合金的结晶

《机械制造技术基础》教案

教学内容：典型合金的结晶过程及组织

教学方式：结合实际，由浅如深讲解

教学目的：

1．了解铁碳合金的类型；

2．掌握共析钢、亚共析钢、过共析钢的结晶过程及其组织；

3．掌握共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁的结晶过程及其组织。

重点、难点：六种典型合金的结晶过程及组织

教学过程：

4.3 典型铁碳合金的结晶过程及组织

4.3.1铁碳合金的分类

铁碳合金由于成分的不同，室温下将得到不同的组织。由简化的Fe-Fe3C相图，如图4-4所示。

图4-4 简化的Fe-Fe3C相图

根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类：

1．工业纯铁（Wc≤0.0218%）

性能特点：塑性韧性好，硬度强度低。

2．钢（0.0218%＜Wc≤2.11%）

共析钢：Wc=0.77%，室温组织为P。

亚共析钢： 0.0218%＜ Wc＜0.77%，室温组织为F+P。

过共析钢： 0.77% ＜ Wc ≤2.11%，室温组织为P+ Fe3CⅡ

3．白口铸铁（2.11% ＜ Wc ≤6.69%）

共晶白口铸铁： Wc=4.3%，室温组织为L’d

亚共晶白口铸铁： 2.11% ＜ Wc ＜4.3%，室温组织为P+Fe3CⅡ+L’d。

过共晶白口铸铁： 4.3% ＜ Wc ≤6.69%，室温组织为L’d+Fe3CⅠ

4.3.2典型铁碳合金的结晶过程 L'dF+Fe3CⅢFe3CFe3CⅠ+L'dP+Fe3CⅡ+L'dP+Fe3CⅡA+Fe3CⅡFe3CⅠ+LdL+Fe3CⅠA+Fe3CⅡ+LdAL+AWC(%)AL1148C727CF+PF+AP图3-4 简化Fe-Fe3C相图F0.0218SKCFE06.69712℃1148℃2.110.774.3PQG1538℃D依据成分垂线与相线相交情况，分析几种典型铁碳合金结晶过程中组织转变规律。

1．共析钢的结晶过程分析(如图4-5、4-6所示)：

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精品 第三章 二元合金的相结构与结晶

(一)填空题

1 合金的定义是两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成具有金属特性的物质。

2．合金中的组元是指

组成合金最基本的、独立的物质

。

3．固溶体的定义是

在固态条件下，一种组元“组分”溶解了其它组元而形成的单相晶态固体

4．Cr、V在γ-Fe中将形成

置换

固溶体。C、N则形成 间隙 固溶体。

5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要 差

些。

6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的高熔点组元。

7．共晶反应的特征是 由一定成分的恶液相同时结晶出成分一定的两个固相 ，其反应式为 L→a+β

8．匀晶反应的特征是 ，其反应式为

9．共析反应的特征是

，其反应式为

10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换固溶体和间隙固溶体，按原子溶入量可以分为 有限固溶体 和 无限固溶体

11．合金的相结构有 固溶体 和 金属化合物 两种，前者具有较高的 塑性变形 性能，适合于做 基体 相；后者有较高的 高硬度 性能，适合于做 增强 相

12．看图4—1，请写出反应式和相区：

ABC 包晶反应 BACL ；DEF 共晶反应 FDCL ；GHI 共析反应 IGH ；

① L ；②  ；③ ；④  ；⑤ L ；⑥

L ；

13．相的定义是 ，组织的定义是

14．间隙固溶体的晶体结构与溶剂的晶格类型 相同，而间隙相的晶体结构与 溶剂组元晶体结构 不同。

15．根据图4—2填出：

水平线反应式 ECD ；有限固溶体 、 、 无限固溶体  。

第八节 合金的晶体结构与结晶过程

一、基本概念

●组成合金最基本的、独立的物质称为组元。

●由两种或两种以上的组元按不同比例配制而成的一系列不同化学成分的所有合金，称为合金系。

●相是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的部分。

●组织是指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。

二、合金的晶体结构

根据合金中各组元之间的相互作用，合金中的晶体结构可分为固溶体、金属化合物及机械混合物三种类型。

（一）固溶体

●合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体。

根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。

1．置换固溶体

●溶质原子代替一部分溶剂原子，占据溶剂晶格的部分结点位置时，所形成的晶体相，称为置换固溶体。

按溶质溶解度的不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。

a) 置换固溶体 b) 间隙固溶体

图1-32 固溶体的类型

 2．间隙固溶体

●溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂晶格的结点位置，而是嵌入溶剂晶格的各结点之间的间隙内时，所形成的晶体相，称为间隙固溶体。

无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，异类原子的插入都将使固溶体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，使固溶体的强度、硬度提高。这种通过溶入溶质原子形成固溶体，使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。

a）间隙固溶体 b）置换固溶体（大溶质原子） c）固溶体（小溶质原子）

图1-33 形成固溶体时产生的晶格畸变

（二）金属化合物

●金属化合物是指合金中各组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。

金属及合金的回复与再结晶

回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复 到冷塑性变形以前的过程。 晶粒仍保持伸长的纤维状．

再结晶：冷变形金属被加热到适当温度后，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐步取 代变形晶粒，而使形变强化效应完全消失的过程。

回复与再结晶的驱动力都是储存能的降低

储存能：存在于冷形变金属内部的一小部分（约为10％）变形功．形变温度越低，形变量越大， 则储存能越高。

储存能存在形式：弹性应变能（３％ ～１２％）＋点阵畸变能 点阵畸变能包括点缺陷能和位错能，点缺陷能所占的比例较小，而位错能所占比例较大，约占总 储存能的 ８０～90％。

力学性能的变化

在回复阶段：强度、硬度均略有下降，而塑性有所提高．在再结晶阶段：硬度、硬度均显著下降，塑 性大大提高．在晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降

另外，金属的电阻与晶体中点缺陷的浓度有关。随着加热温度的升高，变形金属中的点缺陷浓度明显 降低，因此在回复和再结晶阶段，电阻均发生了比较明显的变化，电阻不断下降。此外，点缺陷浓度的 降低，应力腐蚀倾向显著减小。

回复过程及其动力学特征

回复是指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生变化前所产生的某些亚结构和性 能的变化过程． 回复的程度是温度和时间的函数．温度越高，回复的程度越大．温度一定时，回复的程度随时间的 延长而逐渐增加．但在回复初期，变化较大，随后就逐渐变慢，当达到一个极限值后，回复停止。 回复机制

低温回复时，主要涉及空位的运动。空位可以移至表面、晶界或位错处消失，也可以聚集形成空位对、空位群，还可以与间隙原子相互作用而消失，总之空位运动的结果使空位密度大大减小。电阻率对空位密度比较敏感，因此其数值会有显著下降。而力学性能对空位的变化不敏感，没有变化。

中温回复时，主要涉及位错的运动。由于位错滑移会导致同一滑移面上异号位错合并而相互抵消，位错密度略有下降，但降低幅度不大，力学性能变化不大。