2)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
成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化；此间
的任一温度瞬时，都
III
可应用杠杆定律计算液固两相的相对百分含
量。
3.杠杆定律
及其应用
内容表述:在合金相图的两相
区内，若温度一定，则该温度
下两平衡相的成分及两平
衡相的相对量是一定的，且两相相对量之比等于各自
相距较远的线段之比。
适用条件:
仅适用于两相区，用来
求两个平衡相的化学成分和相对百分含量。
概念：不平衡条件下，先结晶出的固4•不平衡结晶枝晶偏析
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
现象称为枝晶偏析。
*消除办法:扩散退火（均匀化退火）
2.2.3共晶相图
形成条件:固态为有限固溶体, 发生共晶反
应。
* 1.相图分析
* （1）共晶相图的形成
（讥=Q功曲池⑹（二"匀删变⑹为I川b）“血川制阍
（2）相区与基本
（3）特性线与特性
相
点MEN水平线——共晶线（三相
区）
L E^^a M^N
2 •典型合金的平衡结晶过程
* (1)有限固溶体合金I * (2)共晶成分的合金II *(3)亚共晶成分合金IU *(4)过共晶成分合金IV
(1)有限固嫁体合全I
(1)有限固嫁体合全I
杠杆定律的应用
在kth温度下，计
算
a和卩II的百分
含量
(2丿共晶成分的合佥n
共晶合金的冷却曲线及室温下的组织
C3J亚共晶成分合金TH
* 亚共晶合金的冷却曲线及组织
C3J亚共晶成分合全IU
!，1八亦（迪讨袪詬m：ii） C）打帯川］（艺过匕計的汀瞪）初晶的截取位置及相应的组织形貌
(4)过共晶成分的合佥
时间7
* 过共晶合金的冷却曲线及组织
以相组分形式填写的相图
3.两种填写相图的方法
汕II；：＞：：- 10
w co 71J 30
90 乩I
* 标明组织组分的铅•锡合金相图
2. 2.4包晶相图的特征
Fe・C相图包晶部
4.包晶相图的特征
2. 2.5具有稳定化合物的相图
心10 丁；刃I1) 口
2. 2.6具有共析反应的相图
M.2.7二元合金相图与性能之间的关系才r ・1 •合金的使用性能与相图的关系
I I II i _ J 1i I
-兰上二二m 査亠<上二
一7 h •Y
兰: ~ ；-- I I
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Z p A ] £' 二* I.
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合金的性能与相图的关系
合金铸造性能与相图的关系
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2•合金的工艺性能与相图的关系
务预习
A L - =
*准备“2・3铁碳合金相图分析”
八*内容的课堂讨论
X 一*
*
*
参见“学习指导” P16~17中的课堂讨论（铁碳合金相图）提纲进行充分准备。
2.3铁琰合全相图分析
3 S.U > 5 6.0 re/-
:5
W ：三次；》口忖；<
1>
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C ；
5
铁碳相图讨论总结
\相、相组分、组织、组织组分的关系
1相二相组分（相组成物）
2组织是由相组成的
3组织组分一定是组织，但组织不一定等于组织组分, 组织二各组织组分总和
、含碳量对铁碳合金平衡组织与能的影响
(1)对平衡组织的影响
(2)对力学性能的影响
Wc不同，F和FesC的相对量不同;
FesC的形态不同，导致性能不同
离温组织
变化規律
\亚共析盍过共折 \高温
固£呈奥氏体
■ \
r rx
\离温固杰呈奥氏体
\ :
工业纯铁I
F
白呼泱
亚共晶过共晶
固态具有莱氏体组分—
—A L+FesG
I* -
A+Fc?C|] Ld Fe£[+Ld FesC的形态对性能的影响:
A +
Fe^Cu
FejCi +S
P屮jC旷Ld
变化规律
相组成
相对*
A+F _
F+P \ ~
违*心H
F
组织组分
相组成
共析FesC呈片状——T强度、硬度J塑性、韧性
Fe3C n呈网状——| J强度、塑性、韧性
共晶FesC为连续基体——f硬度J强度、塑性、韧性
2.4凝固与结晶理论的应用
2.4.1铸态晶粒度的控制
晶粒度:晶粒大小用晶粒的平均面积或平均直径来表示晶粒度对性能的影响——细晶强化晶粒度的影响因素
形核率（N） N ?晶粒细化长大
速度（G） GJ晶粒细化
N/G］则晶粒细化
控制晶粒度的方法:
1•控制过冷度
AT T N/G T 低温浇注金属型代替砂型水冷铸铁局部加冷铁2•化学变质处理
3•增强液体流动法
2・4・2定向凝固技术
3
图6-27铸锭的三个晶区示意图
1一细晶区2―柱状晶区3—中心等轴晶IX
/
铸
模
下移I水冷底盘/
加
热
器
液体金
属。