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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,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→βIIeg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α1. 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,,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Fe3CFe-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. 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,●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℃,0.53 %C 包晶转变时液态合金的成分,,,,●水平线HJB :包晶反应线 发生包晶反应●水平线ECF :共晶反应线 发生共晶反应●水平线PSK :共析反应线 发生共析反应亦称A1线2) Fe-Fe3C相图中重要的线,●GS线 A中开始析出F临界温度线, 称A3线●ES线 碳在A中的固溶线，叫Acm线从A中析出Fe3C，叫二次渗碳体(Fe3CII)亦是A中开始析出Fe3CII的临界温度线●PQ线 是碳在F中固溶线是F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。

Fe3CIII数量极少, 往往予以忽略二、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3类7种： (1)工业纯铁[ w(C)≤0.0218%] (2)钢 [0.0218% w(C)≤2.11%] 亚共析钢 0.0218%w(C)0.77% 共析钢 w(C) = 0.77% 过共析钢 0.77%w(C)≤2.11% (3)白口铸铁 [2.11%w(C)6.69%] 亚共晶白口铸铁 2.11% w(C)4.3% 共晶白口铸铁 w(C) = 4.3% 过共晶白口铸铁 4.3% w(C)6.69%,几种碳钢的钢号和碳质量分数,,典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置,1. 工业纯铁平衡结晶过程 碳质量分数0.01%,1点以上 液相L 1～2点 L+δ 2～3点 δ 3～4点 δ+A 4～5点 A 5～6点 A+F 6～7点 F 7～8点 F晶界析出Fe3CIII,室温平衡组织为 F+ Fe3CIII,,纯铁的室温平衡组织,F呈白色块状; Fe。