第二章 纯金属与合金的基本知识
工程材料 第2章 纯金属和合金的结晶-part1
水晶
结晶crystallization： 液体 凝固solidfication： 液体
晶体 固体
结晶
一、结晶的宏观现象
结晶过程的分析方法——热分析法（thermal analysis）
（一）
过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关系曲线
温 度 To T1
理论冷却曲线
G=H-TS 式中，H是焓，T是绝对温度，S是熵，可推得 dG＝Vdp－SdT 在等压时，dp=0，故上式简化 为：（dG/dT）P=-S
由于熵恒为正值，所以自由能 是随温度增高而减小。 熵的物理意义是表征系统中原 子排列混乱程度的参数。
交点温度（Tm）：两相自由能相等。
GL=GS 固态金属自由能与液态金 属的自由能之差ΔG构成了 金属结晶的驱动力。 由于金属在结晶前后液固 体积发生变化。因此，可 以通过液固单位体积自由 能的变化ΔGV来描述相变 过程。
二、晶核的长大机制
——指液态原子以什么方式添加到固相上去 （1）二维晶核长大机制 （2）螺型位错长大机制 （3）垂直长大机制 横向长大机制
（一）二维晶核长大机制 ——具有光滑界面的物质的长大机制 晶体的长大只能依靠液相中的结构起伏和能量起伏，使 一定大小的原子集团几乎同时降落到光滑界面上，形成 具有一个原子厚度并且有一定宽度的平面原子集团，使 △GS↑＜△GV↓ ，液态原子不断降落在原始原子集团周 围，自发形成了一个大于临界晶界面的稳定状态。这晶 核即为二维晶核。 晶体以这种方式长大时，其长大速度十分缓慢（单位时 间内晶体长大的线速度称为长大速度，用G表示，单位 为cm/s）。
S1 2r 2 (1 cos )
L L cos
纯金属与合金的凝固 (2)
相组成物： α+β
59
d．过共晶合金
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➢平衡凝固过程总结： ➢（1） 各相的成分可由相图确定 ➢（2） 成分不同，凝固过程不同，组织
不同 ➢（3） 室温组织中均含有α，β两相，其
以不同的数量、形态、分布等形式体现 出不同的组织。具有不同的性能。
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3.共晶形态
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金属-金属共晶的常见形态
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共晶形成的搭桥机制
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层片共晶凝固时的原子扩散
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➢凝固速度与共晶组织细小程度的关系
可用层片间距λ与凝固速度R之间关系描述：
λ=K R-n
➢减小层片间距可以提高共晶组织的强度
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4．共晶合金的非平衡凝固
a．伪共晶（ I合金）
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几种可能的伪共晶区
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b.不平衡共晶体 （ II合金）
T4
T4
T4
T4
44
➢ 产生成分过冷的条件
G mc0 g1 - k0 R D k0 G : 液相温度梯度
R：凝固速度
m：液相线斜率
k0：平衡分配系数
c0：合金成分
D：溶质原子在液相中的扩散系数
45
成分过冷会改变晶体生长的形态
46
47
48
4.2.2 共晶相图及其合金凝固
1.共晶相图分析
基本概念：共晶转变，共晶体，共晶合金系
可通过扩散退火消除包晶偏析。
81
➢Al-Mn
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➢Al-Cu
83
4.3二元相图的分析和使用
4.3.1 其他类型的二元相图 1.其他类型的恒温转变相图
84
（1） 具有熔晶转变的相图
高中化学《金属材料》知识点总结
高中化学《金属材料》知识点总结一、金属材料：金属材料可分为纯金属和合金。
新型金属材料是具有特殊性能的金属结构材料。
1、合金(1)概念：合金是指两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质(2)性能：合金具有不同于各成分金属的物理、化学性能或机械性能。
①熔点：合金的熔点比各成分金属低②硬度和强度：合金的硬度比各成分金属大(3)易错点：①构成合金的成分不一定是两种或两种以上的金属，也可以是金属与非金属，合金中一定含金属元素②合金的性质不是各成分金属的性质之和。
合金具有许多良好的物理、化学和机械性能，在许多方面不同于各成分金属，不是简单加合；但在化学性质上，一般认为合金体现的是各成分金属的化学性质③并非所有的金属都能形成合金，两种金属形成合金，其前提是两种金属在同一温度范围内都能熔化，若一种金属的熔点大于另一种金属的沸点，则二者不能形成合金④合金一定是混合物⑤常温下，多数合金是固体，但钠钾合金是液体2、常见的金属材料(1)金属材料分类①黑色金属材料：铁、铬、锰以及它们的合金②有色金属材料：除黑色金属以外的其他金属及其合金(2) 黑色金属材料——钢铁①生铁：含碳量在2%～4.3%的铁的合金。
生铁里除含碳外，还含有硅、锰以及少量的硫、磷等，它可铸不可煅。
根据碳的存在形式可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等几种②钢：含碳量在0.03%～2%的铁的合金。
钢坚硬有韧性、弹性，可以锻打、压延，也可以铸造。
钢的分类方法很多，如果按化学成分分类，钢可以分为碳素钢和合金钢两大类。
碳素钢就是普通的钢，碳素钢又可以分为低碳钢、中碳钢和高碳钢，低碳钢韧性、焊接性好，强度低；中碳钢强度高，韧性及加工性好；高碳钢硬而脆，热处理后弹性好。
合金钢也叫特种钢，是在碳素钢是适当地加入一种或几种，如锰、铬、镍、钨、铜等合金元素而制成的。
合金元素使合金钢具有各种不同的特殊性能，用于制不锈钢及各种特种钢③钢是用量最大，用途最广的合金(3) 有色金属材料——铜和铝①铝及铝合金：Al 是地壳中含量最多的金属元素，纯铝的硬度和强度较小，有良好的延展性和导电性，通常用作制导线。
纯金属与合金的晶体结构
图2—4 立方晶格中的几个晶向
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图2—5 体心立方晶胞返回来自图2—6 面心立方晶胞
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图2—7密排六方晶胞
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2.1.1晶体结构
1.晶体与非晶体
在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。如 普通玻璃、松香、树脂等。凡原子呈有序、有规则排列的物 体称为晶体，如金刚石、石墨等。金属在固态下一般均属于 晶体。
晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能差异 很大。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；非晶体没 有固定熔点，表现为各向同性。
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2.1.1晶体结构
2.晶格与晶胞
晶体内部原子在空间是按一定的几何规律排列的。为了便 于理解与研究，我们把原子看成是一个小球，金属晶体就 是由这些小球有规律地堆积而成的，如图2—1所示。 为了清楚地表示晶体中原子排列的规律，可以将原子简化 成一个点，用假想的线将这些点连接起来，构成有明显规 律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间 格架叫做晶格，如图2—2a所示。晶格是由许多形状、大小 相同的最小几何单元重复堆积而成的。这种能够完整地反 映晶格特征的最小几何单元称为晶胞，如图2—2b所示。
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2.2合金的晶体结构
2.2.2合金的结构
根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的组织可分为固 溶体、金属化合物和混合物三类。
1.固溶体 （1）间隙固溶体 （2）置换固溶体
2.金属化合物 3.混合物
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2.1.1晶体结构
3.晶面和晶向
在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。图2—3所 示为一些简单立方晶格的晶面。通过两个或两个以上原子中 心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向，如 图2—4所示。由于在晶体的各个晶面和晶向上原子排列的疏 密程度不同，原子密度及原子间结合力大小也就不同，从而 在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有 各向异性的原因。
热处理课后练习题
第二章纯金属与合金的基本知识一、填空题：1.根据原子在空间排列的特征不同，固态物质可分为：和。
2.金属中常见的晶格类型有：、和。
3.金属中常见的晶体缺陷有：、和。
4.按合金组元间相互作用不同，合金在固态下的相结构分为和两类。
5.根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，固溶体可分为和。
6.金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为。
7.在纯金属的结晶过程中，理论结晶温度与实际结晶温度之差，称为。
8.金属的结晶过程包括和两个基本过程。
9.为了细化铸件的晶粒，改善其性能，在铸造过程中常采用的方法有：______________________、______________________、______________________。
10.Cu-Ni合金构成的相图是:_____________________。
二、判断题：1.晶体的原子排列有序，并具有各向同性的特点。
2.晶体缺陷越多，实际金属的力学性能一定也越差。
3.间隙固溶体和置换固溶体均可形成无限固溶体。
4.一般情况下，金属的晶粒越细小，其力学性能越好。
5.所谓共晶转变，是指一定成分的液态合金，在一定的温度下同时结晶出两种不同固相的转变。
6.合金是指由两种或两种以上的金属元素组成的，具有金属特性的新物质。
三、选择题：1.位错是一种（）。
A. 点缺陷B. 线缺陷C. 面缺陷D. 不确定2.固溶体的晶体结构（）A. 与溶剂的相同B. 与溶质的相同C. 与溶剂、溶质的都不相同D. 是两组元各自结构的混合3.合金发生固溶强化的主要原因（）。
A. 晶格类型发生变化B. 晶粒细化C. 晶格发生畸变D. 晶界面积发生变化4.实际生产中，金属冷却时，实际结晶温度总是（）理论结晶温度。
A. 低于B. 等于C. 高于D. 不能确定5.α-Fe是具有（）晶格的铁。
A. 体心立方B. 面心立方C. 密排六方D. 无规则几何形状第三章铁碳合金相图一、填空题：1.金属在态下，随温度的改变，由转变为的现象称为同素异晶转变。
高考化学合金知识点
高考化学合金知识点合金是由两种或两种以上的金属元素组成的固溶体。
在合金中，不同的金属元素以晶格混合的形式存在，并在晶格中形成固溶体结构。
合金具有许多优良的物理和化学性质，广泛应用于各个领域，例如航空、汽车、电子等。
一、合金的分类根据合金成分和性质的不同，合金可以分为以下几类：1. 纯金属合金：由多个金属元素组成，如黄铜（铜和锌的合金）、青铜（铜和锡的合金）等。
2. 互溶合金：由两种或两种以上的金属元素组成，相互溶解形成固溶体。
3. 互不溶合金：由两种或两种以上的金属元素组成，但不能形成均匀的固溶体结构。
4. 间隔合金：在晶格中，夹杂着其他非金属元素的合金，如不锈钢（铁、铬、镍等元素的合金）等。
二、合金的性质与应用不同的合金具有不同的性质和应用。
以下列举几种常见的合金及其应用：1. 钢：是由铁和一定量的碳组成的合金。
钢具有高强度、优良的可塑性和可焊性，广泛应用于建筑、机械、汽车等领域。
2. 铝合金：由铝和其他金属元素（如铜、锰等）组成。
铝合金具有低密度、高强度、良好的导电性和导热性，常用于航空航天、汽车制造等高科技领域。
3. 铜合金：是由铜和其他金属元素（如锌、锡等）组成的合金。
铜合金具有良好的导电性和导热性，广泛应用于电子、化工、船舶等领域。
4. 镍钛记忆合金：具有形状记忆效应的合金，可以根据温度和应力发生形状变化。
常用于医疗器械、航空航天等领域。
5. 铁铌合金：由铁和铌元素组成，具有高温强度和耐热性，常用于航空发动机、航天器等高温环境中。
三、合金的制备方法合金的制备方法主要有以下几种：1. 熔融法：将合金中的金属材料加热至熔点，通过熔融混合形成合金。
2. 粉末冶金法：将金属粉末混合均匀，再进行冶金处理，形成合金。
3. 沉淀法：通过溶液中的金属离子沉淀形成合金颗粒。
4. 溶液法：将金属溶解在溶剂中，形成合金溶液。
四、合金的应用举例合金在生活中有着广泛的应用，以下举例说明：1. 钢结构建筑：钢材作为一种常见的合金，在建筑行业中被广泛应用于大型建筑物的结构中，如桥梁、高楼等。
第2章金属材料的基础知识
相是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组 成部分。按照相的形态划分，分为液相和固相。固态合金中的相 结构，分为固溶体和金属化合物。
组织是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征 的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它 是决定材料最终性能的关键。
金属材料的基本知识
金属材料在不同的使用场合下，所要求的力 学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能各 不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同 状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性 能差异的主要原因是由于金属材料内部结构的 不同。
2.1 金属材料的基础知识
按照物质原子在三维空间排列方式的不同， 材料可分为晶体材料与非晶体材料两大类。
3）面缺陷
面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸 很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类 缺陷主要是指晶界和亚晶界。
晶界和亚晶界处区域内的原子排列不整齐， 偏离其平衡位置，产生晶格畸变。
面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作用， 强度、硬度较晶内高。因此金属内部的晶粒越 细小，晶界就越多，强度和硬度就越高。
（2）金属的实际晶体结构
在理想状态下，金属的晶体结构是原子排 列的位向或方式完全一致的晶格，这种晶体称 为单晶体。
单晶体需要通过特殊的方法才能获得，例 如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。
单晶体在不同方向上具有不同性能的现象 称为各向异性。
多晶体：由许多位向不同的晶粒构成 的晶体。
晶粒：多晶体是由许多微小的单晶体 构成的，这单晶体称为晶粒。
液体
2.1.1 纯金属的晶体结构与结晶
纯金属是指仅由同一种金属元素组成的金属。 汽车中的各种导电体、传热器等大多由纯铜、 纯铝等纯金属材料制成。纯金属是典型的晶体材料。
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶第一节 金属的晶体结构自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。
晶体与非晶体的区别表现在许多方面。
晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。
此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。
在一般情况下的固态金属就是晶体。
一、晶体结构的基础知识（1）晶格与晶胞为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1）晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。
（2）晶胞表示方法不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。
结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示，称为晶格常数。
晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。
当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===︒时，这种晶胞称为简单立方晶胞。
（3）致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。
二、三种典型的金属晶格1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。
它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。
属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。
2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。
它的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。
属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。
3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。
其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。
属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。
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三、合金的晶体结构 （一）合金的基本概念 合金：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。 组元 合金系 相 组织 （二）合金的相结构 固态下的相结构：固溶体、金属化合物。 1.固溶体 合金在固态下，组元间能相互溶解而形成的 均匀相。 固溶体的分类：置换固溶体和间隙固溶体。 化学工业出版社
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第二节 纯金属与合金的结晶
结晶：金属与合金由液态转变为固态晶体的过程中。 一、纯金属的结晶过程 （一）冷却曲线和过冷现象 纯金属的冷却曲线。 过冷现象：金属的实际结晶温度低于理论结晶温度 的现象。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差： △T＝T0－Tn
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二、纯金属的实际晶体结构 （一）多晶体结构 晶粒、晶界、显微组织 （二）晶体缺陷 分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 1.点缺陷 空位和间隙原子 2.线缺陷 位错。 刃型位错 金属强度与位错密度的关系 3.面缺陷 晶界和亚晶界。 晶粒大小与金属力学性能之间的关系。
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三、合金性能与相图间的关系 （一）合金力学性能与相图的关系 （二）锻压性能与相图的关系 （三）合金铸造性能与相图的关系出版社
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②两平衡相相对量的确定 mL＋mα＝m mL· x1%＋mα· x2%＝m· x% 液、固两相的相对量
mL bc mL % 100% 100% m ba
m % m ca 100% 100% m ba
（4）枝晶偏析
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（1）置换固溶体 无限固溶体、有限固溶体。 （2）间隙固溶体 间隙固溶体都是有限固溶体。 形成间隙固溶体的条件：r溶质/r溶剂≤0.59。 固溶强化。 2.金属化合物 金属化合物的晶格类型和性能完全 不同于任一组元。 金属化合物的性能：高熔点、硬度和稳定性，但脆 性较大。 弥散强化。
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（2）典型Pb-Sn合金的冷却过程分析 ①合金Ⅰ（E、D点之间的合金） 二次β（或次生β相），用βⅡ表示。 合金冷却到室温时的组织为α＋βⅡ。 成分位于F~G点之间的合金，室温的组织为β＋αⅡ。 ②合金Ⅱ（C点的合金） 共晶合金， 室温组织为（α＋β）共晶体。 ③合金Ⅲ（C、E点之间的合金） 亚共晶合金 室温组织为α初生＋βⅡ+（α＋β）。 ④合金Ⅳ（C、F点之间的合金） 过共晶合金 室温的组织为β初生＋αⅡ＋（α＋β）。 （3）合金的相组分与组织组分
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（三）二元合金相图的基本类型及应用 二元匀晶相图和二元共晶相图。 1.二元匀晶相图 二元合金系中，两组元在液态和固态下均可以任何比例相 互溶解所构成的合金相图。
（1）相图分析 （2）合金冷却过程分析
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（3）杠杆定律 作用 确定任一成分的合金在某一温度下，两个平衡相 的化学成分和每个的相对量。 ①两平衡相成分的确定
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二、合金的结晶与二元合金相图 合金相图：表示在平衡状态下（缓慢冷却或缓慢加 热条件下），合金的组成相、温度、成分三者之间关系 的图形。又称为合金平衡图或合金状态图。 （一）合金的结晶 合金的冷却曲线 （二）二元合金相图 1.二元合金相图的表示方法 2.二元合金相图的建立
2.二元共晶相图 凡是在二元合金系中两组元在液态能 完全互溶，而固态下相互有限溶解或是不溶，并发生共 晶转变的相图。如Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Au-Cu等。 （1）相图分析 Pb-Sn二元共晶合金相图。 特性点、特性线 共晶转变：在一定温度 下，由一定成分的液相 同时结晶出两种成分不 同固相的转变。
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（三）金属中常见的晶格类型 1.体心立方晶格 a=b=c，α=β=γ=90°， 体心立方晶格结构的金属α-Fe、Cr、W、Mo、V等。 2.面心立方晶格 a=b=c，α=β=γ=90°， 面心立方晶格的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、 Ag、Pb等。 3.密排六方晶格 a=b≠c，α=β=90°，γ=120°， 密排六方晶格的金属有Mg、Zn、Cd、Be等。 致密度：体心立方晶格的致密度为68％；面心立方 晶格和密排六方晶格的致密度均为74％。
第一节 纯金属与合金的晶体结构 一、纯金属的晶体结构 晶体与非晶体。 晶体：指在其内部原子按一定几何规律作有规则的周 期性排列的物质。各向异性。 非晶体：内部的原子是无规则地堆积在一起。各向同 性。 （一）晶格 晶格：用以描述原子在晶体中排 列形式的空间格架 （二）晶胞 晶胞：能够完全反映晶格结 构特征的最小的几何单元。
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（二）纯金属的结晶过程 纯金属的结晶过程：晶核的不断形成和长大的过程。 枝晶 （三）金属晶粒大小与控制 金属晶粒的大小对常温下金属的强度、塑性和韧性的 影响。 影响金属结晶后晶粒的大小的因素：形核率N和长大速 率G 。 在工业生产中，常采用以下方法： 1.增大过冷度 2.变质处理 3.附加振动