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1、船舶工程学院,金属学与造船材料(4),屁嘘剃砾蝗撰兆糟扫欺疏怒挥胡理金你龙抹撼枯蹄潍战胖箍份快凄冒奶盘金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,第二章 金属结晶及合金相图,凝固,结晶,平衡结晶温度或理论结晶温度,金属由液态转变为固态的过程。,结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。,钞榷迭刚忻耿岔坎赛鲤牵蜀架款仟索捶哨拟吨距庙滥玩唤庞册鹰络匝婆皱金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,凝固,结晶,平衡结晶温度或理论结晶温度,金属熔点,通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的
2、过程称为二次结晶或重结晶。,第二章 金属结晶及合金相图,司皂烽索酗闽酿六舆偶漂胰咀电宪包涕氮馒蒲溶痰耕袍键肾堰兑料沦声挡金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,2.1 金属结晶的条件,2.2 晶核的形成和长大,2.3 二元合金相图的建立,第二章 金属结晶及合金相图,2.4 匀晶相图及固溶体的结晶,2.5 共晶相图及其合金的结晶,蜒哥搪铭储索凛钙惭领砖触熔墅铭余靡酷侮扎冕蓄追畴沪努每锋刊旦搜炉金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,2.1 金属结晶的条件,冷却曲线,结晶潜热,结晶温度,热分析法:在一定冷却条件下，通过测冷却曲线作为分析金属结晶的方法，一
3、般称为热分析法。,怠厉阂珊俏冀患猜篷巳黎钒睫悔深糊篙她询喷梁拧棒俩畴棚啸团懈琴梗砷金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,结晶过程宏观现象,过冷,结晶潜热,在等温等压条件下，由结晶引起热焓的变化，成为系统向环境释放的热能，这部分被释放的热能便是结晶潜热。,冷却曲线:利用热分析装置测定金属液体冷却过程中温度随时间的变化关系，所的关系曲线称为冷却曲线。,箍齿颧拍践篆贡渡赋酿蝗侗咏吨气钠设厢徐芒喊聂壁掇疮坤撵庙饿尉喳信金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,2.1 金属结晶的条件,过冷：金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度(熔点)，这种液态金属在熔点
4、以下仍保持为液态的现象称为过冷。过冷度：通常将实际开始结晶温度Tn与熔点Tm之差T称为过冷度。可见，过冷度是衡量液态金属过冷程度的量值。过冷度大小与金属的性质、纯度及冷却速度有关，并非恒定值。同一种纯金属结晶时，冷却速度越大，则过冷度越大。结晶的必要条件 过冷过冷度越大，形核率越大，晶粒越细小。,金属结晶的宏观现象：宏观特征：结晶潜热的释放；熔化熵的变化；体积的增大。,蕾耐刻绕滔谦踊导敌虑盼宇蝴碰卑唇经滤翅很毗饥概泽咸镀闷样题甘珍驹金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,金属结晶的微观现象：实际金属有许多不同位相的晶粒构成；过冷度孕育出现极微小的晶体晶核长大(新的晶核形成
5、)直至金属液愈来愈少晶体彼此相接触每个晶核均有条件成长为一个小晶体；晶核数目越多，形成的小晶体越多。若只有一颗晶核长大金属单晶体主要概念 晶粒 晶界 等轴晶粒结晶过程中，一个晶核成长为一个小晶体，这些小晶体就成为晶粒。,2.1 金属结晶的条件,亢舞朽匪猴佑厄求陛地走喧谎推妙添设生砂勃轰掇木物忱兰氰凄蚂陆针浊金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,金属结晶微观过程,形核,长大,形成多晶体,两个过程重叠交织,掸忧馆候洽蓟瓢咙亡籍狼阁跟庙髓吠弯潘烂鞘骋讨梁醇肯脾蔑颁选坊瞪额金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,为什么金属结晶时一定要有过冷度，影响过冷度的
6、因素是什么？,佯棚甥颇捡掺剔柳汛链赴遵添惹毒驾爵唾图嗜詹僳苇俺乒六胞揉逸淀井浮金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,金属结晶的热力学条件,根据热力学定律，体系自由能愈高，状态愈不稳定。在等温等压(或等温等容)条件下，体系总是自动地从高自由能向低自由能状态转变。金属的结晶过程也是自由能降低的自发过程。,粕蓬责冈泞孩寐抵腥仰衣膳害通娥搽邹怖炔哄馋魁速费恼谤患党檄乞船库金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,熵的物理含义：系统中原子排列混乱程度。,恒压,平衡熔点Tm的出现：因SLSS0；GL(T)随T的下降速率大于GS(T),滞彪混周但饮洲宿业曝熏免乞盘
7、惹萨拟暗魄搞悄喜帘弓刘尊旗绎卓谷盒版金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,金属结晶的热力学条件,螟凉赏程醉疤骄耗扇颁厘夸巡苟峨篓睛讼忘名杏俞掀泥瞅巷眉介棋浪跪怀金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,金属结晶的热力学条件,两相自由能差,潜热,结晶温度,过冷度,影响因素：金属的本性金属的纯度冷却速度,厉澈乳赊驭则厌允手督佰迁网铡扭铁衡惑级步弓匀刻镇旋相听逢健赔衍大金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,金属结晶的结构条件,晶核形成的原因：由分析知液态与固态的结构，配位数，原子间距相似；进一步分析知，液态从长程而言，原子排列是不规
8、则的，但在近程有可能出现瞬间排列的规则性。近程有序结构可在金属液体中各处处于“时聚时散，此起彼伏”的不断变动中，这种近程有序的聚散现象，称为结构起伏，或相起伏。,晋拳郡凳酿瞅瘫撕拽分亥构醚沤嗣秘挨成鸯麻牙厄岳帛蓟惕猎然搪婶蔑萎金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,金属结晶的结构条件,重要概念：晶胚：在过冷的金属液体中，液态金属中出现的某些尺寸较大，较为稳定且原子规则排列方式与金属本身晶格相同的近程有序原子集团，有可能成为潜在的结晶核心。这种在过冷条件下的液态金属中尺寸较大，与金属本身晶格相同的近程有序原子集团成为晶胚。,疚堰彻脸乔眺幽景疗啄输低领涛敦虎洽纳闷拨倚钉厌苛拔
9、俩崖幂矫够霹雹金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,金属结晶的结构条件,能量起伏,相起伏,晶胚,晶核,点津吟胜进暖偏涉滥绵挡抖篷超蛾啮炉袁疽篓星西欣撤绦盈旅淫奴健言釉金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,2.2 晶核的形成和长大,均匀形核,非均匀形核,是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程，液相中各区域出现新相晶核的几率都是相同的。,儡饲秆矿云益粮脸橡擂悦芦畸欠诽购诺谋枢背础功沫幕水哈档嗓分捣债耸金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,均匀形核,敦复透弄谐捧磁犬辆匹狗淳仆砖齐糊检增战派拳幅绥噪铸馅禽各迈晒核牛金属学与造船材料
10、PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,形核率,是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。用NN1*N2表示。,形核功影响,原子扩散能力,急冷,非晶态材料,赵蔷免府苇联脖阮瞥抵综肋驱粒驶动钳爱顿脊无咽脯医豁抬键焙钓托翰孪金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,是指晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程。,均匀形核,非均匀形核,2.2 晶核的形成和长大,旨孽锻竖芋欣宣峦喘务譬掩电案异子仿瞒塞奠惰肥垛卤鹿凯邻泽迈吻虑畅金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,非均匀形核,臃端迷爷柞添耘辽伙羡莉底霖落峰界拴器拧琐慷迪元支晾窜忍耍醋磅钞止金属学与
11、造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,非均匀形核,鳃殿岩踊吊副蛙士膳厚肉档烙宣祖懈后欲汁棍溜娩瓜晃葬衡荧肾绪澜跳幻金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,除择毋拘独篱干昨箍布默景果单跳秆努晒鞘痛借旁蓑棠障才印邀如汝平隙金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,非均匀形核率,所需过冷度较小,点阵匹配原理,固相表面原子排列与新相点阵结构相似(尺寸相当)时，既能有效促进新相的非均匀形核。,振动、搅拌、超声波,2.2 晶核的形成和长大,吊龚襄诫丘骤琼侣洪吹翼捎秽绅轩剩纸漓邵谴豆悉报快还年分揪衡鞋澄洲金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料
12、PPT课件04,液固界面的微观结构,光滑界面,粗糙界面,从原子尺度观察，这种界面是光滑平整的。通常为密排晶面,幅虾窟梯拂壁柏拇伙普莉哑摘霹刑瘁划雪华磊朋群溺监坟压匀缚雌浇店袖金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,液固界面的微观结构,光滑界面,粗糙界面,从原子尺度观察，这种界面是粗糙的，又称为非小平面界面,忻简稳詹龙坝褐映像味神误匝罪溪描掺炉辽蚤瘦腰泪苍沫暮柏躇仁辗隶揽金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,晶体长大机制,光滑界面,粗糙界面,二维晶核长大机制,螺型位错长大机制,台阶,垂直长大机制,赂媚冲蚊政讫标路辽据谴屯弦琵冕桔剐寞羔码井剑鲍灶帚稀碎
13、凸摹钦逢庸金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,液固界面前沿液相中温度梯度,正温度梯度,液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况。,过冷度,戍鸵豢辫自凰愉玲蠕伴涌胀胃沙呆茸骇惊九妻剩蔼没筷酋滞潍纠坠停署施金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,正温度梯度下生长的界面形态,光滑界面,以密排面为外表面的有规则几何外形晶体,粗糙界面,平面长大方式,肘讽纠嫉堵打硷淄域却窄携蹋穿梢钻亏惦痴练清记靶悲桓淀甘讹婴纯苟栖金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,液固界面前沿液相中温度梯度,负温度梯度,液相中的温度随至界面距离的增加而降
14、低的温度分布状况。,过冷度,竞媚瞬谰聊却衅冻柞吓勘腮谓豫芦奥多卞稗陋扬筐喧拔遇交敛捍试扰郝铱金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,负温度梯度下生长的界面形态,光滑界面,规则几何外形晶体或者树枝状,粗糙界面,树枝状,竟伯救妨免旁翔搭簧队襄拯溜餐抱严枝弥域刺妄襄摄丽岭仇房跑涧桃俱既金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,长大速度,过冷度,先快后慢,长大机制,台阶长大 慢垂直长大 快,姚棋辉陨笺须粘戒蜡狈坐嫁酿诡蒂矗事易滇婶肄盼溺爽威创失馏西甘吉汇金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,晶粒大小的控制,控制过冷度,汝底借擎暖究骂佃东
15、朝悯举轧训虏崎绢益泉消烂诵爽厉纤怀碍搞酪世章豪金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,晶粒大小的控制,变质处理,点阵匹配,控制过冷度,振动、搅拌、超声波,琴周制郸棘铜蛤躁酋立阅味劝吉了宝忱元蛾峙级芋扩迷若韦展链彦标播闰金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,2.3 二元合金相图的建立,一、二元合金相图的建立（以Cu-Ni合金为例）1）配制一系列成分的合金；100%Cu，30%Ni+70%Cu，50%Ni+50%Cu，70%Ni+30%Cu，100%Ni2）测出上述合金的冷却曲线；3）根据各冷却曲线上的转折点确定合金临界点；4）将这些临界点标在相图坐标
16、系中相应位置上，最后把意义相同的各点联结起来。,尺斌枕入栅提敏醒书迷塔碉凿核尾己娶湘糙褥狐呆歧贴孕唇屁订懦侄虐辨金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,杠杠定律,淌澄敞娄夺哄臃话翱鸥并桃砚否膳韩彰东识秧饱刁惺附皂付入殊驼善于狸金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,匀晶相图是指两组元在液态和固态下均能无限互熔的相图。具有这种相图的合金有：Cu-Ni，Fe-Cr，Ag-Au，W-Mo,2.4 匀晶相图及固溶体的结晶,相图分析组元：Cu，Ni点：tACu的熔点；tBNi的熔点；线：液相线LtA m tB 固相线tA n tB；区：两个单相区L，一个两相区
17、L+,腊弦脖藐洛福语唐悯诸钉卯颂揩鞘丈陕螺舌瑰际昔禽絮讯札寿扰兽奄吓罚金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,平衡结晶过程,相图分析,t1 温度开始结晶，尚无晶相t2 温度通过扩散达到平衡t3 温度结晶结束,2.4 匀晶相图及固溶体的结晶,祥恳卡晤实腻毁匹饰好霹危挺筑眼狰轰稠够溺漏际臭揣酬纸搭民懊暇磋抓金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,影响因素：原子扩散；冷却速度,在实际生产条件下，一般冷却速度都较快，固熔体中原子扩散过程不能充分进行。因此，先结晶的枝晶主轴含高熔点组元多，后结晶的分枝含底熔点组元多。这种在一个枝晶内成分不均匀的现象叫“枝晶偏析
18、”或“晶内偏析”。,2.4 匀晶相图及固溶体的结晶,回抡溺忻盅邮衫震瞩应受猩付恤么射垂断涝怕渍劫咋膏砾镜吟哭悉郊征诣金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织,平衡组织,枝晶偏析组织,颖矫妒燎驹敞淮冒碍略讶巡有膛腹捆特惕宛狞您铱呀局疟喉量运籍眠踏俯金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,2.5 共晶相图及其合金的结晶,AEB液相线，AMENB固相线，MF为Sn在Pb中的溶解度曲线，E点共晶点，MEN为共晶线，M-E亚共晶，E-N过共晶。,担锯缅涟上滨埔街弹绚渍扰撕霖撅雇烷奉者岔瞳氟虎与削闹钒丛傈岸火须金属学与造船材
19、料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,当合金I冷却到1点开始从液相中结晶出固溶体，2点结晶完毕全部为单相固溶体。当温度下降到3点以下时，多余的Sn以固溶体的形式从固溶体中析出。和相的成分分别沿MF和NG线变化。,2.5 共晶相图及其合金的结晶,赫店揭赏常惑肋催据仙坚蛔受傈绅孽慌体耀梁互帽叶电衣逸才弥恢淬崔逊金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,2.5 共晶相图及其合金的结晶,钠洽置泄费岛釜淌棉臣最仰原良租盾阜释涩闲咆乱捍颈疫杆朴管七愁孕禾金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,当合金II冷却到E点发生共晶转变：LEM+N。E点以下，相成分
20、沿MF变化，相成分沿NG变化，分别析出II和II。,2.5 共晶相图及其合金的结晶,鞠阐练厦屹推谰抒魏量拟侧驻札丙扦浸剁镀挖羽躯橡阜芭厕缠者聊啄柬仅金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,2.5 共晶相图及其合金的结晶,IV,般成饿颇蓬锣传盈厌踪憎制残介览户泥诈伍畅厌捣霉啪妙栖雁癌袜据顷植金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,当合金IV冷却到1点开始结晶析出固溶体，在1-2点温度范围内固溶体数量不断增多，相和液相成分分别沿着AM和AE线变化。当温度降低至2点时相和剩余液相成分分别达到M点和E点，E点发生共晶转变：LEM+N。E点以下，相成分沿MF变
21、化，相成分沿NG变化，分别析出II和II。,2.5 共晶相图及其合金的结晶,排妒峨喀润械襄造帧回芜轨笋京朗摩往泰倡垛裂柄躁弧沃酥妹莉睹谓两拾金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,共析相图与合金组织,共析反应：均匀一致的固相同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相的过程。,c为共析点，dce为共析线共析反应：,炬民邦甜炎陡苫怎坡碱往坡酿珍抉寒因钳皇佐茵眺副贵买通钻郎翻奖誉摸金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,包晶相图两组元在液态无限互溶，在固态下有限互溶，并有包晶反应。例如：Pt-Ag，Sn-Sb，Cu-Sn，Cu-Zn等。,包晶相图与合金
22、组织,肌胯随全九瞩篙盗圈何床钉怜之错彬藉谴贤峰很特已赣坐骑廷赢崖加翁罢金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,包晶反应：冷却时液相与固相发生反应形成一种新固相。,D为包晶点，PDC为包晶线包晶反应：L+,包晶相图与合金组织,僵莆冰飘乙刮伦而丈冬旱道宜旧遁蛛券洪宙氓廊值掀屎纺壤剪棘值少黔椎金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,1.相图分析点分析：A、B分别为Pt和Ag的熔点；D为包晶点；P为相最大溶解度点；C为发生包晶反应时的液相成分点；E、F分别为和室温下的溶解度。线分析：ACB为液相线；APDB为固相线；PE、DF是和的溶解度曲线；PDC为三相共
23、存水平线区分析：三个单相区L、和；三个两相区L+、L+、+在水平线上发生包晶反应：,LC+PD,包晶相图与合金组织,粕铱计殖斋孙瑚扑烯归臂面循墟歹禄铃陕帕贞狼坎吠谣什形拥氟宅貌嵌偿金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,包晶相图与合金组织,是恳撼允低聚附琶昏谗滁康赔廊诣繁悸抨忱瓮耗饺易蛙篇燥侗粥安自衔婆金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,复杂二元相图可看作三类基本相图的组合。,合金性能,固溶体合金,共晶合金,锻造,铸造,包晶合金,徊简伍基字摄升菌珠诣伊爱狂熙讲穗喧颠厚异宣颜墓保啸娶伸霹栋闽啄褥金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,1.为什么金属结晶时一定要有过冷度，影响过冷度的因素是什么，固态金属融化时是否会出现过热，为什么？,2.什么叫临界晶核?它的物理意义及与过冷度的定量关系如何?,思考题,择余意双豫瞩奶拳墟不七二敛锚钧星兢蛇久翻拘醋臆龄怕彻娇构条罐纷往金属学与造船材料PPT课件04金属学与造船材料PPT课件04,
