合金的结晶

晶点以右的合金称过共 晶合金。 凡具有共晶线成分的 合金液体冷却到共晶温 度时都将发生共晶反应。
Pb—Sn 合金相图
合金的结晶过程 ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种
直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
.2
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶 格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相— 相
⒉ 铁碳合金的相
(1)液相 L
(2)δ相：高温铁素体，在1394℃以上 存在
(3) 铁素体：
碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或
铁素 体
表示。
碳在δ-Fe中的固溶体称δ -铁素体，用δ 表示。
都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃
时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
亚共晶合金 的结晶过程
④ 过共晶合金结晶过程
与亚共晶合金相似，不同的是一次相为 , 二次相为Ⅱ 室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。
（三）包晶系合金的结晶
当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，
并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。
以Pt-Ag相图为例简要分析 ⑴ 相图分析
单相区：L、、β 二相区：L+、 L+、
Ⅰ合金室温组织
为 + Ⅱ 。
A C
F
B 成分大于 D点合金结晶
E
D
过程与Ⅰ合金相似，室
温组织为 + Ⅱ 。
G
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sb饱和, 发生
共
晶反应：Ld ⇄(C+e) 。
Pb—Sb 合金相图
共晶组织 形态
Pb-Sn共晶组织
层片状(Al-CuAl2定向凝固) 条棒状(Sb-MnSb横截面)
第二节 合金的结晶
合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. 相图是用来表示合金系中各个成分的合金在缓冷条件下结晶 过程的简明图解。又称状态图或平衡图。
一、二元合金的结晶
(一) 匀晶系合金的结晶 两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称
二元匀晶相图。 以Cu-Ni合金为例进行分析。
QL
0.58 0.58
0.53 0.45
100%
38.5%
(二) 共晶系合金的结晶
当两组元在液态 下完全互溶，在固 态下有限互溶,并发 生共晶反应时所构 成的相图称作共晶 相图。 以 Pb-Sn 相图为 例进行分析。
Pb—Sn 合金相图
相图分析 ① 相：相图中有L、、 三种相, 是溶质Sn在 Pb 中的固溶体， 是溶质Pb 在Sb中的固溶体。 ② 相区：相图中有三个 单相区： L、、；三个 两相区： L+、L+、+ ；一个三相区：即水平线 CED。
混合物，称作莱氏体, 用Le表 示。为蜂窝状, 以Fe3C为基， 性能硬而脆。
莱氏体
PSK：共析线
S ⇄FP+ Fe3C 共析转变的产物是 与
Fe3C的机械混合物，称 作珠光体，用P表示。
L+δ
δ+
L+
+
L+ Fe3C + Fe3C
F+ Fe3C
珠光体
珠光体的组织特点是 两相呈片层相间分布,性 能介于两相之间。 PSK 线又称A1线 。
金为例说明。
当液态金属自
L
高温冷却到 t1温
度时，开始结晶
出成分为1的固
溶体，其Ni含量
高于合金平均成
分
这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变 或匀晶反应。 随温度下降， 固溶体重量增 加，液相重量减 少。同时，液相 成分沿液相线变 化，固相成分沿 固相线变化。
成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3 时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时
分垂线。在成分垂线相当于
温度t 的o点作水平线，其与 t
液固相线交点a、b所对应的
成分x1、x2即分别为液相和
固相的成分。
1
2
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1
QL x1 + Q x2 =x
解方程组得
QL
x2 x x2 x1
Qα
Q
xx2
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该 温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 杠杆定律只适用于两相区。 例（如图）
Q
0.53 0.45 100% 61.5% 0.58 0.45
x x1 x2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。
因此两相的相对 重量百分比为：
QL
xx2 x1 x2
ob ab
Q
x1 x x1 x2
ao ab
两相的重量比为：
QL Q
xx2 x1 x
(
ob ao
)
或QL
x1 x
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆， 已无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
Fe
Fe3C Fe2C
FeC
C
C%(at%) →
1. 铁碳合金的组元
⒈ 组元：Fe、 Fe3C
• ⑵ 合金的结晶过程 • ① 包晶成分合金
• 室温组织为β + II
• ② PD成分合金：匀晶包晶二次析出。
• 室温组织为 +βII+β + II
时间
• ③ DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出
• 室温组织为β +II。
时间
（四）具有共析反应的合金相图 共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成 分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相 的过程。
45.4%
Q 100% Q 54.6%
③ 亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程
合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成
分变化到C点，液相成分变化到d点, 此时两相的相对重
量为： Q ( Q ) c2 100%,
L
d cd
Q
2d ce
100%
Pb—Sb 合金相图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
温度继续下降，将从一次和共晶 中析出Ⅱ，从共 晶中析出Ⅱ。其室温组织Ⅰ+ (+) + Ⅱ。
+ 三相区：L++ （水
L+
+
平线PDC）
L
L+
• 水平线PDC称包晶线，与该线 成分对应的合金在该温度下发生
包晶反应：LC+P⇄β D 。该反应 是液相L包着固相, 新相 β 在L 与α的界面上形核，并向L和两
个方向长大。
在一定温度下，由 一个液相包着一个 固相生成另一新固 相的反应称包晶转 变或包晶反应。
Pb—Sb 合金相图
③ 液固相线：液相线adb，固相线acdeb。a、b分别为Pb、
Sn的熔点。
④ 固溶线: 溶解度点的连线称
固溶线。相图中的cf、eg线分
别为 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的
固溶线。
固溶体的溶解度随温度降低而
下降。
Pb—Sn 合金相图
⑤ 共晶线：水平线cde叫做共晶线。在共晶线对应的温度下
金)、过共析合 金(共析线上共 析点以右的合
金)。
共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠
光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。
与共晶反应不同 的是，共析反应的 母相是固相，而不 是液相。 另外，由于固态 转变过冷度大，因 而共析组织比共晶 组织细。
珠光体
二、相图与合金性能之间的关系
(一) 合金的使用性能与相图 的关系 ①两相机械混合物的合金: 性能与合金成分呈直线关 系，是两相性能的算术平均 值，如： HB混=HB ∙Q +HBβ∙Qβ (Q 、Qβ为两相相对重量)
② 单相固溶体的合金： 性能随成分呈曲线变 化，随溶质含量增加，σ 、HB、增加，塑性下 降。 ③ 形成稳定化合物的 合金： 性能-成分曲线出现拐 点。
由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。
H
由 析出的二次 用Ⅱ 表示。 随温度下降， 和 相的成分分别沿cf线和eg线变 化， Ⅱ的重量增加。
室温下Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ
F 4 100% FG
由于二次
相析出温度
较低，一般
十分细小。
Pb—Sn 合金相图
奥氏体
(5) 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零 Fe3C是一个亚稳相，在一 定条件下可发生分解：
Fe3C→3Fe+C(石墨), 该反 应对铸铁有重要意义。
由于碳在-Fe中的溶解度
钢中的渗碳体
很小，因而常温下碳在铁碳
⑶ 其它相线
GS,GP— ⇄ 固溶体
转变线, GS又称A3 线。
HN,JN—δ⇄ 固溶体
转
变线，
ES—碳在 -Fe中的固
溶线。又称Ac m线。
PQ—碳在-Fe中的固
溶线。
⒊ 相区
⑴ 五个单相区：
L、、铁素体、、
Fe3C
⑵ 七个两相区: L+、 L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C ⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、
PSK(++ Fe3C)三条水平线
（二）、典型铁碳合金的平衡结晶过程
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴ 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。
(二) 合金的工艺性能与相图的关系 ①固溶体合金液固相 线间距越大、偏析倾向 大, 树枝晶发达, 流动性 降低, 补缩能力下降, 分散缩孔增加. ②共晶合金结晶温度 低，流动性好，缩孔集 中， 偏析小， 铸造性 能好。
三、 铁碳合金
铁碳合金—碳钢和 铸铁，是工业应用最 广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。
共析转变也是固
态相变。
最常见的共析转
变是铁碳合金中的
S
珠光体转变: S ⇄
P
P+ Fe3C 。
(—奥氏体，—铁素体，Fe3C—渗碳体)
共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK
线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合
金(共析成分合 金)、亚共析合 金(共析线上共 析点以左的合
铁碳合金相图
铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。
(4) 奥氏体:
碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。
是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体 大，1148℃时最大为2.11%。
组织为不规则多面体 晶粒，晶界较直。强度 低、塑性好，钢材热
加工都在 区进行.
碳钢室温组织中无奥 氏体。
固溶体的成分又 变回到合金成分3 上来。 液固相线不仅是 相区分界线, 也是结 晶时两相的成分变 化线；匀晶转变是 变温转变。
⑵ 杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的 成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。
现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：
① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成
螺旋状（Zn-Mg）
在共晶转变过程中，L、
、 三相共存, 三个相的
量在不断变化，但它们各自 成分是固定的。 共晶组织中的相称共晶相.
共晶转变结束时， 和
相的相对重量百分比为：
c(19.2)
d(61.9) e(97.5)
Q
de 100% ce
97.5 61.9 100% 97.5 19.2
匀晶相图及其合金的结晶过程
相图由两条线构 成，上面是液相线， 下面是固相线。 相图被两条线分为 三个相区，液相线以 上为液相区L ，固相 线以下为 固溶体 区，两条线之间为两 相共存的两相区（L+ ）。
L
液相线 L +
固相线
Cu
成分（wt%Ni）
Ni
⑴ 合金的结晶过程 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合
（183 ℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的 固溶体和e 点成分的 固溶体，形成这两个相的机械混合物：Ld ⇄(C + e)
该反应叫共晶转变或共晶反应。
共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共 晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温 度和共晶成分的点称共晶点。
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡 成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共
合金中主要以Fe3C或石墨 的
形式存在。
铸铁中的石墨
3. 相图中重要的点和线
⒈ 特征点
⇄
⇄ ⇄
⇄ ⇄
J
N
L+
L
L+Fe3C
G
+
+Fe3C
+Fe3C
⒉ 特征线 ⑴ 液相线—ABCD，
固相线—AHJECFD ⑵ 三条水平线：
HJB：包晶线LB+δH⇄ J ECF：共晶线LC⇄ E+Fe3C 共晶产物是 与Fe3C的机械