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2.2合金的结晶

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第2章 金属材料的组织与性能控制

第2章 金属材料的组织与性能控制
一般要求
1. 同素异构转变。 2. 匀晶相图的分析方法。 3. 合金相图与性能的关系。
思考题
1. 为什么要生产合金？与纯金属相比，合金有哪些优越性？ 2. 固溶体中，溶质元素含量增加时，其晶体结构和性能会发生什么变化？ 3. 试比较共晶反应和共析反应的异同点。 4. 为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而压力加工的合金常选用
ES线：C在A中的固溶线
PQ线：C在F中的固溶线
2．铁碳合金的平衡结晶过程
Fe-C 合金分类
工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 %
钢 —— 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 % 亚共析钢 ＜ 0.77 % 共析钢 ＝ 0.77 % 过共析钢 ＞ 0.77 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 %
室温组织
F + Fe3CⅢ (微量)
500×
(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程
P中各相的相对量：
Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF )
≈ 0.77 / 6.69 = 12 %
F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
L
T,C
T,C
L
1500
1455

L
1400 1300
c
a
L+
匀晶转变 L
1200d
1100 1000 1083
b

L

C匀u 晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的N熔i 点，

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...

LE C N
恒温
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。
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。
工程材料原理
温 度 L4 A 1083℃ L3 L2 t4
I L1 t3
L L+α t α 1 t2 α α 3 2
B 1452℃
1
L L α
、α 4 3
α
α
Cu
XL X0 Xα Ni % Ni （a） （b） 图3-4 Cu-Ni合金相图
工程材料原理
1. 发生匀晶反应的合金的结晶
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、AgAu、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。
20%Ni
1. 纯金属冷却曲线上有水平台阶，是 TNi 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；
T2. Cu
100%Cu
时间
Cu-Ni合金相图的测绘 冷却曲线
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 Cu 20 40 60 80 Ni 率降低，出现第一个拐点，凝固结 Ni % 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。

金属学与热处理课件 02金属的结晶

金属学与热处理课件 02金属的结晶
1.10
第2章 金属的结晶 2.1 纯金属的结晶与铸锭
过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大， 过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大，能稳定存在的短程有 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是， 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是，当过冷度过大或 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻， 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻，形 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质，杂质的存在常常促使金属 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触， 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触，于是晶核就依附 于这些现成的固体表面形成。 于这些现成的固体表面形成。这种依靠外来质点作为结晶核心的方式称为非自 发形核。 发形核。 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近， 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近，它们的原 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小， 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小，从而可以减少形核 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此， 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此，当 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时， 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时，有利于形成非自发形 晶核就优先依附于这些现成的表面而形成， 核，晶核就优先依附于这些现成的表面而形成，也有些难熔金属的晶体结构与 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属， 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属，也可以成 为非自发形核的核心。在生产实际中， 为非自发形核的核心。在生产实际中，液态金属结晶时形核方式主要是非自发 形核。 形核。

二元合金相图（1）

二元合金相图（1）

第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。

合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。

合金相图正是研究这些规律的有效工具。

一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。

其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。

组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。

由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。

二元以上的合金称多元合金。

合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。

合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。

利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。

掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。

在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。

本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。

2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。

液态物质为液相，固态物质为固相。

相与相之间的转变称为相变。

在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。

由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。

组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。

由不同组织构成的材料具有不同的性能。

2.2.3 铁碳合金的结晶

2.2.3 铁碳合金的结晶

室温下两相的相对重量百分比为：
6.69 4.3 Q 100% 35.7% 6.69 0.0008 QFe3C 100% 35.7% 64.3%
Fe-C相图及其平衡凝固组织
3. 铁碳合金的成分--组织--性能关系
亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度 升高，塑性、韧性下降。 0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。 ＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但硬 度仍上升。 ＞2.11%C，组织中有以 Fe3C为基的Le’,合金太脆.
2. 在铸造工艺方面的应用
3. 在热锻、热轧工艺方面的应用
4. 在热处理工艺方面的应用

铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：
1）工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。 2）钢(0.0218~2.11%C) 高温组织为单相 ① 亚共析钢 (0.0218~0.77%C)
② 共析钢 (0.77%C)
③ 过共析钢
(0.77~2.11%C)
亚 共 析 钢
过 共 析 钢
亚 共 晶 白 口 铸 铁

铁碳合金的成分—组织—性能的对应关系

含碳量对工艺性能的影响
铣 车 刨 钻
① 切削性能: 中碳钢合适
② 可锻性能: 低碳钢好
③ 焊接性能: 低碳钢好
④ 铸造性能: 共晶合金好 ⑤ 热处理性能: 后续章节介绍
焊 缝 组 织 铸 造
磨
切削加工的基本形式
模锻
4.Fe-Fe3C相图的应用 1. 在钢铁材料选用方面的应用
过 共 晶 白 口 铸 铁
3）白口铸铁 (2.11~6.69%C) 铸造性能好, 硬而脆 ① 亚共晶白口铸铁

上海交大材基-第二章晶体结构--复习提纲讲解

上海交大材基-第二章晶体结构--复习提纲讲解

第2章晶体结构提纲：2.1 晶体学基础2.2 金属的晶体结构2.3 合金相结构2.4 离子晶体结构2.5 共价晶体结构2.6 聚合物的晶态结构2.7 非晶态结构学习要求：掌握晶体学基础及典型晶体的晶体结构，了解复杂晶体(包括合金相结构、离子晶体结构，共价晶体的结构，聚合物的晶态结构特点)、准晶态结构、液晶结构和非晶态结构。

1．晶体学基础（包括空间点阵概念、分类以及它与晶体结构的关系；晶胞的划分，晶向指数、晶面指数、六方晶系指数、晶带和晶带定律、晶面间距的确定、极射投影）；2．三种典型金属晶体结构（晶胞中的原子数、点阵常数与原子半径、配位数与致密度、堆垛方式、间隙类型与大小）；3．合金相结构（固溶体、中间相的概念、分类与特征）；4．离子晶体的结构规则及典型晶体结构（AB、AB2、硅酸盐）；5、共价晶的结构规则及典型晶体结构体（金刚石）6、聚合物的晶态结构、准晶态结构、液晶结构和非晶态结构。

重点内容1.选取晶胞的原则；Ⅰ) 选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。

2.7个晶系，14种布拉菲空间点阵的特征；（1）简单三斜（2）简单单斜底心单斜（3）简单正交底心正交体心正交面心正交（4）简单六方（5）简单四方体心四方（6）简单菱方（7）简单立方体心立方面心立方3.晶向指数与晶面指数的标注，包括六方体系，重要晶向和晶面需要记忆。

4.晶向指数，晶面指数，晶向族，晶面族，晶带轴，共带面，晶面间距5.8种,即1，2，3，4，6，i，m，。

或C1，C2，C3，C4，C6 ，C i，C s，S4。

微观对称元素6.极射投影与Wulff网；标hkl直角坐系d4⎧⎨⎩微观11213215243滑动面 a，b，c，n，d螺旋轴 2；3，3；4，4，4；6，6，6，6，67.三种典型金属晶体结构的晶体学特点；在金属晶体结构中，最常见的是面心立方(fcc)、体心立方（bcc）和密排六方(hcp)三种典型结构，其中fcc和hcp系密排结构，具有最高的致密度和配位数。

机械制造基础第二章2


位错对材料性能的影响比点缺陷更大， 位错对材料性能的影响比点缺陷更大 ， 对金属材料的影 响尤甚。理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度， 响尤甚 。 理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度 ， 但 是当错位量急剧增加后，强度又迅速提高。 是当错位量急剧增加后，强度又迅速提高。 生产中一般都是增加位错密度来提高强度， 生产中一般都是增加位错密度来提高强度 ， 但是塑性 随之降低，可以说， 随之降低 ， 可以说 ， 金属材料中的各种强化机制几乎都是 以位错为基础的。 以位错为基础的。 3. 面缺陷：指在两个方向上的尺寸很大，第三个方向上的 面缺陷：指在两个方向上的尺寸很大， 尺寸很小而呈面状的缺陷。 尺寸很小而呈面状的缺陷。面缺陷的主要形式是各种类型 的晶界。 的晶界。 晶界：指晶粒与晶粒之间的边界。 晶界：指晶粒与晶粒之间的边界。
图1-6 冷却曲线
3.结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1-7所示，在液 3.结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1 所示， 结晶过程 体金属开始结晶时， 体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排 列的原子团，成为结晶的核心， 形核过程）。 列的原子团，成为结晶的核心，即晶核 （形核过程）。 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大， 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时， ）。在晶体长大的同时 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触， 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一， 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大 晶界。 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界。

机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶


均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：

2.2二元合金相图


三、共晶相图：
二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时 有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二元 共晶相图。
共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相 的复合混合物的反应。
共晶体：共晶反应的产物是共晶体。
共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。
1、相图分析
（1）共晶点 C点－－ α相＋β相 （2）共晶线 ECF线－－ LC恒→温αE+ ΒF
第五节 二元合金相图
相图：表示在平衡状态下，合金系的相与温度、成分之间关
系的图形。（又称状态图，平衡图）
注：
1、平衡状态是指在十分缓慢加热或冷却条件下，参与加热时 相的转变或冷却时结晶过程中的各相之间的成分及相对量，均 相对稳定所达到的一种平衡。 2、 物系为合金系的情况下，其压力通常视为定值，因此坐标 为温度和成分。
t/s
Ag%
P57图3-20 包晶合金的平衡结晶过程
概括起来，包晶合金平衡结晶过程为：
包晶温度以上： 液态 L42.4 液相线到包晶温度之间： 液态L 包晶温度（1186℃）：包晶转变 L66.3 10.5 42.4 包晶温度以下： Ⅱ 室温组织： + Ⅱ
➢包晶偏析——即包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不 均匀现象。
冷却过程中不会发生共晶反应。如图合金Ⅳ冷却至1
点时结晶出α1 相,经过2点时全部转变为α1 相,经 过3点时,开始析出βⅡ相,即
L→1 L+α1→2 α1 →3 α1＋ βⅡ
同理，F点右侧的合金在冷却过程中也会有β1 相和αⅡ相生成 。最终组织为 β1＋αⅡ 。
§2-4 二元包晶相图
一、二元包晶相图分析
二、匀晶相图
两组元在液态和固态均能无限互溶时，结晶时发生匀晶转变（即从 液相中结晶出成分均匀一致的固溶体)所构成的相图称为二元合金相 图。

机械工程材料-2章 晶体结构、结晶


晶胞原子数与原子半径
致密度与配位数
2.1.4 晶向指数与晶面指数
1 晶向指数
我们把任何两个或多个原子所在直线所指 的方向，称为晶向。 〖例1〗计算图（a）中的AB的晶向指数。 解：①选晶胞的三条棱边建立X、Y、Z坐标 轴，以晶格常数a b c 为坐标轴的度量单位。从坐 标轴的原点O引一条有向直线OC，平行于待定晶 向AB； ②在所引的有向直线上任取一点C（为方便 起见，通常取距原点最近的阵点），求出该点C 在三坐标轴的坐标值,C(1/2,1/2, 1)。 ③将三个坐标值按比例化简为最小简单整数， 并加上方括号，表示为［u v w］=[1 1 2]，即为 所求的晶向指数。整数之间不用标点分开。如果 u、v、w中有某一数为负，则将负号用上划线的 形式标注于该数之上。 AB的晶向指数为[1 1 2]。
例如：石墨是靠分子键结合， 硬度很低。塑料也是靠分子键结 合，强度较低。
由于范德瓦尔斯引力很弱， 所以分子晶体的结合力很小，熔 点很低，硬度也很低。
5 结合力与结合能
当大量原子结合成固体时，为 使晶体具有最低的能量，以保持其 稳定状态，原子之间也必须保持一 定的平衡距离，这就是固态金属中 的原子趋于规则排列的原因。 当原子间以离子键或共价键结 合时，原子达不到紧密排列状态， 这是由于这些结合方式对周围的原 子数有一定的限制之故。
体心立方
面心立方
密排六方
2.1.6 实际金属的晶体结构
若整个晶体完全是晶胞规则重 复排列的，这种晶体为理想晶体。 实际晶体中，由于各因素的影 响，总会存在一些不完整、原子排 列偏离理想状态的区域，这些区域 称为晶体缺陷。 按缺陷在空间的几何形状和尺 寸不同，缺陷分为：
点缺陷
晶体缺陷
线缺陷
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• ③ɑ相 也称铁素体，用符号F或α表示，是碳在α-Fe中的 间隙固溶体，呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小， 室温时碳的质量分数约为0.0008％，600℃时为0.0057％， 在727℃时溶碳量最大，碳的质量分数为0.0218％。铁素 体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。其机械性能与 工业纯铁大致相同。 • ④γ相 常称为奥氏体，用符号A或γ表示。是碳在γ-Fe中 的间隙固溶体，呈 • ⑤Fe3C 是一个化合物相，渗碳体根据生成条件不同有条 状、网状片、状粒状等形态，对铁碳合金的机械性能有很 大影响。 （3）相图中重要的点和线 • 图中J、C、S为三个最重要的点。
A
B
Ⅱ
。
C
E
D
F
G
• E点为共晶点，表示此点成分的合金冷却到此点所对应的 温度（共晶温度）时，共同结晶出C点成分的ɑ相和D点成 分的β相： LE ⇄(C+D) 总结：Pb-Sn合金的结晶过程
3.包晶反应的合金的结晶
以Pt-Ag合金相图为例来说明包晶反应。Pt-Ag合金相图中存 在三种相：Pt与Ag形成的液溶体L相，Ag溶于Pt中的有限固 溶体ɑ相；Pt溶于Ag中的有限固溶体β相。
2.共晶反应的合金的结晶
• 由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应为共 晶反应。 • 相图中有三个单相区（L、ɑ、β）；三个双相区（L+ɑ、 L+β、ɑ+β）；一条L+ɑ+β的三相共存线。这种相图称 为共晶相图。以 Pb-Sn 相图为例进行分析。
图2-13 共晶相图合金的结晶过程
一） 相图分析
图2-12 匀晶相图合金的结晶过程

这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶
反应。
• (三)匀晶结晶有下列特点： • （1）与纯金属一样，ɑ固溶体从液相中结晶出来的过程中， 也包含了生核与长大两个过程，但固溶体更趋于呈树枝状 长大。 • （2）固溶体结晶在温度区间内进行，即为一个变温结晶 过程。 • （3）在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的。 • （4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。 通过杠杆定律可以求出。 • （5）固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时由于原子 的扩散能充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。
A
① 相：
L、、三种相, 是溶质Sn在 Pb中的固溶体， 是溶质Pb在Sn中的固溶体。 • ② 相区： 三个单相区： L、、； 三个两相区： L+、L+、+ ；
B
一个三相区：即水平线CED
③ 线：
液相线AEB，
固相线ACEDB。A、B分别为 Pb、Sn的熔点。 固溶线: 溶解度点的连线 称固溶线。相图中的CF、
• PQ线是碳在F中固溶线。在727℃时F中溶碳量最大，碳 质量分数可达0.0218％，室温时仅为0.0008％，因此碳质 量分数大于0.0008％的铁碳合金自727℃冷至室温的过程 中，将从F中析出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体 （Fe3CⅢ）。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CⅢ的临界温度 线。Fe3CⅢ数量极少，往往予以忽略。 • 2 典型铁碳合金的平衡结晶过程 • 根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： • 工业纯铁［ω（C）≤0.0218％］ 亚共析钢 • ［0.0218％＜ω（C） • ＜0.77％］ • 钢［0.0218％＜ω（C）≤2.11％］共析钢［ω（C） • =0.77％］ • 过共析钢［0.77 • ％＜ω（C）≤2.11 ］
2.2合金的结晶
1.合金的相关概念
合金：一种金属元素同另一种或几种其他元素，通过熔化 或其他方法结合在一起所形成的具有金属特质的物质。 相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并 有界面与其他部分分开的均匀组成部分。 相图：是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之 间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。
• 莱氏体中的渗碳体称共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形 态是：块状或粒状A（室温是转变成珠光体）分布在渗碳 体基体上。 • S点为共析点 • 合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时，S点成分的A发生 共析反应，生成P点成分的F和Fe3C。共析反应在恒温下 进行，反应过程中，A、F、Fe三相共存，反应式为： • AS=Fp+Fe3C 即A0.77=F0.0218+Fe3C 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光 体，以符号P表示，因而共析反应可简单表示为： A0.77=P0.77 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。在显微镜下珠光体的形 态呈片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗 碳体片（窄条）与铁素体片（宽条）。
• 珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素 体之间。 • 相图中的ABCD为液相线；AHJECF为固相线。 • 水平线HJB为包晶反应线。碳质量分数为0.09％～0.53％ 的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。 • 水平线ECF为共晶反应线。碳质量分数在2.11％～6.69％ 之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。 • 水平线PSK为共析反应线。碳质量分数为0.0218％～6.69 ％的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK 线亦称A1线。相图中的GS线是合金冷却时自A中开始析出 F的临界温度线，通常称A3线。 • ES线是碳在A中的固溶线，通常叫做Acm线。由于在 1148℃时A中溶碳量最大，碳质量分数可达2.11％，而在 727℃时仅为0.77％，因此碳质量分数大于0.77％的铁碳 合金自1148℃冷至727℃的过程中，将从A中析出Fe3C。 析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。Acm线亦为从A 中开始析出Fe3CⅡ的临界温度线。
（一）相图分析 相图由两条线构成，上
面是液相线，下面是固相
线。 相图被两条线分为三个 相区，液相线以上为液相 区L ，固相线以下为 固
溶体区，两条线之间为两
图2-11 Cu-Ni合金相图
相共存的两相区（L+ ）。
（二）合金的结晶过程 以k点成分Cu-Ni合金（Ni质 量分数为k%）的为例分析结 晶过程，该合金的冷却曲线和 结晶过程如图2-12所示。 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，其他成分合金的 结晶过程与其类似。
2.2.3铁碳合金的结晶
• 碳钢和铸铁是现代工农业生产中使用最广泛的金属材料， 都是主要由铁和碳两种元素组成的合金。钢铁的成分不同， 则组织和性能不相同，因而它们在实际工程上的应用也不 一样。下面根据铁碳相图及对典型铁碳合金结晶过程的分 析，来研究铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系。 • 1.铁碳相图 • 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对钢铁材料的应用以及 热加工和热处理工艺的制定也具有重要的指导意义。铁和 碳可以形成一系列化合物，如Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳 定化合物，所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3CFe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。Fe3C的碳质量分数为 6.69%。碳质量分数超过6.69%的铁碳合金脆性很大，没 有使用价值，所以有实用意义并被深入研究的只有FeFe3C部分。通常称其为Fe-Fe3C相图（如图2-16），此相 图的组元为Fe和Fe3C。该相图中各点温度、碳质量分数 及含义见表2-2。
• J为包晶点 • 合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时，B点成分的L与H 点成分的δ发生包晶反应，生成J点成分的A。包晶反应在 恒温下进行，反应过程L、δ、A三相共存，反应式为： • LB+δH=AJ 即 L0.53+δ0.09=A0.17 • C点为共晶点 • 合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时，C点成分的L发 生共晶反应，生成E点成分的A和Fe3C。共晶反应在恒温 下进行，反应过程中L、A、Fe3C三相共存，反应式为： • LC=AE+Fe3C 即L4.3=A2.11+Fe3C • 共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称莱氏 体，以符号Le表示，因而共晶反应式可表达为： • L4.3=Le4.3
A B
• 具有共晶成分的合金称共
晶合金。在共晶线上，凡
成分位于共晶点以左的合 金称亚共晶合金，位于共 晶点以右的合金称过共晶 合金。

A
L+
B D
C
凡具有共晶线成分的合金 液体冷却到共晶温度时都 将发生共晶反应。
二）合金的结晶过程分析

（1）含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直接 从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
A
B
DG线分别为 Sn在 Pb中和
Pb在 Sn中的固溶线。固溶 体的溶解度随温度降低而 下降。
共晶线：水平线CED叫做共晶线。
④共晶反应：
在一定温度下，由一定成分的液 相同时结晶出两个成分和结构都 不相同的新固相的转变称作共晶 转变或共晶反应。 LE ⇄(C + D) 共晶共晶反应的产物，即两相的 机械混合物称共晶体或共晶组织。
2.2.1二元合金的结晶
• 二元合金的结晶过程可以分为以下几种基本类型： • 1.匀晶反应的合金的结晶。
• 两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元 匀晶相图。 • 结晶时只结晶出单相固溶体组织，以Cu-Ni合金为例进行 分析。图2-11为Cu-Ni合金相图。相图中，结晶开始点的 连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。
图2-14 合金Ⅰ的结晶过程示意图
4.共析反应的合金的结晶
图2-15 共析相图
图2-15的下半部分为共析相图， 其形状与共晶相图类似。d点成 分（共析成分）的合金从液相 经过匀晶生成γ相之后，继续冷 却到d点温度（共析温度）时， 在此温度下发生共析反应，同 时析出c点成分的α相和e点成分 的β相： γd=αc+βe。即由一种固相转变 成完全不同的两种相互关联的 固体相，此两相混合物称为共 析体。共析相图中各种成分合 金的结晶过程的分析与共晶相 图相似，但因共析反应时在固 态下进行的，所以共析产物比 共晶产物要细密得多。