合金的结晶
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。
合金结晶与纯金属结晶的异同
合金结晶与纯金属结晶的异同结晶是固体物质由液体或气体转变为固体时形成的有序结构过程。
在金属材料中，结晶是其物理和力学性能的重要因素之一。
金属材料的结晶可以分为合金结晶和纯金属结晶两种类型。
本文将从晶体结构、结晶方式、晶界性质和性能特点等方面对合金结晶与纯金属结晶进行比较，以便更好地理解它们的异同。
合金结晶与纯金属结晶在晶体结构方面存在一定的差异。
纯金属结晶的晶体结构主要有面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和密堆积六方（HCP）等。
而合金结晶的晶体结构则取决于合金的成分。
不同的合金成分会导致晶体结构的变化，例如，合金中添加了一些非金属元素会改变晶体结构，使之变为非晶态或形成新的相。
合金结晶与纯金属结晶在结晶方式上也有所不同。
纯金属结晶通常遵循固溶体系的相图，即通过熔化和冷却的方式进行结晶。
而合金结晶则更加复杂，因为合金中存在多个元素，其相互作用和溶解度的变化会影响合金的结晶方式。
合金结晶可以包括共晶、共晶反应、包晶等多种方式。
在晶界性质方面，合金结晶与纯金属结晶也存在差异。
晶界是指晶体中两个晶粒之间的界面，它对材料的性能起着重要作用。
纯金属结晶的晶界通常是高度有序的，晶界能量较低，因此具有较好的力学性能。
而合金结晶的晶界则受到合金成分和结晶方式的影响，晶界的有序性和能量可能会发生变化，从而影响材料的性能。
合金结晶和纯金属结晶在性能特点上也有所不同。
纯金属结晶的晶粒尺寸较大且均匀，因此具有较好的塑性和导电性能。
而合金结晶的晶粒尺寸和分布受到合金成分和结晶方式的影响，可能会出现较大的晶粒和晶界偏析等现象，从而影响材料的力学性能和化学性能。
合金结晶与纯金属结晶在晶体结构、结晶方式、晶界性质和性能特点等方面存在一定的异同。
通过对其进行比较，可以更好地理解合金材料的结晶行为和性能特点，为合金材料的设计和应用提供理论依据。
然而，需要注意的是，合金结晶和纯金属结晶是一个复杂的问题，还有很多细节和特殊情况需要进一步研究和探索。
金属与合金的结晶
度，也叫平衡结晶温度，是指液体的结晶速度与晶
体的熔化速度相等时的温度。
工程材料
第3章 金属与合金的结晶
4
实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度， 原因在结晶的能量条件上。 在自然界中，任何物质都具有一定的能量，而 且一切物质都是自发地由能量高的状态向能量低的 状态转变，结晶过程也同样遵循这一规律。
通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立 存在的物质称为组元。但在所研究的范围内既不分解 也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元， 如Fe3C看作一组元。
2． 合金系
由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一 系列不同成分的合金，称为合金系。
工程材料
第3章 金属与合金的结晶
37
3．相图
匀晶合金的结晶过程
T,C 1500 1400 c 1300 1200d 1100 1000 1083
T,C L
L
1455 a
L+ b
L
匀晶转变 L
L
Ni Cu 匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点， t 100 而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。 20 40 60 80 冷却曲线 Ni%
工程材料
第3章 金属与合金的结晶
39
工程材料
第3章 金属与合金的结晶
40
四、二元状态图的基本类型分析
1.二元匀晶相图
2.二元共晶相图 3.二元包晶相图 4.形成稳定化合物的相图 5.具有共析转变的相图 6.合金的性能与相图的关系
工程材料
合金结晶和纯金属结晶的异同
合金结晶和纯金属结晶的异同合金结晶和纯金属结晶是固态金属材料在冷却过程中形成晶体结构的两种不同方式。
虽然它们都涉及到原子的有序排列，但在细节上存在一些差异。
本文将从晶体形成的过程、晶体结构以及性质等方面对合金结晶和纯金属结晶进行比较和分析。
合金结晶和纯金属结晶的形成过程存在一些异同。
合金结晶是由两种或更多种金属元素组成的固态混合物，在冷却过程中形成晶体结构。
纯金属结晶则是由单一金属元素组成的固态材料。
不论是合金还是纯金属，其结晶过程都可以分为凝固和晶体生长两个阶段。
在凝固阶段，金属原子开始有序排列，形成初生晶核。
随着冷却的继续，这些晶核逐渐长大并扩展，直到填满整个材料。
合金结晶和纯金属结晶的晶体结构也存在差异。
纯金属结晶中的金属原子排列规则，通常具有高度的对称性。
常见的金属结晶结构有面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和密堆积六方（HCP）等。
而合金结晶由于含有多种金属元素，其晶体结构往往更为复杂。
合金晶体中金属原子的排列方式取决于不同金属元素之间的相互作用力，可能会形成固溶体、亚稳相或化合物等多种晶体结构。
合金结晶和纯金属结晶的性质也有所差异。
合金的存在可以改变材料的力学性能、热学性质和化学反应性等。
通过调整合金的成分和结构，可以获得不同的材料性能，如提高强度、增加耐腐蚀性等。
纯金属的性质主要取决于其晶体结构和原子间的键合，因此通常具有较高的电导率和热导率，以及良好的延展性和可塑性。
总的来说，合金结晶和纯金属结晶在形成过程、晶体结构和性质等方面存在一些异同。
合金结晶由于含有多种金属元素，其晶体结构较为复杂，而纯金属结晶则具有较高的对称性。
此外，合金的存在可以改变材料的性能，而纯金属的性质主要取决于其晶体结构和原子间的键合。
深入理解合金结晶和纯金属结晶的差异，对于合金材料的设计和应用具有重要意义。
10讲典型合金的结晶过程及组织
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。
4 合金的结晶(合金相图)
共析反应（转变）：
一定成分的固相，在一定温度下，同时析出两种 化学成分和结构完全不同的新的固相的反应（转变）。
→ 1＋ 2
共析相图与共晶相图在形状上很相似，但发生的 反应完全不同。
L L＋ A1 B1
A2
B2
1 D
＋ 1
C
＋ 2 1 ＋ 2
E 2
A
B
wB(%)
临界点指合金在冷却时凝固开始和凝固终了的温度点。
4、将各临界点标在相图的坐标平面上；
二元相图的坐标平面，其纵座标为温度，横座标为成分。
5、在相图平面上将性质相同的临界点分别连接起来，即建立 起相图。
• 相图中，结晶开始点的连线叫液相线。
•
wNi=80% wNi=60%
温 wNi=40% 度
结晶终了点的连线叫固相线。
wNi=100%
wNi=20% wCu=100% 时间
Cu
20
40
60
80
Ni
wNi(%)
Cu-Ni二元合金相图的建立
合金的结晶不是恒温的，是在一定的温度范围内进行的。
三、二元相图的基本类型
1、二元匀晶相图：合金两组元在液态和固态以任何比例 均能无限互溶所构成的相图。
液相线
合金结晶开始的温度连线
固相线 L
具有共析反应的二元合金相图
总结：
合金的结晶不一定在恒温下进行，结晶过程中不 像纯金属只有一个液相和一个固相，而是在不同温度 范围内存在不同数量的相，且各相的成分也可变化， 合金结晶是通过合金相图来分析的。
思考：
纯金属结晶和合金结晶有什么异同？
谢谢各位！
一、合金相图的基本知识 合金相图：又称合金平衡图，表示在平衡状态下， 合金的组成相和温度、成分之间关系的图解。
合金的结晶与相图1
相图的用途
铸造生产
成分控制→组织控制 →性能控制。 工艺指定 组织控制
热处理工艺
焊接工艺
第五章 铁碳合金相图
铁碳合金的相结构与性能
铁碳合金相图
相图特点：
３个三相转 变线； ５个单相区； ７个两相区； ３条溶解度 曲线。
Fe-C合金示意图
画出基本形状； 记住关键点的 成分； 会分析典型合 金的结晶过程 会计算平衡组 织的构成。
计算过程
共晶温度下：
相组成： L+ α 成分：L为62% α 为18% 假设： α的重量百分比为x%, 则L相的重量百分比为(1-x)% 溶质总量不变： 18x+62(1-x)=40 X=50%
比重偏析
产生原因：
因组元比重相差较大造成初 晶相与液相的比重相差较大。
危害
材料组织和性能不均匀
冷却速度对金属晶粒度的影响孕育处理加入人工晶核晶粒细化结论金属在一定温度下只能有一种晶体结构但有些金属在不同温度下具有不同的晶体结构
合金的结晶与相图
金属的结晶
一.结晶的概念 二.理论结晶温度 与实际结晶 温度：过冷 度ΔT 三.金属结晶的必 要条件：一 定的过冷度
金属的结晶过程
温度越 高,原子 运动速 度越快
金属的同素异构性
金属在一定温度下 只能有一种晶体结 构，但有些金属在 不同温度下具有不 同的晶体结构。 铁的同素异构体：
同素异构转变过程
形核与长大的过程
α 铁
γ-铁 α-铁晶核
2.2 合金的结晶
• (4)在两相区内，温度一定时，两相的质量比一定 符合杠杆定律
Q Q
L
bc ab
设合金的质量为Q合金，其中 Ni质量分数为b%，在 T1温度时，L相中的 Ni质量分数为 a%，α相中的Ni质量分数为c%。则合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量+α相 中含Ni的质量。 所以： 因为： 即： 化简后得 c-b为线段bc的长度；b-a为线段ab的长度 故得
Pb原子 扩散 Sn原子 扩散
共晶体长 大示意图
Pb-Sn共晶组织
• 具有共晶成分的合金称共晶合金。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+
C
61.9%
B D
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。
⑵ 奥氏体: • 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。 • 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大， 1148℃时最大为2.11%。
组织为不规则多面体晶 粒，晶界较直。强度低、 塑性好，钢材热加工都 在 区进行。
• ⑶ 渗碳体：即Fe3C， 含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。 • Fe3C硬度高、强度低，脆性大，塑性几乎为零。
L L+ L+ +
发生包晶反应时三相共存、成分确定、反应在恒温下进行。
• 合金的结晶过程
合金Ⅰ的结晶过程（包晶成分）
组织组成物为β 、 αⅡ，组成相α 、 β
合金Ⅱ的结晶过程
室温组织组成物为 α 、βⅡ 、 β 、 αⅡ 组成相为α 、β
合金Ⅲ 的结晶过程
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从图2-22中可以看出，凡是成分在C点以左（Sb＜11%）的合金 称为亚共晶合金，如图2-22中的合金Ⅱ。合金成分在C点以右（Sb＞ 11%）的合金称为过共晶合金，如图2-22中的合金Ⅲ。
亚共晶和过共晶合金的结晶过程与共晶合金结晶过程不同的是： 从液相线到共晶转变温度之间，亚共晶合金要先结晶出Pb晶体，过共 晶合金要先结晶出Sb晶体，因而它们的室温组织分别为Pb+（Pb+Sb） 和Sb+（Pb+Sb）。
在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的 过程称为共晶转变。
共晶转变的产物称为共晶体，所构成的相图为共晶相图。 具有这类相图的合金有Pb—Sn、Pb—Sb、Ag—Cu、Al—Si、Zn— Sn等。
3.3 合金的结晶
图2-22所示为铅锑二元合金相图，图中A点是 铅的熔点（327℃）；B点是锑的熔点（631℃）；C点是共晶点， （温度是252℃，此点的成分是11%Sb+89% Pb），ACB连线为合 金开始结晶温度的上相变点连线，称为液相线，DCE连线是液态 合金结晶终止温度的下相变点连线，称为固相线，同时，二个 相线把相图分成几个区域。
在两相混合物共晶相图中，成分在两相区内的合金结晶后，形成两相 混合物。两相组织的力学性能和物理性能，随合金的成分变化而呈直 线变化，由于共晶合金形成的是致密组织，其强度、硬度均显著提高 ，组织越致密，合金的性能提高的越显著 。
3.3 合金的结晶
2.相图与合金工艺性能的关系
合金的铸造性能与相图的关系如图2-27所示，纯组元或共晶成 分合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图中液相线与 固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和 铸造质量越有利，合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏 析倾向也大，同时先结晶的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，增加 分散缩孔，所以，铸造合金常选用共晶或接近共晶成分的合金， 如发动机活塞多采用WSi=11%-13%铝硅铸造合金的共晶合金。
3.3 合金的结晶
三、相图与合金性能的关系
1.相图与合金使用性能的关系 二元合金室温组织主要有两种类型即单相固溶体与两相混合物，单相
固溶体合金相图为匀晶相图。固溶体的性能与溶质元素溶入量有关， 对一定的溶剂和溶质来说，溶质的溶入量越多，则合金的强度、硬度 越高，电阻越大，电阻率越低，并在某一成分下达到最大或最低值， 如图2-26所示。[t1] 因固熔强化对强度和硬度的提高有限，不能满足工 程结构件对金属材料性能的要求，所以在生产中经常将固溶体作为合 金的基底。
3.4 合金的结晶
3.3 合金的结晶
合金的结晶过程比纯金属复杂，为了研究方便，通常用合 金相图来分析合金的结晶过程。
合金相图是合金成分、温度和组织状态三者之间关系的一 个简明图表，是表示合金在平衡条件下，在不同温度和成分时 各相关系的图解，所以又称合金状态图或合金平衡图。
一、二元合金相图的建立
首先配制一系列不同成分的Cu—Ni二元合金，然后用热分析方法 测定这些不同成分合金的冷却曲线，将每组冷却曲线上的相变临界 点（温度）标注在温度—成分坐标图上，再把相同意义的点连接成 线，即绘成Cu—Ni合金的匀晶相图，图中上面一条曲线为液相线， 下面一条曲线为固相线，两条线把匀晶相图分为三个相，液相线 以上为液相区（L），固相线以下为固相区（α），在液、固相线之 间为液固二相共存区（L+α）。
变点是结晶的终了点，结晶放出的潜热使结晶时的温度下降缓慢， 所以合金的结晶是在一定温度范围内进行的，在冷却曲线上表现为 两个相变点之间的部分。
3.3 合金的结晶
2.二元共晶相图 当两组元在液态下完全互溶，在固态下只能有限互溶，并在凝固过
程中发生共晶转变，形成两种成分与结构完全不同的固相的相图称为二 元共晶相图。
3.3 合金的结晶
3.3 合金的结晶
二、二元合金相图的种类及应用 1.二元匀晶相图 两组元不但在液态可无限互溶，在固态下也可无限互溶的二元 合金系所形成的相图称为二元匀晶相图 具备这类二元合金相图的合金主要有Ca—Ni、Cr—Mo、Fe—Ni等。
与纯金属冷却曲线不同的是： 合金的冷却曲线有两个相变点，上相变点是结晶的开始点，下相
图2-22中合金Ⅰ（成分11%Sb+89% Pb）的结 晶过程：在C点以上，合金处于液体状态，当缓慢冷却到C点时， 发生共晶转变，在恒温条件下，从液相中同时结晶出Pb和Sb的 共晶体，继续冷却共晶体不再发生变化，这种合金称为共晶合 金，它的转换过程如图2—23。并可用公式表示：
3.3 合金的结晶
3.3 合金的结晶