2.2合金的结晶

• ③ɑ相 也称铁素体，用符号F或α表示，是碳在α-Fe中的 间隙固溶体，呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小， 室温时碳的质量分数约为0.0008％，600℃时为0.0057％， 在727℃时溶碳量最大，碳的质量分数为0.0218％。铁素 体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。其机械性能与 工业纯铁大致相同。 • ④γ相 常称为奥氏体，用符号A或γ表示。是碳在γ-Fe中 的间隙固溶体，呈 • ⑤Fe3C 是一个化合物相，渗碳体根据生成条件不同有条 状、网状片、状粒状等形态，对铁碳合金的机械性能有很 大影响。 （3）相图中重要的点和线 • 图中J、C、S为三个最重要的点。
A
B
Ⅱ
。
C
E
D
F
G
• E点为共晶点，表示此点成分的合金冷却到此点所对应的 温度（共晶温度）时，共同结晶出C点成分的ɑ相和D点成 分的β相： LE ⇄(C+D) 总结：Pb-Sn合金的结晶过程
3.包晶反应的合金的结晶
以Pt-Ag合金相图为例来说明包晶反应。Pt-Ag合金相图中存 在三种相：Pt与Ag形成的液溶体L相，Ag溶于Pt中的有限固 溶体ɑ相；Pt溶于Ag中的有限固溶体β相。
2.共晶反应的合金的结晶
• 由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应为共 晶反应。 • 相图中有三个单相区（L、ɑ、β）；三个双相区（L+ɑ、 L+β、ɑ+β）；一条L+ɑ+β的三相共存线。这种相图称 为共晶相图。以 Pb-Sn 相图为例进行分析。
图2-13 共晶相图合金的结晶过程
一） 相图分析
图2-12 匀晶相图合金的结晶过程

这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶
反应。
• (三)匀晶结晶有下列特点： • （1）与纯金属一样，ɑ固溶体从液相中结晶出来的过程中， 也包含了生核与长大两个过程，但固溶体更趋于呈树枝状 长大。 • （2）固溶体结晶在温度区间内进行，即为一个变温结晶 过程。 • （3）在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的。 • （4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。 通过杠杆定律可以求出。 • （5）固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时由于原子 的扩散能充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。
A
① 相：
L、、三种相, 是溶质Sn在 Pb中的固溶体， 是溶质Pb在Sn中的固溶体。 • ② 相区： 三个单相区： L、、； 三个两相区： L+、L+、+ ；
B
一个三相区：即水平线CED
③ 线：
液相线AEB，
固相线ACEDB。A、B分别为 Pb、Sn的熔点。 固溶线: 溶解度点的连线 称固溶线。相图中的CF、
• PQ线是碳在F中固溶线。在727℃时F中溶碳量最大，碳 质量分数可达0.0218％，室温时仅为0.0008％，因此碳质 量分数大于0.0008％的铁碳合金自727℃冷至室温的过程 中，将从F中析出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体 （Fe3CⅢ）。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CⅢ的临界温度 线。Fe3CⅢ数量极少，往往予以忽略。 • 2 典型铁碳合金的平衡结晶过程 • 根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： • 工业纯铁［ω（C）≤0.0218％］ 亚共析钢 • ［0.0218％＜ω（C） • ＜0.77％］ • 钢［0.0218％＜ω（C）≤2.11％］共析钢［ω（C） • =0.77％］ • 过共析钢［0.77 • ％＜ω（C）≤2.11 ］
2.2合金的结晶
1.合金的相关概念
合金：一种金属元素同另一种或几种其他元素，通过熔化 或其他方法结合在一起所形成的具有金属特质的物质。 相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并 有界面与其他部分分开的均匀组成部分。 相图：是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之 间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。
• 莱氏体中的渗碳体称共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形 态是：块状或粒状A（室温是转变成珠光体）分布在渗碳 体基体上。 • S点为共析点 • 合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时，S点成分的A发生 共析反应，生成P点成分的F和Fe3C。共析反应在恒温下 进行，反应过程中，A、F、Fe三相共存，反应式为： • AS=Fp+Fe3C 即A0.77=F0.0218+Fe3C 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光 体，以符号P表示，因而共析反应可简单表示为： A0.77=P0.77 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。在显微镜下珠光体的形 态呈片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗 碳体片（窄条）与铁素体片（宽条）。
• 珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素 体之间。 • 相图中的ABCD为液相线；AHJECF为固相线。 • 水平线HJB为包晶反应线。碳质量分数为0.09％～0.53％ 的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。 • 水平线ECF为共晶反应线。碳质量分数在2.11％～6.69％ 之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。 • 水平线PSK为共析反应线。碳质量分数为0.0218％～6.69 ％的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK 线亦称A1线。相图中的GS线是合金冷却时自A中开始析出 F的临界温度线，通常称A3线。 • ES线是碳在A中的固溶线，通常叫做Acm线。由于在 1148℃时A中溶碳量最大，碳质量分数可达2.11％，而在 727℃时仅为0.77％，因此碳质量分数大于0.77％的铁碳 合金自1148℃冷至727℃的过程中，将从A中析出Fe3C。 析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。Acm线亦为从A 中开始析出Fe3CⅡ的临界温度线。
（一）相图分析 相图由两条线构成，上
面是液相线，下面是固相
线。 相图被两条线分为三个 相区，液相线以上为液相 区L ，固相线以下为 固
溶体区，两条线之间为两
图2-11 Cu-Ni合金相图
相共存的两相区（L+ ）。
（二）合金的结晶过程 以k点成分Cu-Ni合金（Ni质 量分数为k%）的为例分析结 晶过程，该合金的冷却曲线和 结晶过程如图2-12所示。 在1点温度以上，合金为液 相L。缓慢冷却至1-2温度之间 时，合金发生匀晶反应：L→α， 从液相中逐渐结晶出α固溶体。 2点温度以下，合金全部结晶 为α固溶体，其他成分合金的 结晶过程与其类似。
2.2.3铁碳合金的结晶
• 碳钢和铸铁是现代工农业生产中使用最广泛的金属材料， 都是主要由铁和碳两种元素组成的合金。钢铁的成分不同， 则组织和性能不相同，因而它们在实际工程上的应用也不 一样。下面根据铁碳相图及对典型铁碳合金结晶过程的分 析，来研究铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系。 • 1.铁碳相图 • 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对钢铁材料的应用以及 热加工和热处理工艺的制定也具有重要的指导意义。铁和 碳可以形成一系列化合物，如Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳 定化合物，所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3CFe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。Fe3C的碳质量分数为 6.69%。碳质量分数超过6.69%的铁碳合金脆性很大，没 有使用价值，所以有实用意义并被深入研究的只有FeFe3C部分。通常称其为Fe-Fe3C相图（如图2-16），此相 图的组元为Fe和Fe3C。该相图中各点温度、碳质量分数 及含义见表2-2。
• J为包晶点 • 合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时，B点成分的L与H 点成分的δ发生包晶反应，生成J点成分的A。包晶反应在 恒温下进行，反应过程L、δ、A三相共存，反应式为： • LB+δH=AJ 即 L0.53+δ0.09=A0.17 • C点为共晶点 • 合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时，C点成分的L发 生共晶反应，生成E点成分的A和Fe3C。共晶反应在恒温 下进行，反应过程中L、A、Fe3C三相共存，反应式为： • LC=AE+Fe3C 即L4.3=A2.11+Fe3C • 共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称莱氏 体，以符号Le表示，因而共晶反应式可表达为： • L4.3=Le4.3
A B
• 具有共晶成分的合金称共
晶合金。在共晶线上，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+
B D
C
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。
二）合金的结晶过程分析

（1）含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)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。
A
B
DG线分别为 Sn在 Pb中和
Pb在 Sn中的固溶线。固溶 体的溶解度随温度降低而 下降。
共晶线：水平线CED叫做共晶线。
④共晶反应：
在一定温度下，由一定成分的液 相同时结晶出两个成分和结构都 不相同的新固相的转变称作共晶 转变或共晶反应。 LE ⇄(C + D) 共晶共晶反应的产物，即两相的 机械混合物称共晶体或共晶组织。
2.2.1二元合金的结晶
• 二元合金的结晶过程可以分为以下几种基本类型： • 1.匀晶反应的合金的结晶。
• 两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元 匀晶相图。 • 结晶时只结晶出单相固溶体组织，以Cu-Ni合金为例进行 分析。图2-11为Cu-Ni合金相图。相图中，结晶开始点的 连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。
图2-14 合金Ⅰ的结晶过程示意图
4.共析反应的合金的结晶
图2-15 共析相图
图2-15的下半部分为共析相图， 其形状与共晶相图类似。d点成 分（共析成分）的合金从液相 经过匀晶生成γ相之后，继续冷 却到d点温度（共析温度）时， 在此温度下发生共析反应，同 时析出c点成分的α相和e点成分 的β相： γd=αc+βe。即由一种固相转变 成完全不同的两种相互关联的 固体相，此两相混合物称为共 析体。共析相图中各种成分合 金的结晶过程的分析与共晶相 图相似，但因共析反应时在固 态下进行的，所以共析产物比 共晶产物要细密得多。