⑶ 固溶体的性能：
因溶质原子的溶入，溶剂晶格产生畸 变，使固溶体的强度、硬度升高，而塑 性、韧性有所下降。 固溶强化：通过形成固溶体使金属材料 的强度、硬度提高的强化方法。
间隙固溶体
第三章 材料的凝固与相图
2. 金属化合物
⑴ 定义：指合金组元相互作用而形成的晶格类型和特性完全 不同于任一组元的新相。 ⑵ 分类：根据形成条件和结构特点分成三类。 ① 正常价化合物：符合一般化合物的原子价规律，成分固 定且可用化学式表示，如： Mg2Si, ZnS,…… ② 电子化合物：符合电子浓度规律， 其晶体结构由电子浓 度（价电子总数与原子总数之比）决定。
㈠ 包晶相图
T,C 以铂-银合金相图为例 T,C
L
L+ a
a c
f
Pt Ag%
L
L+
L+ a
L+ a
e
d
a+

g
Ag
+ a Ⅱ
t
包晶转变： Ld + ac e
第三章 材料的凝固与相图
㈡共析相图
共析转变： (a + ) 共析体
T,C
L
L+
a
A
+a c
d a+
2.结晶时的过冷现象（图） 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。
△T = T0 – Tn
第三章 材料的凝固与相图
结晶时的过冷现象
温 度
To Tn 理论结晶温度
△T
△T = T0 – Tn
实际结晶温度
时间
过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。
第三章 材料的凝固与相图
冷却速度越大，则过冷度越大。
第三章 材料的凝固与相图
共晶相图形成
二元共晶相图可分为三部分： 水平线以上为匀晶转变部分；
水平线上为共晶转变部分；
水平线以下为脱溶转变部分。
第三章 材料的凝固与相图
线：
相图分析
adb； 固相线： acdeb； ●溶解度线（固溶线）： cf: Sn在α中的溶解度线 ， eg: Pb在β中的溶解度线 。
第三章 材料的凝固与相图
典型的共晶组织形态 （a）层片状；（b）棒状（条状或纤维状）；（c）球状
（d）针状；（e）螺旋状
第三章 材料的凝固与相图
⑵合金Ⅱ（亚共晶合金）
结晶过程：冷却至 1点时开始结晶出固溶体 α，在183℃时 剩余液相的成分到达 E 点 ，这些液相便发生共晶转变，变成 共晶体。共晶转变完成后温度继续下降，初晶α的溶解度发生 变化，其内析出二次相 βⅡ。 至室温，合金Ⅲ的平衡组织是α + βⅡ + （α + β）
称为溶质。 ● 固溶度：在一定条件下，溶质原子在溶剂中的最大
浓度，叫做溶解度，也称固溶度。
第三章 材料的凝固与相图
⑵ 固溶体的分类：
● 置换固溶体：溶质原子位于晶格结点上。 ● 间隙固溶体：溶质原子位于晶格间隙中。
有限固溶体：溶质原子在溶剂中有一定 的固溶度。 无限固溶体：溶质原子可以任意比例与 溶剂原子互溶。
第三章 材料的凝固与相图
二、结晶的条件
1. 能量条件 能量条件：Gl﹤Gs。 自由能G是表示物质能量状态的函数。
G
△G
L S
△T
Tn
T0
T
第三章 材料的凝固与相图
2. 结构条件：
液体金属的原子排列结构特点：短程有序，长程无序， 存在结构起伏。
液态中的短 程有序结构
固态中的长 程有序结构
结构条件：液体金属内部存在瞬时呈现的短程有序原 子集团。
+
e
B
第三章 材料的凝固与相图
（三）形成稳定化合物的相图
稳定化合物在相图中表现为一垂线，可将其视为独立组 元，并以其为界将相图分开进行分析。 如Mg - Si相图，以Mg2Si 为界分为两个简单的共晶相图进 行分析。
第三章 材料的凝固与相图
六、相图与性能的关系
1. 合金的力学性能与相图的关系
（21/14）
（21/12）
Si
第三章 材料的凝固与相图
③ 间隙化合物：由过渡族金属元素（原子半径较大）与非 金属元素（原子半径较小，如C、N、B等）组成的金属化合 物。 间隙化合物又分为间隙相和复杂结构的间隙化合物。 间隙相（简单结构的化合物）：R非金属/R金属﹤0.59； 复杂结构的间隙化合物： R非金属/R金属﹥0.59。
⑴ 单相固溶体的合金： 性能随成分呈曲线变化，随 溶质含量增加，σ、HB增加， 塑性下降。 ⑵ 具有共晶组织的合金: 性能与合金成分呈直线关系， 是两相性能的算术平均值。
第三章 材料的凝固与相图
2. 合金的工艺性能与相图的关系
⑴ 铸造性能 单相固溶体的铸造性能差： 熔点高，结晶温度范围大， 流动性差，易形成分散缩孔， 而不易形成集中缩孔。 共晶和接近共晶成分的合金 铸造性好：熔点低，结晶温度 低，结晶温度间隔小。 ⑵ 锻造和焊接性能 单相固溶体具有良好的锻 造性和焊接性，变形抗力小 ，变形均匀，不易开裂。
两相相对质量分数：
第三章 材料的凝固与相图
杠杆定律的应用
(1)确定两平衡相的成分； (2) 确定两平衡相的相对重量。
0.58 - 0.53 ×100% = 38.5% QL = 0.58 - 0.45 0.53 - 0.45 × Qa = 100% = 61.5% 0.58 - 0.45
杠杆定律只适用于两相区。
第三章 材料的凝固与相图
⑶ 合金Ⅲ（过共晶合金）
结晶过程：
L→L+β→（α + β）+β→（α + β）+β + αⅡ。 室温平衡组织是： αⅡ + β + （α + β）。
第三章 材料的凝固与相图
⑷合金Ⅳ
1点时，从液相中开始结晶出α相；
2点时全部转变成α相；
3点时，α相达到饱和，继续冷却， 则从α相中析出βⅡ相。
第三章 材料的凝固与相图
第三章 材料的凝固与相图
§3.2 纯金属的结晶
§3.3 合金的结晶
第三章 材料的凝固与相图
§3.2 纯金属的结晶
一．结晶时的过冷现象 二．结晶的条件 三．结晶的过程 四．结晶后的晶粒大小
第三章 材料的凝固与相图
一、结晶时的过冷现象
1. 凝固与结晶的概念
凝固：指物质由液态转变成固态的过程。 结晶：指物质由液态凝固为固态晶体的过程。 金属的结晶：指液态金属凝固成固态金属晶体的过程。
自发形核和非自发形核同时存在，非自发形核起主导作用。
第三章 材料的凝固与相图
（2）晶核长大
晶核长大：晶核形成以后，液相中的原子或原子团通过 扩散不断地依附于晶核表面上，使固液界面向液相中移 动，从而晶核就逐渐长大。
长大方式：树枝状长大。
第三章 材料的凝固与相图
晶核按树枝状方式长大
金属的树枝晶
金属的树枝晶
第三章 材料的凝固与相图
2.合金的平衡结晶过程
0-1点间为液相，冷却至1点，开始结晶出α相；1和2点间， 随温度缓慢下降，α相逐渐增多，液相逐渐减少；温度降至2 点的时候，液相消失，结晶完成，得到的组织为均匀单相α 固溶体。
第三章 材料的凝固与相图
3、杠杆定律
杠杆定律：合金在某温度下两平衡相的重量比等于该 两相质量比： 温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
ωNi/％025源自50○75
100
○
○ ○ ○ ○
○
○
第三章 材料的凝固与相图
三、匀晶相图 ㈠ 匀晶相图——指合金的两组元在液态和固态均可以
无限互溶，且只发生匀晶转变的相图称为匀晶相图。
匀晶转变： 指从液相中只结晶出单一固溶体的转变。
㈡ 相图分析
1.点、线、区的意义
点：A、B点分别是Cu和Ni的熔点； 线：AaB是液相线，AbB是固相线； 相区： 液相区：单相液态合金L； 固相区：单相固溶体α； 两相区： L+ α。
标注了组织组成物的共晶相图
第三章 材料的凝固与相图
课堂练习：
依据Pb-Sn相图，说明合金Ⅲ（含32%Sn ）在下列温度时组
织中有哪些相，并求出相的相对量。 ① 高于300℃； ② 刚冷至183℃，共晶转变尚未开始；
③ 在183℃，共晶转变完毕； ④ 冷至室温。
第三章 材料的凝固与相图
五、其他合金相图
●平衡条件：指极缓慢冷却或加热，即在每一温度都 停留足够长时间，使合金中的原子充分扩散，组织 中各相的化学成分和相对量最终达到动态平衡。
第三章 材料的凝固与相图
3.相图的建立
⑴ 配制几种不同成分的Cu – Ni合金； ⑵ 在极缓慢的冷却方式下，测出各合金的冷却曲线。冷却曲线 分组号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ ；Ⅳ Ⅴ 上的转折点表示结晶开始和结束的温度 成分 ⑶在温度－成分坐标系中，分别作出各组合金的成分垂线并标注 各临界温度点； 75 50 25 0 ωCu/％ 100 ⑷ 将相同意义的点连成线，并标明各区域内所存在的相。
细化晶粒的方法和措施：

1. 提高冷却速度(增加过冷度） ； 2. 进行变质处理：在液体金属中加入变质剂(孕育剂)， 以细化晶粒和改善组织的工艺措施。 3. 机械振动、超声波振动或电磁搅拌。

振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。 细晶强化 — 晶粒细化使金属机械性能提高的现象。
因此工程上细化晶粒是提高金属力学性能的重要 途径之一 。
合金Ⅳ的 平衡结晶 示意图
则合金Ⅳ的室温平衡组织是α + βⅡ。
第三章 材料的凝固与相图
3.共晶相图小结
●在共晶线上都有共晶转变发生。 ●要区分共晶组织、先共晶相（初晶）、二次相的概念。 ●相组成物：组织中的组成相。