工程材料金属与合金的结晶

工程材料金属与合金的结晶第1页，共29页，2023年，2月20日，星期一金属材料的结晶金属材料的冶炼、铸造和热处理等加工工艺都伴随有结晶过程，结晶过程会影响材料的使用性能和加工性能。研究金属材料的结晶过程可以帮助我们有效地掌握金属凝固和结晶的规律，从而获得性能优良的金属材料。

结晶——材料内部原子从不规则排列状态（液态）过渡到规则排列（固态）的过程。

二次结晶——材料内部原子从一种排列状态到另一种排列状态转变过程。如工业纯铁从高温到低温冷却时，发生同素异构转变：L

1538℃

δ-Fe

1394℃

γ-Fe

912℃

α-Fe注：纯铁在770℃时发生磁性转变，该温度称为居里点。《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第2页，共29页，2023年，2月20日，星期一第一节纯金属的结晶一、纯金属的冷却曲线和过冷度

1.纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线可使用热分析装置进行测定（《教材》P36）。由纯金属的冷却曲线可以看出，当液态金属冷却到某一温度时，在曲线上出现一个平台，该平台对应的温度即为纯金属的熔点（结晶温度）。此现象说明金属在结晶过程中，释放出了大量的结晶潜热。

《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第3页，共29页，2023年，2月20日，星期一2.过冷度过冷度⊿T=理论结晶温度T0—实际结晶温度Tn（过冷度⊿T﹥0

——结晶的必要条件）（自由能⊿F﹤0——结晶的充分条件）实践表明，金属总是在一定的过冷条件下结晶的，过冷是结晶的必要条件。对同一金属，结晶时的过冷度越大，则冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低。《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第4页，共29页，2023年，2月20日，星期一二、纯金属的结晶过程纯金属的结晶包括两个基本过程：形成晶核和晶粒长大。（1）晶核的形成自发形核：过冷条件下，液态金属内自行产生晶核非自发形核：在液态金属中，外加细小的高熔点物质（2）晶核的长大晶粒呈平面状长大（纯金属，且过冷度很小）晶粒呈树枝状长大（生产中常见）

《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第5页，共29页，2023年，2月20日，星期一三、金属结晶后的晶粒大小

1.晶粒大小和金属性能的关系晶粒的大小，习惯上使用单位截面积内晶粒的平均直径来表示，分为10级。实践表明，细化晶粒能使材料的强度、硬度，塑性、韧性等均得到提高（细晶强化），是生产中提高金属材料力学性能的有效方法。

2.细化晶粒的常用方法P39

（1）提高过冷度，增加形核率；（2）采用变质处理；（3）结晶时附加振动。

《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第6页，共29页，2023年，2月20日，星期一第二节合金的结晶合金结晶的过程与纯金属相似，也包括形成晶核和晶粒长大两个基本过程。但合金的结晶一般不是恒温过程，并伴随有相变和组织转变过程。因此，习惯采用合金相图来分析合金的结晶过程。相图——表示金属的相结构和状态随成分和温度（压力）的情况发生变化的示意图，由于合金相图是在平衡状态下建立的，所以也称为平衡状态图。平衡状态——结晶时，过冷度→0，即加热/冷却速度极为缓慢的过程。利用相图，可以清楚地了解不同成分的合金在不同温度下的相组成和组织组成情况，以及在温度转变时可能发生的转变等，因此相图是研究合金的结晶过程的重要工具。

《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第7页，共29页，2023年，2月20日，星期一一、二元合金相图的建立

二元合金相图的建立一般采用热分析方法，即利用合金冷却发生相变时释放出结晶潜热，使冷却曲线出现转折点的特点来建立相图。

1、配制二元合金系；

2、测出各种合金的冷却曲线，找出其特征点（转折点或平台）；

3、画出温度-成分坐标系，标出每种合金的特征点温度；

4、将相同意义的点连接成光滑曲线，得到相图。《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第8页，共29页，2023年，2月20日，星期一二、二元匀晶相图匀晶反应——合金组元在液相和固相下均能无限互溶，结晶时只析出单相固溶体的反应。1.相图分析两个单相区：L、α一个两相区：L+α液相线：acb（液相往固相转变的开始线，在L和L+α相之间）固相线：adb（液相往固相转变的完成线，在L+α和α相之间）《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第9页，共29页，2023年，2月20日，星期一

2.结晶过程分析温度变化组织转变

TO→T1：L

T1→T2

：L+α

T2→T3

：α《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第10页，共29页，2023年，2月20日，星期一

注：在结晶过程中，液相L和固相α的成分并不确定，将随温度发生变化，其中，液相成分随液相线变化：L1→L2→L3

固相成分随固相线变化：α1→α2→α3

思考：结晶完成后，固相α的成分是否均匀？《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶平衡状态下，两相成分将通过原子的扩散来实现成分的均匀。第11页，共29页，2023年，2月20日，星期一

3.杠杆定律在两相区中，合金处于结晶过程中。随着温度的变化，两相的成分和相对量都在不断发生变化，它们之间的相互关系符合杠杆定律。即：其中：

x—某相的成分

Q—某相的重量相对量注：（1）杠杆的支点为温度线与合金总成分线的交点。（2）各相的重量相对量的作用点为该相的成分点。《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第12页，共29页，2023年，2月20日，星期一

4.枝晶偏析

——实际生产中，由于冷速较快，结晶时合金各相成分来不及充分扩散达到均匀化，先析出晶轴部分含高熔点物质较多，后析出的晶粒外层含低熔点物质较多，这种树枝状晶粒内的成分不均匀现象称为枝晶偏析。枝晶偏析的特点：

1、枝晶偏析是晶粒内部的成分不均匀现象（晶内偏析）。

2、冷却速度越快，则原子扩散时间越少，偏析越大。危害：成分偏析会导致材料的性能下降。消除：采用扩散退火(均匀化退火)，将材料加热到低于固相线100-200℃，长时间保温，使原子扩散，达到成分均匀。《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第13页，共29页，2023年，2月20日，星期一三、共晶相图共晶反应——恒温条件下，由一个液相生成两个固相的结晶转变。

LE←→αM+βN(该温度下三相共存)1.共晶相图分析：液相线：AEB固相线：AMENB

三个单相区：L、α、β三个两相区：L+α、L+β、α+β

一个三相共存线：MEN

二个溶解度线：沿MF线，α相中溶解Sn的量降低，α→βⅡ沿NG线，β相中溶解Pb的量降低，β→αⅡ

固态下原子扩散能力有限，析出的二次相不易长大，呈细小的颗粒状弥散分布在固溶体基体上，阻碍位错运动，使材料的σ，HR提高

——析出强化/弥散强化《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第14页，共29页，2023年，2月20日，星期一2.结晶过程分析（Ⅰ）CSn﹤19%温度变化组织转变TO→T1：LT1→T2：L+αT2→T3：αT3→T4：α+βⅡ《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第15页，共29页，2023年，2月20日，星期一（Ⅱ）CSn=61.9%（共晶成分）温度变化组织转变

TO→T1：LT1→T1’：L+α+βT1’→T2

：（α+β）注：共晶反应L→α+β的产物为α相和β相交错的片层状机械混合物，用(α+β)用表示。

《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第16页，共29页，2023年，2月20日，星期一（Ⅲ）19%﹤CSn

﹤61.9%（亚共晶成分）温度变化组织转变TO→T1：LT1→T2：L+αT2→T2’：（α+β）+α

T2’→T3：（α+β）+α+βⅡ

《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第17页，共29页，2023年，2月20日，星期一（Ⅳ）61.9%﹤CSn

﹤97.5%（过共晶成分）温度变化组织转变TO→T1：LT1→T2：L+βT2→T2’：（α+β）+β

T2’→T3：（α+β）+β+αⅡ

《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第18页，共29页，2023年，2月20日，星期一共晶相图的相组成物及组织组成物比较：按相组成物填写的共晶相图按组织组成物填写的共晶相图《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第19页，共29页，2023年，2月20日，星期一

3、杠杆定律计算实例比较：①在室温下，含Sn量为C，C＜19%时：相组成为：α+β组织组成为：α+βⅡ

按相组成物填写的共晶相图按组织组成物填写的共晶相图《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶CC第20页，共29页，2023年，2月20日，星期一

②在室温下，含Sn量为C，19%＜C＜61.9%：相组成为：α+β组织组成为：α+βⅡ+（α+β）

不能计算

（注意：杠杆定律只适用于两相区或两种组织组成区！）

按相组成物填写的共晶相图按组织组成物填写的共晶相图《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶CC第21页，共29页，2023年，2月20日，星期一

③在略低于183℃时（即共晶转变刚结束），含Sn量为C，19%＜C＜61.9%：相组成为：α+β组织组成为：α+（α+β）

按相组成物填写的共晶相图按组织组成物填写的共晶相图《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶CC第22页，共29页，2023年，2月20日，星期一四、包晶相图（介绍）包晶反应——恒温条件下，由一个液相和一个固相生成另一个固相的结晶转变。

Ld+

αc←→βe(该温度下三相共存)《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第23页，共29页，2023年，2月20日，星期一五、共析相图共析反应——恒温条件下，由一个固相生成两个固相的结晶转变。

γe←→

αc+βd《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第24页，共29页，2023年，2月20日，星期一分析：铁碳相图上具有哪些结晶反应？《工程材料及应用》第三章

金属与合金的结晶第25页，共29页，2023年，2月20日，星期一六、密度偏析（比重偏析）

——合金在结晶过程中，如结晶析出的固态晶体密度与剩余液相的密度相差较大，析出的晶体就会在液体中上浮或下沉，从而导致凝固后合金的上、下部分成分不一致。如下图：Pb-Sb（铅-锑）合金（轴承合金）中析出富Sb的β相，密度较小，在液态金属中上浮。危害：造成整个材料各部分成分不均匀，性能差异较大，影响使用和加工。消除：（不能采用热处理）

1、提高冷却速度（同时考虑枝析）

2、搅拌（机械、电磁）《工程材料及应用》第三章

金属与合金的