第四章 材料的成形凝固与二元合金相图
一、纯金属的结晶
结晶：金属由液态转变成固态的过程。结晶过程用冷却曲线描述。 1、 冷却曲线与过冷度
金属熔液不透明，它的凝固过程不能直接观察，常用热分析法来绘制冷却曲线。 例：工业纯铁的冷却曲线绘制
将纯铁加热到熔点（1538°）以上使其熔化成液态，然后以极缓慢的冷却速度，每隔一定的时间测量一次温度值直到室温，最后将实验结果绘制在温度－时间为坐标的关系图，就可得到纯铁的冷却曲线，如图4－1所示。
从曲线看，液态金属随冷却时间增加，温度不断降低。当冷却到某一温度时，温度不再随时间增加而变化。于是在曲线上出现了一个温度水平线段，该线段对应的温度就是纯铁的结晶温度。（1538°）。
过冷：实际上这个平台温度比理论结晶温度略低一些的现象。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。用△t 表示。 即： 10t t t -=∆ △
t 不是一个恒定值，它与冷却速度，金属性质及纯度等因素有关。对于同一种金
属溶液，冷却速度愈大，△t 越大。实际液态金属的结晶总是在过冷的条件下才能进行。 2、结晶过程
结晶过程包括晶核的形成与长大两个基本过，如图4－2所示。
（1）晶核的形成
自发形核：当液态金属冷却到结晶温度以下，其内部存在的微小原子集团变成稳定的结晶核心。
非自发形核：当液态金属中有杂质（自带或人工加入）时，杂质在冷却时就成为结晶核心。
（2）晶核的长大
晶核长大即液态金属中的原子向晶核表面转移的过程。
综上所述，纯金属的结晶总是在怛温下进行，结晶时有结晶潜热放出，结晶过程遵循形核和核长大规律。结晶必须有过冷度条件下才能进行。
2、晶后晶粒大小
（1）晶粒大小对金属力学性能及性能有影响
晶粒愈小，其强度、塑性、韧性愈高。
（2）结晶后晶粒大小与晶体长大速度，形核速度有关
结晶时有较大过冷度，形核率增加比晶核长大速度快，晶粒细小。
控制晶粒大小的途径有：
1）增加过冷度
2）变质处理（孕育处理）
3）振动作用
二、金属的同素异晶（构）转变
金属的同素异晶转变：固态金属随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象（过程）。
如图4－3所示为工业纯铁冷却曲线晶体晶格与温度的变化。
结晶时有较大的过冷度，应力与变形。 2－4 合金的结晶与二元合金相图
合金：通过熔化或其它方法使两种或两种以上的金属或非金属元素结合在一起所形成的
具有金属特性的物质。
合金相：凡是成分、结构相同并以界面分开的均匀的物质。
按组成合金中合金相的原子排列方式的不同，合金相分为固溶体和金属化合物两类。 1、固溶体
定义：在固态下，一种或若干种元素的溶质原子溶入某一种元素的溶剂晶格中去形成的
均匀固相。
按溶质原子在溶剂晶格中位置不同固溶体分为两类： ⑴间隙固溶体
溶质原子位于溶剂晶格的间隙处，如图4－4a 所示。 ⑵置换固溶体
溶质原子代替部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的一些结点位置，如图4－4b 所示。 按溶解度不同，可分为无限溶解固溶体和有限固溶体。
固溶强化：溶质原子的溶入，导致晶格发生畸变，提高材料强度与硬度的现象。
1394℃
γ－Fe
面心立方晶格
δ－Fe 体心立方晶格
1394℃
α－Fe
体心立方晶格
2、金属化合物
定义：合金组元之间相互作用形成具有金属特征的新相。
金属化合物具有熔点高、硬度高、脆性高的特点。
常见的金属化合物有正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三类。
间隙化合物以原子直径较大的过渡族金属元素为溶剂，以原子直径较小的非金属元素（C、N、N…）为溶质，两者相互作用形成的。按间隙化合物的晶体结构复杂程度不同，分为二类：
第一类具有简单晶体结构的间隙化合物（当r质/r剂≤0.59时，形成间隙相）。
第二类具有复杂晶体结构的间隙化合物（当r质/r剂≥0.59时），这类间隙化合物具有更高的熔点、硬度，且非常稳定。表2－1中可看出。
表4－1 各种碳化物性能比较
弥散强化：金属化合物以细小颗粒均匀分布在固溶体基体上，使合金的强度、硬度、耐磨性明显提高的现象。
3、合金的结构
合金的结构：由合金相组成的复合组织。（可是固溶体，也可是金属化合物，或是两者组成的复合组织）
三、合金的结晶与二元合金相图
合金相图（合金状态图或合金平衡相图）：表示在平衡条件下（平衡表示合金相在一定条件下不随时间而改变的状态），合金的成分、温度、合金相之间的关系图解。
1、二元合金相图的建立
二元合金相图是用一个以温度轴为纵坐标、合金成分为横坐标的平面图形。二元合金相图的建立是用实验和计算等方法测定的。现以Cu－Ni二元合金相图为例，说明用
热分析实验法建立相图的基本过程。
⑴配制一系列不同成分的Cu－Ni合金，如表2－2所列。
表4－26组不同的Cu－Ni合金
⑵将所列合金分别加热到高温液态，然后以极其缓慢的冷却速度冷却到室温，分别测定它们的冷却曲线（如图4－5a），正确标明各相变点。
⑶将冷却曲线上各相变点投影到温度－成分坐标图中相应的合金成分线上，将意义相同的点连接起来就构成了Cu－Ni二元合金相图，如图4－5b所示。
2、二元匀晶相图
定义：凡两组元在液态、固态均能以任何比例互溶，形成无限固溶体的相图。
⑴相图分析
A点：纯Cu的熔点。
B点：纯Ni的熔点。
ALB线：为液相线，表示液态合金冷却时开始结晶的温度线，加热时表示所有固相转变成液态的熔化终了线。
AαB线：为固相线，表示液态合金结晶终了的温度线，加热时表示固相开始熔化的温
