合金的结晶与相图

晶内偏析

因结晶冷却速度太快而造成的晶体内部成分 的不均匀现象。 用扩散退火来消除。
共晶相图




共晶转变： L→α+β 共晶点 共晶线 亚共晶合金、 共晶合金、过 共晶合金
Pb-Sn合金的结晶过程分析

0<Sn%≤18%的 Pb-Sn合金：

室温组织 α+βⅡ
共晶合金的结晶过程分析

相图的用途

铸造生产

成分控制→组织控制 →性能控制。 工艺指定 组织控制

热处理工艺


焊接工艺
第五章 铁碳合金相图

铁碳合金的相结构与性能
铁碳合金相图

相图特点：



３个三相转 变线； ５个单相区； ７个两相区； ３条溶解度 曲线。
Fe-C合金示意图



画出基本形状； 记住关键点的 成分； 会分析典型合 金的结晶过程 会计算平衡组 织的构成。
总重量不变： W= Wα+WL………………………...(1) 溶质总量不变： Wα × Cα + WL × CL = W ×C…(2)
推导过程

将（1）代入（2）
Wα × Cα + WL × CL = （ Wα + WL） × C

方程变形
公式一：Wα （ Cα-C)= WL (C- CL) 公式二： Wα / WL= (C- CL) /（ Cα-C) 公式三：α%= Wα /W=(CCL)/(Cα-CL) L%= WL /W=(Cα-C)/(Cα-CL)
浇注时加快冷速和进行搅拌。 不能用热处理来消除。

消除措施

包晶相图


包晶转变： α+L→β 含Ag为40%的合金结晶过 程分析：
相图特例


特例1：其中一 组元完全不溶 于另一组元。 特例2：两组元 形成中间化合 物
二元相图的基本规律

规律一：相邻相区相数相差为一； 规律二：三相共寸区为一水平线； 规律三：稳定化合物区为一竖线； 三相反应规律：
金属的结晶过程

温度越 高,原子 运动速 度越快
金属的结晶
结论:
形成 晶体
金属的结晶过程→ 形核与长大过程
金 属 液
晶核长 大
形成 晶核
等轴晶与枝晶

枝晶形成的原 因：

优先长大方向 金属不纯净； 散热不均匀。
冷却速度对金属晶粒度的影响
孕育处理
加入人 工晶核 晶粒 细化
结论
冷却速度： 冷却速度↑→过冷度↑→形 核率↑→晶粒度↓。 变质处理： 人工晶核→晶粒度↓
Sn%=62%的Pb-Sn合 金：

室温组织：
亚共晶合金的结晶过程分析

18<Sn%<62的PbSn合金：

室温组织：α＋βⅡ＋ （α＋β）共
室温平衡组织的计算


计算含Sn为40%的Pb-Sn 合金的室温平衡组织构 成。 计算过程：
1.分析结晶过程，得到室温 组织构成：α＋βⅡ＋（α ＋β）共 2.选适当的双相区和温度应 用杠杆定律：L+ α 共晶 温度

金属的同素异构性


金属在一定温度下 只能有一种晶体结 构，但有些金属在 不同温度下具有不 同的晶体结构。 铁的同素异构体：
同素异构转变过程

形核与长大的过程
α 铁
γ -铁 α-铁晶核
金属铸锭的组织特点

钢锭的组织特点

表层细晶粒层 中间柱状晶粒层 心部粗大等轴晶 粒层


铸锭的组织对其 性能的影响 铸锭内部的缺陷
二元合金相图的建立

热分析法建立相 图的步骤：
（1）配比合金； （2）测定冷却曲线； （3）确定临界点； （4）绘制相图。
Cu-Ni合金相图

概念：

固相线 液相线
匀晶相图

含Ni为30%的合 金的结晶过程分 析：
杠杆定律


假定：成分为C的合金其重量为 W,当冷却至T温度时，其固相和 液相的成分分别为Cα和CL，现求 Wα和WL: 方程建立：
实际金属结构

金属的结构 特点：

是晶体 是多晶体 晶体内部有 缺陷
金属晶格内部的缺陷 1. 点缺陷

点缺陷的存在使金属能够比较容易的发 生扩散现象
2. 线缺陷-位错

位错的存在使金属能够比较容易发生塑性变形。
3. 面缺陷

面缺陷的存在使金属的强度提高
金属的结晶
一.结晶的概念 二.理论结晶温度 与实际结晶 温度：过冷 度ΔT 三.金属结晶的必 要条件：一 定的过冷度


缩孔与缩松 偏析
二元合金

基本概念：

合金：以金属为基，添加其它有益元素 组元：组成元素 相：成分相同、结构相同、与其它相有相界。
合金的相结构

固溶体：

不改变基体金属(溶剂)的晶格类型 合金原子（溶质）弥散分布 有一定溶解度。

化合物：

形成新的晶格 原子配比固定。
固溶体的分类
计算过程

共晶温度下：
相组成： L+ α 成分：L为62% α 为18% 假设： α的重量百分比为x%, 则L相的重量百分比为(1-x)% 溶质总量不变： 18x+62(1-x)=40 X=50%

比重偏析

产生原因：

因组元比重相差较大造成初 晶相与液相的比重相差较大。

危害

材料组织和性能不均匀
工业纯铁

含碳量：C%<0.02% 结晶过程分析：

按溶质原子在基体金属晶格所占据位 置的不同分：


置换固溶体 间隙固溶体

按溶解度分：
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有限固溶体 无限固溶体
置换固溶体

置换固溶体有可能形成无限固溶体
影响置换固溶体溶解度的因素


晶格类型 原子直径的相对大小； 电负性的差别； 电子浓度。
间隙固溶体


由H、O、C、N、 B溶入过渡族金 属而形成； 溶解度很小； 强化效果优于置 换固溶体。
化合物

正常价化合物 电子化合物 间隙化合物


间隙相WC、VC、TiC 等，具有高熔点、高 硬度、高稳定性。 具有复杂结构的间隙 化合物Fe3C、Cr23C6
相图的概念



组元：组成元素 合金系：组元相 同,浓度不同 相平衡:相对量不 变,相对浓度不变 相图:合金系的相 随温度而变化情 况的图
晶体结构与结晶

晶体的概念：有规律、周期性排列 晶格、晶胞、晶格常数 立方晶系
a=b=c α=β=γ=90°
常见的金属晶格 1. 体心立方

α-铁、铬、钼、钨、钒
2. 面心立方

γ-铁、铜、铝、镍等
3. 密排六方

铍、镁、锌、镉等
单晶体的各向异性


概念：晶体沿不同方 向有性能差异。 结论：单晶体必有各 向异性。