第二章(2)金属的结晶及二元相图

工程材料与机械制造基础
主讲教师-高丽
纯金属的结晶
1.凝固：物质由液态转变为固态的过程。 2.结晶：物质由液态转变为晶态的过程。 3.相变：物质由一个相转变为另一个相的过程。 因而结晶过程是相变过程。
结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 度
理论冷却曲线 结晶平台(是由结晶潜热导致) 实际冷却曲线
和韧性。为了提高金属的力学性能，希
望得到细晶组织。
3、决定晶粒度的因素
晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核 的数目； 长大速度（G）：晶核单位时间生长的长度
N/G越大，晶粒越细小。
细化晶粒的途径
过冷度对N、G的影响
提高冷却速度、增大过冷度
V冷
△T
N/G
枝晶偏析组织 平衡组织 Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
2、二元共晶状态图
• 定义：两个组元在液态完全互溶，但固态只能 有限互溶且发生共晶反应，构成的相图为二元 共晶相图。
如：Pb-Sb、Pb-Sn
（1）状态图分析
液固相线： 液相线AEB，固相线ACEDB。 A、B分别为Pb、Sn的熔点 CF线：Sn在Pb中的溶解度线（α相 固溶线） DG线：Pb 在Sn中的溶解度线（β相 B A
t


1 2
其与液固相线交点a、b所
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
② 确定两平衡相的相对重量

设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
理论结晶温度 To 实际结晶温度 Tn
时间
• 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的
现象称过冷。 • 理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过 冷度 T= T0 –Tn 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大， 过冷度越大。
•
纯金属的结晶过程
1、结晶的基本过程：
液态金属结晶时，都是首先在液态中出现一些微小的晶体－晶 核，它不断长大，同时新的晶核又不断产生并继续长大，直至液 态金属全部消失为止。
合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成 分变化到C点，液相成分变化到E点, 发生共晶反应。 L ⇄( + ), 此时两相的相对重量为：
C2 2E QL ( QE ) 100%, Q 100% CE CE
• 在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应： L ⇄( + ) ，转变为共晶组织，共晶体的重量与转 变前的液相重量相等, 即QE =QL • 反应结束后，在共晶温度下、 两相的相对重量百 分比为： Q 2 D 100%, Q C 2 100%
Q
Q Ⅱ
2）共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 • 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共 晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’
19.2
wt%Sn
• 在共晶转变过程中，L、 、 三相共存, 三个相的 量在不断变化，但它们各 自成分是固定的。 • 共晶组织中的相称共晶相. 共晶转变结束时， 和 相的相对重量百分比为：
合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各 自相区距离较远的成分线段之比。 • 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端 点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 杠杆定律只适用于两相区。 • 例（如图）
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
CD CD
温度继续下降，将从初生相
中不断析出Ⅱ，其室温组织为
+ ( + ) + Ⅱ 。
亚共晶合金 的结晶过程
④ 过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似，不同的 是一次相为 , 二次相为Ⅱ 室温组织为+(+)+Ⅱ。
Pb-Sn合金的结晶过程
3、二元包晶相图
当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反 应时所构成的相图称作包晶相图。 水平线HJB称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包
共晶反应
包晶反应
L+ ⇄
共析反应
恒温下由一个固相同时 ⇄ + 析出两个成分结构不同 的新固相。
• 计算各相、各组织组成物 相1成分
合金成分 •
相2成分 •
相对重量百分比：
相1重 合金成分为杠杆的支点， 量 相2重 量 合金成分 •
相或组织组成物的成分
为杠杆的端点。
组织1成分 •
结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.
（1）晶核的匀形核。 • 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 • 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。 非均匀形核更为普遍。
均匀形核
非 均 匀 形 核 示 意 图
(2) 晶核的长大
晶核的长大方式有两种， 即均匀长大和树枝状长大。
3) 枝晶偏析
1）定义：由于冷却速度快，造成晶体中晶粒内化学成分 不均匀的现象。 例如在Cu-Ni合金中，先结晶出 的枝晶轴含有较多的高熔点元 素(如Cu-Ni合金中的Ni)，后结 晶的枝晶间含有较多的低熔点 元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。
3) 枝晶偏析
枝晶偏析不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 2）缺点：严重降低合金的力学性能和加工工艺性能。 3）消除办法：扩散退火
均匀长大
实际金属结晶主要以树枝状长大. 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好， 生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝 间最后被填充。
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
（3）金属结晶后的晶粒大小
一般来说，细晶粒金属具有较高的强度
LE ⇄(C + D)
共晶反应：在一定温度
A B
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
共晶合金: 具有共晶成分的合金。
亚共晶合金: 在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金
过共晶合金：位于共晶
A
点以右的合金。
L+
C D B
1）合金冷却过程分析
合金Ⅰ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。
Cu
L
液相线 +
L
固相线

成分（wt%Ni）
Ni
(2) 合金的结晶过程
⑵ 杠杆定律
• 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的 成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。 现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律： • ① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成 分垂线。在成分垂线相当 于温度t 的o点作水平线，

式中的x2-x (ob) 、x2-x1 (ab) 、x-x1 (ao)
• 因此两相的相对重量百分比为：
xx 2 ob QL x1 x 2 ab x1 x ao Q x1 x 2 ab
QL xx 2 ob ( ) 或QL x1 x Q xx 2 Q x1 x ao
.2
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格 不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相— 相。 由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 由 析出的二次 用Ⅱ 表示。
H

随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变 化， Ⅱ的重量增加。 F4 100% 室温下Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ FG • 由于二次 相析出温 度较低， 一般十分 细小。
组织2成分 •
组织1 重量
组织2 重量
相图与铸造性能的关系
①固溶体合金液固相
线间距越大、偏析倾
向大, 树枝晶发达, 流
动性降低, 补缩能力
下降, 分散缩孔增加.
②共晶合金结晶温度
低，流动性好，缩孔 集中， 偏析小， 铸 造性能好。
晶反应：LB+Hδ⇄AJ
包晶反应: 在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固 相的反应。
5具有共析反应的二元相图

共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成 分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固 相的过程。
• 共析转变也是固
态相变。
• 最常见的共析转
变是铁碳合金中
的珠光体转变:
晶粒细小
加入一些细小变质剂，增大形核率， 变质处理：
减低长大速率。
机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
三、合金的结晶
合金的结晶也是在过冷条件下形成晶核与晶核长大 的过程，但因组元较多，合金的结晶过程比纯金属 复杂，常用相图进行分析. 相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶 过程的简明图解。又称状态图或平衡图。
• 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度 变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工 艺的重要依据。 • 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
三元相图
Fe-C二元相图
二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
二.相图的建立
温 度 温 度 温 度
S
P
S ⇄ P+ Fe3C
。
(—奥氏体，—铁素体，Fe3C—渗碳体)
• 共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线 )、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合 金(共析成分合金)、 亚共析合金(共析线 上共析点以左的合