2.2 合金的结晶 2.2.1.　二元合金的结晶 2.2.2　合金的性能与相图的关系 2.2.3　铁碳合金的结晶

2.2.1　二元合金的结晶 1．匀晶相图 　2．共晶相图 　　3．包晶相图 　　　4．共析相图 5．含有稳定化合物的合金的结晶

合金相图概述 1、相图： 2、相图的建立 结晶开始点的连线叫液相线。 结晶终了点的连线叫固相线。 描述平衡条件下，相和相变与温度、成份、压力之间的关系图称为相图——平衡图。 2、相图的建立 结晶开始点的连线叫液相线。 结晶终了点的连线叫固相线。     合金的结晶过程较为复杂, 通常运用合金相图来分析合金的结晶过程。     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。     平衡  是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和相对重量不再变化所达到一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。     在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分。因此二元合金相图可用温度—成分坐标系的平面图来表示。

二、二元相图的基本类型与分析 1、二元匀晶相图 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。 以Cu-Ni合金为例进行分析。 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，两条线之间为两相共存的两相区（L+  ）。

当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体。 ⑴ 合金的结晶过程 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合金为例说明。 L  L+ 当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体。

上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。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）

e.枝晶偏析 合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使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).

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. 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能. 生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温,以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。 Cu-Ni合金的平衡组织 Cu-Ni合金的枝晶偏析组织

当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。 2、二元共晶相图 当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。 以 Pb-Sn 相图为例进行分析。 Pb-Sn合金相图 成分（wt%Sn） 温度（℃） Pb Sn

② 相区：相图中有: 三个单相区： L、、； 三个两相区： L+、L+、+ ； 一个三相区：即水平线CED。 ⑴ 相图分析 ① 相：相图中有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：相图中有: 三个单相区： L、、； 三个两相区： L+、L+、+ ； 一个三相区：即水平线CED。 A B

③ 液固相线: 液相线AEB, 固相线ACEDB. A、B分别为Pb、Sn的熔点. ④ 固溶线: 溶解度点的连线称固溶线.相图中的CF、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。

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. ⑤ 共晶线：水平线CED叫做共晶线。 在共晶线对应的温度下 (183 ℃) ，E点成分的合金同时结晶出C点成分的  固溶体和D点成分的  固溶体，形成这两个相的机械混合物： LE ⇄(C + D) A B 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.

共晶反应的产物，即两相的混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。 共晶体长大示意图   Sn原子 扩散 Pb原子 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。 L+ C D A B

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. ⑵ 合金的结晶过程 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. .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。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种. H

由 析出的二次 用Ⅱ 表示。 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。 室温下Ⅱ的相对重量百分比为：

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) 。 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) 。 19.2 wt%Sn 温度, ℃ 1’

析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细,呈片、棒、点球等形状.

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： E(61.9) D(97.5) C(19.2)

共晶结束后，随温度下降，  和  的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶  中析出Ⅱ ，从共晶  中析出Ⅱ ，由于共晶组织细, Ⅱ 与共晶结合， Ⅱ 与共晶 结合，共晶合金的室温组织仍为 ( + ) 共晶体。 Pb-Sn共晶合金组织

③ 亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程 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, 此时两相的相对重量为：

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：

温度继续下降，将从一次 和共晶 中析出Ⅱ，从共晶 中析出Ⅱ。其室温组织为Ⅰ+ (+) + 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Ⅰ+(+)+Ⅱ.

Ⅰ和Ⅰ, Ⅱ和Ⅱ,共晶体(+)都是组织组成物。 ⑶ 组织组成物在相图上的标注 组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。 Ⅰ和Ⅰ, Ⅱ和Ⅱ,共晶体(+)都是组织组成物。 相与相之间的差别主要在结构和成分上。

组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ 、 Ⅱ和共晶  的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。 将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。 Pb-Sn亚共晶组织

组织组成物在相图上的标注

⑴ 相图分析 单相区：L、、β 二相区：L+、 L+、+ 三相区：L++ （水平线PDC） 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。 以Pt-Ag相图为例简要分析 ⑴ 相图分析 单相区：L、、β 二相区：L+、 L+、+ 三相区：L++ （水平线PDC） L+ L+ L    +

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称包晶转变或包晶反应。 水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+P⇄β D 。该反应是液相L包着固相, 新相 β 在L与α的界面上形核，并向L和两个方向长大。 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称包晶转变或包晶反应。

⑵ 合金的结晶过程 ① 包晶成分合金：匀晶包晶二次析出。 室温组织为β + II

② PD成分合金：匀晶包晶二次析出。 室温组织为 +βII+β + II 时间 温度

③ DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出 室温组织为β +II。 时间 温度

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 4、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: S ⇄ P+ Fe3C 。 P S (—奥氏体，—铁素体，Fe3C—渗碳体)

金（共析成分合金）、亚共析合金（共析线上共析点以左的合金）、过共析合金（共析线上共析点以右的合金）。 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金）、过共析合金（共析线上共析点以右的合金）。 铁碳合金相图

与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。 共析反应的产物是共析体(铁碳合金中的共析体称珠光体)，也是两相的机械混合物(铁素体+渗碳体). 与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。 另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。 珠光体

5、形成稳定化合物的二元相图 成分, 顶点是其熔点, 结晶过程同纯金属. 稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C) 。其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区)。垂足是其 成分, 顶点是其熔点, 结晶过程同纯金属. 分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析. Mg2Si Mg2Si+Si Mg+ Mg2Si Si L+ Mg2Si L+ Si L+ Mg

⒈ 分清相图中包括哪些基本类型相图 ⒉ 确定相区 ⑴ 相区接触法则：相邻两个相区的相数差为1 ⑵ 单相区的确定 ① 液相线以上为液相区; 6、二元相图的分析步骤 实际二元相图常比较复杂，可按下列步骤进行分析. ⒈ 分清相图中包括哪些基本类型相图 ⒉ 确定相区 ⑴ 相区接触法则：相邻两个相区的相数差为1 ⑵ 单相区的确定 ① 液相线以上为液相区; Fe- Fe3C相图

④ 相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区； ② 靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区; ③ 相图中的垂线可能是稳定化合物 (单相区)，也可能是相区分界线； Cu-Zn相图 +   ④ 相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区； ⑤ 相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。

⑷ 三相区的确定:二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。 ⑶ 两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。 ⑷ 三相区的确定:二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。 Fe-Fe3C相图

⒊ 分析典型合金的结晶过程 ⑴作出典型合金冷却曲线示意图 二元合金冷却曲线的特征是: ①在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。

b. 由相数多的相区进入相数少的相区曲线向左拐。 ②由一个相区进入另一相区时, 冷却曲线出现拐点: a. 由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐; b. 由相数多的相区进入相数少的相区曲线向左拐。 ③ 发生三等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。

② 计算各相、各组织组成物相对重量百分比： ⑵ 分析合金结晶过程 ① 画出组织转变示意图。 ② 计算各相、各组织组成物相对重量百分比： a. 在单相区，合金由单相组成，相的成分、重量即合金的成分、重量。

• b. 在两相区，两相的成分随温度沿各自的相线变化,各相和各组织组成物的相对重量可由杠杆定律求出. 合金成分为杠杆的支点，相或组织组成物的成分为杠杆的端点。 c. 在三相区，三个相成分固定，重量不断变化，杠杆定律不适用。 合金成分 相1成分 相2成分 相1重量 相2重量 组织1成分 组织2成分 组织1重量 组织2重量 •

①两相机械混合物的合金:性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如： 7、相图与合金性能之间的关系 ⑴ 相图与合金力学性能、物理性能的关系 ①两相机械混合物的合金:性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如： 混= ∙Q + β∙Qβ HB混=HB ∙Q +HBβ∙Qβ (Q 、Qβ为两相相对重量)

性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，σ、HB、增加，塑性下降。 ② 单相固溶体的合金： 性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，σ、HB、增加，塑性下降。 ③ 形成稳定化合物的合金： 性能-成分曲线出现拐点。 AnBm T b,HB, B% 

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。 ⑵ 相图与铸造性能的关系 ①固溶体合金液固相线间距大、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。

a. 铸造性能—液态合金的流动性以及产生缩孔，裂纹的倾向性等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小→合金的流动性好→有利于浇注。 第三章 工程材料的结构 2、合金的工艺性能 a. 铸造性能—液态合金的流动性以及产生缩孔，裂纹的倾向性等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小→合金的流动性好→有利于浇注。 液固相线距离大→枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化，所以铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶温度间隙最小的成分。 b.锻造、轧制性能 单相固溶体合金 单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好