【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)異質(zhì)形核所需的過冷度小，△T=，就能有效形核。見右圖，因?yàn)楫愘|(zhì)形核是依附在現(xiàn)有固體表面形核（稱為形核基底或襯底），所以新增的液固界面積小，界面能低，結(jié)晶阻力小。另外，實(shí)際液態(tài)金屬中總是或多或小地存在著未熔固體雜質(zhì)，而且在澆注時(shí)液態(tài)金屬總是要與模壁接觸，因此實(shí)際液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，首先以異質(zhì)形核方式形核。但是應(yīng)該注意的是，并不是任何固體表面都能促進(jìn)異質(zhì)形核。只有晶核與基底之間的界面能越小時(shí)，這樣的基底才能促進(jìn)異質(zhì)形核。 由形核的討論可知過冷是結(jié)晶的必要條件，但過冷后還需通過能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏，使近程有序的原子集團(tuán)達(dá)到某一臨界尺寸后才能形成晶核。二. 晶體的長(zhǎng)大 晶核形成以后就會(huì)立刻長(zhǎng)大，晶核長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)就是液態(tài)金屬原子向晶核表面堆砌的過程，也是固液界面向液體中遷移的過程。它也需要過冷度，該過冷度稱為動(dòng)態(tài)過冷度用△Tk表示，一般很小難以測(cè)定。 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)晶體的生長(zhǎng)方式主要與固液界面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，而晶體的生長(zhǎng)形態(tài)主要與固液界面前沿的溫度梯度有關(guān)。1. 固液界面的微觀結(jié)構(gòu)和晶體長(zhǎng)大機(jī)制1) 固液界面的微觀結(jié)構(gòu)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)固液界面的微觀結(jié)構(gòu)主要有兩類。(1) 光滑界面：即液固界面是截然分開的，95%或5%的位置為固相原子占據(jù)。它由原子密排面組成，故也稱為小平面界面見右圖 (a)，(2) 粗糙界面：即液固界面不是截然分開的，50%的位置被固相原子占據(jù)，還有50%空著，故也稱為非小平面界面。(b)。2) 晶體的長(zhǎng)大機(jī)制(1) 粗糙界面的長(zhǎng)大機(jī)制——連續(xù)垂直長(zhǎng)大機(jī)制即液相原子不斷地向空著的結(jié)晶位置上堆砌，并且在堆砌過程中固液界面上的臺(tái)階始終不會(huì)消失，使界面垂直向液相中推進(jìn)，故其長(zhǎng)大速度快，金屬及合金的長(zhǎng)大機(jī)制多以這種方式進(jìn)行，因?yàn)樗鼈兊墓桃航缑娑酁榇植诿妗?2) 光滑界面的長(zhǎng)大機(jī)制——側(cè)向長(zhǎng)大機(jī)制對(duì)于完全光滑的固液界面多以二維晶核機(jī)制長(zhǎng)大。a. 二維晶核機(jī)制：由于固液界面是完全光滑的，則單個(gè)液相原子很難在其上堆砌（增加界面積大，界面能高），所以它先以均質(zhì)形核方式形成一個(gè)二維晶核，堆砌到原固液界面上，為液相原子的堆砌提供臺(tái)階，而進(jìn)行側(cè)向長(zhǎng)大。長(zhǎng)滿一層后，晶體生長(zhǎng)中斷，等新的二維晶核形成后再繼續(xù)長(zhǎng)大，因此它是不連續(xù)側(cè)向生長(zhǎng)，長(zhǎng)大速度很慢，與實(shí)際情況相差較大，(a)。對(duì)于有缺陷的光滑界面，多以晶體缺陷生長(zhǎng)機(jī)制長(zhǎng)大。b. 晶體缺陷生長(zhǎng)機(jī)制：(b)或下圖，即在光滑界面上有露頭的螺型位錯(cuò)，它的存在為液相原子的堆砌提供了臺(tái)階（靠背），液相原子可連續(xù)地堆砌，使固液界面進(jìn)行螺旋狀連續(xù)側(cè)向生長(zhǎng)，其長(zhǎng)大速度較快，并與實(shí)際情況比較接近，非金屬和金屬化合物多為光滑界面，它們多以這種機(jī)制進(jìn)行生長(zhǎng)。2. 固液界面前沿的溫度梯度與純金屬晶體的生長(zhǎng)形態(tài)1) 固液界面前沿的溫度梯度固液界面前沿的溫度梯度主要有兩種：即正溫度梯度和負(fù)溫度梯度。(1) 正溫度梯度（） (a)，由于液態(tài)金屬在鑄型中冷卻時(shí)熱量主要通過型壁散出，故結(jié)晶首先從型壁開始，液態(tài)金屬的熱量和結(jié)晶潛熱都通過型壁和已結(jié)晶固相散出，因此固液界面前沿的溫度隨距離x的增加而升高，即△T隨x↑而↓。 (2) 負(fù)溫度梯度 ()，若金屬在坩堝中加熱熔化后，隨坩堝一起降溫冷卻，當(dāng)液態(tài)金屬處于過冷狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部某些區(qū)域會(huì)首先結(jié)晶，這樣放出的結(jié)晶潛熱使固液界面溫度升高，因此固液界面前沿的溫度隨距離x的增加而降低，即△T隨x↑而↓。2) 純金屬晶體的生長(zhǎng)形態(tài)純金屬的固液界面從微觀角度說是粗糙界面，它的生長(zhǎng)形態(tài)主要受界面前沿的溫度梯度影響。(1) 在正溫度梯度時(shí)按平面狀生長(zhǎng) (a)，由前面的介紹我們知道粗糙界面的生長(zhǎng)機(jī)制為連續(xù)垂直生長(zhǎng)，在正溫度梯度時(shí)，界面上的凸起部分若想較快的朝前生長(zhǎng)，就會(huì)進(jìn)入△T較小的區(qū)域，使其生長(zhǎng)速度減慢，因此始終維持界面為平面狀。 (2) 在負(fù)溫度梯度時(shí)按樹枝晶生長(zhǎng)、由于在負(fù)溫度梯度時(shí)，固液界面前沿隨x↑ΔT↑，因此界面上的凸起部分能接解到△T更大的區(qū)域而超前生長(zhǎng)，長(zhǎng)成一次晶軸，在一次晶軸側(cè)面也會(huì)形成負(fù)溫度梯度，而長(zhǎng)出二次晶軸；二次晶軸上又會(huì)生長(zhǎng)三次晶軸。就相先長(zhǎng)出樹桿再長(zhǎng)出分枝一樣，故稱為枝晶生長(zhǎng)。對(duì)于立方晶系各次晶軸間成垂直關(guān)系（沿100生長(zhǎng)），如果枝晶在三維空間均衡發(fā)展（即x、y、z三方向長(zhǎng)大趨勢(shì)差不多）最后得到等軸晶粒，由于通常金屬結(jié)晶完畢時(shí)，各次晶軸相互接觸，形成一個(gè)充實(shí)的晶粒，所以看不到其枝晶形態(tài)。但在結(jié)晶時(shí)各晶軸間不能及時(shí)得到液相的補(bǔ)充，最后在枝間就會(huì)形成孔洞，結(jié)晶結(jié)束后就能觀察到枝晶形態(tài)，液相中有雜質(zhì)時(shí)，它們一般在枝間處，結(jié)晶后經(jīng)浸蝕也能看出樹枝晶形態(tài)。167。 晶粒大小控制一. 晶粒大小對(duì)金屬性能的影響由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)金屬結(jié)晶后，在常溫下晶粒越細(xì)小其強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性越好，抗拉強(qiáng)度從165MPa上升211MPa，%%，通常將這種方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化，它的最大優(yōu)點(diǎn)是能同時(shí)提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性，而以后介紹的各種強(qiáng)化方法，都是通過犧牲材料塑性、韌性來換取提高材料的強(qiáng)度、硬度。二. 細(xì)化晶粒的途徑 研究發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)途徑：；；三. 細(xì)化晶粒的方法 常用的有以下幾種1. 增大金屬的過冷度因?yàn)椤鱐，N增大，長(zhǎng)大速度也增大，但前者大于后者，故可使晶粒細(xì)化，具體方法是對(duì)薄壁鑄件用加快冷卻速度的方法，來增大△T，1）金屬模代砂模。2. 在金屬模外通循環(huán)水冷卻3. 降低澆注溫度（提高形核率）近二三十年來，快速凝固（V冷104K/S）技術(shù)的發(fā)展，~，其性能不僅強(qiáng)度、韌性高，而且具有超塑性，優(yōu)異的耐蝕性，抗晶粒長(zhǎng)大性、抗幅照性等。成為具有高性能的新型金屬材料。4. 孕育（變質(zhì)）處理對(duì)于厚壁鑄件，用激冷的方法難以使其內(nèi)部晶粒細(xì)化，并且冷速過快易使鑄件變形開裂，但在液態(tài)金屬澆注前向其中加入少量孕育劑或變質(zhì)劑，可起到↑異質(zhì)形核率或阻礙晶粒長(zhǎng)大作用，從而使大型鑄件從外到里均能得到細(xì)小的晶粒，但對(duì)不同的材料加入的孕育劑或變質(zhì)劑不同，如碳鋼加釩、鈦（形成TiN、TiC、VN、VC促進(jìn)異質(zhì)形核）；鑄鐵加硅鐵硅鈣（促進(jìn)石墨細(xì)化）；鋁硅合金加鈉鹽（阻礙晶粒長(zhǎng)大）。第二章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖由于純金屬的機(jī)械性能比較低，很難滿足機(jī)械制造業(yè)對(duì)材料性能的要求，尤其是一些特殊性能如高強(qiáng)度、耐熱、耐蝕、導(dǎo)磁、低膨脹等的要求，加上它冶煉困難，價(jià)格昂貴，所以在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的金屬材料主要是合金。合金的性能比純金屬的優(yōu)異，主要是因?yàn)楹辖鸬慕Y(jié)構(gòu)與組織與純金屬不同，而合金的組織是合金結(jié)晶后得到的，合金相圖就是反映合金結(jié)晶過程的重要資料，也是制訂各種熱加工工藝的重要理論依據(jù)，所以本章著重介紹合金的結(jié)構(gòu)與相圖。167。 合金的相結(jié)構(gòu)相 指具有相同結(jié)構(gòu)，相同成分和性能（也可以是連續(xù)變化的）并以界面相互分開的均勻組成部分，如液相、固相是兩個(gè)不同的相，合金在室溫時(shí)只有一個(gè)相組成的合金稱為單相合金，由兩個(gè)相組成的合金稱為兩相合金。由多個(gè)相組成的合金稱為多相合金。組織 指用肉眼或顯微鏡觀察到的材料內(nèi)部形貌圖像，一般用肉眼觀察到的稱為宏觀組織，用顯微鏡放大后觀察到的組織稱為微觀組織。材料的組織是由相組成的，當(dāng)組成相的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布不同時(shí)，其組織也就不同。從而導(dǎo)致其性能不同，因此可以通過改變合金的組織來改變合金的性能。合金系 由給定的若干組元按不同的比例配制成的一系列不同成分的合金，為一個(gè)合金系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為合金系。如由A、B兩個(gè)組元配制成的稱為AB二元系，同樣由三個(gè)組元或多個(gè)組元配制成的稱為三元系合金或多元系合金，本章主要介紹二元系合金的有關(guān)知識(shí)。由于組成合金的各組元的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同，因此它們?cè)诮M成合金時(shí)，它們之間的相互作用也就不同，所以它們之間可以形成許多不同的相。但按這些相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將它們分為兩大類：即固溶體和金屬間化合物。固溶體的主要特點(diǎn)是：其晶體結(jié)構(gòu)與溶劑組元的相同；而金屬間化合物的主要特點(diǎn)是其晶體結(jié)構(gòu)與兩組元的結(jié)構(gòu)均不相同，而是一種新的晶體結(jié)構(gòu)。一. 固溶體1. 固溶體由兩種或兩種以上組元在固態(tài)下相互溶解，而形成得具有溶劑晶格結(jié)構(gòu)的單一的、均勻的物質(zhì)。1) 溶劑：固溶體中含量較多的并保留原有晶格結(jié)構(gòu)的組元稱為溶劑。3) 溶質(zhì)：固溶體中含量較少的并失去原有晶格結(jié)構(gòu)的組元稱為溶質(zhì)。2. 固溶體的分類 固溶體的分類方法很多，下面簡(jiǎn)單介紹幾種：1) 按溶質(zhì)原子占據(jù)的位置不同分：(1) 置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格中某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體。（為平面圖是某一晶面上的情況），它主要在金屬元素之間形成。(2) 間隙固溶體：是溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格間隙而形成的固溶體，它主是由原子半徑很?。ǎ┑姆墙饘僭貧?、氧、氮、碳、硼與金屬元素之間形成。2) 按溶質(zhì)原子的溶解度分(1) 有限固溶體有限固溶體是溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解量具有一定的限度，超過該限度，它們將形成其它相。如間隙固溶體只能是有限固溶體，因?yàn)榫Ц耖g隙是有限的。%（質(zhì)量），%，但體心立方晶格的致密度比面心立方的低，理應(yīng)具有較高的溶解度，上例說明間隙固溶體的溶解度，與溶劑的晶格類型有關(guān)，不同的晶格類型其間隙的大小和類型也不相同，另外一般發(fā)現(xiàn)隨溫度的升高，固溶體的溶解度增大，隨溫度的降低固溶體的溶解度減小。這樣在高溫時(shí)具有較大溶解度的固溶體到低溫時(shí)會(huì)從中析出新相（多余的溶質(zhì)與部分溶劑所形成）。(2) 無限固溶體溶質(zhì)能以任意比例溶入溶劑所形成的固溶體，其溶解度可達(dá)100%，即兩組元可連續(xù)無限置換。 但并不是所有的置換固溶體都能形成無限固溶體，只有當(dāng)兩組元具有相同的晶格類型，并且原子尺寸相差不大，負(fù)電性相近（在元素周期表中比較靠近）時(shí)，才可能形成無限固溶體。即使形成有限固溶體，它們之間的溶解度也較大。3) 按溶質(zhì)原子在晶格中的分布狀態(tài)分(1) 無序固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)的位置是隨機(jī)的，任意的和不固定的。加熱緩冷(2) 有序固溶體：溶質(zhì)原子只占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)的某幾個(gè)固定位置，這樣的固溶體也稱為超結(jié)構(gòu)或超點(diǎn)陣。(3) 有序化轉(zhuǎn)變：有序固溶體 無序固溶體，在一恒溫下轉(zhuǎn)變，該臨界溫度稱為有序化轉(zhuǎn)變溫度。一般當(dāng)溶質(zhì)與溶劑原子數(shù)成一定比例時(shí)，形成的固溶體在緩慢冷卻時(shí)，易發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變。如銅金合金，當(dāng)原子比為1:150%Cu，50%Au，在385℃）或3:1（75%Cu，25%Au，在390℃）時(shí)在緩冷到一定溫度時(shí)由無序轉(zhuǎn)化為有序。固溶體由無序轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?，將使合金的性能發(fā)生明顯的變化，如硬度↑，脆性↑，塑性↓，電阻↓等。3. 固溶體的性能1) 機(jī)械性能：產(chǎn)生固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化：隨溶質(zhì)原子濃度強(qiáng)化的增加，固溶體強(qiáng)度、硬度升高，而塑性、韌性稍有降低的現(xiàn)象，固溶強(qiáng)化是金屬材料的重要途徑之一，它在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，幾乎生產(chǎn)中使用的絕大部分合金材料都是以固溶體作為主體相（基體相）。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因見圖24，因?yàn)槿苜|(zhì)原子與溶劑原子的尺寸大小不同，當(dāng)它溶入溶劑形成固溶體時(shí)會(huì)造成晶格畸變，一般大的溶質(zhì)原子使點(diǎn)陣常數(shù)增大，產(chǎn)生正畸變；而小的溶質(zhì)原子使點(diǎn)陣常數(shù)減小，產(chǎn)生負(fù)畸變；間隙溶質(zhì)原子總是使點(diǎn)陣常數(shù)增大，產(chǎn)生正畸變（其原子尺寸大于晶格間隙尺寸），晶格畸變對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用，故使固溶體的硬度、強(qiáng)度↑，塑性、韌性↓，一般間隙溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果大于置換溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果。2) 物理性能：隨溶質(zhì)原子含量的增加，固溶體合金的電阻溫度系數(shù)減小，導(dǎo)電性↓，電阻↑。二. 金屬間化合物 兩組元在組成合金時(shí)，當(dāng)它們的溶解度超過固溶體的極限溶解度后，將形成新的合金相，這種新相一般稱為化合物?；衔锿ǔ？梢苑譃榻饘匍g化合物和非金屬化合物。1. 金屬間化合物：是指兩組元（金屬之間、金屬與類金屬Pb、Sn、Bi、Sb等或少數(shù)非金屬）在一定成分范圍內(nèi)，形成的不同于原兩組元晶體結(jié)構(gòu)，并具有金屬特性的物質(zhì)。2. 非金屬化合物：是指金屬與非金屬，非金屬與非金屬之間，形成的不同于原兩組元晶體結(jié)構(gòu)的，沒有金屬特性的物質(zhì)，如FeS，MnS，NaCl等，它們?cè)诮饘俨牧现械臄?shù)量很少，以雜質(zhì)形式存在通常稱為非金屬夾雜物，但它們的存在對(duì)金屬材料性能的影響卻很壞。這在后面章節(jié)將介紹，下面我們著重介紹金屬間化合物。3. 金屬間化合物的一般特點(diǎn)金屬間化合物是在固溶體達(dá)到極限溶解度后形成的，它一般處在合金相圖的中間部位，故又稱為中間相。它的特點(diǎn)是結(jié)合鍵具有多樣性，晶體結(jié)構(gòu)與兩組元不同，并且有多樣性，高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，當(dāng)在合金中分布合理時(shí)，可起強(qiáng)化相作用，能提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐熱性；但當(dāng)它在金屬中的數(shù)量過多時(shí)，會(huì)使合金的塑性、韌性大大降低，所以它不能單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)材料使用。4. 金屬間化合物的分類 金屬間化合物的類型很多，但是根據(jù)它們的形成條件不同，可將它們大致分為三類，正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙相和間隙化合物。1) 正常價(jià)化合物(1) 正常價(jià)化合物：是指由金屬與IVA VA VIA族元素形成的符合化合價(jià)規(guī)律，具有固定成分，可用化學(xué)分子式表示的化合物，一般為AB、A2B、A3B2三種類型，如PtSn、ZnS、Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、Mg3Sb2等。 (2) 正常價(jià)化合物的特點(diǎn) 主要受負(fù)電性因素控制，兩組元負(fù)電性相差越大，越易形成這類化合物，并且形成的化合物的結(jié)構(gòu)鍵性質(zhì)及穩(wěn)定性隨負(fù)電性差的減小而變化，如下表所示： 化合物Mg2SiMg2SnMg2Pb結(jié)合鍵性質(zhì)離子鍵共價(jià)鍵金屬鍵熔點(diǎn)1102℃778℃550℃（穩(wěn)定性）高 低其晶體結(jié)構(gòu)不同與兩組元，具有高的硬度和脆性，當(dāng)在金屬材料中彌散細(xì)小分布時(shí)，可起強(qiáng)化相作用，但在常用金屬材料中一般很少形成這類化合物。2) 電子化合物(1) 電子化合物：是指過渡族和IB元素與IIB和IIIA至VA元素，形成的具有一定電子濃度，一定晶體結(jié)構(gòu)和一定成分范圍，并具有明顯金屬特性