10讲 典型合金的结晶过程及组织

一、共析钢的结晶过程图中Ⅰ表示共析钢（Wc＝0.77％），合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A），A的数量随温度的下降而增多。

温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。

2～S点之间，合金是单一奥氏体相。

继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（P）。

727℃以下，P基本上不发生变化。

故室温下共析钢的组织为P。

共析钢的结晶过程如下图。

二、亚共析钢的结晶过程图3－6中合金Ⅱ表示亚共析钢。

合金在1点以上为液体。

缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。

在2～3点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加。

沿着GS线变化。

当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体含碳量增加到了Wc＝0.77％，具备了共析转变的条件，转变为珠光体。

原铁素体不变保留了在基体中。

4点以下不再发生组织变化。

故亚共析钢的室温组织为铁素体＋珠光体。

亚共析钢的结晶过程如图3－8所示。

三、过共析钢的结晶过程图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。

合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。

在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。

缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。

随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。

3～4点之间的组织为奥氏体＋二次渗碳体。

降至4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。

在4点以下，合金的组织不再发生变化。

故室温组织为珠光体＋二次渗碳体。

过共析钢结晶过程如图3－9。

图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。

合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。

在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。

合金的结构与结晶第一节固态合金中的相结构合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀组成部分叫做相。

合金中相与相之间有明显的界面。

一、固溶体当合金由液态结晶为固态时，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。

，固溶体的晶格类型与溶剂的晶格相同，而溶质以原子状态分布在溶剂的晶格中。

在固溶体中，一般溶剂含量较多，溶质含量较少。

1．固溶体的分类（1）间隙固溶体图3.1 固溶体的两种类型（2）置换固溶体2．固溶体的性能由于固溶体的晶格发生畸变，使位错移动时所受到的阻力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。

这种通过溶入溶质元素形成的固溶体，从而使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。

固溶强化是提高金属材料机械性能的一种重要途径。

例如，南京长江大桥的建筑中，大量采用的含锰为w Mn=1.30%~1.60%的低合金结构钢，就是由于锰的固溶强化作用提高了该材料的强度，从而大大节约了钢材，减轻了大桥结构的自重。

二、金属化合物凡是由相当程度的金属键结合，并具有明显金属特性的化合物，称为金属化合物。

图3.3 Fe3C的晶体结构金属化合物的熔点较高，性能硬而脆。

当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。

金属化合物是各类合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。

1．正常价化合物如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。

2．电子化合物电子化合物不遵循原子价规律，是按照一定的电子浓度比组成一定晶格结构的化合物。

3．间隙化合物间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe、Cr、Mo、W、V）和原子直径较小的非金属元素（H、C、N、B等）所组成。

如合金钢中不同类型的碳化物（VC、Cr7C3、Cr23C6等）和钢经化学热处理后在其表面形成的碳化物和氮化物（如Fe3C、Fe4N、Fe2N等）都是属于间隙化合物。

间隙化合物的晶格结构特点是：直径较大的过渡族元素的原子占据了新晶格的正常位置，而直径较小的非金属元素的原子则有嵌入晶格的空隙中，因而称为间隙化合物。

《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-Fe 3C 相图，如图4-4所示。

图4-4 简化的Fe-Fe 3C 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+ Fe 3C Ⅱ3．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+Fe 3C Ⅱ+L ’d 。

过共晶白口铸铁： 4.3% ＜ Wc ≤6.69%，室温组织为L’d+Fe 3C Ⅰ4.3.2典型铁碳合金的结晶过程Fe 3C W C (%)图3-4 简化Fe-Fe 3C相图F 0.0218K F0 2.110.77 4.3D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)：AC AE PSK S S 3L L+A A P(F+Fe C)−−→−−→−−−→共析图4-5 共析钢结晶过程示意图 图4-6 共析钢金相组织2．亚共析钢的结晶过程分析（如图4-7、4-8所示）：AC AE GS PSK PSK S L L A A A F A F P F −−→+−−→−−→+−−−→+−−−→+共析图4-5 亚共析钢结晶过程示意图 图4-6 亚共析钢金相组织 亚共析钢的室温组织特征是：先析铁素体和共析珠光体呈均匀分布。

第六章 合金结晶及其组织形态§ 6-1 合金凝固时的溶质分布一、溶质在液固两相中的分布1．合金结晶的基本规律一般合金结晶首先经过匀晶相区；结晶过程＝形核＋核长大；形核为液固界面形成过程，核长大为液固界面向液相区方向推进过程；无论是否平衡结晶，液固界面上溶质的浓度应分别处于平衡相图的液、固相线上； 无论是否平衡结晶，随温度下降，液固界面上固相成分沿相图固相线变化，液相成分沿相图液相线变化；造成液固界面成分变化及维持相平衡均由原子的迁移和扩散实现；不平衡结晶时，晶粒内部与晶界处溶质浓度不同，导致枝晶偏析。

以上总结的结晶基本规律与现象是分析结晶时溶质分布规律的基础。

2．平衡分配系数具有匀晶转变的合金C 0结晶，液固界面推进时成分分别沿相图液固相线变化。

若在T 0温度时，液固界面液相成分为C L ，固相成分为C S ，则定义其比值k 0为平衡分配系数：Ls C C k =0 根据相图液、固相线斜率不同，平衡分配系数有k 0<1及 k 0>1之分。

k 0数值大小反映了液固相线偏离程度或在一定温度下液、固两相中溶质浓度的差别程度。

k 0<1时的值越小及 k 0>1时的值越大，液、固两相中溶质平衡浓度差别越大。

若将液、固相线近似看作直线，则在任何温度下k 0均为常数。

二、平衡结晶时的溶质分布结晶条件：平衡结晶，溶质有充分时间迁移，在液固两相中完全混合。

合金成分为C0的合金结晶，k0<1（固相中溶质含量低于液相）。

取铸模中结晶单元体，或单向散热的棒状合金模型，设液固界面推进方向与散热方向相反，结晶总长为L。

根据平衡相图，分析由于溶质分布在界面和内部的变化引起界面推进而形成结晶的过程如下：不断降温使上述过程持续，最终在凝固终了温度使固相整体达到C0成分，结晶结束。

在固相中，成分均匀化依靠原子扩散，速率较小；在液相中，成分均匀化除依靠原子扩散外，更依靠液体中的对流，速率较快。

10讲典型合金的结晶过程及组织合金是由两种或两种以上金属或非金属形成的固溶体。

其结晶过程和组织是影响合金性能的重要因素之一、下面将介绍典型合金的结晶过程及组织。

1.铝合金：铝合金具有良好的机械性能和耐腐蚀性能，广泛应用于航空、汽车和建筑行业。

铝合金的结晶过程通常是由凝固开始的。

在凝固过程中，铝合金中的铝元素会首先形成υ-铝相，然后通过固溶处理形成其他相。

根据冷却速度的不同，可以形成不同的组织，包括固溶相、沉淀相和旁边生成相。

合金中的其他合金元素和固溶相会形成固溶体，而沉淀相和旁边生成相会形成强化相。

合金中的成分和处理工艺可以调整组织和性能。

2.钢铁：钢铁是一种铁碳合金，主要由铁和碳构成，同时还含有其他合金元素。

钢铁的结晶过程存在一定的复杂性，具体取决于钢铁的成分和处理工艺。

一般来说，钢铁的结晶过程包括固溶处理和相变。

在固溶处理中，钢铁中的合金元素会溶解在铁基体中，形成固溶体。

当冷却到一定温度时，固溶体会发生相变，从而形成不同的组织结构，如奥氏体、珠光体和渗碳体。

组织的形成会影响钢铁的力学性能和耐腐蚀性能。

3.镁合金：镁合金具有低密度、高比强度和良好的综合性能，被广泛应用于航空航天、汽车和电子行业。

镁合金的结晶过程和组织与铝合金类似，也是通过凝固和固溶处理来调控。

在凝固过程中，镁合金中的镁元素会首先形成α-Mg相，然后通过固溶处理形成其他相。

由于镁元素的活性较大，镁合金的固溶处理温度较低。

在固溶处理过程中，其他合金元素会溶解在镁基体中，形成固溶体。

合金中的其他元素也可以形成沉淀相，进一步增强合金的强度和硬度。

4.铜合金：铜合金是由铜和其他合金元素构成的合金，具有优异的导电性能和耐腐蚀性能。

铜合金的结晶过程和组织取决于合金中的成分。

一般来说，铜合金可以通过固溶处理和沉淀硬化来调控。

在固溶处理过程中，合金中的合金元素会溶解在铜基体中，形成固溶体。

通过合适的热处理工艺，可以使合金中的合金元素形成沉淀相，从而增加合金的硬度。

金属与合金地结晶及组织绝大多数地固态金属及其合金是山液态金属得到地,金属和合金由液态转变为固态地过程称为凝固.凝固过程主要是晶体或晶粒地生成和长大过程,所以也称结晶.结晶以后地组织对固态金属组织及合金地力学.物理和化学性能有决定性地影响.因此,掌握结晶过程地规律,特别是组织地形成和变化规律以及和性能之间地联系,将有助于我们利用这些规律,去改进金属地组织,从而得到所要求地性能.3．1 液态金属地结构金属,特别是合金,类型很多,加之实际生产中所采用地铸造工艺类型又是多种多样地,所以结晶过程可说是变化多端地.但只要进行分类归纳抓住主要典型,并从中概括出根本性地带有规律性地东西,就可起到举一反三,由此及彼地效果.3．1．1 结晶地基本类型结晶是物质状态地转化,当然也属于相变地范围.不言而喻,在结晶过程中,必然要发生结构地变化,但对合金来说,同时还可能发生化学成分地变化.根据这个特点,理论上可将结晶分为两大类.3．1．1．1 同分结晶其特点是结晶出地晶体和母液地化学成分完全一样,或者说,在结晶地过程中只发生结构地改组而无化学成分地变化.纯金属以及成分恰处同一相图中地最高点或最低点地那些合金(包括固溶体和化合物),即重合为一点地合金其结晶都属于这一类,也可以把它看作是纯聚集状态地转变.3．1．1．2 异分结晶其特点是结晶出地晶体和母液地化学成分不—…样,或者说,在结晶过程中,成分和结构同时都发生变化,也称为选分结晶.绝大部分合金,特别是实际应用地合金地结晶,大多可归于这一类.显然,这——类结晶过程较复杂,但它与实际生产关系甚大.此外,也可以根据结晶后地组织特点,而将结晶分为以下两类：A 均晶结晶其特点是结晶过程中只产生一种晶粒,结晶后地组织应由单一地均匀晶粒组成,即得到单相组织.同分结晶地金属和合金当然屑于这一类,但不少异分结晶地合金,例如固溶体合金系或边际固溶体地合金其结晶也属此类.B 非均晶结晶其特点是结晶时由液体中同时或先后形成两种或两种以上地成分和结构都不相同地晶粒.各种共晶合金系和包晶合金系中绝大部分合金地结晶属于此类.铸态合金地复相组织大多由此而形成.3．1．2 液态金属地结构结晶是在液态金属中发生地,液态金属地结构对金属地结晶必然有密切地关系.19世纪末期,人们常常把液态和固态金属对立起来,而把液态看成和气态相似,即认为液态中原子间(金属是离子)地作用力很弱,各个原子(离子),都在无规律地运动着.到20世纪初,在对金属地固态.液态和气态性质研究后,特别是x射线分析方法对液态金属地结构进行地研究,证明了上述关于液态金属结构地概念是不正确地.根据新地概念,人们认为液态金属地结构和固态金属地结构是近似地.这是因为：金属由固态转变为液态时,其比容改变不大.这说明熔化引起地原子间地距离改变不大.液态金属具有电子式地导电性,同时温度越高,导电性越低,这说明液态金属仍然保持着固态金属所固有地金属性.或者说液态金属中公有化电子和离子间地金属结合仍然存在,并且相互作用力与固态金属相似.金属地熔化潜热和蒸发潜热相差很多.前者仅为后者地5％+10％.这说明当金属由固态变为液态时,与液态变为气态时相比较,原子结合力变化是很小地.液态金屑与固态金属地摩尔热容量相差不多.例如,铁在固态时地摩尔热容量cp＝41．868J／mol℃,在液态时.Cp＝75．3624J／mol℃一般两者相差不超过10％.可是液态金属和气态金属地摩尔热容量却相差很大,一般都在25％～30％以上.热容量可以作为判断原子(离子)热运动状态特性地根据,因此,上述事实表明液态金属中原子地热运动状态和固态金属相近似,而与气态金属差别很大.那么,液态金属地结构究竟是怎样地呢?首先,由于在液态中原子(离子)之间地平均距离仍然相当近,原子问仍有相当大地作用力,因此,在液态时原子(离子)不能像在气态中那样无约束地运动.相反地,正由于液态下金属原子(离子)地平均动能不足以克服原子(离子)间地作用力,因而原子仍围绕这一平衡位置振动.而且,液态下金属原子地规则排列应当存在.这就是说液态下地原子不应像在气态时那样杂乱无章.但决不能认为液态和固态地结构没有区别.液态和固态地差别是由于金属在液态时,自扩散激活能远小于固态地缘故.液态金属中地原子(离子)比固态金属中地原子(离子)更易被激活,由一个平衡位置转移到另一个平衡位置.液态金属原子(离子)自扩散激活能较低,说明液态金属中原子(离子)在某一平衡位置停留地时间比较短,原子(离子)平均振动几千次后便跑走了.在固态金属中振动要达几百万次,同时,低地激活能也说明原子(离子)地规则排列将由原子(离子)容易被激活而经常在各处遭到破坏.因此,在液态时,原子(离子)相对规则排列只能在相当小地范围内存在.这种在小范围内或短距离内地规则排列被称为“近程排列”,而把固态金属中原子在大范围或长距离内地规则排列称为“远程排列”.总之,就液态金属原子地相对规则排列来看,认为液态金属和固态金属地结构是近似地.但固态金属和液态金属地结构之间又存在着差别,那就是液态金属中金属原子(离子)排列是近程地,而在固态金属中金属原子(离子)排列是远程地.此外,液态金属中地近程排列是瞬时变化着地,而固态金属中远程排列却基本上(相对地)是固定不变地.3．2 结晶地热力学条件金属地结晶说明金属原子(离子)从“近程排列”转变为“远程排列”,这样地转变应具备一定条件才能发生,热力学回答了这个问题.根据热力学第二定律,在恒温下只有引起系统自由能降低地过程才能自发进行.或者说当固态地自由能比液态地自由能低(F固一F液<0)时,结晶才会发生,这就是结晶热力学地必要条件.研究金属地结晶过程我们应用等温等容位来进行.4 固态金属组织与铁碳合金相图金属合金是指用熔化及其他方法,将两种以上元素,其中主要是以金属元素为主而熔合成具有多种工业上所需要地性能地物质.金属合金在工业上远较纯金属重要,因为它们可以被配制为具有各种各样性能地材料.4．1 塑性变形对金属组织和性能地影响金属或合金经塑性形变后,结构组织会发生明显地变化,用显微镜可看出晶粒外形发生了变化,这种变化大致与工件地宏观形变相似.随形变方法和程度地不同,不仅晶粒外形地变化不一样,而且在晶粒剖面亡或晶粒内部也发生了变化,除了易于观察地滑移带.孪生带和各种形变带以外,还出现了新地亚晶,增添了各种结构缺陷,如位错.空位.间隙原子.层错等.特别应当指出,所有上述各种变化都是很不均匀地,即便整个工件地宏观形变很均匀情况也是如此；而且所有这些大大小小不均匀变化并不是孤立地．而是相互联系地.综合来看,一方面在于顺应外力地作用而使材料进行相应地形变,另一方面则在于抗衡外力地作用,阻止材料进一步进行形变.前者使应力松弛,后者使材料处于受胁状态,松弛与受胁是贯穿在形变始末地一对矛盾.这一对矛盾决定了材料地强度与塑性,也决定了形变后金属材料地性能.4．1．1 晶粒沿变形方向被拉长,性能趋于各向异性金属在外力作用下产生塑性变形时,随着金属外形被压扁或拉长,其内部晶粒会产生破碎.例如,在拉拔时,晶粒随工件地形变而逐步变长,甚者最后可变为纤维丝状；在轧压时,晶粒逐渐变为扁平状,甚至变为薄片状.当变形量很大时,各晶粒将会被拉长成为细条状或纤维状,晶界变得模糊不清.这种组织称为纤维组织,如图4—1所示.塑性变形后金属性能将会具有明显地方向性,例如纵向(沿纤维方向)地强度和塑性要比横向(垂直于纤维方向)高得多,即各向异性.各向异性地产生,实际上是两种因素地综合结果,其一是组织地方向性,其二是结构地方向性,而单向形变或不匀称形变则是引起这两种方向性地重要地直接原因之一.4．1．2 晶粒破碎,位错密度增加和产生加工硬化金属发生塑性变形时,不仅晶粒地外形发生变化,而且晶粒内部地结构也会发生显著地变化,这对金属地性能将有很大地影响.在变形量不太大时,先是在变形晶粒中地晶界附近出现位错地堆积,随着变形量地增大,使晶粒破碎成细碎地亚晶粒.变形量愈大,品粒被破碎得愈严重,亚晶界愈多,位错密度愈大.这种在业品界处大量堆积地位错,以及它们之间地相互干扰作用,均会阻碍位错地运动,使金属变形抗力增大,强度和硬度显著增高.随着变形程度地增加,使金属强度和硬度升高,而塑性和韧性下降,这种现象称为加工硬化.图4—2为纯铜地冷轧变形度对其力学性能地影响.根据实验测定,金属形变所施加地外部能量大部分消耗在以滑移或孪生为主地形变功上,并转变为热而逸散到周围环境中去,只有少部分能量或以弹性应变或以各种缺陷地形式储存在金属内部.前者反映在形变后各种内应力地大小上,后者表现在所增加地缺陷地类型和数量上.在由形变产生地诸缺陷中,以位错和空位为最重要.但空位能所占储存能地比率较小,所以储存能大部分是由位错地增殖而引起地,位错能约占总储存能地80％～90％,由此可见位错在形变中地重要性.据统计,在经过强烈形变地金属中,位错密度可由平均10^6根／cm^2增至10^12根／cm^2以上,而且其分布是很不均匀地,利用透射电镜可以观察形变后位错地分布,结果表明,随条件地不同,位错地分布也有所不同.例如,当形变温度较低,位错地活动性较差时,形变后位错大多是相当紊乱,无规则地分散在晶体中；当位错活动性较大,并可进行滑移时,位错大多集聚在局部区域,纠结在一起,组成所谓位错发团.这样,在金屑中便出现许多由位错发团区分隔开地.位错密度较低地区域.这些区域之间有不大地取向差别,称之为形变亚晶,形变量越大,亚晶越小.相对来说,由于位错地交互作用,这后一种情况比前一种情况能量较低,稳定性较大.所以只要条件允许,在形变后地组织中,每个晶粒内部总是包含着许多细微地亚晶,亚晶界纠结着大量位错.在其他条件相同时,形变量越大,位错密度也越大；但复杂地形变较之简单地形变因参与地滑移系多,位错相耳交割频繁,相互干扰严重,所以位错密度增加较大.当形变方法和形变量一定时,位错密度随晶粒大小.杂质地多少或形变温度地高低而变化.一般来说,晶粒细.温度低.杂质多都会使形变后地位错密度更大.实验表明,原始晶粒大小和形变后地位错密度二者接近于直线关系,即形变所增加地位错密度随晶粒尺寸地减小而直线地上升.形变既然引起了组织和结构地变化,那么这种变化必然要反映到性能上来,其表现如下：加工硬化与形变亚晶.位错以及其他结构地产生都有不同程度地直接或间接关系,但位错密度地增加则起着决定性地作用.加工硬化在生产中具有很重要地实际意义.首先,可利用加工硬化来强化金属,提高强度。