冶金文档金属的结晶与二元金相图

第三章金属的结晶与二元金相图金属材料的获得一般都是要经过对矿产原料的熔炼、除渣、浇铸等作业后，再凝固成铸锭或细粉。并通过各种热加工和冷加工获取成材或制件。由液态冷凝成固态是一个重要环节。金属材料通常都是多晶体材料，所以金属由液态冷凝成固态的过程也是一种结晶过程。所谓结晶就是指晶体材料的凝固。结晶之后得到的金属材料显微组织称为铸态组织。铸态的显微组织决定着铸态材料的使用性能和加工工艺性能。掌握结晶规律可以帮助我们有效地控制金属的凝固条件，从而获得性能优良的金属材料。第一节金属结晶的基础知识液态金属的冷却过程可以用热分析法测出的冷却曲线(温度-时间关系曲线)来表述，见图3-1。从曲线上可以明显地见到结晶开始和结晶结束的温度。对于纯金属在结晶过程中保持恒温。也就是说纯金属的结晶温度为某一温度值。但是，对一个合金系来说，除个别成分的合金同纯金属一样有一个结晶温度之外，多数合金的结晶开始温度与结束温度是两个温度值。即结晶温度是一个温度区间。而这个温度区间的大小与合金的化学成分比有直接的关系。在测定冷却曲线时，人们发现，液态金属的冷却速度会影响结晶的开始和结束温度。当冷却速度非常慢(平衡态冷却速度)时，对于成分一定的金属都有一个固定的结晶温度或结晶温度区间。当冷却速度时增大时，则结晶温度或结晶温度区间通常都要下降，而且下降的量随冷却速度加大而增加。一、结晶的温度与过冷现象在图3-1中虚线是以平衡状态的冷却速度(Vm)冷却(冷速极慢)的金属冷却曲线。实线是在某一实际冷却速度(V1)冷却的金属冷却曲线。V1〉Vm。图中T1是纯金属在冷速V1是的实际结晶温度。Tms、Tmf分别是合金在平衡状态下的结晶开始温度和结晶结束温度。T1s、T1f分别是V1冷速下合金的实际结晶开始温度和结晶结束温度。理论结晶温度与实际结晶温度之差成为过冷度(△T)。对于纯金属其过冷度△T=Tm-T1。金属的结晶都是在达到一定过冷度后才进行的，这中现象称过冷现象。金属结晶中的过冷度大小主要取决于金属液的冷却速度和金属液中杂质的含量。冷速愈大，金属纯度愈高，过冷度也愈大。

纯金属结晶是在恒温下完成的。即冷却曲线中有一个平台。这是因为纯金属结晶会释放出“潜热”。而着潜热刚好弥补了金属液再冷却过程中向周围环境散发的热量。从而使结晶过程处于一个温度的动平衡状态。(实际上，对于纯金属其冷却曲线出现平台之前，还有一个相应的过冷现象，它为开始结晶提供足够的动力。一旦结晶开始释放潜热，温度才回升到结晶温度平台上)。当结晶结束，潜热释放也就结束，凝固了的金属随着向环境不断散热，温度又逐渐下降。对于合金(除固定成分外)，在结晶过程虽然也释放潜热，但达不到温度的平衡，仅能使结晶过程中冷速变慢，并不出现温度平台。即结晶过程不是在恒温下进行，而是在一个温度区间中完成。液态金属冷却到结晶开始温度为什么会出现液态固相的转变呢？这是有物质自由能状态函数决定的。达到了结晶开始温度，同种化学成分金属其固态的自由能就开始低于液态的，由于物质在通常条件下都是自动朝自由能低的方向转变，而且这个自由能差愈大，其转变也愈快。可见自由能差是液固转变的推动力。也就是说自由能是金属结晶的动力学条件。而自由能差是液固转变的推动力。而自由能差的大小又取决于过冷度的大小。显然，过冷度也就是金属结晶的动力学条件。金属的结晶过程是原子由不规则排列向规则排列的变化过程。这是需要原子进行迁移和扩散。一定的结晶温度就可以保证原子必要的运动、保证足够的扩散能力。足够的温度是完成结晶过程的热力学条件。

只有当动力学条件与热力学条件都得到保证金属就会顺利的结晶。两者缺一不可。例如：只有热力学条件而没有动力学条件金属不能凝固结晶；若只有动力学条件而没有热力学条件金属虽然可以凝固但不能结晶。若金属液的冷却速度非常大，使过冷度极大，原子来不及扩散就会出现非晶金属。目前，在工业上已据此制造出了非晶金属微粉和箔。

二．金属的结晶(一)金属结晶的一般过程小体积的液态金属其结晶过程，见图3-2。当液态金属的温度降到一定的过冷度之后，在液态金属中就开始出现一些极细小的固相小晶体，这就是晶核。晶核不断地从周围的液态金属中吸附原子使之不断长大。在一些晶核长大的同时，还会有新的晶核不断产生和长大，直到全部液态金属都凝固。每一个晶核都长大成为一个晶粒。最后便形成了有许多晶粒组成的金属多晶体。这些晶粒有不规则的外形、晶格位向也各异。可见，金属结晶的过程包括成核和长大两个基本过程，而且，这两个过程同时进行。(二)晶核的形成晶核的形成分为均匀(自发)成核和非均匀成核。在均匀的液态母相中自发地形成新相晶核的过程叫均匀成核，也成自发成核。在液态母相随时都存在着瞬时近程有序的原子集团(即结构起伏)。这种原子集团在没有降到结晶温度之下时是不稳定的，时生时溶。而当有了一定的过冷度时，某些进程有序原子集团的尺寸一旦不小于该温度下的临界晶核尺寸就会稳定下来,成为新生固相的晶核。临界晶核尺寸是随着过冷度减小而增大的。若过冷度为零，则临界晶核尺寸为无穷大，即不能自发成核。相反，过冷度愈大，自发成核的临界晶核尺寸愈小。也就是说，随着过冷度的增加液相中自发成核所需的近程有序原子集团的尺寸也愈小。这意味着过冷度愈大愈易自发形成晶核。在实际金属熔液中总是存在某些未溶的杂质粒子，这些固态离子表面及铸型壁等现成的界面都会成为液态金属结晶时的自然晶核。凡是依附于母相中某些现成界面而成核的过程都称为非均匀成核(非自发成核)。非均匀成核所需的过冷度比均匀成核的小的多。现成界面的状态(表面能、浸润角、曲率半径、晶格位向等)影响着非均匀成核的能力。均匀成核与非均匀成核在金属结晶中是同时存在的。非均匀成核在实际生产中比均匀成核更重要。母相在给定的条件下产生晶核的能力可用成核率(N)来表示。成核率是指在单位时间和单位体积内所形成的晶核数目。成核率愈大，结晶后晶体中的晶粒愈细小。

(三)晶核的长大晶核长大的实质就是晶核的固体界面向母相内不断的推进。所需的原子由母相不断地提供，通过原子本身的迁移和扩散来完成。晶核长大的能力可用晶核长大线速度G来表示，简称为长大率。长大率是指单位时间晶核界面向母相中推进的距离。在结晶这种液固相变中，母相指的就是液相。在以后将要讲的固态相变中母相是指原来的相。晶核长大的方式的分类(两类)另一类是绝大多数的纯金属及合金都是以树枝状的枝晶形式长大。枝晶长大是金属结晶的普遍方式。这是由于金属结晶时液态母相都是处于过冷状态，具有负的温度梯度。一类是非金属晶体、少量纯金属和金属化合物(如：Si、Ge、Sb、CuAl2、Cu2Sb等)是以“生长台阶”形式长大。液态晶核长大过程中晶核上的凸出部分(如：棱、尖角)都具有散热优势，将优先长大，形成象树枝生长一样，先长出干枝称为一次晶轴。在一次晶轴变粗变长的同时，在其侧面的凸出部位或晶体缺陷部位又会长出分枝称为二次晶轴，随着时间的推移，二次晶轴的见的空隙也都被填满。最后每个晶核都长大，形成一个是树枝状的晶粒——枝晶，如图3-3。金属晶体就是有这些晶粒组成。因为金属是不透明的，且晶粒又很小，所以平常难以用眼睛直接看到枝晶。但是，在某些特殊的情况下也是可以看到的。如镀锌钢板表面上的锌晶粒花纹以及水结晶成雪花等都是枝晶生长的可见实例。(四)金属结晶后的晶粒大小晶粒的大小通常是指以晶粒度来表示。而晶粒度又是以单位界面内晶粒数目的多少来划分和标定的。通常是晶粒愈小材料强度、塑性愈好。纯铁的晶粒大小与力学性能的关系见3-1。通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。晶粒大小对材料的物理化学性能也有明显的影响。如：硅钢片中晶粒愈大磁滞损耗愈少耐蚀不锈钢中晶粒愈大耐腐蚀性愈好。可见，按照材料的不同用途和种类应合理的控制其晶粒大小。这就需要我们了解一些金属结晶时影响晶粒大小的因素。金属结晶时的成核率N和长大率G与结晶后的晶粒大小有密切关系。而成核率与长大率又与过冷度有直接关系，见图3-4。从图上可见，随过冷度的增加，N与G均增加，但成核率N的增加速度更快些。单位面积内的晶粒数Zs与成核率和长大率G有如下的经验关系式Zs=1.1√N/G显然，加大过冷度会使Zs增加，即增加过冷度会使结晶后的晶粒变小。结晶时的过冷度主要取决与液体的冷却速度，因此，结晶时冷却速度越大，得到的晶粒也越小。从公式中，可以看出，凡是能使成核率N增加和使长大率G减小的因素都能促进晶粒细化。增加冷却速度可以细化晶粒，但是，同时使结晶时的铸造应力增加。另外，对于大体积的铸锭与铸件提高冷速是困难的。团此，在实际铸造生产中往往采用“变质处理”，即在浇注之前向金属液中加入某些物质(变质剂)来促进晶粒细化。变质剂主要有两大类型。其一是，变质剂作为非均匀成核的晶核(人工晶核)，从而通过增加成核率来细化晶粒。如：向钢中加Ti、Zr、B、Al；向铸铁中加St、Ca等。另一是，变质剂作为长大率的阻碍物，通过降低长大速度来细化晶粒。如：在铝硅合金中加入一些钠盐的变质处理就是通过钠来降低硅的长大速度来细化硅的晶粒。在生产工艺中，有时还采用振动的手段造成枝晶碎断，则各个枝晶碎块都可以变成一个新的晶核，从而也会使结晶后的晶粒细化。三、金属铸锭的铸态组织及缺陷在工业生产中，金属结晶主要涉及五个方面的应用。铸锭、铸件、金属粉、焊接、热浸镀层。金属凝固结晶后的组织统称铸态组织。下面以铸锭为例介绍铸态组织。铸锭是各种金属材料成材的毛坯。通过对铸锭的热轧等塑性变形可制成各种规格的型材、板材、棒材等供人们使用。铸锭的铸态组织是指其晶粒的形态、大小、取向及缺陷(如：疏松、夹杂、气孔等)和界面的形貌等。由于浇注在铸模型腔中的液态金属的冷却速度、体积的大小、化学成分及变质剂等的不同，铸锭可以有三种典型的晶粒形态，见图3－5。其中a图是全部较细的等轴晶粒。b图是全部柱状晶粒。C图是最常见的铸锭晶粒情况，表层(接触铸模型腔部分)是薄薄的一层细小等轴晶粒，称为表层细晶区接着是一层柱状晶，称为柱状晶区。中心区域是较粗大的等轴晶，称为中心等轴晶区。所谓等轴晶是指晶粒在各方向上的尺寸相差较小的晶粒。而柱状晶是指某一方向上的尺寸远大于其它方向上的尺寸的长晶粒。经试验发现，柱状晶的长度和等轴晶的尺寸主要取决于浇注温度和合金元素。如；随浇注温度升高柱状晶长度增加，等轴晶粒尺寸增大；合金元素含量增加可使柱状晶长度减短，等轴晶粒尺寸减小。表层细晶区是由于模壁附近散热速度快，并且散热没有突出的优势方向及模壁处两种成核率都很高等结晶条件所造成的。此层组织致密，力学性能很好，但由于此层很薄，对整个铸锭性能影响不大。当表层细晶区形成后，模壁的温度也随之升高，细晶区前面的液体散热能力下降，过冷度也下降。但是在各方向上散热能力的下降是不同的。垂直于模壁的方向显出散热优势，有利于晶粒逆着传热方向不断地向液相区生长。而在平行模壁方向散热能力较差，并且晶粒径向仅能长大较短距离相邻晶粒就互相接触，停止生长。因此在细晶区形成后，接着形成了一个柱状晶区。柱状晶区金属较致密，沿柱状晶轴向强度很高，但近于平行的柱状晶晶粒之间的径向结合强度却较低。柱状晶区有明显的各向异性。当对铸锭进行塑性变形时住状晶区易出现晶间开裂。另外，当不同方位上的柱状晶区相遇时，会产生一个往状晶区的交界。此处的杂质、气泡、缩松等较多，成为铸锭的脆弱结合面。当铸锭接受塑性变形时此处也易开裂。因此，除塑性极好的一些有色金属的铸锭外，并不希望获得柱状晶区。在铸造工艺上，常采用振动方法来破坏柱状晶区的形成和长大，也常采用变质处理来阻碍柱状晶长大，并促进中心等轴晶区的扩大来减少柱状晶区。另外，避免金属液过热浇注也会防止柱状晶区过大。当柱状晶晒向液相中圆生长到一刘定深度后来，垂直于千模壁方向唤的散热优征热将不再纪明显。尤诉其是当已充凝固区随盘温度下降捡而使体积胆收缩与模努壁之间出宇现间隙时图传热速度梢降低，剩趴余液相金甚属的冷却坑速度也会弄进一步降叙低，温度屿梯度减小聪，趋于均狠匀冷却，堡柱状晶的绕生长将会短变慢。此凶时剩余液驳体中也会膛有一些新流晶粒的形芽成并长大躁。因无散激热优势方听向，新晶券粒将会长灯成等轴晶照粒。又因络剩余液体滨散热慢，获过冷度较败小．产生线的自发晶劣核数量有路限，故晶株粒长得较搭大(但若疯有非自发泥晶核存在攻，晶粒不撇会长得很枣大)。从柱而在相邻得柱状晶区失的铸锭心逼部地区形倾成一个晶参粒较粗的稿等轴晶区启。由于此治区是最后屋凝固的，可因此，一关些低熔点粒的杂质或坡合金元素写可能偏多托些，以及驴液体补充帽不足而出辈现中心偏新析及疏松兄。但此晶区滥晶粒之间匪是犬牙交冷错的结合踏在一起，赔当铸锭受涝到塑性变记形时不会英象柱状晶欲区那样易君产生沿晶昆界的开裂咱。对于钢佛锭来说，罚一般是希轻望等轴晶胖区愈大愈捐好。综上聋所述，铸全锭的铸造千组织是不杯均匀的，淘也比较粗唐大，且有南许多铸造伐缺陷存在浅。具体的仓铸造组织早是由合金供的化学成响分和浇注拣条件等因鸡素来决定蛛的。当化喝学成分一稿定时，浇围注条件极卧为重要。隙通常情况侍下，提高淡浇注温度颈、加快冷惜却速度或举采用定向搭冷却散热衣方法，并达减少液体渡中产生非汪自发晶核走等条件则炭有利于柱臂状晶区的赢形成和扩赚展。相反漫，有利于广等轴晶区剪的形成和仿扩展。甚材至可以根等据工作的绍需要，制爷成纯柱状暂晶铸锭和扎纯等轴晶赚铸锭。第二节拍合在金结晶泊与二元威合金相越图合金结晶列的基本规蝇律与纯金谅属的结晶活基本相同虎，也是在护一定过冷渠度下成核泪和长大来因完成结晶矛的。但是刘，其结晶碍过程更复枕杂，得到摆的组织可抛以是单相支或是多相萝，既可是微纯固溶体炮也可是化敢合物或两晌相组成的抚机械混合川物。而具幕体成分的炕合金显微违组织可能哪是其中的挤一个相或纲一个基本烘组织，也况可能是多破个相及基搜本组织的夕组合。而烂且在不同暴温度下，鸟同一化学朋成分合金于的显微组环织也可能浙不同。对均如此复杂炸的情况，回只用冷却潮曲线或语拦言简单叙扁述是很不阳方便的。羞因此，出短现了用相旺图这种形状式来表述遣合金的结瞒晶及冷却终的相变状减况。相图是嚼在平衡态下测画出剑来的。因椒此也称合翅金的平衡乳状态图。养相图是表挂示在平衡观状态下合占金的化学成分、相、组织与温度的关系图摧。由于受伙到几何表茎述的限制个，虽然合扭金系中的雨组元可以筐是多个，萄但是，只么能测画出册二元合金朴的二元相臣图和三元颜合金的三宿元相图，休三元以上仁的合金通弹常是不能堵直接用相稳图来表述芝。即使三常元合金的犹相图也是滩很复杂的项。本书只匠介绍二元读合金相图既。一、二某元合金屠相图的断测画在每个木二元合戒金系中途都有无硬数个不薯同化学旧成分比善例的合壮金。每楚一个具且体成分倒合金都叉可以用皇热分析扒法测定架出它的铲冷却曲歼线。将冶这些冷卧却曲线膝上的相动转变点流都转画等到一个肺以温度尝为纵轴冒，化学碰成分为剖横轴的巩坐标中馒相对应哄的点上软，则这返些相变铺点所形置成的各驶条曲线盛就构成被了一个铁二元合锐金系的皱相图。实际上浇测画一公个合金麻系的相档图时，怒只需精驳确地测辜定这个扰合金系咏中一些桶有代表棵性的合皮金冷却燃曲线。告再在温扬度——析化学成俊分的坐梨标上将隐相同意笔义的相丽变点所迷对应的浇点用平织滑曲线蜜连接起辅来就了塘这个合宝金系的美相图。蓄在相图互上将各正个交点却标出字丈符，将丈各个相园区内填代上相应舟的相或萄基本组旷织的代吗号就得羊到了一漆张完整谜的相图妇了。下宽面以N永i-C倘u二元业合金为词例，示弱意二元收相图的令测画方僻法，见图3－6。若某些相过变点用热惕分析法很颤难测准，蜘可以采用症X光衍射炎法、金相说法、膨胀顶法等来测管定核实。佳有些合金尺系的相图观就是一种味典型的基刑本相图。宿如：匀晶熄相图、共玻晶相图、简包晶相图敌等等。而仗更多的合松金系的相跪图是很复肆杂的。但愈也都是由树这些基本怕相图组合秧而成的。挠下面我们码分别介绍见一下常见钓的基本相定图。二、二虏元合金蜡相图基孕本类型蹲及合金批的结晶腹过程(一)匀晶相提图——产生单一固溶体膊相的合彼金相图对于合加金组元垄在液相蜡和固相降下均能撇无限互逆溶，结放晶时只划结晶出婆单相固枣溶体组恒织，这闭种合金吓系的相忧图就是驴典型的民勾晶相虽图。如诞：An食－As使、Ni析－Cu纹、Fe壤－Cr杰、W－壤Mo等涂二元合三金系的省相图。染都是匀孩晶相图距。1．匀晶姨相图分析繁及合金的随结晶过程以Cu缸－Ni郑合金为针例，见图3－眠7，图中A宏点是纯铜市的熔点(场1083C)；B信点是纯镍萌的熔点(汁1452C)；A妄L3L2L1B曲线坡是液相势开始结茧晶的温锣度线，评称为液相线，在其软线以上诉的区域愤合金系迎全部是旱呈液相星L状态齐，称为敞液相区科。A321B曲线乒是液相独全部结唉晶结束江的温度肉线，称呀为固相线；在其递线以下粉的区域辟合金系榆全部结战晶成同向一种均巡寿匀的固萍溶体相，此区托称为固朽相区。加在液相然线与团披相线围授成的区丝式域内是听液相与粉团相共列存的区夫域(L撕十)，称为述两相区。铜与镍两通组元组成阳的二元合勒金在固态援下是无限伪固溶的，梨所以，任佳何成分比期例都结晶内成单相固刺溶体。由需液相直接久结晶成单论相固溶体踢的结晶转泳变称为匀押晶转变。觉在Cu－砌Ni合金缠系中，除落纯Cu和堆纯Ni的功结晶是纯客金属的结纲晶，其结头晶温度是斗一个点之妻外，其它粒任一个合锋金的结晶琴都是在一树个相应的椅温度区间六内完成结手晶的。虽姑然温度区醉间的大小弄和温度的俭高低不同贞，但结晶茂规律是相励同的。下榆面以Ni彩质量分数自为20%金开的Cu临-Ni合著金为例阐堤述其结晶揉过程。从图3－贩7上可见，炉WNi=20%芦的合金化蚀学成分垂持线与液相径线相交于盲L1，与固相太线相交于3当该合俩金由液他相缓慢挡冷却(伴平衡状做态)至建t1温度时，抽由液相中用开始结晶镜出相。随着吨温度的不姥断降低相比例哈不断增葬加，剩矛余液相姿的比例鼠不断减处少直至哄到t3温度，液对相L全部警结晶成以相。在终温度由旱t1降到t3的结晶转菜变过程中瞒，不仅L剂与两相所占失的比例不侵断变化，碑而且L和两相的汪化学成燃分，通尸过原子袜扩散也命不断地震变化。片在t1时，结晶底出来的相的化学方成分为几腐点所对应践的成分(颂含Ni高章于合金成垃分)，剩旦余液相的呆化学成分为L1点所对应间的成分。在t1、t3温度时相的化胶学成分啦分别为2，3点对应亡的成分畅。而剩枯余液相作的化学灿成分分烤别为L2、L3点对应的守成分。这闷就是说，乌在不同温者度下刚刚聪结晶出来资的固相的化学成戴分是不相岁同的，其秆变化规律努是沿着固疮相线变化里。与此同助时剩余液看相的化学园成分也相左应地沿着娘液相线变尘化。但是冈，由于冷冬却速度很牧慢(平衡烫态)，又尤处在足够坝高的温度象下，所以让，当结晶批结束时，妻无论是先磨结晶的目臣相，还是零后结晶出瓣来的相，其鲁化学成颤分都将岗通过原副子足够缺长时间踢的扩散狗而趋平赤均匀相救同。并气且相的晶粒瞧通常都是拌不规则的德多面体状族，称等轴统晶粒。2.枝晶灵偏析由前述可漠知不同温究度下结晶愿出来的相成分师是不同源的，温巷度高时猪结晶出讨来的相含熔在点高的斧镍元素鸡多，温跨度低时躁结晶的相含镍订少。由功于在实外际生产删中冷却委速度较富快(不谁能保证摸平衡态梁)，原苏子扩散筐迁移滞透后于结纤晶，相化学觉成分的疾均匀性元得不到串保证。胃这时就涂会出现关在一个世晶粒内容，各处连成分的迟不均匀约现象。宏称为晶内偏析。因为相是以疑枝晶方筝式结晶蜜，先形秃成的主尿干和后合形成的睡支干就遍会有化炊学成分帮之差，疑所以也骄称枝晶轧偏析，合见图3－仰8。在Cu宇Ni合筑金枝晶野偏析中累，白色键区域是赛先结晶薯的部分抚，镍的垂质量分添数高于罪合金成伐分，黑精色区域炭是后结蓬晶的部条分，铜品的质量废分数高古于合金馆成分。枝晶偏析惨会降低合傅金的力学赤性能(尤浓其是塑性问和韧性)柴和工艺性扑能。对于杜有枝晶偏堤析的铸锭饥和铸件可棚采用在低协于固相线菊100C～20描0C的温度等下进行较怒长时间的私加热，通予过原子的界相互扩散左而使成分斑趋于均匀炮，消除枝株晶偏析。细这种热处邮理方法称镇为均匀化退干火，也称扩散退火。3.杠杆吉定律在相图扣的两相谨区中，溜随着温卫度的变抄化两个灯相的化到学成分鸟和两相孕的相对淹含量都嘉在变化羡。两个教相的化摧学成分骡变化是奖沿着其悄相应的莲相线变笼化。在悠给定的筹温度下旨，作一有条平行南于横轴沉的直线观，与相陷应的相传线交点怒所对应包的化学犁成分就决是相应胸相的化以学成分诉。但是枯。在一尘定温度刘下两个屯相的相免对含量优如何确羽定呢？洞相的相嚼对含量宅可用杠杆定映律来确定忽。见图3－添9。值得说柳明的是五杠杆定雅律虽然厅是从匀含晶相图时上的液深固两相谊区推导旬出来的校，但它感们可以共适用于任何二元相既图的任虫何一个员两相区返中相的卸相对质捎量百分促数的计店算。固统态相变怕的两相殊区也适需用。(二)共晶相图—具有两相机械混合秩物的合金饱相图在二元合醒金系中，点组元在液琴相无限互判溶，在固帅相有限互框溶，并且关在结晶过茅程中，以沿共晶转变临为主的相恼图就是共徐晶相图。过如AI－Si、Pb－－Sb、Pb－Sn、Ag－Cu等合金飞系在结刷晶时都寨是以共彼晶转变镇为主。殖这些合诱金系的迅相图都糖是比较殃典型的醉共晶相座图。所谓的蓄共晶转杨变是指轮令全系另中某一趁定化学正成分的告合金在怖一定的门温度下旨(恒温龙)，同感时由液限相中结辰晶出两绸种不同交成分和肃不同晶甜体结构侍的固相附。同时结费晶出来雨的两种酿固相机罪械的混馋合在一涌起，形啦成有固遣定化学胡成分的宣基本组倾织，被衫统称为莫共晶体最。1．相图凯分析以Pb鞠－Sn珠合金系吧为例，唤见图3－1雹0。Pb逗－Sn头相图是拜以共晶淋型转变终为主要悬结晶方沫式的相绵图，在点靠近组咐元两端构各有一罢个有限乏固溶的琴匀晶型堡结晶区烟域。Pb与S屡n都能形慨成有限固煌溶体。其判中以Pb焦为溶剂，言Sn为溶便质形成α废固溶体。页Sn在P锦b中最大穿溶解度为邀F点，其嚼锡的质量症分数WSn为19%著，而以S晌n为溶剂坊Pb为溶补质则形成汉β固溶体疮。Pb在阔Sn中最让大溶解度以为G点，币其铅的质冈量分数WPb为2.讽5%。抚固溶体犬α与β峡的液相冲线相交辫于E点旬。E点移被称为共晶点。即在1欣83℃，耳当化学成杂分中Sn杜的质量分灶数为61倾.9%时机则发生共型晶转变。疏共晶转变柿的两相机劳械混合物妇，称为共晶体，是一屠种有固催定化学犯成分(WSn=61至.9%君)的基填本组织。A点为P奥b的熔点塞(327船.5ºC法)，B点汤是Sn的牲熔点(2咳31.9毅ºC)，妻AEB线垫是液相线理，AFE狮GB线是予固相线，刚直线段象FEG是妹共晶线，网温度是1舒83ºC岭。此线所疯对应的合委金，除E以点成分的碎液相全部匀发生共晶起转变外，爬其它成分执的合金也阅有部分液江体在18骑3ºC时丝式发生共晶怪转变。因捏为它们先律结晶出固烦溶体α或飘β后，剩锁余液体的佳化学成分予随温度下圣降，沿液信相线变化银，当到1状83ºC姓时，剩余阿液体的化剪学成分也辞都达到共悲晶转变的惯成分(E扩点的成分锹)，于是三剩余液体喉发生共晶野转变成共扇晶体。FC是屑α固溶截体溶解胁度随温够度变化升曲线，劣即Sn峰在Pb色中溶解握度变化件曲线，慰称α固斥溶体溶降解度曲垂线。G榴D是β冠固溶体县溶解度注线。在Pb－哭Sn相图仓中，单相抢区有三个谈，它们是蔑L、α、昏β；两相助区也有三责个L十忧α，L十兵β，α十六β；三相仅共存区有法一个，即偶共晶线F刺EG。在碰共晶转变流过程中瞒L、α、宪β三相可佳以同时存免在。2.典型遍合金的结劳晶过程对于具殊有共晶摔相图的胖合金系坟，根据局其结晶很的特点虑不同，央可分为击三种类势型合金加：对应产共晶成杨分的合付金称共晶合金；闲化学成既分低于粒或高于辽共晶成判分的分刷别称亚共晶合金或过共晶合金；礼没有共篇晶转变轰而只有穷固溶体这匀晶转常变的合屋金称固扭溶体合行金。在Pb－Sn合金系棵中，WSn=61%．是共乏晶合金它；WSn＜19%是固溶资体合金浓；WSn＞9%是β固溶体异合金；WSn＞19%见是亚共深晶合金；61.9%＜WSn<97.5%是过共秆晶合金粘。在图3-1方0中合金M(WSn=61.居5%)、合似金K(WSn＝28%)、合金y(WSn=12进%)，分技别代表勒着共晶症合金、供亚共晶盗合金、订固溶体国合金。威这三种步典型合肆金的结塔晶过程法，见图3－11。当液相(胞L)冷却潮到液相线夹时(S1)，开位始由液习相中成魂核结晶贺出固溶体相取。当冷到离固溶线时派(S3)，液状相全部据结晶成固溶体，衫这与前述酒的匀晶转罗变是相同婶的。当固溶体冷到溶解晓度线时(楼S4)，由咽于Sn蚁在Pb虚中溶解攀度的毛下降辈，开始图以β固精溶体形朱式析出情多余的我Sn，呀此时析鹅出的β盼由于不趋是直接非从液相侄中结晶荒出来的院，称为康二次固哗溶体。堆尽管其传化学成那分和晶荣格结构弟与直接隔从液相鸭中结晶堵出来的浮β相在砍同样温饱度下是肢完全一闻样的，裤但其形堤态和分锐布有所弊不同，惨对材料炼性能影耕响也有欧所不同倘，故加它以下标Ⅱ以示区别汇。墓一直冷牢到室温下扰，合金N氧的显微组钳织是十βⅡ，βⅡ的相对蔬含量随旧固溶体引合金成病分中锡萄的质量蒸分数减汉少而减漆少。当WSn2%(C鉴点)时，械βⅡ的含量骄为零。足即Sn需含量不探大于C长点的固溶体敞合金，皮室温时遗的显微稀组织是沈单相固溶体摸。对以S塑n为溶咽剂Pb校为溶质栏的β固背溶体合带金，其伴结晶冷史却过程犹与固溶体合箱金的相似障。其室温害组织为β聚十Ⅱ。(1)券固溶体糖合金N银的结晶剑过程当合金义成分为臭M的合铅金冷却历到液相套线E点市时发生作共晶转翻变。同死时结晶外出来的F和βG两相机业械混合例在一起亚成为共改晶体。当温度低揪于183C直到振室温，狐共晶体绞中两个鸽固溶体愚相分别谱析出β巴十Ⅱ，并与共失晶体中原宇来的相和β萌相混合煮在一起班，仍保配持一个茅有M成捧分的共佳晶体整固体，只览是共晶督体内的相和β合相的化笔学成分圈降到室既温时的申溶解度盾成分。秒室温时碰固溶体辛可不用体角标来征表明成泉分含量达。所以河共晶合桥金的室筒温组织枝可写成输(十β)还。(2)共行晶合金M纱的结晶过痛程:当K合金泉冷却到液认相线时(瓣S2)，开佳始由液矛相中结扇晶处α宰固溶体稳，记为凝α1；称为奔一次固星溶体。荐在冷到惧固相线吗之前是管两相共其存，只自是α1的相对宰含量不翻断增加录，L剩不断减少库，并且L剩中的S嚼n质量蹈分数沿仆液相线棕不断增弹加。当剩余液泡相冷到固盆相线(1干83C)时搅，其S等n质量盒分数达匠到E点钻的成分殖。这时笑剩余的仆液相将荣全部发稼生共晶叨转变成呈为共晶让体。测这时合提金K的扔液相已储全部结染晶完了喉。其显宋微组织众是。α1十(αF十βG)E。当温度竹降到1田83C以下直虫至室温时伯，固溶体的α1按固溶棍体合金惭冷却规朝律冷却蛾。而共伏晶体按谅共晶合闻金的冷或却规律允冷却。殊所以，指亚共晶漏合金在钻室温时彩显微组欺织是α驻十βⅡ+(a十斑β)。对疏于过共晶粮合金的结着晶冷却过视程与亚共索晶合金的渗结晶冷却暂过程是相毕似的。过惯共晶合金逆在室温下汉的显微组疤织是β十Ⅱ+(a十蒸β)。(3)亚论共晶合金法K的结晶笼过程：在合金节的显微惭组织中逗，基本铁相被称联为合金殊的相组成物。嘉如：Pb悲－Sn合专金中的和β两种拦固溶体。洞而由基本径相组成的针单相组织饲和共晶体察等基本组弟织被称为伪合金的组织组成物。醒如：Pb救－Sn合竞金中的亚御共晶合金绩的组织组模成物是、βⅡ、(＋β)。怎而过共晶蝇合金的组放织组成物盼是β、Ⅱ、(十β)。夺共晶合金捷的组织组匆成物是（＋β)己。固溶舱体合金袋的组织上组成物辩β＋Ⅱ或＋β。在相图中疏除按相组币成物标明神相区外，犯还可以用尼组织组成思物来标明跑各相区。围在显微镜锄下可以看姥到合金的斑组织组成援物。有相赤同相组成抹物的合金节可以有不炭同的组织仍组成物。压其性能也推各不相同来。在Pb政－Sn合锁金系中，薄共晶合金络、亚（或暮过）共晶绕合金中均扎有相同相数组成物、β。镰但却有槽不同的协组织组让成物（婚如前所义述），纯因而性匠能也各银异。3.体荣积质量乓偏析在共晶合捐金系中，碍亚、过共迷晶合金结报晶时，先既结晶出来虽先共晶相能(如：P考b－Sn低合金中Ⅰ或βⅠ相)其体陕积质量与销剩余液相爬不同。如径果冷却速负度很慢，涂就可能出文现先共晶您相的上浮妄或下浮，宇而使整个央铸件上部杆与下部化驾学成分不锣同。这种处由于体积糖质量的原授因而引起搅的铸件成右分偏析称踪蝶为体积质竹量偏析。悦这种偏析佛不同于前帅述的枝晶位(晶内)席偏析。其街偏析不是布在一个晶蝴粒之内，通而是在一走个铸件的沸宏观部位校上出现偏尿析。两组刊元体积质御量差别愈轻大，引起语体积质量搞偏折愈严墨重。合金成分强不同，结吵晶温度区宝间(液固断相线间距逮离)）也钱不同，温钩度区间愈眼大的合金误，固液两岭相共存的俗时间也愈突长，得到扫上浮或下巴浮的时间驾也愈长，痒体积质量扒偏析也愈增严重。冷咳却速度愈很慢也会造畅成同样效谁果。严重体叼积质量禾偏析的伞铸件各轮处的化梢学成分告、显微纸组织不浩同，造渡成力学患性能各皆处也各迫异。这签会降低银铸件的峡使用寿羊命。我肾们不希床望产生拆严重的桃体积质喷量偏析仁。体积注质量偏年析一旦筛产生，丘用热处虹理方法蛇也不能丧消除。广所以，浩多在选狭用合金怎化学成蓄分上和慢合金结洽晶时采轮取各种堵工艺措注施来尽奔量减少玻这种偏晶析。如孤：尽量索选用靠歌近共晶抚点成分昨的合金指以减小兔结晶温令度区间启；结晶仿时冷却璃速度尽雪量快些猪，浇注肚时注意霸搅拌以萄破坏先疼共晶相畅的上浮盯或下沉涌等等工早艺措施妻都是有嫂效的。(三)包晶相扶图——具分有液固两相共同转变成羡为另一固相的矛合金相使图两组元在东液相无限引互溶，在巧固相下有床限固溶，见并在合金彼结晶时以谁包晶转变紫为主的合枯金相图称肆包晶相图搂。所谓包稠晶转变是互指在一定很温度下，贩由一定成乔分的固相暖和一定成匆分的液相惹相互作用洽产生一种钩新固相的飞结晶转变壮。包晶转亡变也是常熟见的一种榆合金结晶贸方式。具评有包晶转央变的合金蓄系有Ag－Sn、Ag－Pt、Cu－Zn、Cu－Sn等。下面以Pt－Ag合金为例启介绍包晶僵相图，见图3－12。1.

相宪图的分析（1）主庭要相变点霸：A点懂为Pt的俯熔点17允72C；B点杂为Ag的委熔点96虚2C；D点存为包晶转报变点(1液186C，WAg＝42.烧4%)；黄C点为包萝晶转变液继相成分点愿(118障6C，WAg＝66平.3%就)；P翻点为A雾g在P芽t中最路大溶解姨度点(搜118坐6C，WAg＝10匪.5%逃)。（2）主亡要相变线武：AC苏B为液相韵线、AP娇DB为固艳相线、P弊E和DF斗分别是A腿g在Pt缩慧中和Pt益在Ag中忌的溶解度寨曲线、P滩DC是包莫晶转变线利。（3）勾相区：酿单相区息L、α例、β；耕两相区趟L十α狂、L＋浊β、β氧十α；驴三相共勇存区是酷PDC户线，它嫁是L、曾α、β果三相共掏存区。2．典型毛合金的结惠晶过程以门合金І、很ІІ、І庭ІІ为例合金І：这是聪具有包堵晶转变辩成分的杨合金。封这种合申金结晶肤过程见图3－1即3a。当温度顺降到1～押D之间从靠液相中结惹晶出Ag塔的质量分付数较低的写一次α固少溶体相。免随温度下甲降α相含晋量增加，泊剩余液相场减少。并基且α相的功银的质量昆分数沿A谨P线变化爆（Ag的辆质量分数腐逐渐增加脖，但始终喂低于合金驳I的银的票质量分数朝），而剩肯余的液相射Ag的质但量分数沿藏AC线变关化（Ag料的质量分咬数也逐渐摔增加，高虾于合金І银的质量眼分数）。虾当降到1贝186C的D柏点时α恼相银的邪质量分这数为1识0.5矛%，剩家余液相掘银的质劳量分数斜为66掉.3%呼。而两非相相对往含量也依可用杠脂杆定律还求出：膏QL=(42捷.4-1炸0.5)么／(66拌.3-1要0.5)吃=57%同，Qα＝43%朱。这时发峡生包晶转恶变。合金І就转变午成单相吸固溶体喷β。这五个转变船过程需父要Ag鲜、Pt棕原子进哄行必要竖的扩散王才能完困成。当用温度进字一步下牧降，β炮固溶体介的溶解细度也下剧降，于澡是将多旨余的P拆t元素您以αⅡ形式析出形来。所以汤合金І在室温下嫂的显微组车织是：在雾β固溶体余相的基体监上弥散地肥分布着粒榆状α固溶棍体相。合金II：结晶冷沉却过程见图3－县13b。当温度邮降到1～肯2点之间夸其结晶情毛况同合金糊I。但是掩，这时的聚剩余液相词的含量QL高于57牧%。根据冒前述计算榨可知，只谊能有57衣%液相与怨α相发生骨包晶转变筝成β相。赛也即在包乐晶转变完齿了，仍有鲜部分剩余勾的液相，括这部分液冠相在2～包3点之间迟以匀晶转闯变形式也布结晶成β辛相。所以缘瑞在3～4乏点之间合被金II是旨单相β固验溶体组织老。在点4荡至室温时逆，由于β糖固溶体对附Pt溶解雀度的下降塔，将析出耗αⅡ相。所饰以，合论金II握在室温育下的组牺织也是枯在β固状溶体相服的基体巨上弥散严分布着且粒状αⅡ相。合金I慰II：结晶冷端却示意图戴见图3－蹈13c。当温炼度降到确1～2省点之间捆，结晶土情况同盒合金I放。是由脖一次固锈溶体α1与剩余的吸液相L组躬成的组织杠。当温度厅降到11妄86C时(似2点)至，αI的成分辅变成P爹点成分巾为αP，剩余档的液相说变成C种点的成尤分LC。则发生选包晶转变王。但是。祖由于α相诊的相对含意量Qα大捐于包晶时损所需的4亚3%，所尸以，包晶瓦转变后仍作有剩余的浆α相。于尘是包晶转缎变后合金邻III的容组织是α葡十β的双治相组织。裁而且α相榨被β包围侍着。这不适同于前两蚊种合金。寺当合金I慨II由1敢186C降到莫室温时碧，因α磨和β固睁溶体的鸟溶解度房诚下降则割分别析疏出βⅡ和αⅡ。所以徐，室温让时合金丛III亦的组织拉是α十变βⅡ十αⅡ十β3.包晶法偏析在包晶转重变过程中挥，由液相验结晶的初祖生固相被包晶转棉变新生成么相β所包舟围。见图致3－13枯a中包晶挑转变开始慢示意图。己当β相继宾续长大时躲要同时消滤耗相和液相夜。因为、β、裳L三相查的Ag猾的质量宋分数是酒不相同房诚的，要励转变必赵须有A黑g、P垃t原子务的扩散谷。在β虽相长大晶时富A甩g的液坡相，需裙将Ag甘原子通怀过β相希扩散到访贫Ag桑的相中，骂而富P漠t的相也需诸将Pt冈原子通土过β相栽扩散到初贫Pt阔的液相些中。这启种较大退直径的垫原子通序过固相津的扩散澡速度是狮较小的死。所以趟，包晶歪转变是缓很慢的诊。在实篇际生产仔中由于茧冷却速鱼度不可微能非常花慢，因筛此，也策会产生铃成分的傲偏析。丑这种由除于包晶更转变不丛能充分于完成而守产生的字化学成玩分不均刻匀的现企象称为包晶偏纹析。包晶偏愧析可通必过扩散退火得到减轻软或消除。（四）偶其它相皂图前述的匀仍晶相图、构共晶相图穿、包晶相磁图是合金膀结晶中最乎基本的三纷种二元合眠金相图。洲除此之外款，还有一塌些结晶类杯型的相图科：偏晶相雀图(如C粮u－Pb猎系)、形逆成稳定化施合物的相腾图(如M忌g－Si扁系)、生筝成不稳定嗓化合物的谦相图(如旅K－Na进系)等。另外，君合金组穿元如果迫具有同宽素异构株性，则金合金结汪晶结束滩后冷到续某温度范又会发月生由一法个固相垄共析转歌变成另五两个固扎相混合鸡物的共雷析相图申以及两繁个固相愈在一定司温度下桃包析转背变成一掉个固相沙包析相里图等。而更多雹的合金绘系其相血图是由画多种基批本相图野组合而伴成的复萝杂相图冲。如：备Fe－姑C合金沈相图就为是一个罚复杂相夫图。它逃是钢铁傍材料的刻基础。费我们将贝在第五翼章中作饭详细介需绍。第三节息合金激的性能拒与相图喊的关系合金的性友能取决于企合金的化斑学成分和胆它的显微岭组织。而浴相图就是妇一个合金毕系中各个台合金的显赌微组织随涨温度变化椅的规律图沙。因此，它知道了一迈个合金系妨的相图，兽就可以根曾据相图推幸断出各个驳合金的使序用性能和朴工艺性能棋的变化规忆律。下面烫按合金结碰晶的类型哭分别加以茄叙述。一、匀棚晶转变滴成单相横固溶体