合金的结晶过程较为复杂,通常运用合金相图来分析合金结晶

合金的结晶过程较为复杂，通常运用合金相图来分析合金结晶过程。

相图：表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的简明示图。也称平衡图或状态图。

平衡：在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和相对质量不再变化所达到的一种状态。2．2合金的结晶

二元相图的表示与建立方法（一）二元相图的表示方法对二组元凝聚系统，常压范围内压力对体系的影响可以忽略不计，二元相图可以用一个二维平面图形来表示。通常以温度和成分为坐标轴的温度-成分图来表示，图中任一点叫做表象点，表象点的坐标值反映了一个给定合金的成分和温度。WB（%）Et/℃（二）二元相图的建立方法实验测定相图的方法有：热分析法、金相法、X射线衍射法等。现以热分析法确定Cu-Ni相图的建立过程：1）纯铜（熔点1083℃）2）wCu80%+wNi20%的合金3）wCu60%+wNi40%的合金4）wCu40%+wNi60%的合金5）wCu20%+wNi80%的合金6）纯镍（熔点1452℃）（1）先配制一系列不同成分的Cu-Ni合金；CrystalStructurer(nm)NiFCC0.1246CuFCC0.1278Meltingofpuremetalsandalloys（2）在非常缓慢冷却条件下测定各合金从液态到室温的冷却曲线100%Ni温度℃

时间Cu20406080NiNi%TNiTCu80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni100%Cu

特点：纯金属冷却曲线上有水平台阶，是因为凝固时释放的结晶潜热补偿了冷却时的热量散失，故温度不变；说明纯金属凝固是恒温过程；合金冷却出现二次转折，是因为合金凝固时释放的结晶潜热只能部分补偿冷却时的热量散失，使冷却速率降低，出现第一个拐点，凝固结束后，没有潜热补偿，冷却速率加快，出现第二个拐点，两个点分别为凝固开始点和凝固结束点。Cu-Ni合金相图的测绘冷却曲线（3）找出各合金冷却曲线上的临界点,并将它们标注在成分—温度坐标系。将各成分线上具有相同意义的点连接成线,并根据已知条件和实际分析结果写上数字、字母和各区所存在的相或组织名称,就得到一个完整的二元合金相图。

100%Ni温度℃

时间Cu20406080NiNi%TNiTCu80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni100%Cu（a）

（b）Cu-Ni合金相图的测绘（a）冷却曲线（b）Cu-Ni相图2.2.1二元合金的结晶

根据结晶过程出现的不同类型的结晶反应，把二元合金反应分为以下几种基本类型：1.

发生匀晶反应的合金的结晶2.

发生共晶反应的合金的结晶3.

发生包晶反应的合金的结晶4.

发生共析反应的合金的结晶5.

含有稳定化合物的合金的结晶匀晶转变：从液相中不断结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。匀晶相图：二组元在液态、固态时均能无限互溶的二元合金相图就是匀晶相图。这样的二元合金系称为匀晶系。

属于匀晶系的合金系有Cu-Ni、Nb-Ti、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni、Mo-W等。几乎所有二元合金相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类相图是学习二元合金相图的基础。1.

发生匀晶反应的合金的结晶

A1083℃B1452℃

LL+α温度

CuNiNi%Cu-Ni合金相图液相线固相线α相图结构：（1）三个相区：两个单相区和一个双相区（L+α相区）。（2）两条线：液相线，固相线。α是固溶体，即为铜、镍两组元组成的二元互溶体系。(1)相图分析

Cu—Ni相图为典型的匀晶相图。Al1B线为液相线，Aa1B为固相线，图中有两个单相区和一个双相区（L+α相区）。

以Ⅰ点成分的Cu—Ni合金（Ni的质量分数为b%）为例分析结晶过程。在1点温度以上,合金为液相L。缓慢冷却至1～2温度之间时,合金发生匀晶反应:

L→α,从液相中逐渐结晶出α固溶体。2点温度以下,合金全部结晶为α固溶体,其它成分合金的结晶过程也完全类似。(2)匀晶结晶有下列特点：

1）与纯金属一样，α固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树枝状长大。

2）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。

I

A1083℃B1452℃

L1

L2

L3

L4

α4

α3

α2

LαL+α温度

CuXLX0XαNi%Ni时间（a）（b）图3-4Cu-Ni合金相图

L

Lα

α

α1t1t2t3、3t43）在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。

4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的，如在温度T1时，两相的质量比可用下式表达：

式中，QL为L相的质量；Qα为α相的质量；b1cl、a1cl为线段长度，可用其横坐标上的数字来度量。上式亦被称为杠杆定律。由杠杆定律可算出在T1时液相和固相在合金中的质量分数：

杠杆定律的证明和力学比喻

课堂作业：证明杠杆定律运用杠杆定律时要注意，它只适用于相图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，而支点为合金的成分点。[老师提示]

杠杆定律是计算合金平衡组织中的组成相或组织组成物的质量分数的重要工具。应当熟练掌握和运用。

5）固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。消除枝晶偏析的方法采用扩散退火。Cu-Ni合金枝晶偏析示意图具有极值的匀晶相图特点：对应极大点和极小点成分的合金，液相线与固相线在极值点处重合，液固二相成分相同，凝固时不存在凝固温度区间，在恒温下凝固。课堂练习2.发生共晶反应的合金的结晶共晶反应：由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应。生成的两相混合物叫共晶（Eutectic）组织。共晶反应：L≒α+β结构：3个单相区3个两相区1个三相区

1）adb，acdeb：Pb—Sn合金相图，adb为液相线，acdeb为固相线，合金系有三种相，相图中有三个单相区（L、α、β）；三个两相区（L+α、L+β、α+β）；一条的三相L+α+β共存线（水平线cde）。d点为共晶点。2）cde：这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合物叫共晶体。水平线MEN为共晶反应线。3）cf：为Sn在Pb中的溶解度线（或α相的固溶线）。温度降低，固溶体的溶解度下降。从固态α相中析出的β相称为二次β，常写作βⅡ。这种二次结晶可表示为：α→βⅡ

。4）eg：为Pb在Sn中溶解度线（或相的固溶线）。Sn含量小于g点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次α；即β→αⅡ。α固溶体合金（含Sn量小于19％的Pb-Sn合金）；共晶合金（含Sn量为61.9％的Pb-Sn合金）；亚共晶合金（含Sn量为大于19％小于61.9％的Pb-Sn合金）；过共晶合金（含Sn量为大于61.9％小于97.5％的Pb-Sn合金）；β固溶体合金（含Sn量大于97.5％的Pb-Sn合金）；相图分析典型合金的平衡结晶：由相律可知三相共存时自由度为：f=C－Ф+1=2-3+1=0，因此共晶转变必定是恒温过程，共晶线为一水平线，且三相成分确定。(1)合金Ⅰ的平衡结晶过程

合金室温组织由α和βⅡ组成，即为组织组成物。组织组成物是指合金组织中那些具有确定本质，一定形成机制的特殊形态的组织部分。液态合金冷却到1点温度以后,发生匀晶结晶过程,至2点温度合金完全结晶成α固溶体,随后的冷却(2～3点间的温度),α相不变。从3点温度开始,由于Sn在α中的溶解度沿cf

线降低,从α中析出βII,到室温时α中Sn含量逐渐变为f点。最后合金得到的组织为α+βII

。其组成相是

f点成分的α相和g点成分的β相。运用杠杆定律,两相的质量分数为（画出杠杆）(2)合金Ⅱ的结晶过程

合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为α和β相。

共晶合金组织的形态LE=αM+βN

(3)合金Ⅲ的结晶过程合金的室温组织为初生α+βⅡ+(α+β)合金的组成相为α和β。合金的组成相为α

和β

,它们的质量分数为：(4)合金IV的结晶产物bbbbbbβ+αⅡ+(α+β)计算α和β相的质量分数（5）合金5的冷却MNFG400A300200100温度℃327.5L

α1961.9