固溶体合金的结晶

名词解释结晶：指从不规则排列的液体转变为原子规则排列的晶体的过程。

物质由液态转变为具有晶体结构固态的过程又称为一次结晶。

异分结晶：固溶体合金结晶时，存在溶质原子在液固相之间的重新分配，即所结晶出的固相成分与母相成分不同单位结晶。

金属化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物(Fe3C)。

共晶反应线：表示从C点到D点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。

而且发生共晶反应的的液相成分均在E点一次渗碳体：从液相中直接析出，呈粗大长条状；二次渗碳体：从奥氏体中析出，沿晶粒状~网络状分布；三次渗碳体：从铁素体中析出，沿铁素体晶界呈小片状；共晶渗碳体：发生共晶转变时形成的，为连续集体或呈鱼骨状分布共析渗碳体：发生共析转变时形成的，呈层片状。

滑移：在外力作用下，晶体相邻二部分沿一定晶面、一定晶向彼此产生相对的平行滑动。

这个晶面就是滑移面，晶体在滑移面上的滑移方向称为滑移方向。

多滑移：在两个及以上的滑移系上同时进行的滑移（几个滑移系上的分切应力相等，并同时达到临界切应力时就会发生多滑移）塑性变形: 材料断裂前发生永久不可逆变形的能力称为塑性变形。

应力撤消后, 变形仅部分消失，存在残余、永久性的变形。

细晶强化:用细化晶粒增加晶界提高金属强度的方法叫细晶强化。

回复：冷变形后的金属在加热温度不高时，其光学显微组织未发生明显改变时所产生的某些亚结构和性能的变化过程。

再结晶：冷变形金属在低于Ac1的较高温度下，通过新晶核的形成与长大，由畸变晶粒变为相同晶格类型的无畸变等轴晶粒的过程。

(1) 初始晶粒度奥氏体转变刚结束时的晶粒大小。

(2)实际晶粒度具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小。

①与具体热处理工艺有关：热处理温度↑，时间↑，晶粒越大。

②与晶粒是否容易长大有关(3)本质晶粒度指钢在特定的加热条件下，奥氏体晶粒长大的倾向性，分为本质粗晶粒度和本质细晶粒度。

淬火：将钢加热到AC1或AC3以上温度并保温，然后以大于临界冷却速度Vc冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。

固溶体合金在结晶时溶质和溶剂原子的重新分配和相互扩散1. 1T 温度时固溶体合金的平衡结晶a) 形核：由图3.17 可知，假如成分为0C 的合金在温度1T 温度时开始结晶，按照相平衡关系，此时形成成分为10C K 的固溶体晶核。

b) 浓度梯度的形成：但是由于固相的晶核是在成分为0C 的原液相中形成，因此势必要将多余的溶质原了通过固液界面向液相中排出，使界面的液相成分达到该温度下的平衡成分1C ，但此吋远离固液界面处的液相成分仍保持原来的成分0C ，这样,在界面的邻近区域即形成了浓度梯度，如图3.18a 所示。

c) 浓度梯度引起的原子扩散：出于浓度梯度的存在，就必然引起液相内溶质B 和溶剂A 原子的相互扩散，即界面处的B 原子向远离界而的液相内扩散，而远处液相内的A 原子向界面处扩散，结果使界面处的溶质原子浓度自1C 降至0C '，如图3-18b 所示d) 破坏相平衡：但是在1T 温度下，只能存在101C K C L α⇔的相平衡，界面处液相成分的任何偏离都将破坏这一相平衡关系， 这是不能允许的。

e) 相平衡重新建立：为了保持界而处原来的相平衡关系，只有使界面向液相中移动，即晶体长大，而晶体长大所出的溶质原子使相界面处的液相浓度恢复到平衡成分1C 如图3-18c ，相界面处相平衡关系的重新建立,f) 过程反复进行直到：又造成液相成分的不均匀，出现浓度梯度，这势必又引起原子的扩散，破坏相平街，最后导致品体进一步长大， 从而维持原来的相平衡。

如此反复，直到液相成分全部变到1C 为止，如图3.18d 所示。

2. 2T 温度时固溶体合金的平衡结晶a) 晶体长大依赖：当温度自1T 降2T 时，结晶过程的继续进行， 一方面依赖于在1T 温度时所形成晶体的继续长大，另一方面是在2T 温度时重新形核并长大。

b) 形核两相成分建立相平衡：在2T 时的重新形核和长大过程与1T 时相似，只不过此时液相的成分已是1C ，新的晶核是在1C 成分的液相中形成，且晶核的成分为20C K ，与其相邻的液相成分为2C ，建立了新的相平衡：202C K C L α⇔c) 浓度梯度的形成：远离固液界面的液相成分仍为1C 。

由上述固溶体的结晶过程可知，固溶体的结晶过程是和液相及固相内的原子扩散过程密切相关的1. 只有在极缓慢的冷却条件下即在平衡结晶条件下，才能使每个温度下的扩散过程进行完全，使液相或固相的整体处处均匀一致。

2. 然而在实际生产中，液态合金浇入铸型之后，冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，这样就使液相尤其是固相内保持着一定的浓度梯度，造成各相内成分的不均匀。

不平衡结晶：这种偏离平衡结晶条件的结晶，称为不平衡结品 不平衡结晶的结果对合金的组织和性能有很大的影响 假设极端情形：在不平衡结晶时，设液体中存在着充分混合条件，即液相的成分可以借助扩散、对流或搅拌等作用完全均匀化，而固相内却来不及进行扩散。

显然这是一种极端情况。

固溶体合金21T T 温度时的不平衡结晶：● 由图3-20可知，成分为0C 的合全过冷至1T 温度开始结晶，首先析出成分为1α的固相，液相的成分为1L ,当温度下降至2T 时，析出的固相成分为2α，它是依附在1α晶体的周围而生长的。

● 此时整个已结晶的固相成分为1α和2α的平均成分2α'。

● 如果是平衡结晶的话，通过扩散，晶体内部由1α成分可以变化至2α，但是由于冷却速度快，固相内来不及进行扩散，结果使晶体内外的成分很不均匀。

● 在液相内，由于能充分进行混合，使整个液相的成分时时处处均匀一致，沿液相线变化至2L 。

固溶体合金43,T T 温度时的不平衡结晶：● 当温度继续下降至3T 时，结晶出的固相成分为3α，同样由于固相内无扩散，使整个结晶固体的实际成分123α的平均值3α'，液相的成分沿液相线变至3L● 此时，如果是平衡结晶的话，3T 温度已相当于结晶完毕的固相线温度，全部液体应当在此温度下结晶完毕，已结晶的固相成分应为合金成分3α。

但由于是不平衡结晶，已结晶固相的平均成分不是3α，而是3α'，与合金的成分0C 不同，仍有一部分液体尚未结晶，一直要到4T 温度才能结晶完毕。

和纯金属不同，固溶体合金的结晶有其显著特点，主要表现在以下两个方面： 异分结晶，固溶体合金的结晶需要一定的温度范围()A 异分结晶异分结晶和同分结晶：固溶休合金结品时所结晶出的固相成分与液相的成分不同，这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶，或称选择结晶。

而纯金属结晶时，所结晶出的晶体与母相的化学成分完全一样，所以称之为同分结晶。

分配系数：既然固溶体的结晶属于异分结晶，那么在结晶时的溶质原子必然要在液相和固相之间重新分配，这种溶质原子的重新分配程度通常用分配系数表示。

平衡分配系数：● 平衡分配系数0K 定义为：在一定温度下，固液两平衡相中的溶质浓度之比值，即LC C k α=0；式中，αC 和L C 为固相和液相的平衡浓度，假定液相线和固相线为直线，则0K 为常数，如图3-16所示。

● 当液相线和固相线随着溶质浓度的增加而降低时，则10<K ，如图3-16a 所示，反之，则10>K ，如图3-16b 所示。

● 显然，当10<K 吋，0K 值越小，则液相线和固相线之间的水平距离越大，当10>K 时，0K 值越大，则液枏线和固相线之间的水平距离也越大。

● 0K 的大小，实际上反映了溶质组元重新分配的强弱程度。

()B 固溶体合金的结晶需要一定的温度范围固溶体合金的结晶要在一定的温度范围内进行：在此温度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数量的固相。

随着温度的降低，固相的数量增加，同时固相的成分和液相的成分分别沿固相线和液相线而连续地改变，直至固相线的成分与原合金的成分相同时，才结晶完毕。

这就意味着固溶体合金在结晶时始终进行溶质和溶剂原子的扩散过程其中不但包括液相和固相内部原子的扩散，且包括固相与液相通过界面进行的原子互扩散这就需要足够长的时间才得以保证平衡结晶过程的进行。

第三章二元合金的相结构与结晶3-1 在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？答：原因：在纯金属的凝固过程中，在正温度梯度下，固液界面呈平面状生长；当温度梯度为负时，则固液界面呈树枝状生长。

固溶体合金在正温度梯度下凝固时，固液界面能呈树枝状生长的原因是固溶体合金在凝固时，由于异分结晶现象，溶质组元必然会重新分布，导致在固液界面前沿形成溶质的浓度梯度，造成固液界面前沿一定范围内的液相其实际温度低于平衡结晶温度，出现了一个由于成分差别引起的过冷区域。

所以，对于固溶体合金，结晶除了受固液界面温度梯度影响，更主要受成分过冷的影响，从而使固溶体合金在正温度梯度下也能按树枝状生长。

3-2 何谓合金平衡相图，相图能给出任一条件下合金的显微组织吗？答：合金平衡相图是指在平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解，又称为状态图或平衡图。

由上述定义可以看出相图并不能给出任一条件下合金的显微组织，相图只能反映平衡条件下相的平衡。

3-3 有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的W Ni=90%，另一个铸件的W Ni=50%，铸后自然冷却。

问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。

答：W Ni=50%铸件凝固后偏析严重。

解答此题需找到Cu-Ni合金的二元相图。

原因：固溶体合金结晶属于异分结晶，即所结晶出的固相化学成分与母相并不相同。

由Cu-Ni合金相图可以看出W Ni=50%铸件的固相线和液相线之间的距离大于W Ni=90%铸件，也就是说W Ni=50%铸件溶质Ni的k0（溶质平衡分配系数）高，而且在相图中可以发现Cu-Ni合金铸件Ni的k0是大于1，所以k0越大，则代表先结晶出的固相成分与液相成分的差值越大，也就是偏析越严重。

消除措施：可以采用均匀化退火的方法，将铸件加热至低于固相线100-200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分扩散，可达到成分均匀化的目的。

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。

第一章金属及合金的晶体结构复习题一、名词解释1．晶体：原子（分子、离子或原子集团）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物质。

2．非晶体：指原子呈不规则排列的固态物质。

3．空间点阵：描述晶体中原子（离子、分子或原子集团）规律排列的空间格架称为空间点阵。

4．晶格：一个能反映原子排列规律的空间格架。

5．晶胞：构成晶格的最基本单元。

6．晶界：晶粒和晶粒之间的界面。

7．单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。

8．多晶体：由许多取向不同，形状和大小甚至成分不同的单晶体（晶粒）通过晶界结合在一起的聚合体。

9．晶粒：组成多晶体的各个小单晶体的外形一般为不规则的颗粒状，故通常称之为晶粒。

10．合金：是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。

11．组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。

12．相：金属中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。

13．组织：用肉眼观察到或借助于放大镜、显微镜观察到的相的形态及分布的图象统称为组织。

14．固熔体：合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。

二、填空题1．晶体与非晶体的根本区别在于原子的排列是否规则。

2．常见金属的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格三种。

3．实际金属的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。

4．根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。

5．置换固溶体按照溶解度不同，又分为无限固溶体和有限固溶体。

6．合金相的种类繁多，根据相的晶体结构特点可将其分为固溶体和金属化合物两种。

7．同非金属相比，金属的主要特征是良好的导电性、导热性，良好的塑性，不透明，有光泽，正的电阻温度系数。

8．晶体与非晶体最根本的区别是原子（分子、离子或原子集团）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物质，而非晶体则不是。

9．金属晶体中最主要的面缺陷是晶界和亚晶界。

固溶体合金结晶的一般规律固溶体合金的结晶是指在固态下，金属元素的原子通过一定的方式排列组合，形成具有有序结构的晶体。

不同的固溶体合金在结晶过程中会出现不同的规律，下面将介绍一些常见的结晶规律。

第一，固溶体合金的结晶方式。

固溶体合金的结晶方式主要有两种：均匀固溶和化合物结晶。

均匀固溶是指两种或多种金属元素在晶体中均匀地分布，形成一个固溶体。

而化合物结晶则是指两种或多种金属元素按照一定的比例结合在一起，形成一个化合物。

这两种结晶方式的选择取决于金属元素之间的相互作用和比例关系。

第二，固溶体合金的晶体形态。

固溶体合金的晶体形态可以是单相固溶体晶体，也可以是多相固溶体晶体。

单相固溶体晶体是指晶体中只含有一种相，即只有一种组成成分。

多相固溶体晶体则是指晶体中含有两种或多种相，即含有不同的组成成分。

晶体形态的不同会直接影响固溶体合金的力学性能和耐腐蚀性能。

第三，固溶体合金的晶界结构。

晶界是指晶体之间的交界面，晶界结构的形态和性质对固溶体合金的性能有重要影响。

晶界可以分为晶界位错和晶界间隙两种类型。

晶界位错是指晶体之间原子排列的错位，而晶界间隙则是指晶体之间存在的空隙。

晶界位错和晶界间隙的存在会导致晶界的能量增加，从而影响固溶体合金的力学性能和电学性能。

第四，固溶体合金的晶粒尺寸。

晶粒尺寸是指晶体中晶粒的大小，晶粒尺寸的大小直接影响固溶体合金的力学性能和耐腐蚀性能。

一般来说，晶粒尺寸越小，材料的强度和硬度就越高，而晶粒尺寸越大，材料的韧性和塑性就越好。

因此，通过控制固溶体合金的结晶方式和加工工艺，可以调控晶粒尺寸，从而改善材料的性能。

固溶体合金结晶的一般规律包括结晶方式、晶体形态、晶界结构和晶粒尺寸等方面。

通过研究和控制这些规律，可以有效地改善固溶体合金的性能，满足不同工业领域对材料性能的需求。

固溶体合金作为一种重要的金属材料，将在未来的科技发展中发挥更加重要的作用。

合金的结晶知识点总结一、结晶的定义与特点结晶是指物质在一定条件下，由无序状态转变为有序状态的过程。

在固态金属和合金中，结晶是一种重要的物理现象，它影响着合金的性能和用途。

结晶的特点包括有序性、周期性、规则性和对称性。

二、合金的结晶方式合金的结晶方式主要包括共晶结晶、析出结晶、扩散控制结晶、再结晶等。

1. 共晶结晶共晶合金是由两种或两种以上的金属元素组成，且在一定温度范围内形成与基体共同结晶的合金。

共晶合金的共晶点温度比升华温度低，使得共晶合金易于结晶。

2. 析出结晶析出结晶是指在固溶体中析出新的相或晶粒，该过程是固溶体中溶质从固溶体中析出的过程。

3. 扩散控制结晶扩散控制结晶是由于界面扩散对固相反应速率的控制，因而在分解时呈现扩散控制的过程。

4. 再结晶再结晶是宏观特征是对晶体变形的恢复。

通过核心再结晶再结晶拟晶长大及晶粒细化，生产出具有良好性能的金属材料。

三、影响合金结晶的因素1. 温度温度是影响合金结晶的最主要因素之一。

合金的熔点、凝固温度和再结晶温度都与结晶过程有关，温度对合金结晶方式和晶粒尺寸都有很大的影响。

2. 成分合金的成分对结晶过程和晶粒尺寸都有重要的影响。

合金的成分不同，其结晶过程、成分的分布和晶粒尺寸都会有所差异。

3. 液态冷却速率冷却速率是指液态金属或合金在冷却过程中的冷却速率。

液态冷却速率对合金的宏观结构和微观结构都会产生重要的影响，从而影响合金的结晶方式和晶粒尺寸。

4. 添加元素合金中添加的元素对其结晶过程和晶粒尺寸都有很大的影响。

添加元素可以改变合金的化学成分和晶粒尺寸，从而对合金的性能产生影响。

四、合金结晶技术1. 凝固技术合金的凝固技术是其中最重要的一项技术，凝固技术可以影响合金的结晶方式、晶粒尺寸和组织结构，从而影响合金的性能和用途。

2. 热处理技术热处理技术包括退火、淬火、固溶处理、时效处理等，通过热处理技术可以改变合金的晶粒尺寸和组织结构，从而影响合金的性能和用途。