第三章材料的凝固與相圖

第三章

材料的凝固與相圖1主要內(nèi)容第一節(jié)

結(jié)晶與凝固特性及其影響因素第二節(jié)

純金屬的結(jié)晶第三節(jié)合金的結(jié)晶與結(jié)晶相圖2第一節(jié)結(jié)晶與凝固特性及其影響因素一、凝固與結(jié)晶凝固是指物質(zhì)從液態(tài)經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程。平衡結(jié)晶溫度凝固后的固態(tài)物質(zhì)可以是晶體，也可以是非晶體。通過(guò)凝固形成晶體物質(zhì)的過(guò)程稱為結(jié)晶。

3冶4二、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

結(jié)晶實(shí)質(zhì)上是原子由近程有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變成長(zhǎng)程(遠(yuǎn)程)有序狀態(tài)的過(guò)程。廣義上講，金屬?gòu)囊环N原子排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子規(guī)則排列狀態(tài)的過(guò)程也屬于結(jié)晶過(guò)程。

5液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)

近程有序（小范圍內(nèi)的原子規(guī)則排列）。這種近程有序的原子集團(tuán)是不穩(wěn)定的，瞬時(shí)出現(xiàn)瞬時(shí)消失。注：通常的固態(tài)金屬屬于晶體材料，金屬原子是規(guī)則排列，也叫遠(yuǎn)程有序。

液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)6結(jié)晶分類：通常把金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過(guò)程稱為一次結(jié)晶；把金屬?gòu)囊环N固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過(guò)程稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。7三、凝固狀態(tài)的影響因素

1.熔融液體的粘度:粘度是表征流體中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力。粘度越大，相對(duì)運(yùn)動(dòng)就越困難，原子擴(kuò)散越困難。2.熔融液體的冷卻速度冷卻速度越大，在單位時(shí)間內(nèi)逸散的熱量越多，熔融液體的溫度便降得越低。

8一、純金屬的冷卻曲線和冷卻現(xiàn)象

第二節(jié)純金屬的結(jié)晶

1-電源2-熱電偶3-坩堝4-金屬液體5-冰水（0℃）6-恒溫器7-電阻爐8-記錄儀9一、純金屬的冷卻曲線和冷卻現(xiàn)象

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得液體金屬在結(jié)晶時(shí)的溫度-時(shí)間曲線稱為冷卻曲線。時(shí)間0溫度TmTn

ΔT

純金屬的冷卻曲線ABCD第二節(jié)純金屬的結(jié)晶

理論結(jié)晶溫度：熔點(diǎn)Tm是金屬的平衡結(jié)晶溫度。實(shí)際結(jié)晶溫度：液態(tài)金屬冷卻到熔點(diǎn)Tm時(shí)，并未開(kāi)始結(jié)晶，而是需要繼續(xù)冷卻到Tm之下某一溫度Tn，液態(tài)金屬才開(kāi)始結(jié)晶。10在Tm

下，液體的結(jié)晶速度和晶體的熔化速度相等，處于動(dòng)平衡狀態(tài)，結(jié)晶不能進(jìn)行，而只有低于這個(gè)溫度，結(jié)晶才能進(jìn)行，這種現(xiàn)象稱為過(guò)冷現(xiàn)象。過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度Tm與開(kāi)始結(jié)晶溫度Tn之差。

ΔT=Tm-Tn時(shí)間0溫度TmTn

ΔT

純金屬的冷卻曲線ABCD1、過(guò)冷現(xiàn)象

11冷卻速度越大，則開(kāi)始結(jié)晶溫度Tn越低，過(guò)冷度也就越大。122．結(jié)晶潛熱

物質(zhì)從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相時(shí)，伴隨著放出或吸收的熱量稱為相變潛熱。金屬熔化時(shí)從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗍俏諢崃?，而結(jié)晶時(shí)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄤t放出熱量，前者稱為熔化潛熱，后者稱為結(jié)晶潛熱。0溫度TmTn

ΔT

純金屬的冷卻曲線ABCD13（1）形核液態(tài)金屬內(nèi)部生成一些極小的晶體作為結(jié)晶的核心。生成的核心叫做晶核。

形核有兩種方式：自發(fā)形核、非自發(fā)形核二、結(jié)晶過(guò)程

金屬的結(jié)晶包括兩個(gè)基本過(guò)程：形核與長(zhǎng)大。141)自發(fā)形核

在液態(tài)金屬中，存在大量尺寸不同的近程有序的原子集團(tuán)。溫度降到結(jié)晶溫度以下時(shí)，近程有序的原子集團(tuán)變得穩(wěn)定，不再消失，成為結(jié)晶核心。這個(gè)過(guò)程叫自發(fā)形核。自發(fā)晶核：由液態(tài)金屬內(nèi)部金屬原子自發(fā)形成的晶核。152)非自發(fā)形核實(shí)際金屬內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì)。當(dāng)液態(tài)金屬降到一定溫度后，有些雜質(zhì)可附著金屬原子，成為結(jié)晶核心，這個(gè)過(guò)程叫非自發(fā)形核。非自發(fā)晶核：依附于雜質(zhì)而形成的晶核。16（2）晶核的長(zhǎng)大（以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大為主）

由于晶核長(zhǎng)大時(shí)，晶體的棱角和棱邊的散熱條件好，因而長(zhǎng)大較快，成為伸入到液體中的晶枝。優(yōu)先形成的晶枝稱一次晶軸，在一次晶軸增長(zhǎng)和變粗的同時(shí)，在其側(cè)面生出新的晶枝，即二次晶軸。其后又生成三次晶軸、四次晶軸。結(jié)晶后得到具有樹(shù)枝狀的晶體。

17金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶18液體狀態(tài)晶核總結(jié)純金屬的結(jié)晶總是在恒溫下進(jìn)行的，結(jié)晶時(shí)總有結(jié)晶潛熱放出，結(jié)晶過(guò)程總是遵循形核和核長(zhǎng)大規(guī)律，在有過(guò)冷度的條件下才能進(jìn)行結(jié)晶。19三、結(jié)晶后的晶粒大小及控制20金屬結(jié)晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。一個(gè)晶粒是由一個(gè)晶核長(zhǎng)成的晶體，實(shí)際金屬的晶粒在顯微鏡下呈顆粒狀。晶粒大小可用晶粒度來(lái)表示，晶粒度號(hào)越大晶粒越細(xì)。晶粒度的計(jì)算公式：

式中：m－1mm2表面中的晶粒個(gè)數(shù)；

N－晶粒度等級(jí)。1、晶粒度212）長(zhǎng)大速率G：?jiǎn)挝粫r(shí)間晶體長(zhǎng)大的線長(zhǎng)度；m/s

（1）決定晶粒度的因素：1）形核率N：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積形成的晶核數(shù)；

個(gè)/m3·s

N越大，則結(jié)晶后的晶粒越多，晶粒就越細(xì)小。G越快,則晶粒越粗。N/G越大，晶粒越細(xì)小22

注：在一般情況下,晶粒越小,則金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性越好。工程上使晶粒細(xì)化,是提高金屬機(jī)械性能的重要途徑之一，這種方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。（2）晶粒度對(duì)金屬性能的影響2324（4）晶粒大小的控制：

1）增大金屬的過(guò)冷度隨著過(guò)冷度的增加,N和G均會(huì)增大。但前者的增大更快，因而N/G也增大,結(jié)果使晶粒細(xì)化。提高液態(tài)金屬的冷卻速度,

采用冷卻能力較強(qiáng)的模子。金屬型代替砂型、增大金屬型厚度提高液態(tài)金屬的過(guò)冷能力。高溫熔化低溫澆注

超高速急冷技術(shù)可獲得超細(xì)化晶粒的金屬、亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬。252）變質(zhì)處理一種情況是變質(zhì)劑加入液態(tài)金屬時(shí)，能直接增加形核核心，稱為孕育劑，相應(yīng)處理稱為孕育處理。在鐵水中加入硅鐵、硅鈣合金都能細(xì)化石墨。另一種情況是加入變質(zhì)劑，改變晶核的生長(zhǎng)條件，強(qiáng)烈地阻礙晶核的長(zhǎng)大或改善組織形態(tài)。在鋁硅合金中加入鈉鹽，鈉能在硅表面上富集，從而降低硅的長(zhǎng)大速度，進(jìn)而阻礙粗大硅晶體的形成，細(xì)化了組織。

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3）振動(dòng)在金屬結(jié)晶的過(guò)程中采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)等，可以破碎正在生長(zhǎng)中的樹(shù)枝狀晶體，形成更多的結(jié)晶核心，獲得細(xì)小的晶粒。4）電磁攪拌將正在結(jié)晶的金屬置于一個(gè)交變電磁場(chǎng)中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會(huì)翻滾起來(lái)，沖斷正在結(jié)晶的樹(shù)枝狀晶體的晶枝，增加結(jié)晶核心，從而細(xì)化晶粒。

27第三節(jié)合金的結(jié)晶與結(jié)晶相圖幾個(gè)概念：合金、組元、相、組織合金:一種金屬元素同另一種或幾種其他元素，通過(guò)熔煉、燒結(jié)或其他方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元:組成合金的獨(dú)立的、最基本的單元叫做組元。在多數(shù)情況下是元素。例如，Al-Si合金中的Al和Si皆為組元。按所含組元的數(shù)目，合金可分為二元合金、三元合金及多元合金。組織:

觀察到的材料的微觀形貌。

28一合金的相結(jié)構(gòu)及性能

相:指合金中晶體結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一并以界面與其他部分分開(kāi)的均勻組成部分。

固態(tài)純金屬一般是一個(gè)相，合金可能幾個(gè)相。

組織：指肉眼或顯微鏡觀察到的材料的微觀形貌29一合金的相結(jié)構(gòu)及性能

1．固溶體

合金組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體。固溶體一般用α、β、γ……來(lái)表示。

固態(tài)合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。30形成固溶體后，晶格保持不變的組元稱溶劑，一般在合金中含量較多；其它元素為溶質(zhì)，含量較少。分類：按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分置換固溶體、間隙固溶體按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度分

有限固溶體、無(wú)限固溶體。31置換固溶體間隙固溶體

溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙之中

溶質(zhì)原子代換了溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)上的原子32有限固溶體無(wú)限固溶體

固溶體中溶質(zhì)的含量即為固溶體的濃度。在一定溫度和壓力條件下，溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度即為溶質(zhì)在固溶體中的溶解度。

33固溶體的性能固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入晶格發(fā)生畸變。晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。銅抗拉強(qiáng)度220（330）、硬度40（70）、斷面收縮率70%（50%）通過(guò)形成固溶體使金屬?gòu)?qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。342．金屬化合物

金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種晶格類型及性能均不同于任一組元的合金固相。離子鍵、共價(jià)鍵+金屬鍵

分類：（1）正常價(jià)化合物：若組元間電負(fù)性相差較大，且形成的化合物嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律，則此類化合物稱為正常價(jià)化合物。成分固定、高的硬度和脆性。

35（2）電子化合物：若組元間形成的化合物不遵守化合價(jià)規(guī)律，但符合一定電子濃度（化合物的價(jià)電子總數(shù)與原子總數(shù)之比），這類化合物稱為電子化合物。不遵循原子價(jià)規(guī)律，服從電子濃度規(guī)律；高的熔點(diǎn)和硬度，塑性較低。代表符號(hào)β相γ相ε相電子濃度3/221/137/4晶格類型體心立方復(fù)雜立方密排六方舉例CuZn，Cu3AlCu5Zn8，Cu9Al4CuZn3，Cu3Zn表3-2部分電子化合物的晶格類型36（3）間隙化合物

由原子半徑較大過(guò)渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物。尺寸較大的過(guò)渡族元素原子占據(jù)晶格的結(jié)點(diǎn)位置，尺寸較小的非金屬原子則有規(guī)則嵌入晶格的間隙中。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，間隙化合物分簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的間隙化合物和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物兩種。

37（1）簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的間隙化合物當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時(shí)，形成的具有簡(jiǎn)單晶格的間隙化合物。間隙相具有金屬特性，有極高的熔點(diǎn)、硬度和脆性,非常穩(wěn)定，是高合金鋼、硬質(zhì)合金和高溫金屬陶瓷材料的重要組成相。圖3-9間隙相VC的晶體結(jié)構(gòu)

38（2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。熔點(diǎn)、硬度和脆性稍低于間隙相，是碳鋼及合金鋼的重要組成相。圖3-10間隙化合物Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)39（4）機(jī)械混合物

由兩種或兩種以上的相按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合成的物質(zhì)稱為機(jī)械混合物。混合物中各組成相仍保持自己的晶格，彼此無(wú)交互作用，其性能主要取決各組成相的性能以及相的分布狀態(tài)。工程上使用的大多數(shù)金屬合金的組織都是由固溶體與少量金屬化合物組成的機(jī)械混合物。40（2）金屬化合物的性能

具有復(fù)雜的結(jié)合鍵及晶體結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出有高的熔點(diǎn)、硬度及脆性。具有一定的金屬特性，但不能作為合金的基體相。以細(xì)小的尺寸彌散地分布在合金中時(shí)，能有效地提高其強(qiáng)度、硬度、耐磨性及高速切削性能，起到所謂彌散硬化的作用。41二、合金相圖的建立重點(diǎn)內(nèi)容合金系

兩個(gè)或兩個(gè)以上的組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，總稱為合金系。如Pb-Sb合金系、Al-Si合金系、Fe-C合金系、Au-Ag合金系、Fe-Cr合金系等。1．相圖的相關(guān)概念43相圖相圖是用來(lái)表示合金系中各個(gè)合金結(jié)晶過(guò)程的圖，它是反映在平衡條件下(極緩慢冷卻或加熱)各成分合金的結(jié)晶過(guò)程以及相和組織存在范圍與變化規(guī)律的簡(jiǎn)明示意圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。描述平衡條件下，相和相變與溫度、成份、壓力之間的關(guān)系圖。44平衡相、平衡組織、平衡結(jié)晶如果合金在某一個(gè)溫度停留任意長(zhǎng)的時(shí)間，合金中各個(gè)相的成分都是均勻不變的，各相的相對(duì)質(zhì)量也不變，那么該合金就處于相平衡狀態(tài)，此時(shí)合金中的各相稱為平衡相。由這些平衡相所構(gòu)成的組織稱為平衡組織。如果合金在其結(jié)晶過(guò)程中或相變過(guò)程中的冷卻速度非常緩慢，那么由于其原子有充分的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散，所以合金中的各相將近似處于平衡狀態(tài)，這種冷卻方式稱為平衡冷卻，這種處于相平衡狀態(tài)的結(jié)晶或相變方式稱為平衡結(jié)晶。45在常壓下，二元合金的相狀態(tài)決定于溫度和成分。相圖中，有二元相圖、三元相圖和多元相圖。二元相圖是以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，在以溫度為縱坐標(biāo)，以組成材料的成分或組成元素為橫坐標(biāo)，繪制的線圖。2、二元相圖的建立46試驗(yàn)方法有多種，最常用的是熱分析法。47Cu－Ni合金相圖是一種最簡(jiǎn)單的基本相圖。圖中的每一點(diǎn)表示一定成分的合金在一定溫度時(shí)的穩(wěn)定相狀態(tài)。Cu－Ni合金相圖Cu20406080wNi（％）TCuTNiNi48Cu－Ni合金相圖的測(cè)繪Cu－Ni相圖

冷卻曲線溫度時(shí)間CuNi20406080wNi（％）wCu＝100％wNi＝20％wNi＝40％wNi＝60％wNi＝80％wNi＝100％TCuTNi49三、二元合金的結(jié)晶與相圖二元相圖類型勻晶相圖共晶相圖包晶相圖共析相圖501、二元?jiǎng)蚓鄨D

例如Cu-Ni合金相圖為典型的勻晶相圖勻晶相圖：只發(fā)生勻晶反應(yīng)的相圖。勻晶反應(yīng)：從液相中直接結(jié)晶出固溶體的反應(yīng)。特點(diǎn)：勻晶相圖中兩組元在液態(tài)、固態(tài)下都能無(wú)限互溶。51aa1c

為液相線，是各種成分的合金在冷卻時(shí)開(kāi)始結(jié)晶或加熱時(shí)熔化終止的溫度；該線以上合金處于液相L。1）

相圖分析Cu-Ni合金相圖ac1c

為固相線，各種成分的合金在加熱時(shí)開(kāi)始熔化或冷卻時(shí)結(jié)晶終止的溫度。該線以下合金處于固相。52aa1c和ac1c

之間是液相與固溶體兩相共存區(qū)，L+a點(diǎn)為Cu的熔點(diǎn)，c點(diǎn)為Ni的熔點(diǎn)。Cu-Ni合金相圖532）

結(jié)晶過(guò)程

在兩相共存區(qū)，液相的成分沿液相線變化，固相的成分沿固相線變化。(a)相圖(b)結(jié)晶過(guò)程圖3-12Cu-Ni二元?jiǎng)蚓鄨D及結(jié)晶過(guò)程54杠桿定律（液相和固相兩相的成分確定）在兩相區(qū)內(nèi),溫度一定時(shí),兩相的成分是確定的。方法：過(guò)指定溫度t1作水平線,分別交液相線和固相線于a1點(diǎn)、c1點(diǎn),則a1點(diǎn)、c1點(diǎn)成分軸上的投影點(diǎn)即相應(yīng)為L(zhǎng)相和α相的成分。隨著溫度的下降,液相成分沿液相線變化,固相成分沿固相線變化。到溫度t2時(shí),

L相成分及α相成分分別為a2和c2點(diǎn)在成分軸上的投影。55x1x2x在溫度T下：（1）設(shè)合金成分為x

，液相成分為x1

，固相成分為x2

。（2）設(shè)合金總質(zhì)量為1，液相占QL

，固相占Qa。56如在溫度T時(shí),兩相的質(zhì)量比可用下式表達(dá)：x1x2x57

這個(gè)式子與力學(xué)中的杠桿定律相似,因而亦被稱作杠桿定律。由杠桿定律不難算出合金中液相和固相在合金中所占的相對(duì)質(zhì)量（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)）計(jì)算p46頁(yè)例題58注意：杠桿定律是計(jì)算合金平衡組織中的組成相或組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重要工具。杠桿定律只適用于相圖中的兩相區(qū),并且只能在平衡狀態(tài)下使用。杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度時(shí)兩相的成分點(diǎn),而支點(diǎn)為合金的成分點(diǎn)。59（3）枝晶偏析

枝晶偏析：在一個(gè)晶粒中，造成先結(jié)晶晶軸(枝干)的成分和后結(jié)晶晶軸(分枝)成分的差異。枝晶偏析會(huì)影響合金的力學(xué)、耐蝕和加工工藝等性能。通過(guò)擴(kuò)散退火(將鑄件預(yù)熱到固相線以下100—200℃，較長(zhǎng)時(shí)間保溫），可使成分均勻化。Cu-Ni合金枝晶偏析示意圖60共晶反應(yīng)（共晶轉(zhuǎn)變）：在一定條件（溫度、成份）下，由均勻液相同時(shí)結(jié)晶出兩種不同固相的轉(zhuǎn)變。所生成的兩相混合物叫共晶體(一種均勻機(jī)械混合物)。機(jī)械混合物：合金的組成物在固態(tài)下按一定重量比混合而成的新物質(zhì)，它的各個(gè)組成物仍保持自己原來(lái)的晶格類型和性能，其性能介于各種組成物之間。共晶相圖：兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)有限互溶或完全不互溶且發(fā)生共晶反應(yīng)的相圖。2、二元共晶相圖611）共晶相圖分析Pb-Sn合金相圖Pb-Sn合金相圖詳細(xì)分析視頻62L相：Pb與Sn形成的無(wú)限液溶體α相：Sn溶于Pb中的有限固溶體β相：Pb溶于Sn中的有限固溶體

Pb-Sn相圖中有3種相：63相圖中有3個(gè)單相區(qū):L、α、β

3個(gè)兩相區(qū)：

L+α、L+β、α+β

cde水平線：

L+α+β的三相共存

64adb線:液相線acdeb線：固相線cf線：Sn在α相中的溶解度線eg線：Pb在β相中的溶解度線

a點(diǎn)：Pb的熔點(diǎn)

b點(diǎn)：Sn的熔點(diǎn)65cde水平線：共晶反應(yīng)線成分為d點(diǎn)的液相L將同時(shí)結(jié)晶出成分為c點(diǎn)的α固溶體和成分為e點(diǎn)的β固溶體，形成這兩種固溶體的均勻機(jī)械混合物（共晶體或共晶組織）。

d點(diǎn)：共晶點(diǎn)

d點(diǎn)溫度——共晶溫度

d點(diǎn)成分——共晶成分66cf線：Sn在Pb中的溶解度線(或α相的固溶線)。

溫度降低,固溶體的溶解度下降，于是便從α相中不斷析出β相，以降低α相中Sn含量。從固態(tài)α相中析出的β相稱為二次β,寫作βII

。這種二次結(jié)晶可表達(dá)為：α→βII。67

eg線：Pb在Sn中溶解度線(或β相的固溶線)。

溫度降低,固溶體的溶解度下降，于是便從β相中不斷析出α相，以降低β相中Pb含量。從固態(tài)β相中析出的α相稱為二次α,寫作αII。這種二次結(jié)晶可表達(dá)為：β

→αII。68溶解度線69（1）合金Ⅰ的結(jié)晶過(guò)程（2）合金Ⅱ的結(jié)晶過(guò)程（3）合金Ⅲ的結(jié)晶過(guò)程（4）合金Ⅳ的結(jié)晶過(guò)程2.合金結(jié)晶過(guò)程分析視頻701)合金I的結(jié)晶過(guò)程（不發(fā)生共晶反應(yīng)）71LL(1)aL(2)bⅡa(4)a(3)0-13-42-31-272勻晶反應(yīng)+二次析出組織組成物：

βII+α相組成物：

α相和β相紅線的結(jié)晶過(guò)程？7374共晶合金組織的形態(tài)

At183℃

2)合金II的結(jié)晶過(guò)程（共晶合金的結(jié)晶過(guò)程）74LL(1)L(2)(α+β)0-11-1’

21’(α+β)(3)bⅡ(α+β)aⅡ(4)75（2）合金II的結(jié)晶過(guò)程共晶反應(yīng)+二次析出共晶合金組織組成物：（α+β）相組成物：

α相和β相二次相αII+βII

成分忽略76亞共晶合金組織3)合金Ⅲ的結(jié)晶過(guò)程（亞共晶合金的結(jié)晶過(guò)程）α(α+β)77LL(1)aL(2)aL(3)Ⅱa

(α+β)(4)0-12’-32-2’1-2(α+β)78勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出組織組成物：α初+（α+β）+βII

相組成物：

α相和β相3)合金Ⅲ的結(jié)晶過(guò)程（亞共晶合金的結(jié)晶過(guò)程）79βββαⅡβ＋αⅡ＋（α＋

β）過(guò)共晶合金組織4)合金Ⅳ的結(jié)晶過(guò)程（過(guò)共晶合金的結(jié)晶過(guò)程）β(α+β)80勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出組織組成物：β初+（α+β）+αII

過(guò)共晶合金相組成物：

α相和β相4)合金Ⅳ的結(jié)晶過(guò)程（過(guò)共晶合金的結(jié)晶過(guò)程）81顯微組織

金屬材料→金相砂紙磨光→

拋光布拋光→侵蝕→

在金相顯微鏡下觀察→看到金屬材料內(nèi)部的微觀形貌顯微組織構(gòu)成數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式不同的各種相組成組織組成物：指合金組織中具有具體本質(zhì)、一定形成機(jī)制的特殊形態(tài)的組成部分（or按著凝固順序所形成的各組成部分）相組成物：某一相的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)總和824)按組織組成物標(biāo)注的共晶相圖

(α+β)833、二元包晶相圖及其它相圖包晶反應(yīng)（包晶轉(zhuǎn)變）：結(jié)晶出來(lái)的固溶體與包圍它的液相作用，形成一個(gè)新成分的固溶體，該后生成固溶體包裹先前生成的固溶體。包晶相圖：當(dāng)兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)形成有限固溶體，而且發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖。包晶相圖組成：兩個(gè)局部的勻晶相圖和一條水平線。1）包晶相圖84Pt-Ag合金相圖中存在3種相:

L相：Pt與Ag形成的液溶體;

α相：Ag溶于Pt中的有限固溶體;β相：Pt溶于Ag中的有限固溶體。

85

發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)三相共存,它們的成分確定,反應(yīng)在恒溫下平衡地進(jìn)行。ced水平線為包晶反應(yīng)線。

cf為Ag在α中的溶解度線,eg為Pt在β中的溶解度線。

e點(diǎn)：包晶點(diǎn)。

e點(diǎn)成分的合金冷卻到該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度(包晶溫度)時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)：

Ld+αc→βe

86合金I的結(jié)晶過(guò)程

勻晶反應(yīng)+包晶反應(yīng)+二次析出合金Ⅱ結(jié)晶過(guò)程

勻晶反應(yīng)+包晶反應(yīng)+二次析出87合金Ⅲ結(jié)晶過(guò)程

勻晶反應(yīng)+二次析出合金Ⅳ結(jié)晶過(guò)程勻晶反應(yīng)+包晶反應(yīng)+勻晶反應(yīng)+二次析出思考：合金Ⅲ，合金Ⅳ的結(jié)晶過(guò)程？ⅢⅣ88

一定成分的固相，在一定溫度下，同時(shí)析出兩種化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的新固相，這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為共析反應(yīng)。由一種固相轉(zhuǎn)變成完全不同的兩種相互關(guān)聯(lián)的固相,此兩相混合物稱為共析體。

2）共析相圖89

d

點(diǎn)成分(共析成分)的合金從液相經(jīng)過(guò)勻晶反應(yīng)生成γ相后,繼續(xù)冷卻到d

點(diǎn)溫度(共析溫度)時(shí),在此恒溫下發(fā)生共析反應(yīng):

γ→

(α+β)

具有共析反應(yīng)的二元相圖90四、合金的性能與相圖的關(guān)系1.合金的使用性能與相圖的關(guān)系圖3-22合金的使用性能與相圖的關(guān)系當(dāng)合金的結(jié)晶組織為單相固溶體時(shí)其強(qiáng)度、硬度在一定范圍內(nèi)隨溶質(zhì)含量的增加而升高，且塑性略有下降，還會(huì)引起電導(dǎo)率及導(dǎo)熱系數(shù)的降低。當(dāng)合金的結(jié)晶組織為兩相組成物時(shí)，其硬度、強(qiáng)度及電導(dǎo)率與成分呈直線關(guān)系變化。當(dāng)合金的結(jié)晶組織形成化合物時(shí)，則將表現(xiàn)出極高的硬度與極低的電導(dǎo)率912.合金的工藝性能與相圖的關(guān)系圖3-28合金的鑄造性能與相圖的關(guān)系液相線與固相線溫度間隔越大，樹(shù)枝晶就越發(fā)達(dá)，先結(jié)晶出的樹(shù)枝晶阻礙未結(jié)晶液體的流動(dòng)性，對(duì)液態(tài)合金造成的流動(dòng)阻力便越大，進(jìn)而合金的流動(dòng)性則變得越差，導(dǎo)致澆注時(shí)金屬液不能充滿鑄型。同時(shí)，發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶相互交錯(cuò)，形成許多分割的微區(qū)，這些微區(qū)難以及時(shí)得到外部液體的補(bǔ)充，凝固后便成為許多分散的縮孔。單相固溶體合金枝晶偏析的傾向性大，不宜制作鑄件。鍛造性能好，用于鍛件。921、鑄錠結(jié)晶組織鑄錠分為3個(gè)各具特征的晶區(qū)：1.表層細(xì)晶區(qū)（細(xì)等軸晶區(qū)）2.柱狀晶區(qū)3.中心等軸晶區(qū)（粗等軸晶區(qū)）五、金屬鑄錠的凝固組織93（1）表層細(xì)晶區(qū)（細(xì)等軸晶區(qū)）

液體金屬注入錠模時(shí)，由于錠模溫度不高，傳熱快，外層金屬受到激冷，過(guò)冷度大，生成大量的晶核。同時(shí)模壁也能起非自發(fā)晶核的作用。結(jié)果，在金屬的表層形成一層厚度不大、晶粒很細(xì)的細(xì)晶區(qū)。

94（2）柱狀晶區(qū)

細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，錠模溫度升高，液體金屬的冷卻速度降低，過(guò)冷度減小，生核速率降低，但此時(shí)長(zhǎng)大速度受到的影響較小。結(jié)晶時(shí)，優(yōu)先長(zhǎng)大方向（即一次晶軸方向）與散熱最快方向（一般為往外垂直模壁的方向）的晶核向液體內(nèi)部平行長(zhǎng)大，結(jié)果形成柱狀晶區(qū)。

95（3）中心等軸晶區(qū)（粗等軸晶區(qū)）

隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，液體金屬的冷卻速度很快降低，過(guò)冷度大大減小，溫度差不斷降低，趨于均勻化，同時(shí)散熱逐漸失去方向性；在某個(gè)時(shí)候，剩余液體中被推來(lái)和漂浮來(lái)的、以及從柱狀晶上被沖下的二次晶枝的碎塊，可能成為晶核，向各個(gè)方向均勻長(zhǎng)大，最后形成一個(gè)粗大的等軸晶區(qū)。96柱狀晶區(qū)顯微縮孔少，組織較致密，脆性較大。兩個(gè)不同方向的柱狀晶交界面處，由于常有雜質(zhì)聚集而形成弱面，在壓力加工時(shí)，往往易沿這些界面開(kāi)裂。因此，一般情況下都希望減小柱狀晶區(qū)2、鑄錠結(jié)晶組織的特性97等軸晶由于各個(gè)晶粒在長(zhǎng)大時(shí)彼此交叉，不存在明顯的脆弱區(qū)，鑄件的性能沒(méi)有方向性，是一般情況下金屬及合金（如鋼鐵）鑄件所要求的鑄態(tài)組織。因此，對(duì)于鋼鐵等許多材料的鑄錠和大部分鑄件來(lái)說(shuō)，一般都希望得到盡可能多的等軸晶。提高液態(tài)金屬中的形核率，限制柱狀晶的發(fā)展，細(xì)化