第3章金属与合金的结晶

1、第三章金属与合金的结晶第三章金属与合金的结晶结晶过程金属与合金自液态冷却转变为固态，原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程。 金属材料结晶时形成的组织（铸态组织）不仅影响其铸态性能，而且也影响随后经过一系列加工后材料的性能。研究并控制金属材料的结晶过程，对改研究并控制金属材料的结晶过程，对改善金属材料的组织和性能有重要意义！善金属材料的组织和性能有重要意义！第一节纯金属的结晶一、纯金属的冷却曲线一、纯金属的冷却曲线和过冷现象和过冷现象研究液态金属结晶热分析法电炉坩埚液态金属热电偶冷却曲线平台金属在结晶过程中，释放的结晶潜热补偿了散失的热量，使温度不随冷却时间的增长而

2、下降，直至结晶终了，没有结晶潜热补偿散失的热量，温度又重新下降。开始结晶温度Tn纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下（即平衡条件下）结晶的温度n金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象。过冷度过冷度T理论结晶温度与实际结晶温度的差。nTTT0过冷度金属总是在一定的过冷度下结晶的，过冷是结晶的必要条件。理论结晶温度T0T0理论结晶温度Tn开始结晶温度同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程不断形成晶核晶核不断长大纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件F TTFF固固F液液F= F固固F液液0 结晶驱动力结晶驱动力 自然界的自发结晶过

3、程进行的自然界的自发结晶过程进行的热力学条件都是热力学条件都是F0只有当液体的过冷度只有当液体的过冷度T达到一定的大小，使结晶的动力达到一定的大小，使结晶的动力F大于建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。大于建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。自由能自由能温度温度纯金属的结晶过程 形核： 液态金属中，总是存在着许多类似于晶体中原子有规则排列的小集团。在理论结晶温度以上，这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当低于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。 晶体长大： 液态金属中，原子不断迁移到晶核表面，使液-固界面不断向液体中推移的过程，就是

4、晶体长大。 原晶核长大、新晶核产生并长大： 随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，同时，液态金属中又不断地产生新的晶核并不断长大，直至液态金属全部消失，晶体彼此相互接触为止。一般纯金属是由许多晶核长成的外形不规则的晶粒和晶界所组成的多晶体（图2-19，P32）。形核规律：两种形核方式两种形核方式 均质形核均质形核与与非均质形核非均质形核均质形核均质形核 由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非均质形核非均质形核 依附于外来杂质上生成的晶核。晶体长大方式 根据晶体的界面性质及界面温度分布，对纯金属其长大方式主要有两种：平面长大 晶体始终保持平的表面向前长大，并保持规则的几何

5、外形。枝晶长大 晶体像树枝那样向前长大，不断分支发展。晶体是以平面方式长大还是以枝晶方式长大，主要取决于液固界面前沿液体中的温度梯度液固界面前沿液体中的温度梯度。 1正的温度梯度(Positive temperature gradient) 2负的温度梯度(Negative temperature gradient) 如，图2-19 纯铁的显微组织纯铁的显微组织， P32如，图3-6 锑锭表面的树枝状晶体锑锭表面的树枝状晶体， P32树枝状晶体生长示意图树枝状晶体生长示意图 可以用单位体积内晶粒的数目来表示。单位体积内，晶粒数目越多，则晶粒越小。为了测量方便，金属晶粒的大小常以单位截面积上晶粒

6、数目或晶粒的平均直径来表示。三、金属结晶后的晶粒大小三、金属结晶后的晶粒大小金属晶粒大小（晶粒度）的表示方法金属晶粒大小（晶粒度）的表示方法 晶粒大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大的影响。金属的强度、硬度、塑性和韧性等都金属的强度、硬度、塑性和韧性等都随晶粒的细化而提高。随晶粒的细化而提高。 形核率形核率N单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。 晶核的长大速率晶核的长大速率G单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。晶粒大小的影响因素晶粒大小的影响因素 晶粒的大小取决于形核率 N和长大速度G的相对大小 ，根据分析计算，单位体积中的晶粒数目Zv ：439 . 0GNZV单位面积中的晶

7、粒数目Zs为： 211 . 1GNZS显然，显然，N/G越大，则越大，则Zv、Zs越大，晶粒越大，晶粒越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒。素，都能细化晶粒。细化晶粒的方法：细化晶粒的方法：增加过冷增加过冷度度此法仅对小型或薄壁件小型或薄壁件有效，对较大的厚壁铸件不易获得大的过冷度，整个体积不易实现均匀冷却，而且冷却速度过大，往往导致铸件开裂而报废；形状复杂的件也不适用。为此，工业上还常常采用其他的处理方法。过冷度过冷度T提高，提高，N提高、提高、G提高提高过冷过冷T太高，太高，N降低、降低、G降低降低变质处理变质处理 在液态金属结晶前，加入

8、一些细小的变质剂在液态金属结晶前，加入一些细小的变质剂(孕育孕育剂剂) ，使结晶时的形核率，使结晶时的形核率N增加，或长大率增加，或长大率G降低。这降低。这种细化晶粒的方法称为种细化晶粒的方法称为变质处理变质处理。附加振动附加振动如铸铁熔液中加入硅铁、硅钙合金；铝硅合金的熔液中如铸铁熔液中加入硅铁、硅钙合金；铝硅合金的熔液中加入钠盐等，促进形成大量的非均匀形核来细化晶粒。加入钠盐等，促进形成大量的非均匀形核来细化晶粒。此法用于大型铸件。此法用于大型铸件。通过对液态金属附加机械振动、超声波振动、电磁振动、加压浇注等措施，使液态金属在铸模中运动，造成枝晶破碎，不仅可使已生成的晶粒因为破碎而细化，并

9、且破碎的枝晶尖端又可起晶核作用，增加了形核率，从而达到细化晶粒的目的。（用于非常复杂的铸件） 四、同素异构转变四、同素异构转变 少部分金属在结晶终了后，晶体结构还会发生变化，少部分金属在结晶终了后，晶体结构还会发生变化，即在固态下，随着所处温度的不同而具有不同的晶格形式。即在固态下，随着所处温度的不同而具有不同的晶格形式。FeFe和面心立方晶格的铁有体心立方晶格的CoCo和面心立方晶格的钴有密排六方晶格的金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异构转变金属的同素异构转变。由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体同素异构体。在常温下的同素异构体一般用希

10、腊字母 表示，较高温度下的同素异构体依次用 等表示。、金属的同素异构转变过程金属的同素异构转变过程 金属的同素异构转变过程金属的同素异构转变过程实质是一个重结晶过程，同样遵循着结晶的一般规律：有一定的转变温度有一定的转变温度转变时需要过冷转变时需要过冷有潜热产生有潜热产生转变过程由晶核的形成和晶核的长大来完成转变过程由晶核的形成和晶核的长大来完成由于同素异构转变是在固态下发生的，其原子扩散要比液态下困难得多，这使同素异构转变需要较大的过冷度。另外，由于转变时晶体结构的致密度改变，则将引起晶体体积的变化，并产生较大的内应力。-Fe(bcc) -Fe(fcc) a-Fe(bcc) 13949121

11、3941538912-Fe-Fe(fcc）a-FeT时间时间770居里点居里点纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变-Fe(fcc) a-Fe(bcc)致密度由致密度由0.74变为变为0.68，铁的体积会膨胀铁的体积会膨胀1。由于纯铁能够发生同素异构转变，生产中对钢和铸铁进行各种热处理，可以改变其组织和性能。770时，冷却曲线上的平台的温度，铁没有发生晶格变化，不属于同素异构转变。770时的转变称为磁性转变在770以上，纯铁将失去铁磁性；在770以下，铁具有铁磁性。五、钢锭的组织和缺陷五、钢锭的组织和缺陷 镇静钢锭钢液在浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧，注入锭模后钢液不发生碳-氧反应而处于镇静

12、状态。以此铸成的钢锭称为镇静钢锭。 沸腾钢在冶炼后期将钢液用少量锰铁进行轻度脱氧，钢液氧含量较高，注入锭模后发生碳-氧反应，析出大量CO气体，引起钢液沸腾。以此铸成的钢锭称为沸腾钢。按浇注前钢液脱氧程度不同，钢锭分为镇静钢锭、沸腾钢锭和介于两者之间的半镇静钢锭三类。半镇静钢介于镇静钢与沸腾钢之间。镇静钢锭宏观组织示意图1-表面细晶粒区2-柱状晶区3-中心等轴晶区钢液注入锭模后，模壁温度较低，和锭模接触的钢液冷却速度快，过冷度大，形成大量晶核，模壁起人工晶核的作用，形成细晶粒区。表层细晶粒区形成后，随着模壁温度升高，钢液冷却速度有所降低。但垂直模壁方向向外散热的速度最快，晶粒沿着与散热方向相反的

13、方向优先长大而形成柱状晶区。柱状晶长到一定程度，模锭中心的钢锭远离模壁，冷却速度变小，过冷度小，晶核少，散热的方向性不明显，形成粗大的等轴晶粒区。镇静钢的组织镇静钢的组织表面细晶粒区表面细晶粒区柱状晶区柱状晶区等轴晶区等轴晶区 钢锭的组织不均匀，必然导致其性能不均匀。为改善这种不均匀性，可在浇注过程中进行变质处理，加入变质剂作为人工晶核或采取振动、搅拌等措施，使整个铸锭（或铸件）全部由均匀细晶粒组成。 例如，铝合金和铸铁浇注时常采用变质处理措施铝合金和铸铁浇注时常采用变质处理措施获得细晶粒组织，以提高铸件强度、塑性和韧性；如果在浇注在浇注过程中采取定向散热措施过程中采取定向散热措施，可以使整个

14、铸锭（或铸件）均由柱状晶组成，例如高温合金铸造涡轮叶片时采用定向凝固方法，使整个叶片由平行于其长度方向的柱状晶组成，提高了叶片的蠕变抗力。镇静钢锭的缺陷缩孔和疏松、气泡、偏析缩孔气泡疏松 缩孔和疏松是钢锭结晶时体积收缩引起的，集中的体积收缩称缩孔缩孔，分散的体积收缩称疏松疏松。缩孔必须完全切除，疏松可在锻造或轧制过程中焊合，危害较缩孔小。钢液凝固时产生的气体来不及从铸锭中逸出保留在钢内。气泡偏析钢锭先后结晶的部位化学成分不同。钢锭上部杂质元素如S、P等含量高，夹杂物较多；中部杂质少，成分均匀；下部高熔点氧化物可SiO2、SiO2FeO等。严重的硫偏析使钢材在轧制过程中产生热脆而报废。严重的硫偏

15、析使钢材在轧制过程中产生热脆而报废。严重的磷偏析引起冷脆，使零件工作时发生早期脆性严重的磷偏析引起冷脆，使零件工作时发生早期脆性断裂。断裂。区域偏析能引起零件失效。区域偏析能引起零件失效。偏析的后果：铸锭组织铸锭组织表面细晶粒层表面细晶粒层中间柱状晶粒层中间柱状晶粒层中心等轴晶粒层中心等轴晶粒层铸锭（或铸件）的晶粒粗大，成分不均匀，存在疏松和气泡，因而其强度和塑性、韧性较低。若通过压力加工（锻造或轧制）可以显著提高材料的力学性能。六、压力加工改善钢的性能 除了不能进行压力加工的材料，如铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金等采用铸造成形之外，大多数的钢制零件都用轧制钢材或锻造毛坯制成，利用压力加工改善钢

16、的性能。 工业生产上将钢锭锻造、挤压、轧制、拉拔成各种型钢、钢板、钢管或者钢丝等规定尺寸和形状的零件和产品。塑性变形过程中材料内部的晶格畸变，晶粒破碎，晶体缺塑性变形过程中材料内部的晶格畸变，晶粒破碎，晶体缺陷特别是位错密度增加，会使晶体的性能发生明显的变化。陷特别是位错密度增加，会使晶体的性能发生明显的变化。1、冷变形对钢组织和性能的影响、冷变形对钢组织和性能的影响材料：工业纯铁状态：压缩变形30%侵蚀：4%硝酸酒精倍数：250X滑滑移移带带塑性变形中的组织变化75变形变形细条状纤维细条状纤维组织组织50变形变形拉长或压拉长或压扁的晶粒扁的晶粒25变形变形滑移线滑移线未变形未变形原始晶粒原始

17、晶粒（1）随着应变量的增加，晶粒被拉长或者压扁，呈）随着应变量的增加，晶粒被拉长或者压扁，呈细条状或者纤维状；细条状或者纤维状；（2）晶粒破碎，晶格扭曲，位错密度急剧增加。）晶粒破碎，晶格扭曲，位错密度急剧增加。晶粒被拉长或者压扁细条状纤维组织等轴晶粒变形度增加 强度、硬度增加 塑性、韧性降低力学性能力学性能冷塑性变形导致金属材料的强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象称为加工硬化或形变强化。物理性能物理性能电阻增加抗腐蚀性能降低抗腐蚀性能降低 70冷轧变形后，纯铁及低碳钢的b可提高400500MPa； 80冷变形后，细片状P的wC1.0%高碳钢b可提高11001200MPa； 90冷拔变形后，

18、细片状P的wC1.0%高碳钢丝b可达3000MPa。 “加工硬化加工硬化”是强化金属材料的一种手段，尤是强化金属材料的一种手段，尤其是对那些不能用热处理方法强化的金属。其是对那些不能用热处理方法强化的金属。 加工硬化是各种冷变形成型得以进行的原因。加工硬化是各种冷变形成型得以进行的原因。 加工硬化使零件在偶然超载时，不会突然断裂。加工硬化使零件在偶然超载时，不会突然断裂。加工硬化的工程意义钢丝被拉拔的一端因塑性变形强度升高，不再继续变形；而未经变形的粗端强度低，可通过拔丝模继续变形，从而获得粗细均匀的钢丝。当当变形量很大时，原来位向不同的晶粒因滑变形量很大时，原来位向不同的晶粒因滑移产生的转动

19、，将取得接近一致的结构称移产生的转动，将取得接近一致的结构称变变形织构形织构，又称，又称择优取向择优取向。织构引起各向异性变形织构的各相异性是明显的。其不均变形织构的各相异性是明显的。其不均匀的塑性变形会使薄板冲压产生匀的塑性变形会使薄板冲压产生“制耳制耳”现象。现象。残余应力使零件尺寸不稳定，残余压应力残余应力使零件尺寸不稳定，残余压应力可提高疲劳强度，残余拉应力降低耐腐蚀性能。可提高疲劳强度，残余拉应力降低耐腐蚀性能。 在塑性变形的金属中，由于各部分变在塑性变形的金属中，由于各部分变形的不均匀性，将造成变形内应力，又称形的不均匀性，将造成变形内应力，又称残余应力残余应力。包括：。包括：宏观

20、残余应力宏观残余应力 （体积范围内平衡）（体积范围内平衡）显微残余应力显微残余应力 （晶粒间平衡）（晶粒间平衡）晶格畸变应力晶格畸变应力 ( (在几百到几千个原子内平在几百到几千个原子内平衡，占残余应力的衡，占残余应力的90%,90%,是金属变形强化的是金属变形强化的主要原因）主要原因）2、 冷变形钢在加热过程中组织和性能的变化冷变形钢在加热过程中组织和性能的变化 冷变形导致晶格畸变、晶粒破碎被拉长或压扁、缺陷增多、内应力升高，处于一种不稳定的状态，有自发恢复到变形前的稳定状态的趋势； 低温下，原子的活动能力弱，这种趋势无法完成； 加热可提高原子活动能力，从而会发生回复、再结晶、晶粒长大。回复

21、、再结晶、晶粒长大Q235经经60冷变形后加热冷变形后加热30min时的组织变化时的组织变化300600900黄铜的冷变形回复再结晶长大黄铜的冷变形回复再结晶长大黄铜黄铜冷变形冷变形33%形核形核 3s 580部分结晶部分结晶5s 580完全结晶完全结晶8s 580晶粒长大晶粒长大15min 580晶粒长大晶粒长大10min 7001）回复）回复 加热温度不高，不引起显微组织的变化；加热温度不高，不引起显微组织的变化； 原子排列畸变程度减轻，空位剧烈减少，电阻明显降低电阻明显降低； 强度、硬度略有降低，内应力明显下降。强度、硬度略有降低，内应力明显下降。基本上保持加工硬化效果；基本上保持加工硬

22、化效果；工程应用 降低内应力，稳定零件尺寸； 提高导电性； 防止SCC焊接应力破坏。此阶段称为“去应力退火去应力退火” 加热温度较高；加热温度较高； 组织恢复为细小的等轴晶粒；组织恢复为细小的等轴晶粒； 内应力完全消失；内应力完全消失； 加工硬化效果消除，材料的塑性变形能力加工硬化效果消除，材料的塑性变形能力恢复；恢复； 性能：强度、硬度降低，塑性、韧性恢复。性能：强度、硬度降低，塑性、韧性恢复。2）再结晶）再结晶此阶段又称此阶段又称再结晶退火。再结晶退火。再结晶是一个再结晶形核和长大的再结晶是一个再结晶形核和长大的过程。过程。再结晶的晶核实际上是再结晶的晶核实际上是“现成的现成的”，它存在于

23、畸变能较大的区域。它存在于畸变能较大的区域。工程应用再结晶退火主要用于金属冷加工工艺再结晶退火主要用于金属冷加工工艺过程中，使冷压力加工得以进一步进行。过程中，使冷压力加工得以进一步进行。 冷拔钢丝不是一次从圆钢冷拔而成的，要经过多次的拔丝过程，使钢丝直径逐渐减小至所要求的尺寸； 在冷拔变形过程中，材料的强度提高，b和s都提高； s /b提高，冷变形无法继续进行； 在冷拔过程中要进行中间再结晶退火处理。冷拔钢丝工艺如：汽车轮胎钢帘线的生产过程中要进行多次再结晶退火处理，把5mm的钢丝最终拉拔成0.10.2mm；再结晶退火是该工艺的关键技术。在结晶结束后，加热温度继续升高或者延长时间，在结晶结束

24、后，加热温度继续升高或者延长时间，晶粒会长大。带来的后果是强度、塑性韧性下降。晶粒会长大。带来的后果是强度、塑性韧性下降。3）晶粒长大）晶粒长大再结晶晶粒长大实质上是一个晶粒的边界向另一个晶粒中迁移， 使这个晶粒的晶格位向逐步改变为与其相同的位向。即这个晶粒被逐步“吞并”，合成一个大晶粒。3、影响再结晶晶粒大小的因素、影响再结晶晶粒大小的因素 变形度、加热温度、加热时间、成分、杂质、原始晶粒度等。变形度变形度临界变形度临界变形度 金属冷变形后再结晶时晶粒极易长得粗大，这时所对应的应变度，称为临界变形度。 金属材料的临界变形度一般为（2%10）。 大于临界变形度，变形度越大，退火后晶大于临界变形

25、度，变形度越大，退火后晶粒尺寸越小；粒尺寸越小； 冷加工都要避开临界变形度，避免组织粗冷加工都要避开临界变形度，避免组织粗大。强调！大。强调！退火温度退火温度 温度过低，不发生再结晶；温度过低，不发生再结晶； 温度过高，再结晶晶粒会长大；温度过高，再结晶晶粒会长大； 温度适当温度适当T再再 = 0.4Tm （K）T退退T再再1502504、热压力加工对钢组织和性能的影响、热压力加工对钢组织和性能的影响 再结晶温度是冷热加工的分界线； 钢在500 W在1000 Sn在室温热加工？冷加工？铁：铁：T再再600W：T再再1200Sn：T再再-7冷、热加工的定义 钢的热加工是在单相奥氏体区进行的，此时

26、，材料的塑性好； 奥氏体经历加工硬化和再结晶软化两个过程； 热加工的变形度、变形温度和时间及冷却速度决定了加工后的奥氏体晶粒大小，称之为热加工工艺参数； 钢中加入微量V、Nb等元素，可在奥氏体晶界上形成细小弥散的C、N化物，阻碍晶界的迁移和晶粒长大，从而获得细小的奥氏体晶粒； 热加工可消除钢锭中的一些缺陷，打碎粗大的柱状晶，从而提高钢的性能； 组织呈“流线”型分布，纵向性能高于横向。第二节 合金的结晶与相图 平衡状态平衡状态当一定成分的合金在一定温度下停留足够长的时间，使所存在的各相达到几乎互不转化的状态时，可以认为各相处于平衡状态。，这时的相称为平衡相。 合金相图合金相图 又称合金平衡图或合

27、金状态图，它表示在平衡状态下，合金的组成相（或组织状态）和温度、成分之间关系的图解。 应用合金相图可以了解合金系中不同成分合金在不同温度时的组成相（或组织状态）、相的成分和相的相对量以及合金缓慢加热和冷却过程中的相变规律。一一.基础知识基础知识 在生产实践中，合金相图可以作为制定冶炼、在生产实践中，合金相图可以作为制定冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。相图是研究合金的组织形成和变化规律的有用工具。相图的用途相图的用途 由材料的成分和温度预知平衡相；由材料的成分和温度预知平衡相； 材料的成分一定而温度发生变化时其他平材料的成分一定而温度发生变化

28、时其他平衡相变化的规律；衡相变化的规律； 估算平衡相的数量。估算平衡相的数量。 预测材料的组织和性能预测材料的组织和性能 纯金属的相图可以用一条温度纵坐标轴表示，冷却曲线上的结晶温度在温度坐标轴上的投影，即该金属的相变温度相变温度（称为相变点相变点）。1 1、纯物质的相图、纯物质的相图 时间温度/10831固相液相纯铜的冷却曲线及相图1点以上表示纯铜处于液相；1点以下表示纯铜处于固相。1点为纯铜的相变点。成分温度表象点2、二元合金相图、二元合金相图二元合金组成相的变化不仅与温度有关，而且还与合金成分有关。所以，在纯金属温度纵坐标轴表示的相图基础上，还应该增加一个表示合金成分的横坐标轴，从而构成

29、一个平面坐标系。 图上纵坐标表示温度，横坐标表示合金成分。横坐标从左到右表图上纵坐标表示温度，横坐标表示合金成分。横坐标从左到右表示合金成分示合金成分wNiNi由由0 0到到100%100%的变化。横坐标上任何一点都代表一种的变化。横坐标上任何一点都代表一种成分的合金。通过成分坐标上的任一点作的垂线称为合金线，合成分的合金。通过成分坐标上的任一点作的垂线称为合金线，合金线上不同的点表示该成分合金在某一温度下的相组成。金线上不同的点表示该成分合金在某一温度下的相组成。相图上任意一点都代表某一成分的合金在相图上任意一点都代表某一成分的合金在某一温度时的相组成（或显微组织）。某一温度时的相组成（或显

30、微组织）。3、二元合金相图的测定方法、二元合金相图的测定方法 配制合金（以Cu-Ni合金为例） 测定冷却曲线 确定冷却曲线上合金的临界点 将同类临界点在温度-成分坐标系中连接起来即可得到合金相图1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金；2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如左图所示3）找出图中各冷却曲线上的相变点。4）将各个合金的相变点分别标注在温度-成分坐标图中相应的合金线上。5）连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线相界线（包括上边的液相液相线线和下边的固相线固相线）。热热分分析析法法建建立立Cu-Ni相相图图根据Cu-Ni合金系的冷却曲线，纯铜及纯镍的冷却曲线都有一个平台，这说

31、明纯金属的结晶过程是在恒温下进行的，故只有一个相变点；其他四个合金的冷却曲线均不出现平台，但有两个转折点。这表明四种合金都是在一个温度范围内结晶的。温度较高的相变点表示开始结晶温度，称为上相变点上相变点；温度较低的相变点表示结晶终了温度，称为下相变点下相变点。液相线以上为液相区液相区，用 表示；固相线以下为固相区固相区，用 表示；中间固液两相共存区，用 表示。 L+ LCuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 纯铜纯铜熔点熔点纯镍纯镍熔点熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区液固两相区液固两相区 通过以上测

32、定相图的方法可知，配制的合金数目通过以上测定相图的方法可知，配制的合金数目越多，所用的金属纯度越高，热分析时冷却速度越多，所用的金属纯度越高，热分析时冷却速度越缓慢，则所测定的合金相图就越精确。越缓慢，则所测定的合金相图就越精确。由相图确定某成分合金在某温度时的相由相图确定某成分合金在某温度时的相由相图确定给定合金的相变温度由相图确定给定合金的相变温度由相图确定某成分合金在某温度时的两由相图确定某成分合金在某温度时的两个平衡相的成分和相对质量个平衡相的成分和相对质量杠杆定律杠杆定律二、二元匀晶相图二、二元匀晶相图两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应匀晶反应的合金系，称为匀

33、晶系匀晶系并构成匀晶相图匀晶相图。例如 、 、 等。NiCu CrFe AgAu 1、相图分析、相图分析LL+结晶过程中，单相区内只存在一相，故相的成分就是相应合金的成分；相的质量就是相应合金的质量。两相区内，由于合金正处在结晶过程中，随着结晶过程的进行，合金中各相的成分和相的相对量都在不断地发生变化。2 2、杠杆定律、杠杆定律确定两相区内两个组成相（平确定两相区内两个组成相（平衡相）以及相的成分和相的相对量的重要法则。衡相）以及相的成分和相的相对量的重要法则。（1）两平衡相及其成分的确定）两平衡相及其成分的确定确定成分为 的Cu-Ni合金，在T1温度下是由哪两个相组成以及各相的成分。%xwN

34、i通过合金线上相当于T1温度的b点，作水平线abc，水平线两端所接触的两个单相区中相L和相，就是该合金在T1温度时共存的两个相。水平线两端与液相线和固相线的交点a、c在成分坐标上的投影，分别表示T1温度下液相和固相的成分，即液相L的成分为wNi（L）=x1%，固相的成分为wNi（）=x2%。xx2x1（2）两平衡相相对量的确定）两平衡相相对量的确定mL + ms = 1 mL xL + msxs = x0将上两式联立求解得到： mL = (xs x0)/( xs xL)ms = (x0 xL)/( xs xL) 将上式与图中线段比较，可得到： mL = OS/LS, ms = LO/LS ab

35、bcmmL杠杆定律：合金中液相与固相的质量比和水平线合金中液相与固相的质量比和水平线abc被合金被合金成分线分得的两线段的长度成反比。这与力学成分线分得的两线段的长度成反比。这与力学中的杠杆定律相似，其中杠杆的支点为合金的中的杠杆定律相似，其中杠杆的支点为合金的原始成分（合金线），杠杆两端表示该温度下原始成分（合金线），杠杆两端表示该温度下两相的成分，杠杆的全长表示合金的质量，两两相的成分，杠杆的全长表示合金的质量，两相的质量与杠杆臂长成反比，故称为相的质量与杠杆臂长成反比，故称为杠杆定律杠杆定律。杠杆定律的应用杠杆定律的应用 对于其他类型的二元合金相图也同样可用杠杆定律来确定两相区中两相的成

36、分及相对量。 对于单相区，由于相的成分和质量就是合金的成分和质量，故没有应用的必要。abcdT,CtL L L匀晶转变 L 冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。匀晶合金的结晶过程匀晶合金的结晶过程 两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应。匀晶反应。3、合金的结晶过程分析、合金的结晶过程分析L12缓慢冷却、原子充分扩散缓慢冷却、

37、原子充分扩散最终得到与原合金成分最终得到与原合金成分相同的单相固溶体。相同的单相固溶体。L 1.与纯金属凝固一样由形核和长大来完成结晶过程，实际在一定的过冷度下进行。 2.凝固在一温度范围内进行。只有在温度不断下降时固体量才增加，温度不变，液固数量维持平衡不变。 3.凝固过程中液体和固体的成分在不断变化。平衡结晶或均匀化退火的Cu-Ni合金固溶体的显微组织固溶体的不平衡结晶固溶体的不平衡结晶1)1)工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平间，使凝固过程偏离

38、平衡条件，称为非平衡凝固衡凝固( (结晶结晶) ) 。2)2)非平衡凝固非平衡凝固( (结晶结晶) )得到的组织称为不平衡得到的组织称为不平衡组织。组织。 工程中采用先快冷，再在固态较高温度下让成分均匀。非平衡凝固的缺陷 如果冷却速度较快，液体和固体成分来不及均匀，除晶粒细小外，固体中的成分会出现不均匀，树枝晶中成分也不均匀，产生晶内偏析； 冷却慢了会出现区域偏析。 枝晶偏析会降低合金的力学性能和加工工艺枝晶偏析会降低合金的力学性能和加工工艺性能。容易导致合金塑性、韧性下降；易引起晶性能。容易导致合金塑性、韧性下降；易引起晶间腐蚀，降低合金的抗蚀性能。间腐蚀，降低合金的抗蚀性能。 固溶体结晶时

39、成分是变化的（固相线和液相线），如冷却固溶体结晶时成分是变化的（固相线和液相线），如冷却较快，固态下原子扩散又很困难，致使固溶体内部的原子扩较快，固态下原子扩散又很困难，致使固溶体内部的原子扩散来不及充分进行，结果使先结晶的固溶体含高熔点组元较散来不及充分进行，结果使先结晶的固溶体含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多。这种在一个晶多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多。这种在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象称为粒内部化学成分不均匀的现象称为晶内偏析晶内偏析。 因为固溶体的结晶一般是按树枝状方式长大，这就使先结晶的枝干晶因为固溶体的结晶一般是按树枝状方式长大，这就使先结晶的枝干晶

40、枝含高熔点组元较多，后结晶的枝间晶枝含低熔点组元较多，由于这种晶枝含高熔点组元较多，后结晶的枝间晶枝含低熔点组元较多，由于这种晶内偏析呈树枝分布，故又称内偏析呈树枝分布，故又称枝晶偏析枝晶偏析。 生产上常把有枝晶偏析的合金加热到高温，并经长生产上常把有枝晶偏析的合金加热到高温，并经长时间保温，使原子充分扩散，以达到成分均匀化的时间保温，使原子充分扩散，以达到成分均匀化的目的，这种热处理方法称为目的，这种热处理方法称为均匀化退火均匀化退火或或扩散退火扩散退火。偏析实例先结晶的枝干中，因含镍量高，不易侵蚀，故成白色；而后结晶的枝间含铜量高，易侵蚀而成黑色。通过对非平衡凝固分析得到如下结论：(1)

41、固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同，有固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同，有一定的偏离（固相成分按平均成分线变化），其偏离程一定的偏离（固相成分按平均成分线变化），其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重；度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重；冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡条件。冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡条件。(2) 先结晶部分含有较多的高熔点组元先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)，后结晶部分含后结晶部分含有较多的低熔点组元有较多的低熔点组元(Cu)。(3) 非平衡结晶条件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时的非平衡结晶条

42、件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时的终止温度。终止温度。 两组元在液态中无限互溶，在固态时有限互溶，并发生共晶转变的一种相图，称为共晶相图。如Pb-Sn、Ag-Cu、Al-Si等合金系相图。 三、二元共晶相图三、二元共晶相图 点：A、 B、E（共晶点）：该点成分的液相将发生共晶反应线：AEB液相线， AMENB 固相线 MFSn在中的溶解度曲线 NGPb在中的溶解度曲线 MEN共晶线，成分在该线范围内的合金冷却到该线以下时将发生共晶反应 LE M+ N AM 的结晶终了线。BN 的结晶终了线。LE M + NPbSnSn%T, C液相线液相线L固相线固相线 + L+ L + 固溶线固溶线 固溶

43、线固溶线ABEMNFG共晶相图简介单相区：L, , 双相区：L + ， L + ， + 三相区： L + + 二元相图中的三相区都是水平线。 共晶线共晶线MEN是是L+三相平衡的共存线。三相平衡的共存线。一定成分的液相，在一定温度下，同时结晶出成分不同的两种固相的转变，称为共晶转变。由共晶转变获得的两相混合物称为共晶组织或共晶体。E点称为共晶点。C点所对应的温度与成分分别称为共晶温度与共晶成分。通过E点的水平的固相线MEN称为共晶线，液体冷却到共晶线时，都要发生共晶转变。PbSnT, CL + L + L + 共晶反应线共晶反应线表示从表示从M点到点到N点点范围的合金，在范围的合金，在该温度上

44、都要发该温度上都要发生不同程度上的生不同程度上的共晶反应。共晶反应。ce共晶点共晶点表示表示E点成分的合点成分的合金冷却到此温度金冷却到此温度上发生完全的共上发生完全的共晶转变。晶转变。dLE M + NABEMNFGPbSnT, CL + L + L + 183ced1.1.共晶转变在恒温下共晶转变在恒温下进行。进行。2.2.转变结果是从一种转变结果是从一种液相中结晶出两个液相中结晶出两个不同的固相。不同的固相。3.3.存在一个确定的共存在一个确定的共晶点。在该点凝固晶点。在该点凝固温度最低。温度最低。4.4.成分在共晶线范围成分在共晶线范围的合金都要经历共的合金都要经历共晶转变。晶转变。共

45、晶转变要点须知ceFGX1T, CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线 + 1234PbSnT, CL + L + L + 183DEC（1）合金（F、D点间的合金） 当合金由液相缓冷到1点时，从液相中开始结晶出Sn溶于Pb的固溶体，随着温度的下降， 固溶体量不断增多，而液相量不断减少，液相成分沿液相线tAC变化， 固相的成分沿固相线tAD变化。当合金缓冷到3点时， Sn在Pb中的溶解度已达到饱和。温度再下降到3点以下， Sn在Pb中的溶解度已过饱和，过剩的Sn以固溶体的形式从固溶体中析出。随着温度的下降， 和固溶体的溶解度分别沿DF和EG两条固溶线变化，从固溶体中不断析出固溶体。ceFGX11

46、234PbSnT, CL + L + L + 183DECtAtB为了区别于从液相中结晶出的固溶体，把从固相中析出的固溶体称为次生，并以“”表示。PbSnT, CL + L + L + 183DECT, CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线 + 1.没有共晶反应过程，没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成而是经过匀晶反应形成单相单相 固相。固相。2.要经过二次析出反要经过二次析出反应，室温应，室温 组织组成组织组成物物为为 + 组织组成物组织组成物组织中，由一定的相构成的、具有一定形态特征的组成部分。）合金显微组织（点成分的200SnPbDwSn合金的室温组织为固溶体+固溶体。右图中，黑色基体为固溶体，白色颗粒为固溶体。成分在成分在D点与点与F点间的点间的所有合金，其结晶过所有合金，其结晶过程与合金程与合金相似，室相似，室温下显微组织都是由温下显微组织都是由+组成。只是两组成。只是两相的相对量不同，合相的相对量不同，合金成分越靠近金成分越靠近D点，点，室温时室温时量越多。量越多。合金合金在室温下的在室温下的与与的相对量计算