《工程材料學》合金的結晶

1、合金的結晶過程比純金屬復雜，常用相圖進行分析.相圖是用來表示合金系中各合金在緩冷條件下結晶過程的簡明圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。第2章 2.2 合金的結晶2.2.1 二元合金的結晶兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時所構成的相圖稱 二元勻晶相圖。以Cu-Ni合金為例進行分析。(一) 勻晶反應的合金的結晶勻晶相圖及其合金的結晶過程相圖由兩條線構成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個相區(qū)，液相線以上為液相區(qū)L ，固相線以下為 固溶體區(qū)，兩條線之間為兩相共存的兩相區(qū)（L+ ）。 LL+成分（wt%Ni）溫度（）CuNi液相線固相線 合金的結晶過程除純組元外，其它成分合金結晶過程相似，以合金為

2、例說明。當液態(tài)金屬自高溫冷卻到 t1溫度時，開始結晶出成分為1的固溶體，其Ni含量高于合金平均成分LL+隨溫度下降，固溶體重量增加，液相重量減少。同時，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。這種從液相中結晶出單一固相的轉變稱為勻晶轉變或勻晶反應。成分變化是通過原子擴散完成的。當合金冷卻到t3時，最后一滴L3成分的液體也轉變?yōu)楣倘荏w，此時 固溶體的成分又變回到合金成分3上來。液固相線不僅是相區(qū)分界線, 也是結晶時兩相的成分變化線；勻晶轉變是變溫轉變。 杠桿定律處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量。現(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導杠桿定律： 確定兩

3、平衡相的成分：設合金成分為x，過x做成分垂線。在成分垂線相當于溫度t 的o點作水平線，其與液固相線交點a、b所對應的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。12t則 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程組得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的長度。 確定兩平衡相的相對重量設合金的重量為1，液相重量為QL，固相重量為Q。因此兩相的相對重量百分比為：兩相的重量比為：上式與力學中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠的成分線段之比。在杠桿定律中，

4、杠桿的支點是合金的成分，杠桿的端點是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相區(qū)。例（如圖）由于二次相析出溫度較低，一般十分細小。室溫下的相對重量百分比為：由 析出的二次 用 表示。隨溫度下降， 和 相的成分分別沿CF線和DG線變化， 的重量增加。合金室溫組織為 + 。成分大于 D點合金結晶過程與合金相似，室溫組織為 + 。ABCDEFG當兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶,并發(fā)生共晶反應時所構成的相圖稱作共晶相圖。以 Pb-Sn 相圖為例進行分析。(二) 共晶反應的合金的結晶PbSb 合金相圖相圖分析 相：相圖中有L、三種相, 是溶質Sn在 Pb中的固溶體， 是溶質P

5、b在Sb中的固溶體。 相區(qū)：相圖中有三個單相區(qū)： L、；三個兩相區(qū)： L+、L+、+ ；一個三相”區(qū)“：即三相水平線CED。PbSb 合金相圖 固溶線: 溶解度點的連線稱固溶線。相圖中的cf、eg線分別為 Sb在 Pb中和 Pb在 Sb中的固溶線。固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。 液固相線：液相線adb，固相線acdeb。a、b分別為Pb、Sb的熔點。 共晶線：水平線cde叫做共晶線。在共晶線對應的溫度下（183 ），D點成分的合金同時結晶出C點成分的 固溶體和e點成分的 固溶體，形成這兩個相的機械混合物：Ld (C + e)該反應叫共晶轉變或共晶反應。PbSb 合金相圖具有共晶成分（d點）的

6、合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點以左的合金稱亞共晶合金，位于共晶點以右的合金稱過共晶合金。凡具有共晶線成分（c點至e點）的合金液體冷卻到共晶溫度時都將發(fā)生共晶反應。PbSb 合金相圖共晶反應的產物，即兩相的機械混合物稱共晶體或共晶組織（ C+e ）。發(fā)生共晶反應的溫度稱共晶溫度（183）。代表共晶溫度和共晶成分的點稱共晶點（d點）。合金的結晶過程 含Pb量小于C點合金(合金)的結晶過程在3點以前為勻晶轉變，結晶出單相 固溶體，這種直接從液相中結晶出的固相稱一次相或初生相。.2溫度降到3點以下， 固溶體被Sn過飽和，由于晶格不穩(wěn)，開始析出（相變過程也稱析出）新相 相從已有固相析出的新

7、固相稱二次相或次生相 。形成二次相的過程稱二次析出, 是固態(tài)相變的一種。H由于二次相析出溫度較低，一般十分細小。室溫下的相對重量百分比為：由 析出的二次 用 表示。隨溫度下降， 和 相的成分分別沿cf線和eg線變化， 的重量增加。PbSb 合金相圖 共晶合金(合金)的結晶過程液態(tài)合金冷卻到d 點，同時被Pb、Sn飽和, 發(fā)生共晶反應：Ld (C+e) 。PbSn 合金相圖共晶組織形態(tài)層片狀(Al-CuAl2定向凝固)條棒狀(Sb-MnSb橫截面)螺旋狀（Zn-Mg）Pb-Sn共晶組織在共晶轉變過程中，L、 、 三相共存, 三個相的量在不斷變化，但它們各自成分是固定的。共晶組織中的相稱共晶相.共

8、晶轉變結束時， 和 相的相對重量百分比為：d(61.9)e(97.5)c(19.2) 亞共晶合金(合金)的結晶過程合金液體在2點以前為勻晶轉變。冷卻到2點，固相成分變化到C點，液相成分變化到d點, 此時兩相的相對重量為：PbSb 合金相圖溫度繼續(xù)下降，將從一次和共晶 中析出，從共晶中析出。其室溫組織+ (+) + 。亞共晶合金的結晶過程 過共晶合金結晶過程（黃線）與亞共晶合金相似，不同的是一次相為 , 二次相為室溫組織為+(+)+。（三）包晶反應的合金的結晶當兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶反應時所構成的相圖稱作包晶相圖。以Pt-Ag相圖為例簡要分析L+L+L + 相圖分析

9、單相區(qū)：L、二相區(qū)：L+、 L+、 +三相區(qū)：L+ （水平線PDC）在一定溫度下，由一個液相包著一個固相生成另一新固相的反應稱包晶轉變或包晶反應。水平線PDC稱包晶線，與該線成分對應的合金在該溫度下發(fā)生包晶反應：LC+P D 。該反應是液相L包著固相, 新相 在L與的界面上形核，并向L和兩個方向長大。 合金的結晶過程 包晶成分合金室溫組織為 + II PD成分合金：勻晶包晶二次析出。室溫組織為 +II+ + II時間溫度 DC成分合金：勻晶包晶勻晶二次析出室溫組織為 +II。時間溫度共析轉變也是固態(tài)相變。最常見的共析轉變是鐵碳合金中的珠光體轉變: S P+ Fe3C 。（四）共析反應的合金的結

10、晶共析反應(共析轉變)是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結構完全不同的新固相的過程。PS(奧氏體，鐵素體，F(xiàn)e3C滲碳體)共析相圖與共晶相圖相似，對應的有共析線(PSK線)、共析點(S點)、共析溫度、共析成分、共析合金(共析成分合金)、亞共析合金(共析線上共析點以左的合金)、過共析合金(共析線上共析點以右的合金)。鐵碳合金相圖共析反應的產物是共析體（鐵碳合金中的共析體稱珠光體），也是兩相的機械混合物（鐵素體+滲碳體)。與共晶反應不同的是，共析反應的母相是固相，而不是液相。另外，由于固態(tài)轉變過冷度大，因而共析組織比共晶組織細。珠光體2.2.2 相圖與合金性能之間的關系(一) 合

11、金的使用性能與相圖的關系 兩相機械混合物的合金:性能與合金成分呈直線關系，是兩相性能的算術平均值，如：HB混=HB Q +HBQ(Q 、Q為兩相相對重量) 單相固溶體的合金：性能隨成分呈曲線變化，隨溶質含量增加，、HB、增加，塑性下降。 形成穩(wěn)定化合物的合金：性能-成分曲線出現(xiàn)拐點。(二) 合金的工藝性能與相圖的關系 固溶體合金液固相線間距越大、偏析傾向大, 樹枝晶發(fā)達, 流動性降低, 補縮能力下降, 分散縮孔增加. 共晶合金結晶溫度低，流動性好，縮孔集中， 偏析小， 鑄造性能好。2.2.3 鐵碳合金的結晶 鐵碳合金碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應用最廣的合金。含碳量為0.0218% 2.11%的稱鋼含碳

12、量為 2.11% 6.69%的稱鑄鐵。鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它們都可以作為純組元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時，合金太脆，已無實用價值。實際所討論的鐵碳合金相圖是Fe- Fe3C相圖。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) （1） 鐵碳合金的組元碳在-Fe中的固溶體稱 -鐵素體，用 表示。 都是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在727時最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。鐵素體組元：Fe、 Fe3C（2） 鐵碳合金的相1)液相 L2)相：高溫鐵素體，在1394以上存在3

13、) 鐵素體：碳在-Fe中的固溶體稱鐵素體, 用F 或 表示。 4) 奧氏體:碳在 -Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或 表示。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148時最大為2.11%。組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。強度低、塑性好，鋼材熱加工都在 區(qū)進行.碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體5) 滲碳體：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、強度低(b35MPa), 脆性大, 塑性幾乎為零Fe3C是一個亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C3Fe+C(石墨), 該反應對鑄鐵有重要意義。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3

14、C或石墨的形式存在。 鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體（3） 相圖中重要的點和線1） 特征點LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 2） 特征線a 液相線ABCD， 固相線AHJECFD b 三條水平線：HJB：包晶線LB+H J ECF：共晶線LC E+Fe3C共晶產物是 與Fe3C的機械混合物，稱作萊氏體, 用Le表示。為蜂窩狀, 以Fe3C為基，性能硬而脆。萊氏體PSK：共析線 S FP+ Fe3C共析轉變的產物是 與Fe3C的機械混合物，稱作珠光體，用P表示。珠光體L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3C珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。

15、 PSK線又稱A1線 。c）其它相線GS,GP 固溶體轉變線, GS又稱A3 線。HN,JN 固溶體轉變線，ES碳在 -Fe中的固溶線。又稱Ac m線。PQ碳在-Fe中的固溶線。C. 三個三相區(qū)：即HJB (L+)、ECF(L+ Fe3C)、PSK(+ Fe3C)三條水平線 3） 相區(qū)a. 五個單相區(qū)：L、Fe3C b.七個兩相區(qū): L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、+ 、+Fe3C 2.2.4 典型鐵碳合金的平衡結晶過程 鋼(0.02182.11%C)高溫組織為單相 亞共析鋼 (0.02180.77%C) 共析鋼 (0.77%C) 過共析鋼 (0.772.11%C)鐵碳相圖上的合金

16、，按成分可分為三類： 工業(yè)純鐵(0.0218% C) 組織為單相鐵素體。亞共析鋼共析鋼過共析鋼共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業(yè)純鐵 白口鑄鐵 (2.116.69%C) 鑄造性能好, 硬而脆 亞共晶白口鑄鐵(2.114.3%C) 共晶白口鑄鐵(4.3%C) 過共晶白口鑄鐵(4.36.69%C)2.2.4.1 共析鋼的結晶過程 合金液體在1-2點間轉變?yōu)?。到S點發(fā)生共析轉變： SP+Fe3C, 全部轉變?yōu)橹楣怏w。共析鋼的結晶過程珠光體在光鏡下呈指紋狀.相變結束時，珠光體中相的相對重量百分比為：珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。S點以下，共析 中析出Fe3C，與共析Fe3C結合不易分辨。室溫組織為

17、P.珠光體Q室溫下，珠光體中兩相的相對重量百分比是多少？Q432192.2.4.2 亞共析鋼的結晶過程0.090.53%C亞共析鋼冷卻時發(fā)生包晶反應.以0.45%C的鋼為例合金在4點以前通過勻晶包晶勻晶反應全部轉變?yōu)?。?點，由 中析出 。到5點, 成分沿GS線變到S點， s發(fā)生共析反應轉變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降， 中析出Fe3C，由于與共析Fe3C結合, 且量少, 忽略不計. 亞共析鋼的結晶過程利用平衡組織中珠光體P所占面積百分比，可近似估算亞共析鋼的含碳量:C%=P面積%0.77% (忽略 中含碳量，P面積%=QP)共析溫度下兩相的相對重量為： 組織組成物（+珠光體P）的相對重量： S室溫

18、下兩相（+Fe3C）的相對重量百分比為：室溫下組織組成物（+珠光體P）的相對重量百分比為：S2.2.4.3 過共析鋼的結晶過程 合金在12點轉變?yōu)?, 到3點, 開始析出Fe3C。從奧氏體中析出的Fe3C稱二次滲碳體, 用Fe3C表示, 其沿晶界呈網狀分布.溫度下降, Fe3C量增加。到4點， 成分沿ES線變化到S點，余下的 轉變?yōu)镻。在共析溫度下Fe3C的相對量？過共析鋼的結晶過程過共析鋼室溫組織為 P + （網狀）Fe3C 。Fe3C量隨含碳量升高而增加, 含碳量為2.11%時, Fe3C量最大：室溫下兩相(c% 0.0008 6.69范圍)的相對重量百分比：室溫下兩組織組成物(c%0.776.69范圍)的相對重量百分比：2.2.4.4 白口鑄鐵的結晶 合金冷卻到C點發(fā)生共晶反應全部轉變?yōu)槿R氏體(L