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第三章 材料的凝固与相图 讲授重点： 本章难点： 过冷度的概念；相、相图。 §3-1金属的结晶 一、结晶的概念 物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。 1．结晶与凝固的区别 —— 前者的产物是晶体， 后者可以是非晶体。 2．结晶条件 —— 结晶温度 T ＜ 理论结晶温度 To（克服界面能） 。 过冷度：ΔT = To–Tn （Tn：实际结晶温度） 金属在无限缓慢冷却条件下(即平衡条件下)所测得的结晶温度Ｔ0称为理论结晶温度。但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时冷却速度都是相当快的，金属总是要在理论结晶温度Ｔ0以下的某一温度Ｔn才开始进行结晶，温度Ｔn称为实际结晶温度。实际结晶Ｔn温度低于理论结晶温度Ｔ0的现象称为过冷现象。而Ｔ0与Ｔn之差ΔＴ称为过冷度，即ΔＴ＝Ｔ0－Ｔn。 过冷度并不是一个恒定值，液体金属的冷却速度越大，实际结晶的温度Ｔ1就越低，即过冷度ΔＴ就越大。实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。 3、过冷度与冷却曲线 —— 冷速越快，过冷度越大。 4.过冷度对形核、长大的影响（见下图） 二、金属结晶的过程 纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的。实验证明，金属结晶时，首先从液体金属中自发地形成一批结晶核心，形成自发晶核，与此同时，某些外来的难熔质点了可充当晶核，形成非自发晶核；随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，并继续产生新的晶核，直到液体金属全部消失，晶体彼此接触为止。所以结晶过程，就是不断地形核和晶核不断长大的过程（如下图所示）。结晶时由每一晶核长成的晶体就是一个晶粒。晶核在长大过程中，起初是不受约束的，能够自由生长，当互相接触后，便不能再自由生长，最后即形成由许多向位不同的晶粒组成的多晶体。 1. 形核 —— 自发形核、非自发形核。　 2．长大 —— 树枝状长大。 三、影响形核与长大的因素 　1．晶粒度的概念 —— 单位截面积上的晶粒数目或晶粒的平均直径。 　 形核速度大，长大速率慢，则晶粒总数目多，晶粒细小。 　2．晶粒尺寸对机械性能的影响 —— 晶粒越细，则强度、硬度、塑性和韧性等越高。 晶粒大小对金属力学性能的影响： 金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。为了测量方便，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为，晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越细，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。 晶粒度级别越高，晶粒越细。工业中常用的细晶粒是7-8级，晶粒尺寸为0.022mm 3．晶粒尺寸的控制 ⑴ 提高冷却速度 —— 则： 过冷度↑→N/G 增大，晶粒细化。 ⑵ 变质处理—— 变质处理是在浇注前向液态金属中加入被称为变质剂的某种物质，发增加形核率Ｎ或降低长大线速度Ｇ，从而细化晶粒的方法。和改善组织。 ⑶ 附加振动 ——金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，发既可使正在生长的晶体破碎而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率Ｎ，从而细化晶粒。 四、金属的同素异构转变 纯铁的同素异构转变： §3-2 合金的相结构 一、合金的基本概念 一般来说，纯金属大都具有优良的塑性、导电、导热等性能，但它们取制困难，价格较贵，种类有限，特别是力学性能（强度、硬度较低，耐磨性都比较低），难以满足多种高性能的要求，因此，工程上大量使用的金属材料都是根据性能需要而配制的各种不同成分的合金，如碳钢、合金钢、铸铁、铝合金及铜合金等。 1、合金 —— 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。如黄铜是铜和锌的组成合金；碳钢是铁和碳组成的合金；硬铝是铝、铜是镁组成的合金等。合金不仅具有纯金属的基本特性，同时还具备了比纯金属更好的力学性能和特殊的物理、化学性能。另外，由于组成合金的各元素比例可以在很大范围内调节，从而使合金的性能随之发生一系列变化，满足了工业生产中各类机械零件的不同性能要求。 2、组元 —— 组成合金的基本的物质称为组元。组元大多数是元素，如铁碳合金中的铁元素和碳元素是组元；铜锌合金中的铜元素和锌元素也是组元。有时稳定的化合物也可作为组元，如Fe3C等。 3. 相 —— 相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的、与其它部分有明显分界的均匀组成部分。 其中包括固溶体、金属