10讲 典型合金的结晶过程及组织
典型铁碳合金的结晶过程
一、共析钢的结晶过程图中Ⅰ表示共析钢（Wc＝0.77％），合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A），A的数量随温度的下降而增多。
温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。
2～S点之间，合金是单一奥氏体相。
继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（P）。
727℃以下，P基本上不发生变化。
故室温下共析钢的组织为P。
共析钢的结晶过程如下图。
二、亚共析钢的结晶过程图3－6中合金Ⅱ表示亚共析钢。
合金在1点以上为液体。
缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。
在2～3点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加。
沿着GS线变化。
当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体含碳量增加到了Wc＝0.77％，具备了共析转变的条件，转变为珠光体。
原铁素体不变保留了在基体中。
4点以下不再发生组织变化。
故亚共析钢的室温组织为铁素体＋珠光体。
亚共析钢的结晶过程如图3－8所示。
三、过共析钢的结晶过程图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。
随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。
3～4点之间的组织为奥氏体＋二次渗碳体。
降至4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。
在4点以下，合金的组织不再发生变化。
故室温组织为珠光体＋二次渗碳体。
过共析钢结晶过程如图3－9。
图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
合金的结晶
纯金属结晶后只能得到单相固体，合金结 晶后既可得到固溶体组织，也可获得单向的化 合物组织，最常见的是得到由固溶体和化合物 组成的多相组织。组元不同，获得固溶体和化 合物的类型不同。即使组元确定后，结晶后所 获得的相的性质、数目及其相对含量也会随着 温度和合金成分改变而变化。为了研究不同合 金中相的存在状态和合金成分与温度直接的变 化规律，就要利用相图这一工具。
100%B
100%A
成分
共晶相图的建立
铅锑ti
• • • • • •
共晶反应的条件： 1）温度是确定的，即水平线的温度。 2）成分是确定的，即共晶点的成分。 共晶体的特点： 1）组成共晶体的两个固相的相对量是一定的。 2）在显微镜下具有独特的形貌，多样形态 （视为一种组织）。 • 3）组织较细密。
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。
2、合金的平衡结晶过程
匀晶转变的平衡结晶过程：L→L+a →a 以Ⅰ点成分Cu-Ni合金（Ni的质量分数为40%）为例分析结晶 过程。 匀晶结晶有下列特点： a）与纯金属一样，α固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包 括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树枝状长大。 b ）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。 c）在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定 的。 d) 两相区内，温度一定，两相相对量一定。
SA+(SA+SB)
SB +(SA+SB)
100%B
100%A
成分
共析相图
匀晶L 共晶L+ 共析 +
特性线：液相线
区：L α L+α
固相线
相图分析
简述纯金属结晶过程的结晶过程及形核
简述纯金属结晶过程的结晶过程及形核
纯金属的结晶过程：
1.熔融：首先，将金属材料以高温进行熔融，使它变成一种流体状态，以便更
好地发挥凝固时形成结晶体的能力。
2.凝固：凝固过程是将高温熔融液金属冷却而形成晶体的过程。
当熔融液不断
冷却时，它会变得更加粘稠，这样分子之间的相互作用才会明显增强，从而使它们朝向结晶的方向发展。
3.形核：经过凝固过程后，原子之间的作用形成结晶的起始点，即所谓的形核。
最初的形核通常很小，晶体以它为中心，不断得到更多的金属原子，最终在将结晶物构建完成后，结晶体宣告形成。
4.排列：当金属原子结晶后，它们会按照一定的规律排列。
当结晶受到冷却作
用后，原子按照固定的结构进行排列，可以形成完美的三维晶体。
5.结晶体：结晶体形成时，会形成均匀的金属晶体，经不断凝固，结晶体会提
高它的稳定性，使晶体拥有良好的力学性能。
以上就是纯金属结晶过程及其形核的详细描述，因为结晶过程是金属成型的必经步骤，所以对金属成型性能有着至关重要的影响。
只有掌握正确的结晶过程和形核，才能让金属材料达到最佳的性能。
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。
共晶相图及其合金的结晶
第十讲共晶相图及其合金的结晶第五节共晶相图及其合金的结晶一、主要内容：相图分析典型合金的平衡结晶及其组织不平衡结晶及组织比重偏析和区域偏析二、要点：二元共晶相图的合金及特点，二元合金相图的特征（区、线、点），典型合金的平衡结晶过程及组织形貌，不平衡结晶的概念及组织，三、方法说明：重点讲解二元合金相图的特征和典型合金的平衡结晶过程及组织形貌。
授课内容：两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图叫二元共晶相图。
（以铅锡合金为例进行说明：）一、相图分析液相线，固相线，溶解度曲线。
单相区，两相区。
三相共存区。
共晶反应LE＝α＋β共晶组织：共晶线，共晶点，共晶温度，共晶合金，亚共晶合金，过共晶合金。
杠杆定律对平衡相的计算：（举例说明）二、典型合金的平衡结晶及其组织以铅锡共晶合金为例进行说明：1、含锡量小于19％的铅锡合金的平衡结晶过程2、共晶合金的平衡结晶过程3、亚共晶合金的平衡结晶过程4、过共晶合金的平衡结晶过程三、不平衡结晶及组织伪共晶在平衡凝固条件下，只有共晶成分的合金才能得到全部的共晶组织。
然而在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。
离异共晶由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的α相依附于初生α相生长，将共晶体中另一相β推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。
四、比重偏析和区域偏析（简介）。
合金结晶
第六章 合金结晶及其组织形态§ 6-1 合金凝固时的溶质分布一、溶质在液固两相中的分布1．合金结晶的基本规律一般合金结晶首先经过匀晶相区；结晶过程＝形核＋核长大；形核为液固界面形成过程，核长大为液固界面向液相区方向推进过程；无论是否平衡结晶，液固界面上溶质的浓度应分别处于平衡相图的液、固相线上； 无论是否平衡结晶，随温度下降，液固界面上固相成分沿相图固相线变化，液相成分沿相图液相线变化；造成液固界面成分变化及维持相平衡均由原子的迁移和扩散实现；不平衡结晶时，晶粒内部与晶界处溶质浓度不同，导致枝晶偏析。
以上总结的结晶基本规律与现象是分析结晶时溶质分布规律的基础。
2．平衡分配系数具有匀晶转变的合金C 0结晶，液固界面推进时成分分别沿相图液固相线变化。
若在T 0温度时，液固界面液相成分为C L ，固相成分为C S ，则定义其比值k 0为平衡分配系数：Ls C C k =0 根据相图液、固相线斜率不同，平衡分配系数有k 0<1及 k 0>1之分。
k 0数值大小反映了液固相线偏离程度或在一定温度下液、固两相中溶质浓度的差别程度。
k 0<1时的值越小及 k 0>1时的值越大，液、固两相中溶质平衡浓度差别越大。
若将液、固相线近似看作直线，则在任何温度下k 0均为常数。
二、平衡结晶时的溶质分布结晶条件：平衡结晶，溶质有充分时间迁移，在液固两相中完全混合。
合金成分为C0的合金结晶，k0<1（固相中溶质含量低于液相）。
取铸模中结晶单元体，或单向散热的棒状合金模型，设液固界面推进方向与散热方向相反，结晶总长为L。
根据平衡相图，分析由于溶质分布在界面和内部的变化引起界面推进而形成结晶的过程如下：不断降温使上述过程持续，最终在凝固终了温度使固相整体达到C0成分，结晶结束。
在固相中，成分均匀化依靠原子扩散，速率较小；在液相中，成分均匀化除依靠原子扩散外，更依靠液体中的对流，速率较快。
--合金的晶体结构及结晶
定义：当冷却速度较快时，晶粒中先结晶的（高熔点）树 枝晶轴成分和后结晶（低熔点）的树枝晶成分上存在差异 的现象。
影响：枝晶偏析对材料的力学性能、抗腐蚀性能及工艺性 能都不利。
影响因素：
(1)冷却速度 (2)结晶温区（液相与固相的垂直距离）
解决措施：把合金加热到高温（低于固相线100℃左右，并 进行长时间保温，使原子充分扩散，从而获得成分均匀的 固溶体——扩散退火
具体方法： （1）确定两平衡相的成分（浓度） 做通过某点温度的水平线，与液相线交点即 为L相成分；与固相线交点即为α相成分。 （2）确定两平衡相相对含量
T,C
1500
1400
1300
1200
1100 1000
a
Cu
（2）
QL
X1
X
20 b 40 60
Ni%
1455
c
Qα
（1）
T1
X2
Ni 80 100
凝固过程：
水（液相）
水+冰 （双相）
冰（固相）
铁素体（ F ）白色
Fe3 C
Fe-C合金 中的相— —F+Fe3 C
组织—— 相的形状、分布、组合状态。
双相组织（F+ Fe3 C）
单相组织（F）
合金中两类基本相：
固溶体 —— 合金在固态下由组元间相互溶解而形成 的晶体结构与某一组员相同的新相称为固溶体，其中 与合金的晶体结构相同的组元称为溶剂，其余的称为 溶质。
பைடு நூலகம்
eg. 求某含 Ni的量为 X%铜镍 合金，在 T1温度下 液相的重 量为QL 与 α相的 重量为Q α。
（1）做T1温度的水平线，则其与液相线的交点
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。
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《机械制造技术基础》教案 教学内容：典型合金的结晶过程及组织
教学方式：结合实际，由浅如深讲解
教学目的：
1．了解铁碳合金的类型；
2．掌握共析钢、亚共析钢、过共析钢的结晶过程及其组织；
3．掌握共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁的结晶过程及其组织。
重点、难点：六种典型合金的结晶过程及组织
教学过程：
4.3 典型铁碳合金的结晶过程及组织
4.3.1铁碳合金的分类
铁碳合金由于成分的不同，室温下将得到不同的组织。
由简化的Fe-Fe 3C 相图，如图4-4所示。
图4-4 简化的Fe-Fe 3C 相图 根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类：
1．工业纯铁（Wc ≤0.0218%）
性能特点：塑性韧性好，硬度强度低。
2．钢（0.0218%＜Wc ≤2.11%）
共析钢：Wc=0.77%，室温组织为P 。
亚共析钢： 0.0218%＜ Wc ＜0.77%，室温组织为F+P 。
过共析钢： 0.77% ＜ Wc ≤2.11%，室温组织为P+ Fe 3C Ⅱ
3．白口铸铁（2.11% ＜ Wc ≤6.69%）
共晶白口铸铁： Wc=4.3%，室温组织为L’d
亚共晶白口铸铁： 2.11% ＜ Wc ＜4.3%，室温组织为P+Fe 3C Ⅱ+L ’d 。
过共晶白口铸铁： 4.3% ＜ Wc ≤6.69%，室温组织为L’d+Fe 3C Ⅰ
4.3.2典型铁碳合金的结晶过程
Fe 3C W C (%)图3-4 简化Fe-Fe 3C
相图F 0.0218K F
0 2.110.77 4.3D
依据成分垂线与相线相交情况，分析几种典型铁碳合金结晶过程中组织转变规律。
1．共析钢的结晶过程分析(如图4-5、4-6所示)：
AC AE PSK S S 3L L+A A P(F+Fe C)−−→−−→−−−→共析
图4-5 共析钢结晶过程示意图 图4-6 共析钢金相组织
2．亚共析钢的结晶过程分析（如图4-7、4-8所示）：
AC AE GS PSK PSK S L L A A A F A F P F −−→+−−→−−→+−−−→+−−−→+共析
图4-5 亚共析钢结晶过程示意图 图4-6 亚共析钢金相组织 亚共析钢的室温组织特征是：先析铁素体和共析珠光体呈均匀分布。
3．过共析钢的结晶过程分析（如图4-9、4-10所示）：
333AC AE ES PSK S PSK L L A A A Fe C A Fe C P Fe C −−→+−−→−−→+−−−→+−−−→+共析
图4-9 过共析钢结晶过程示意图 图4-10 过共析钢金相组织 过共析钢的室温组织特征是：珠光体的基体上分布着网状的先析渗碳体（Fe 3C Ⅱ）。
本质：钢是以固溶体为基体的组织，特别是在高温下具有单相的奥氏体组织，塑性、韧性好，适于塑性加工。
4．共晶白口铸铁结晶过程分析：
33()'()ECF PSK C L Ld A Fe C L d P Fe C −−−→+−−−→+共晶共析
5．亚共晶白口铸铁结晶过程分析：
33'AC ECF ECF PSK C L L A L A Ld A Fe C L d P Fe C −−→+−−−→+−−−→++−−−→++共晶共析
亚共晶白口铸铁结晶过程
亚共晶白口铁的室温组织：莱氏体基体上分布着块状的珠光体
6．过共晶白口铸铁结晶过程分析：
3333'AC ECF ECF PSK C L L Fe C L Fe C Ld Fe C L d Fe C −−→+−−−→+−−−→+−−−→+共晶共析
过共晶白口铁的室温组织：莱氏体的基体上分布着粗大板条状的先晶渗碳体。
小结：略
作业：
1． 说明过共析钢的结晶过程及其组织变化。
2． 说明亚共晶白口铸铁的结晶过程及其组织变化
3．。