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。
合金的结构与结晶
合金的结构与结晶第一节固态合金中的相结构合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀组成部分叫做相。
合金中相与相之间有明显的界面。
一、固溶体当合金由液态结晶为固态时，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。
，固溶体的晶格类型与溶剂的晶格相同，而溶质以原子状态分布在溶剂的晶格中。
在固溶体中，一般溶剂含量较多，溶质含量较少。
1．固溶体的分类（1）间隙固溶体图3.1 固溶体的两种类型（2）置换固溶体2．固溶体的性能由于固溶体的晶格发生畸变，使位错移动时所受到的阻力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。
这种通过溶入溶质元素形成的固溶体，从而使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。
固溶强化是提高金属材料机械性能的一种重要途径。
例如，南京长江大桥的建筑中，大量采用的含锰为w Mn=1.30%~1.60%的低合金结构钢，就是由于锰的固溶强化作用提高了该材料的强度，从而大大节约了钢材，减轻了大桥结构的自重。
二、金属化合物凡是由相当程度的金属键结合，并具有明显金属特性的化合物，称为金属化合物。
图3.3 Fe3C的晶体结构金属化合物的熔点较高，性能硬而脆。
当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。
金属化合物是各类合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。
1．正常价化合物如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。
2．电子化合物电子化合物不遵循原子价规律，是按照一定的电子浓度比组成一定晶格结构的化合物。
3．间隙化合物间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe、Cr、Mo、W、V）和原子直径较小的非金属元素（H、C、N、B等）所组成。
如合金钢中不同类型的碳化物（VC、Cr7C3、Cr23C6等）和钢经化学热处理后在其表面形成的碳化物和氮化物（如Fe3C、Fe4N、Fe2N等）都是属于间隙化合物。
间隙化合物的晶格结构特点是：直径较大的过渡族元素的原子占据了新晶格的正常位置，而直径较小的非金属元素的原子则有嵌入晶格的空隙中，因而称为间隙化合物。
10讲 典型合金的结晶过程及组织
《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 Ⅱ3．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 Ⅰ4.3.2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 F0 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。
第一章-金属与合金的晶体构造及其结晶过程PPT课件
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体心立方晶格
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❖体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方 体的角上,一个原子处于立方体的中心, 角 上八个原子与中心原子紧靠。
❖ 体心立方晶胞特征：
晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90°
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体心立方晶格
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原子个数
➢ 每个晶胞实际占有的原子个数。
（分析时要认真考虑每个原子的空间状况）
金属化合物的特性
力学性能：金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高， 高硬度、低塑性，硬而脆。当合金中出现金属化合物时， 通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属化合物是工 具钢、高速钢等钢中的重要组成相。
物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体 材料、形状记忆材料、储氢材料等。
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相：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。
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一、合金的相结构
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组织：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合 体。如单相、两相、多相合金。
金属及的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称 显微组织。
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一、合金的相结构
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相的分类： 合金中的相按结构可分为： 固溶体和金属化合物 。
➢ 在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时 属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个 晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶 胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。
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体心立方晶格
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原子半径
❖晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。 体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对 角线, 所以原子半径与晶格常数a之间的关系 为：
§3-2 合金的结晶 金属学及热处理课件
固溶体合金的电阻
较高，电阻温度系
数较小，常用做电
阻合金材料
σ
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室温组织应为：α固溶体+βⅡ固溶体。 室温时的α与βⅡ的相对量：
W aF 4 G G 10 % 0 W ,F F 4 G 10 % 0
上一级
（2） 合金Ⅱ（E点的合金） 也称为共晶合金 α相与β相的机械化合物。αM与βN的相对量，可 用杠杆定律计算如下：
W M M E 1 N N % 0 W N 0 , M M 1N % E 或 0 W N 0 1 W M 1% 00
以不同的数量、形状、大小互相组合，因而在显微镜下 可观察到不同的组织。把具有一定的组织特征，并在显 微镜下可以明显区分的物质。
上一级
合金中相组分和组织组分的相对量： 相组分α、β：
W MD 2 E E 1 0 % ， 0 W EC D D E 1 0 % 0
或 W E 1 W D 1% 00
上一级
1
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具有简单共晶相图的合 金有Be-Si，Cd-Bi。 t点A、tB——A、B 组 元 熔 C点——共晶点 tAC——液相线 tBC——液相线
LAB
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tAE——固相线L析出α tBE——固相线L析出β MF——α最大溶解度线 NG——β最大溶解度线
返回
Pt-Ag包晶相图
上一级
2、杠杆定律
用来计算二元相图中两相平衡状态下平衡相的相对质 量。
杠杆的支点是两个相的平均质量分数（合金的成分 点），端点分别是两个相的成分点。
WL
bc ac
100
%
W
ab ac
100
%
上一级
三、二元均晶相图
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。
第三章 金属与合金的结晶
四、 金属的同素异晶转变
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶格的现象， 称为金属的同素异晶转变。由同素异晶转变所得到的不同晶格的晶体， 称为同素异晶体。
图3-8为纯铁的冷却曲线。 可知纯铁能够发生同素异晶转 变。生产中，有可能对钢和铸 铁进行各种热处理，以改变其 组织与性能。
图3-8 纯铁的冷却曲线
图3-3 纯金属的冷却曲线
二、 纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经历的这段时间内发生的。 它是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。
图3-4 纯金属的结晶过程示意图
实验证明，液态金属中， 总是存在着许多类似于晶体 中原子有规则排列的小集团。 在理论结晶温度以上，这些 小集团是不稳定的，时聚时 散，此起彼伏。当低于理论 结晶温度时，这些小集团中 的一部分就成为稳定的结晶 核心，称为晶核。 树枝状晶体，简称枝晶。
图3-7 形核率N和长大速率G与过冷度Δ T的关系
工业生产中，为了细化铸件的晶粒，以改善其性能，常采用以下方法： （一）增加过冷度 但对于大铸锭或大铸件，要获得大的过冷度不易办到，更不易使整个体 积均匀冷却，冷却速度过大往往导致铸件开裂而报废。 （二）变质处理 在液态金属结晶前，介入一些细小的编变质剂。 （三）附加振动 金属结晶时，如对液态金属加机械振动、超声波振动、电磁振动等。
第一节 纯金属的结晶 第二节 合金的结晶
第一节 纯金属的结晶
金属与合金自液态冷却转变为固态的过程，是原子由不规则排列的液 体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程，这一过程称为结晶 过程。
一、 纯金属的冷却曲线和过冷现象
纯金属都有一个固定的 熔点（或结晶温度），因此 纯金属的结晶过程总是在一 个恒定的温度下进行的。金 属的结晶温度可用热分析等 实验方法来测定。
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。