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清华大学《工程材料》32学时讲稿4/16第2章 材料结晶1． 1）过冷现象 3-1是纯金属结晶时的冷却曲线示意图。Tm时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到Tm之下某一温度T0，液态金属才开始结晶。T0叫做实际结晶温度，而熔点Tm是金属的平衡结晶温度，称为理论结晶温度。2）结晶潜热 2． 1）晶核的形成 a）自发形核b）非自发形核2）晶核的长大3-2所示。液态金属冷却到凝固温度时，首先形成晶核，在继续冷却的过程中，晶核吸收周围的原子而长大，与此同时，又有新的晶核不断地形核和长大，直至相邻晶体彼此接触，液态金属完全消失，最后得到由许多形状、大小和晶格位向都不相同的小晶粒组成的多晶体。 晶粒大小的控制1． 2． 3-3是退火态70－30黄铜的硬度与晶粒尺寸的关系。从图中可以看出，晶粒大小对硬度影响很大，晶粒越细，硬度越高。3． 1） N）；把晶核在单位时间内生长的长度叫做长大速度（G）。其比值N/G越大，晶粒越细小。2） a）控制过冷度b）变质处理c）振动、搅拌等方法 纯铁在固态下会发生同素异构转变。图3-4是纯铁的冷却曲线。液态铁结晶后是体心立方晶格，称为δ-Fe。在1394℃以下转变为面心立方晶格，称为γ-Fe，这个转变也是成核长大过程，γ-Fe的晶核容易在δ-Fe的晶界上形成。γ-Fe冷却到912℃又要转变为体心立方晶格，称为α-Fe。 五、金属铸锭的组织与缺陷 1． 3-5所示，金属铸锭的组织一般可以分为三个区。 2． 铸锭的缺陷 相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解，又称为状态图。利用相图可以知道不同成分的材料在不同温度下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时所可能发生的变化。所以，相图在生产中，可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重要依据；也可以作为陶瓷材料选配原料、制定生产工艺、分析性能的重要依据。 测定二元相图最常用的方法是热分析法。现在以Cu—Ni合金系为例，说明用热分析法建立相图的具体步骤。 4-1是用热分析法建立Cu-Ni合金相图的示意图。 100%Ni、20%Cu+80%Ni、40%Cu+60%Ni、60%Cu+40%Ni、80%Cu+20%Ni、100%Cu各金属和合金的热分析冷却曲线（见图4-1（a）），然后将冷却曲线中的结晶开始温度（上临界点）和结晶终了温度（下临界点），在温度—成分坐标图中，对应各合金成分线取点，分别连接各上临界点和下临界点，得到两条曲线，与坐标共同组成Cu-Ni合金相图。 Cu-Ni合金相图复杂，但不论多复杂，都可以看成是由几类最基本的相图组合而成的。下面就分别讨论几种基本的二元相图。 二元匀晶相图 Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Ni、W-Mo、Cr-Mo等，有些硅酸盐材料如镁橄榄石（Mg2SiO4）-铁橄榄石（Fe2SiO4）等也具有此类特征。下面以Cu-Ni合金为例来进行分析。 1．相图分析 4-2（a）是Cu-Ni合金相图。图中只有两条曲线，其中Al1B称为液相线，是各种成分的合金在冷却时开始结晶或加热时熔化终止的温度；Aα4B称为固相线，是各种成分的合金在加热时开始熔化或冷却时结晶终止的温度。显然，在液相线以上为液相单相区，以L表示；在固相线以下为固相单相区，各种成分的合金均呈α固溶体，以α表示；在液相线与固相线之间是液相与α固溶体两相共存区，以α+L表示。A点是Cu的熔点，B点是Ni的熔点。 2．合金的结晶过程 I为例来说明合金的结晶过程。 4-2所示，当合金缓慢冷却至l1点以前时，均为单一的液相，成分不发生变化，只是温度的降低。冷却到l1点时，开始从液相中析出α固溶体，冷却到α4点时，合金全部转变为α固溶体，在l1点与α4点之间，液相和固相两相共存。若继续从α4点冷却到室温，合金只是温度的降低，组织和成分不再变化，为单一的α固溶体。 t1～t4之间时，液相的成分是温度水平线与液相线的交点，固相的成分是温度水平线与固相线的交点。由此可见，在两相共存区，液相的成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。这对于其他性质相同的两相区也是一样，即相互处于平衡状态的两个相的成分，分别沿两相区的两条边界相线变化。 3．杠杆定律 4．非平衡结晶与枝晶偏析 二、二元共晶相图 两组元在液态无限互溶，固态有限互溶、或完全不互溶，且冷却过程中发生共晶反应的相图，称为共晶相图。属于这类相图的有：Pb-Sn、Cu-Ag、Al-Ag、Al-Si、Pb-Bi等，一些陶瓷材料也具有共晶相图，如Al2O3-ZrO2。 Pb-Sn合金为例，对共晶相图及其合金的结晶过程进行分析。 1．相图分析 L三种相。其中，α是以Pb为溶剂，以Sn为溶质的有限固溶体；β是以Sn为溶剂，以Pb为溶质的有限固溶体。 L三个单相区，还有L+α、L+β、α+β三个双相区。AEB是