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2.2 合金的结晶 合金结晶过程复杂, 用合金相图来分析 相图 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 在一定条件下合金系中参与相 变的各相的成分和质量分数不再变化 合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶 过程，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 和成分二元合金相图用温度—成分坐标系的 平面图来表示 铜镍二元合金相图 图中的每一点表 示一定成分的合金在 一定温度时的稳定相 状态 2.2.1 二元合金的结晶 一、发生匀晶反应的合金的结晶 1. 结晶过程 匀晶反应： L→α固溶体 Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag合金具有匀晶相图 Cu-Ni相图 aa1c 线为液相线, 该线以上合金处于液相; ac1c 线为固相线, 该线以下合金处于固相 ●单相区 L相：液相, Cu和Ni 形成的液溶体; α相：Cu和Ni组成的 无限固溶体 ●双相区: L + α 相 区 匀晶结晶过程 2. 匀晶结晶特点 (1) 形核与长大 与纯金属一样, 固溶体结晶也包括形核、 长大两个过程固溶体更趋向树枝状长大 (2) 变温结晶 固溶体结晶在一个温度区间内进行, 变温结晶 。

(3) 两相的成分确定 在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即L 相中Ni的质量分数和α相中Ni的质量分数)确定 过温度T1作水平线, 交液相线和固相线于a1、 c1 a1、c1点在成分轴上 的投影点即为L相和α相 中Ni的质量分数 随着温度的下降, 液相成分沿液相线变 化, 固相成分沿固相 线变化 匀晶结晶 (4) 两相的质量比一定 在两相区，温度一定时, 两相的质量符合 杠杆定律 在T1温度时： QL: L 相的质量; Qα:α相的质量; a1b1、b1c1 为线段长度 液相的质量分数: α相的质量分数: 老师提示 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成 分点,支点为合金的成分点 杠杆定律只适用于相图中的两相区； 杠杆定律只能在平衡状态下使用 (5) 容易产生枝晶偏析 固溶体结晶时成分变化 慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀 快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀 枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀 Cu-Ni合金 枝晶偏析示意图 对材料的机械性能、抗腐 蚀性能、工艺性能都不利 扩散退火：把合金加热到 低于固相线100 ℃左右, 长时 间保温, 原子充分扩散, 获得 成分均匀的固溶体。

二、发生共晶反应的合金的结晶 Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu合金具有共晶相图 Pb-Sn合金相图中有三个单相区: L：Pb与Sn形成的液溶体 α：Sn溶于Pb中的有限固溶体 β：Pb溶于Sn中的有限固溶体 三个双相区：L+α、 L+β、α+β 一条L+α+β三相共 存线(水平线cde ) 这种相图称共晶相图 Pb-Sn合金相图 d点为共晶点, 表示d点成分(共晶成分)的液相 合金冷却到d点温度(共晶温度)时, 共同结晶出c点 成分的α相和e 点成分的 β相 Ld→(αc+βe) 共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种 固相的反应，生成的两相 混合物叫共晶体 发生共晶反应时三 相共存, 三相各自成分 确定, 恒温进行 Pb-Sn合金相图 水平线cde为共晶反应线, 成分在ce之间的合 金平衡结晶时都会发生共晶反应 cf 线为Sn在Pb中的溶解度线(α相的固溶线 )Sn含量大于f点的合金从高温冷却到室温时, 从α相中析出β相，叫二次β：α→βII eg线为Pb在Sn中 溶解度线Sn含量小g 点的合金, 冷却过程 中同样发生二次结晶, 析出二次α 1. 合金I的平衡结晶过程 合金室温组织为α+βII 。

其组成相是：f点成分的α相 g点成分的β相 运用杠杆定律, 两相的质量分数为： 组织组成物可以是单相, 或是两相混合物 组织组成物 合金组织中那些具 有确定本质, 一定形成机制的特 殊形态的组成部分 合金I的室温组织为α+βII 组织由α和βII 二部分组成, α和βII为组织组成物 组织组成物α和βII 都为单相组成, 所 以组织组成物α、βII的质量分数与组成相α 、β的质量分数相等 2. 合金II(共晶合金)的结晶过程 合金的室温组织：共晶体(α+β) 组织组成物：(α+β) 组成相：α和β相 共晶合金组织的形态 3. 合金Ⅲ(亚共晶合金)的结晶过程 合金室温组织：初生α+二次β+(α+β) 组织组成物：α、二次β、(α+β) 组成相：α、β 组成相的质量分数为： 过共晶合金(合金Ⅳ)： 位于共晶点右边, 成分在 de之间的合金 练习：分析过共晶合金的结晶过程 过共晶合金室温组织为: 初生β+二次α+(α+β) 亚共晶合金组织 过共晶合金组织 亚共晶合金和过共晶合金组织 初生α+二次β+(α+β) 初生β+二次α+(α+β) 三、发生包晶反应的合金的结晶 Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合金具有包晶相图。

Pt-Ag合金相图 Pt-Ag合金相图中 存在三种相: L相:Pt与Ag形成 的液溶体 α相:Ag溶于Pt中的 有限固溶体 β相:Pt溶于Ag中 的有限固溶体 e点为包晶点 e点成分的合金冷却到 e点温度(包晶温度)时发生 包晶反应： L+α →β 反应时三相共存, 它 们的成分确定, 恒温进行 水平线ced 为包晶反 应线 cf为Ag在α中的溶解 度线, eg为Pt在β中的溶解 度线 2～2'点 c点成分的α相与d点成分的L 相发生包晶反应：L+α→β 反应结束, L相与α相正好全部反应耗尽, 形成e点成分的β固溶体 2'～3点 β中析出二次α 合金I的结晶过程 室温组织β+二次α 组成相 α、β 四、发生共析反应的合金的结晶 共析相图形状与共晶相图相似 共析相图 d 点成分(共析成分)合金 从液相经过匀晶反应生成γ相 , 冷却到d 点温度(共析温度) 时, 恒温发生共析反应: γ→(α+β) 一种固相转变成完全不同 的两种固相. 共析反应产物两相混合物 称为共析体 共析相图中各种成分合 金的结晶过程与共晶相图类 似 共析反应在固态下进行, 共析产物比共晶产物要细密 。

五、含有稳定化合物的合金的结晶 稳定化合物:具有一定的化学成分、固定的 熔点, 熔化前不分解, 也不发生其它化学反应 如:Mg-Si合金能形成稳定化合物Mg2Si Mg-Si合金相图属于含有稳定化合物的相图 把稳定化合物看成 独立的组元, 相图分成 几个简单相图 Mg-Si相图可分为 Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si 两个相图分析 含有稳定化合物的相图 2.2.2 合金的性能与相图的关系 合金的性能取决于它的成分和组织 相图则可反映不同成分的合金在室温 时的平衡组织 因此, 具有平衡组织的合金的性能与 相图之间存在着一定的对应关系 ●固溶体性能 溶质的溶入量越多，晶 格畸变越大，则合金的强度 、硬度越高，电阻越大 当溶质原子含量大约为 50%时，晶格畸变最大，性 能达到极大值 性能与成分的关系曲线 具有透镜状 合金的使用性能与相图 的关系示意图 一、合金的使用性能与相图的关系 ●两相组织合金的性能 性能与成分呈直线关系 变化 组成相或组织组成物越 细密，强度越高(图中虚线) 形成化合物时，性能-成 分曲线在化合物成分处出现 极大值或极小值 二、合金的工艺性能与相图的关系 ●合金的铸造性能 纯金属和共晶成分的合金的流动性最好 ，缩孔集中，铸造性能好。

液、固相线温度间隔大 时，形成枝晶偏析的倾向性 大,阻碍未结晶液体的流动， 增多分散缩孔 铸造合金常选共晶或接 近共晶的成分 合金的铸造性能 与相图的关系示意图 ●合金的锻造性 单相合金的锻造性能好变形抗力小 ，变形均匀，不易开裂，变形能力大 双相组织的合金变形能力差些 组织中存在有较多的化合物相（很脆 ）时，合金变形能力差 2.2.3 铁碳合金的结晶 一、铁碳相图 老师提示：重点内容 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢 铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订 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、FeC等 有实用意义的是Fe-Fe3C部分，称为 Fe- Fe3C相图 此时相图的组元为Fe和Fe3C Fe-Fe3C相图 A：1538、0 % C：1148、4.30 % E：1148、2.11 % F：1148、6.69 % G：912 、0 % J：1495、0.17 % N：1394、0 % P：727 、0.02 % S：727 、0.77 % Q：600 、0.0057 % 重要点温度、碳质量分数 1. 铁碳合金的组元 (1) Fe 铁是过渡族元素, 熔点为1538℃。

密度是7.87g/cm3 纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃ 及912℃时, 先后发生两次同素异构转变 纯铁的机械性能：强度低、硬度低、塑性好 抗拉强度 σb 180 MPa～230 MPa 屈服强度 σ0.2 100 MPa～170 MPa 延伸率 δ 30%～50% 断面收缩率ψ 70%～80% 冲击韧度 ak 1.6×106 J/m2～2×106 J/m2 硬度 50 HB～80 HB (2) Fe3C Fe3C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物 , 通常称为渗碳体, 用Cm表示 渗碳体的机械性能特点是硬而脆 800 HB 00030 MPa 硬度冲击 韧度 ak 断面 收缩率 Ψ 延伸率 δ 抗拉强度 极限 σb 2. 铁碳合金中的相 (1) 液相L 液相L是铁与碳的液溶体 (2) δ相 δ相又称高温铁素体, 是碳在δ-Fe中的间隙固溶 体,呈体心立方晶格, 在 1394℃以上存在F或α表示, 是碳在α-Fe中的间隙固溶体, 体心立方 晶格，碳的固溶度极小, 室温时约为0.0008%在727 ℃时溶碳量最大（0.0218%） 铁素体性能是强度低、硬度低、塑性好。

机械性 能与纯铁大致相同 (3) α相 α相也称铁素体, 用 γ相常称奥氏体, 用符号A或γ表示, 是碳在γ -Fe 中的间隙固溶体, 面心立方晶格，碳的固溶度较 大, 在1148 ℃时溶碳量最大达2.11% 奥氏体的强度较低, 硬度不高, 易于塑性变形 (4) γ相 (5) Fe3C相 Fe3C相是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合 物, 性能特点是硬而脆 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 (1) 重要的点 ●J点（包晶点） ●C点（共晶点） 共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L 、A、Fe3C三相共存，三相成分一定 共晶反应产物是奥氏体与渗碳体的 混和物, 称莱氏体（Le） 其中的渗碳体称共晶渗碳体 显微镜下莱氏体形态： 块状或粒状A(727℃时转变成珠光 体)分布在渗碳体基体上 ●S点（共析点） 共析反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F 、Fe3C三相共存，三相成分一定 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 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体 珠光体形态：显微镜下珠光体的形态呈层 片状。

相间分布渗碳体片与铁素体片 珠光体性能：强度较高, 塑性、韧性和硬 度介于渗碳体和铁素体之间 珠光体机械性能 抗拉强度极限 /σb 冲击韧性 ak 延伸率 δ 硬度 770 MPa 3×105 J/m2 ～ 4×105 J/m2 20%～35%180 HB ●E点 1148℃，2.11%C 碳在γ-Fe中的最大溶解度 ●P点 727℃，0.0218%C 碳在α-Fe中的最大溶解度 ●B点 1495℃,0.。