1、第三章金屬與合金的結晶第三章金屬與合金的結晶結晶過程金屬與合金自液態冷卻轉變為固態，原子由不規則排列的液體狀態逐步過渡到原子作規則排列的晶體狀態的過程。 金屬材料結晶時形成的組織（鑄態組織）不僅影響其鑄態性能，而且也影響隨后經過一系列加工后材料的性能。研究并控制金屬材料的結晶過程，對改研究并控制金屬材料的結晶過程，對改善金屬材料的組織和性能有重要意義！善金屬材料的組織和性能有重要意義！第一節純金屬的結晶一、純金屬的冷卻曲線一、純金屬的冷卻曲線和過冷現象和過冷現象研究液態金屬結晶熱分析法電爐坩堝液態金屬熱電偶冷卻曲線平臺金屬在結晶過程中，釋放的結晶潛熱補償了散失的熱量，使溫度不隨冷卻時間的增長而

2、下降，直至結晶終了，沒有結晶潛熱補償散失的熱量，溫度又重新下降。開始結晶溫度Tn純金屬液體在無限緩慢的冷卻條件下（即平衡條件下）結晶的溫度n金屬的實際結晶溫度Tn低于理論結晶溫度T0的現象。過冷度過冷度T理論結晶溫度與實際結晶溫度的差。nTTT0過冷度金屬總是在一定的過冷度下結晶的，過冷是結晶的必要條件。理論結晶溫度T0T0理論結晶溫度Tn開始結晶溫度同一金屬，結晶時冷卻速度越大，過冷度越大，金屬的實際結晶溫度越低。二、純金屬的結晶過程二、純金屬的結晶過程不斷形成晶核晶核不斷長大純金屬結晶的條件純金屬結晶的條件F TTFF固固F液液F= F固固F液液0 結晶驅動力結晶驅動力 自然界的自發結晶過

3、程進行的自然界的自發結晶過程進行的熱力學條件都是熱力學條件都是F0只有當液體的過冷度只有當液體的過冷度T達到一定的大小，使結晶的動力達到一定的大小，使結晶的動力F大于建立界面所需要的表面能時，結晶過程才能開始進行。大于建立界面所需要的表面能時，結晶過程才能開始進行。自由能自由能溫度溫度純金屬的結晶過程 形核： 液態金屬中，總是存在著許多類似于晶體中原子有規則排列的小集團。在理論結晶溫度以上，這些小集團是不穩定的，時聚時散，此起彼伏。當低于理論結晶溫度時，這些小集團中的一部分就成為穩定的結晶核心，稱為晶核。 晶體長大： 液態金屬中，原子不斷遷移到晶核表面，使液-固界面不斷向液體中推移的過程，就是

4、晶體長大。 原晶核長大、新晶核產生并長大： 隨著時間的推移，已形成的晶核不斷長大，同時，液態金屬中又不斷地產生新的晶核并不斷長大，直至液態金屬全部消失，晶體彼此相互接觸為止。一般純金屬是由許多晶核長成的外形不規則的晶粒和晶界所組成的多晶體（圖2-19，P32）。形核規律：兩種形核方式兩種形核方式 均質形核均質形核與與非均質形核非均質形核均質形核均質形核 由液體金屬內部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結晶核心。非均質形核非均質形核 依附于外來雜質上生成的晶核。晶體長大方式 根據晶體的界面性質及界面溫度分布，對純金屬其長大方式主要有兩種：平面長大 晶體始終保持平的表面向前長大，并保持規則的幾何

5、外形。枝晶長大 晶體像樹枝那樣向前長大，不斷分支發展。晶體是以平面方式長大還是以枝晶方式長大，主要取決于液固界面前沿液體中的溫度梯度液固界面前沿液體中的溫度梯度。 1正的溫度梯度(Positive temperature gradient) 2負的溫度梯度(Negative temperature gradient) 如，圖2-19 純鐵的顯微組織純鐵的顯微組織， P32如，圖3-6 銻錠表面的樹枝狀晶體銻錠表面的樹枝狀晶體， P32樹枝狀晶體生長示意圖樹枝狀晶體生長示意圖 可以用單位體積內晶粒的數目來表示。單位體積內，晶粒數目越多，則晶粒越小。為了測量方便，金屬晶粒的大小常以單位截面積上晶粒

6、數目或晶粒的平均直徑來表示。三、金屬結晶后的晶粒大小三、金屬結晶后的晶粒大小金屬晶粒大小（晶粒度）的表示方法金屬晶粒大小（晶粒度）的表示方法 晶粒大小對金屬的力學性能、物理性能和化學性能均有很大的影響。金屬的強度、硬度、塑性和韌性等都金屬的強度、硬度、塑性和韌性等都隨晶粒的細化而提高。隨晶粒的細化而提高。 形核率形核率N單位時間內、單位體積中所產生的晶核數目。 晶核的長大速率晶核的長大速率G單位時間內晶核向周圍長大的平均線速度。晶粒大小的影響因素晶粒大小的影響因素 晶粒的大小取決于形核率 N和長大速度G的相對大小 ，根據分析計算，單位體積中的晶粒數目Zv ：439 . 0GNZV單位面積中的晶

7、粒數目Zs為： 211 . 1GNZS顯然，顯然，N/G越大，則越大，則Zv、Zs越大，晶粒越大，晶粒越細。即：凡能促進形核，抑制長大的因越細。即：凡能促進形核，抑制長大的因素，都能細化晶粒。素，都能細化晶粒。細化晶粒的方法：細化晶粒的方法：增加過冷增加過冷度度此法僅對小型或薄壁件小型或薄壁件有效，對較大的厚壁鑄件不易獲得大的過冷度，整個體積不易實現均勻冷卻，而且冷卻速度過大，往往導致鑄件開裂而報廢；形狀復雜的件也不適用。為此，工業上還常常采用其他的處理方法。過冷度過冷度T提高，提高，N提高、提高、G提高提高過冷過冷T太高，太高，N降低、降低、G降低降低變質處理變質處理 在液態金屬結晶前，加入

8、一些細小的變質劑在液態金屬結晶前，加入一些細小的變質劑(孕育孕育劑劑) ，使結晶時的形核率，使結晶時的形核率N增加，或長大率增加，或長大率G降低。這降低。這種細化晶粒的方法稱為種細化晶粒的方法稱為變質處理變質處理。附加振動附加振動如鑄鐵熔液中加入硅鐵、硅鈣合金；鋁硅合金的熔液中如鑄鐵熔液中加入硅鐵、硅鈣合金；鋁硅合金的熔液中加入鈉鹽等，促進形成大量的非均勻形核來細化晶粒。加入鈉鹽等，促進形成大量的非均勻形核來細化晶粒。此法用于大型鑄件。此法用于大型鑄件。通過對液態金屬附加機械振動、超聲波振動、電磁振動、加壓澆注等措施，使液態金屬在鑄模中運動，造成枝晶破碎，不僅可使已生成的晶粒因為破碎而細化，并

9、且破碎的枝晶尖端又可起晶核作用，增加了形核率，從而達到細化晶粒的目的。（用于非常復雜的鑄件） 四、同素異構轉變四、同素異構轉變 少部分金屬在結晶終了后，晶體結構還會發生變化，少部分金屬在結晶終了后，晶體結構還會發生變化，即在固態下，隨著所處溫度的不同而具有不同的晶格形式。即在固態下，隨著所處溫度的不同而具有不同的晶格形式。FeFe和面心立方晶格的鐵有體心立方晶格的CoCo和面心立方晶格的鈷有密排六方晶格的金屬在固態下隨溫度的改變，由一種晶格變為另一種晶格的現象，稱為金屬的同素異構轉變金屬的同素異構轉變。由同素異構轉變所得到的不同晶格的晶體，稱為同素異構體同素異構體。在常溫下的同素異構體一般用希

10、臘字母 表示，較高溫度下的同素異構體依次用 等表示。、金屬的同素異構轉變過程金屬的同素異構轉變過程 金屬的同素異構轉變過程金屬的同素異構轉變過程實質是一個重結晶過程，同樣遵循著結晶的一般規律：有一定的轉變溫度有一定的轉變溫度轉變時需要過冷轉變時需要過冷有潛熱產生有潛熱產生轉變過程由晶核的形成和晶核的長大來完成轉變過程由晶核的形成和晶核的長大來完成由于同素異構轉變是在固態下發生的，其原子擴散要比液態下困難得多，這使同素異構轉變需要較大的過冷度。另外，由于轉變時晶體結構的致密度改變，則將引起晶體體積的變化，并產生較大的內應力。-Fe(bcc) -Fe(fcc) a-Fe(bcc) 13949121

11、3941538912-Fe-Fe(fcc）a-FeT時間時間770居里點居里點純鐵的同素異構轉變純鐵的同素異構轉變-Fe(fcc) a-Fe(bcc)致密度由致密度由0.74變為變為0.68，鐵的體積會膨脹鐵的體積會膨脹1。由于純鐵能夠發生同素異構轉變，生產中對鋼和鑄鐵進行各種熱處理，可以改變其組織和性能。770時，冷卻曲線上的平臺的溫度，鐵沒有發生晶格變化，不屬于同素異構轉變。770時的轉變稱為磁性轉變在770以上，純鐵將失去鐵磁性；在770以下，鐵具有鐵磁性。五、鋼錠的組織和缺陷五、鋼錠的組織和缺陷 鎮靜鋼錠鋼液在澆注前用錳鐵、硅鐵、鋁進行充分脫氧，注入錠模后鋼液不發生碳-氧反應而處于鎮靜

12、狀態。以此鑄成的鋼錠稱為鎮靜鋼錠。 沸騰鋼在冶煉后期將鋼液用少量錳鐵進行輕度脫氧，鋼液氧含量較高，注入錠模后發生碳-氧反應，析出大量CO氣體，引起鋼液沸騰。以此鑄成的鋼錠稱為沸騰鋼。按澆注前鋼液脫氧程度不同，鋼錠分為鎮靜鋼錠、沸騰鋼錠和介于兩者之間的半鎮靜鋼錠三類。半鎮靜鋼介于鎮靜鋼與沸騰鋼之間。鎮靜鋼錠宏觀組織示意圖1-表面細晶粒區2-柱狀晶區3-中心等軸晶區鋼液注入錠模后，模壁溫度較低，和錠模接觸的鋼液冷卻速度快，過冷度大，形成大量晶核，模壁起人工晶核的作用，形成細晶粒區。表層細晶粒區形成后，隨著模壁溫度升高，鋼液冷卻速度有所降低。但垂直模壁方向向外散熱的速度最快，晶粒沿著與散熱方向相反的

13、方向優先長大而形成柱狀晶區。柱狀晶長到一定程度，模錠中心的鋼錠遠離模壁，冷卻速度變小，過冷度小，晶核少，散熱的方向性不明顯，形成粗大的等軸晶粒區。鎮靜鋼的組織鎮靜鋼的組織表面細晶粒區表面細晶粒區柱狀晶區柱狀晶區等軸晶區等軸晶區 鋼錠的組織不均勻，必然導致其性能不均勻。為改善這種不均勻性，可在澆注過程中進行變質處理，加入變質劑作為人工晶核或采取振動、攪拌等措施，使整個鑄錠（或鑄件）全部由均勻細晶粒組成。 例如，鋁合金和鑄鐵澆注時常采用變質處理措施鋁合金和鑄鐵澆注時常采用變質處理措施獲得細晶粒組織，以提高鑄件強度、塑性和韌性；如果在澆注在澆注過程中采取定向散熱措施過程中采取定向散熱措施，可以使整個

14、鑄錠（或鑄件）均由柱狀晶組成，例如高溫合金鑄造渦輪葉片時采用定向凝固方法，使整個葉片由平行于其長度方向的柱狀晶組成，提高了葉片的蠕變抗力。鎮靜鋼錠的缺陷縮孔和疏松、氣泡、偏析縮孔氣泡疏松 縮孔和疏松是鋼錠結晶時體積收縮引起的，集中的體積收縮稱縮孔縮孔，分散的體積收縮稱疏松疏松。縮孔必須完全切除，疏松可在鍛造或軋制過程中焊合，危害較縮孔小。鋼液凝固時產生的氣體來不及從鑄錠中逸出保留在鋼內。氣泡偏析鋼錠先后結晶的部位化學成分不同。鋼錠上部雜質元素如S、P等含量高，夾雜物較多；中部雜質少，成分均勻；下部高熔點氧化物可SiO2、SiO2FeO等。嚴重的硫偏析使鋼材在軋制過程中產生熱脆而報廢。嚴重的硫偏

15、析使鋼材在軋制過程中產生熱脆而報廢。嚴重的磷偏析引起冷脆，使零件工作時發生早期脆性嚴重的磷偏析引起冷脆，使零件工作時發生早期脆性斷裂。斷裂。區域偏析能引起零件失效。區域偏析能引起零件失效。偏析的后果：鑄錠組織鑄錠組織表面細晶粒層表面細晶粒層中間柱狀晶粒層中間柱狀晶粒層中心等軸晶粒層中心等軸晶粒層鑄錠（或鑄件）的晶粒粗大，成分不均勻，存在疏松和氣泡，因而其強度和塑性、韌性較低。若通過壓力加工（鍛造或軋制）可以顯著提高材料的力學性能。六、壓力加工改善鋼的性能 除了不能進行壓力加工的材料，如鑄鐵、鑄造鋁合金、鑄造銅合金等采用鑄造成形之外，大多數的鋼制零件都用軋制鋼材或鍛造毛坯制成，利用壓力加工改善鋼

16、的性能。 工業生產上將鋼錠鍛造、擠壓、軋制、拉拔成各種型鋼、鋼板、鋼管或者鋼絲等規定尺寸和形狀的零件和產品。塑性變形過程中材料內部的晶格畸變，晶粒破碎，晶體缺塑性變形過程中材料內部的晶格畸變，晶粒破碎，晶體缺陷特別是位錯密度增加，會使晶體的性能發生明顯的變化。陷特別是位錯密度增加，會使晶體的性能發生明顯的變化。1、冷變形對鋼組織和性能的影響、冷變形對鋼組織和性能的影響材料：工業純鐵狀態：壓縮變形30%侵蝕：4%硝酸酒精倍數：250X滑滑移移帶帶塑性變形中的組織變化75變形變形細條狀纖維細條狀纖維組織組織50變形變形拉長或壓拉長或壓扁的晶粒扁的晶粒25變形變形滑移線滑移線未變形未變形原始晶粒原始

17、晶粒（1）隨著應變量的增加，晶粒被拉長或者壓扁，呈）隨著應變量的增加，晶粒被拉長或者壓扁，呈細條狀或者纖維狀；細條狀或者纖維狀；（2）晶粒破碎，晶格扭曲，位錯密度急劇增加。）晶粒破碎，晶格扭曲，位錯密度急劇增加。晶粒被拉長或者壓扁細條狀纖維組織等軸晶粒變形度增加 強度、硬度增加 塑性、韌性降低力學性能力學性能冷塑性變形導致金屬材料的強度、硬度升高，塑性、韌性降低的現象稱為加工硬化或形變強化。物理性能物理性能電阻增加抗腐蝕性能降低抗腐蝕性能降低 70冷軋變形后，純鐵及低碳鋼的b可提高400500MPa； 80冷變形后，細片狀P的wC1.0%高碳鋼b可提高11001200MPa； 90冷拔變形后，

18、細片狀P的wC1.0%高碳鋼絲b可達3000MPa。 “加工硬化加工硬化”是強化金屬材料的一種手段，尤是強化金屬材料的一種手段，尤其是對那些不能用熱處理方法強化的金屬。其是對那些不能用熱處理方法強化的金屬。 加工硬化是各種冷變形成型得以進行的原因。加工硬化是各種冷變形成型得以進行的原因。 加工硬化使零件在偶然超載時，不會突然斷裂。加工硬化使零件在偶然超載時，不會突然斷裂。加工硬化的工程意義鋼絲被拉拔的一端因塑性變形強度升高，不再繼續變形；而未經變形的粗端強度低，可通過拔絲模繼續變形，從而獲得粗細均勻的鋼絲。當當變形量很大時，原來位向不同的晶粒因滑變形量很大時，原來位向不同的晶粒因滑移產生的轉動

19、，將取得接近一致的結構稱移產生的轉動，將取得接近一致的結構稱變變形織構形織構，又稱，又稱擇優取向擇優取向。織構引起各向異性變形織構的各相異性是明顯的。其不均變形織構的各相異性是明顯的。其不均勻的塑性變形會使薄板沖壓產生勻的塑性變形會使薄板沖壓產生“制耳制耳”現象。現象。殘余應力使零件尺寸不穩定，殘余壓應力殘余應力使零件尺寸不穩定，殘余壓應力可提高疲勞強度，殘余拉應力降低耐腐蝕性能。可提高疲勞強度，殘余拉應力降低耐腐蝕性能。 在塑性變形的金屬中，由于各部分變在塑性變形的金屬中，由于各部分變形的不均勻性，將造成變形內應力，又稱形的不均勻性，將造成變形內應力，又稱殘余應力殘余應力。包括：。包括：宏觀

20、殘余應力宏觀殘余應力 （體積范圍內平衡）（體積范圍內平衡）顯微殘余應力顯微殘余應力 （晶粒間平衡）（晶粒間平衡）晶格畸變應力晶格畸變應力 ( (在幾百到幾千個原子內平在幾百到幾千個原子內平衡，占殘余應力的衡，占殘余應力的90%,90%,是金屬變形強化的是金屬變形強化的主要原因）主要原因）2、 冷變形鋼在加熱過程中組織和性能的變化冷變形鋼在加熱過程中組織和性能的變化 冷變形導致晶格畸變、晶粒破碎被拉長或壓扁、缺陷增多、內應力升高，處于一種不穩定的狀態，有自發恢復到變形前的穩定狀態的趨勢； 低溫下，原子的活動能力弱，這種趨勢無法完成； 加熱可提高原子活動能力，從而會發生回復、再結晶、晶粒長大。回復

21、、再結晶、晶粒長大Q235經經60冷變形后加熱冷變形后加熱30min時的組織變化時的組織變化300600900黃銅的冷變形回復再結晶長大黃銅的冷變形回復再結晶長大黃銅黃銅冷變形冷變形33%形核形核 3s 580部分結晶部分結晶5s 580完全結晶完全結晶8s 580晶粒長大晶粒長大15min 580晶粒長大晶粒長大10min 7001）回復）回復 加熱溫度不高，不引起顯微組織的變化；加熱溫度不高，不引起顯微組織的變化； 原子排列畸變程度減輕，空位劇烈減少，電阻明顯降低電阻明顯降低； 強度、硬度略有降低，內應力明顯下降。強度、硬度略有降低，內應力明顯下降。基本上保持加工硬化效果；基本上保持加工硬

22、化效果；工程應用 降低內應力，穩定零件尺寸； 提高導電性； 防止SCC焊接應力破壞。此階段稱為“去應力退火去應力退火” 加熱溫度較高；加熱溫度較高； 組織恢復為細小的等軸晶粒；組織恢復為細小的等軸晶粒； 內應力完全消失；內應力完全消失； 加工硬化效果消除，材料的塑性變形能力加工硬化效果消除，材料的塑性變形能力恢復；恢復； 性能：強度、硬度降低，塑性、韌性恢復。性能：強度、硬度降低，塑性、韌性恢復。2）再結晶）再結晶此階段又稱此階段又稱再結晶退火。再結晶退火。再結晶是一個再結晶形核和長大的再結晶是一個再結晶形核和長大的過程。過程。再結晶的晶核實際上是再結晶的晶核實際上是“現成的現成的”，它存在于

23、畸變能較大的區域。它存在于畸變能較大的區域。工程應用再結晶退火主要用于金屬冷加工工藝再結晶退火主要用于金屬冷加工工藝過程中，使冷壓力加工得以進一步進行。過程中，使冷壓力加工得以進一步進行。 冷拔鋼絲不是一次從圓鋼冷拔而成的，要經過多次的拔絲過程，使鋼絲直徑逐漸減小至所要求的尺寸； 在冷拔變形過程中，材料的強度提高，b和s都提高； s /b提高，冷變形無法繼續進行； 在冷拔過程中要進行中間再結晶退火處理。冷拔鋼絲工藝如：汽車輪胎鋼簾線的生產過程中要進行多次再結晶退火處理，把5mm的鋼絲最終拉拔成0.10.2mm；再結晶退火是該工藝的關鍵技術。在結晶結束后，加熱溫度繼續升高或者延長時間，在結晶結束

24、后，加熱溫度繼續升高或者延長時間，晶粒會長大。帶來的后果是強度、塑性韌性下降。晶粒會長大。帶來的后果是強度、塑性韌性下降。3）晶粒長大）晶粒長大再結晶晶粒長大實質上是一個晶粒的邊界向另一個晶粒中遷移， 使這個晶粒的晶格位向逐步改變為與其相同的位向。即這個晶粒被逐步“吞并”，合成一個大晶粒。3、影響再結晶晶粒大小的因素、影響再結晶晶粒大小的因素 變形度、加熱溫度、加熱時間、成分、雜質、原始晶粒度等。變形度變形度臨界變形度臨界變形度 金屬冷變形后再結晶時晶粒極易長得粗大，這時所對應的應變度，稱為臨界變形度。 金屬材料的臨界變形度一般為（2%10）。 大于臨界變形度，變形度越大，退火后晶大于臨界變形

25、度，變形度越大，退火后晶粒尺寸越小；粒尺寸越小； 冷加工都要避開臨界變形度，避免組織粗冷加工都要避開臨界變形度，避免組織粗大。強調！大。強調！退火溫度退火溫度 溫度過低，不發生再結晶；溫度過低，不發生再結晶； 溫度過高，再結晶晶粒會長大；溫度過高，再結晶晶粒會長大； 溫度適當溫度適當T再再 = 0.4Tm （K）T退退T再再1502504、熱壓力加工對鋼組織和性能的影響、熱壓力加工對鋼組織和性能的影響 再結晶溫度是冷熱加工的分界線； 鋼在500 W在1000 Sn在室溫熱加工？冷加工？鐵：鐵：T再再600W：T再再1200Sn：T再再-7冷、熱加工的定義 鋼的熱加工是在單相奧氏體區進行的，此時

26、，材料的塑性好； 奧氏體經歷加工硬化和再結晶軟化兩個過程； 熱加工的變形度、變形溫度和時間及冷卻速度決定了加工后的奧氏體晶粒大小，稱之為熱加工工藝參數； 鋼中加入微量V、Nb等元素，可在奧氏體晶界上形成細小彌散的C、N化物，阻礙晶界的遷移和晶粒長大，從而獲得細小的奧氏體晶粒； 熱加工可消除鋼錠中的一些缺陷，打碎粗大的柱狀晶，從而提高鋼的性能； 組織呈“流線”型分布，縱向性能高于橫向。第二節 合金的結晶與相圖 平衡狀態平衡狀態當一定成分的合金在一定溫度下停留足夠長的時間，使所存在的各相達到幾乎互不轉化的狀態時，可以認為各相處于平衡狀態。，這時的相稱為平衡相。 合金相圖合金相圖 又稱合金平衡圖或合

27、金狀態圖，它表示在平衡狀態下，合金的組成相（或組織狀態）和溫度、成分之間關系的圖解。 應用合金相圖可以了解合金系中不同成分合金在不同溫度時的組成相（或組織狀態）、相的成分和相的相對量以及合金緩慢加熱和冷卻過程中的相變規律。一一.基礎知識基礎知識 在生產實踐中，合金相圖可以作為制定冶煉、在生產實踐中，合金相圖可以作為制定冶煉、鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的重要依據。鑄造、鍛壓、焊接、熱處理工藝的重要依據。相圖是研究合金的組織形成和變化規律的有用工具。相圖的用途相圖的用途 由材料的成分和溫度預知平衡相；由材料的成分和溫度預知平衡相； 材料的成分一定而溫度發生變化時其他平材料的成分一定而溫度發生變化

28、時其他平衡相變化的規律；衡相變化的規律； 估算平衡相的數量。估算平衡相的數量。 預測材料的組織和性能預測材料的組織和性能 純金屬的相圖可以用一條溫度縱坐標軸表示，冷卻曲線上的結晶溫度在溫度坐標軸上的投影，即該金屬的相變溫度相變溫度（稱為相變點相變點）。1 1、純物質的相圖、純物質的相圖 時間溫度/10831固相液相純銅的冷卻曲線及相圖1點以上表示純銅處于液相；1點以下表示純銅處于固相。1點為純銅的相變點。成分溫度表象點2、二元合金相圖、二元合金相圖二元合金組成相的變化不僅與溫度有關，而且還與合金成分有關。所以，在純金屬溫度縱坐標軸表示的相圖基礎上，還應該增加一個表示合金成分的橫坐標軸，從而構成

29、一個平面坐標系。 圖上縱坐標表示溫度，橫坐標表示合金成分。橫坐標從左到右表圖上縱坐標表示溫度，橫坐標表示合金成分。橫坐標從左到右表示合金成分示合金成分wNiNi由由0 0到到100%100%的變化。橫坐標上任何一點都代表一種的變化。橫坐標上任何一點都代表一種成分的合金。通過成分坐標上的任一點作的垂線稱為合金線，合成分的合金。通過成分坐標上的任一點作的垂線稱為合金線，合金線上不同的點表示該成分合金在某一溫度下的相組成。金線上不同的點表示該成分合金在某一溫度下的相組成。相圖上任意一點都代表某一成分的合金在相圖上任意一點都代表某一成分的合金在某一溫度時的相組成（或顯微組織）。某一溫度時的相組成（或顯

30、微組織）。3、二元合金相圖的測定方法、二元合金相圖的測定方法 配制合金（以Cu-Ni合金為例） 測定冷卻曲線 確定冷卻曲線上合金的臨界點 將同類臨界點在溫度-成分坐標系中連接起來即可得到合金相圖1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金；2）用熱分析法測出所配制的各合金的冷卻曲線，如左圖所示3）找出圖中各冷卻曲線上的相變點。4）將各個合金的相變點分別標注在溫度-成分坐標圖中相應的合金線上。5）連接各相同意義的相變點，所得的線稱為相界線相界線（包括上邊的液相液相線線和下邊的固相線固相線）。熱熱分分析析法法建建立立Cu-Ni相相圖圖根據Cu-Ni合金系的冷卻曲線，純銅及純鎳的冷卻曲線都有一個平臺，這說

31、明純金屬的結晶過程是在恒溫下進行的，故只有一個相變點；其他四個合金的冷卻曲線均不出現平臺，但有兩個轉折點。這表明四種合金都是在一個溫度范圍內結晶的。溫度較高的相變點表示開始結晶溫度，稱為上相變點上相變點；溫度較低的相變點表示結晶終了溫度，稱為下相變點下相變點。液相線以上為液相區液相區，用 表示；固相線以下為固相區固相區，用 表示；中間固液兩相共存區，用 表示。 L+ LCuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 純銅純銅熔點熔點純鎳純鎳熔點熔點液相線液相線固相線固相線液相區液相區固相區固相區液固兩相區液固兩相區 通過以上測

32、定相圖的方法可知，配制的合金數目通過以上測定相圖的方法可知，配制的合金數目越多，所用的金屬純度越高，熱分析時冷卻速度越多，所用的金屬純度越高，熱分析時冷卻速度越緩慢，則所測定的合金相圖就越精確。越緩慢，則所測定的合金相圖就越精確。由相圖確定某成分合金在某溫度時的相由相圖確定某成分合金在某溫度時的相由相圖確定給定合金的相變溫度由相圖確定給定合金的相變溫度由相圖確定某成分合金在某溫度時的兩由相圖確定某成分合金在某溫度時的兩個平衡相的成分和相對質量個平衡相的成分和相對質量杠桿定律杠桿定律二、二元勻晶相圖二、二元勻晶相圖兩組元在液態無限互溶，在固態也無限互溶，冷卻時發生勻晶反應勻晶反應的合金系，稱為勻

33、晶系勻晶系并構成勻晶相圖勻晶相圖。例如 、 、 等。NiCu CrFe AgAu 1、相圖分析、相圖分析LL+結晶過程中，單相區內只存在一相，故相的成分就是相應合金的成分；相的質量就是相應合金的質量。兩相區內，由于合金正處在結晶過程中，隨著結晶過程的進行，合金中各相的成分和相的相對量都在不斷地發生變化。2 2、杠桿定律、杠桿定律確定兩相區內兩個組成相（平確定兩相區內兩個組成相（平衡相）以及相的成分和相的相對量的重要法則。衡相）以及相的成分和相的相對量的重要法則。（1）兩平衡相及其成分的確定）兩平衡相及其成分的確定確定成分為 的Cu-Ni合金，在T1溫度下是由哪兩個相組成以及各相的成分。%xwN

34、i通過合金線上相當于T1溫度的b點，作水平線abc，水平線兩端所接觸的兩個單相區中相L和相，就是該合金在T1溫度時共存的兩個相。水平線兩端與液相線和固相線的交點a、c在成分坐標上的投影，分別表示T1溫度下液相和固相的成分，即液相L的成分為wNi（L）=x1%，固相的成分為wNi（）=x2%。xx2x1（2）兩平衡相相對量的確定）兩平衡相相對量的確定mL + ms = 1 mL xL + msxs = x0將上兩式聯立求解得到： mL = (xs x0)/( xs xL)ms = (x0 xL)/( xs xL) 將上式與圖中線段比較，可得到： mL = OS/LS, ms = LO/LS ab

35、bcmmL杠桿定律：合金中液相與固相的質量比和水平線合金中液相與固相的質量比和水平線abc被合金被合金成分線分得的兩線段的長度成反比。這與力學成分線分得的兩線段的長度成反比。這與力學中的杠桿定律相似，其中杠桿的支點為合金的中的杠桿定律相似，其中杠桿的支點為合金的原始成分（合金線），杠桿兩端表示該溫度下原始成分（合金線），杠桿兩端表示該溫度下兩相的成分，杠桿的全長表示合金的質量，兩兩相的成分，杠桿的全長表示合金的質量，兩相的質量與杠桿臂長成反比，故稱為相的質量與杠桿臂長成反比，故稱為杠桿定律杠桿定律。杠桿定律的應用杠桿定律的應用 對于其他類型的二元合金相圖也同樣可用杠桿定律來確定兩相區中兩相的成

36、分及相對量。 對于單相區，由于相的成分和質量就是合金的成分和質量，故沒有應用的必要。abcdT,CtL L L勻晶轉變 L 冷卻曲線CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個恒定的熔點，勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個恒定的熔點，而是在液、固相線劃定的溫區內進行結晶。而是在液、固相線劃定的溫區內進行結晶。勻晶合金的結晶過程勻晶合金的結晶過程 兩組元在液態無限互溶，在固態也無限互溶，冷卻時發生勻晶反應。勻晶反應。3、合金的結晶過程分析、合金的結晶過程分析L12緩慢冷卻、原子充分擴散緩慢冷卻、

37、原子充分擴散最終得到與原合金成分最終得到與原合金成分相同的單相固溶體。相同的單相固溶體。L 1.與純金屬凝固一樣由形核和長大來完成結晶過程，實際在一定的過冷度下進行。 2.凝固在一溫度范圍內進行。只有在溫度不斷下降時固體量才增加，溫度不變，液固數量維持平衡不變。 3.凝固過程中液體和固體的成分在不斷變化。平衡結晶或均勻化退火的Cu-Ni合金固溶體的顯微組織固溶體的不平衡結晶固溶體的不平衡結晶1)1)工業生產中合金溶液澆注后的冷卻速度較工業生產中合金溶液澆注后的冷卻速度較快，在每一溫度下不能保持足夠的擴散時快，在每一溫度下不能保持足夠的擴散時間，使凝固過程偏離平衡條件，稱為非平間，使凝固過程偏離

38、平衡條件，稱為非平衡凝固衡凝固( (結晶結晶) ) 。2)2)非平衡凝固非平衡凝固( (結晶結晶) )得到的組織稱為不平衡得到的組織稱為不平衡組織。組織。 工程中采用先快冷，再在固態較高溫度下讓成分均勻。非平衡凝固的缺陷 如果冷卻速度較快，液體和固體成分來不及均勻，除晶粒細小外，固體中的成分會出現不均勻，樹枝晶中成分也不均勻，產生晶內偏析； 冷卻慢了會出現區域偏析。 枝晶偏析會降低合金的力學性能和加工工藝枝晶偏析會降低合金的力學性能和加工工藝性能。容易導致合金塑性、韌性下降；易引起晶性能。容易導致合金塑性、韌性下降；易引起晶間腐蝕，降低合金的抗蝕性能。間腐蝕，降低合金的抗蝕性能。 固溶體結晶時

39、成分是變化的（固相線和液相線），如冷卻固溶體結晶時成分是變化的（固相線和液相線），如冷卻較快，固態下原子擴散又很困難，致使固溶體內部的原子擴較快，固態下原子擴散又很困難，致使固溶體內部的原子擴散來不及充分進行，結果使先結晶的固溶體含高熔點組元較散來不及充分進行，結果使先結晶的固溶體含高熔點組元較多，后結晶的樹枝晶晶枝含低熔點組元較多。這種在一個晶多，后結晶的樹枝晶晶枝含低熔點組元較多。這種在一個晶粒內部化學成分不均勻的現象稱為粒內部化學成分不均勻的現象稱為晶內偏析晶內偏析。 因為固溶體的結晶一般是按樹枝狀方式長大，這就使先結晶的枝干晶因為固溶體的結晶一般是按樹枝狀方式長大，這就使先結晶的枝干晶

40、枝含高熔點組元較多，后結晶的枝間晶枝含低熔點組元較多，由于這種晶枝含高熔點組元較多，后結晶的枝間晶枝含低熔點組元較多，由于這種晶內偏析呈樹枝分布，故又稱內偏析呈樹枝分布，故又稱枝晶偏析枝晶偏析。 生產上常把有枝晶偏析的合金加熱到高溫，并經長生產上常把有枝晶偏析的合金加熱到高溫，并經長時間保溫，使原子充分擴散，以達到成分均勻化的時間保溫，使原子充分擴散，以達到成分均勻化的目的，這種熱處理方法稱為目的，這種熱處理方法稱為均勻化退火均勻化退火或或擴散退火擴散退火。偏析實例先結晶的枝干中，因含鎳量高，不易侵蝕，故成白色；而后結晶的枝間含銅量高，易侵蝕而成黑色。通過對非平衡凝固分析得到如下結論：(1)

41、固相、液相的平均成分分別與固相線、液相線不同，有固相、液相的平均成分分別與固相線、液相線不同，有一定的偏離（固相成分按平均成分線變化），其偏離程一定的偏離（固相成分按平均成分線變化），其偏離程度與冷卻速度有關。冷卻速度越大，其偏離程度越嚴重；度與冷卻速度有關。冷卻速度越大，其偏離程度越嚴重；冷卻速度越小，偏離程度越小，越接近于平衡條件。冷卻速度越小，偏離程度越小，越接近于平衡條件。(2) 先結晶部分含有較多的高熔點組元先結晶部分含有較多的高熔點組元(Ni)，后結晶部分含后結晶部分含有較多的低熔點組元有較多的低熔點組元(Cu)。(3) 非平衡結晶條件下，凝固的終結溫度低于平衡結晶時的非平衡結晶條

42、件下，凝固的終結溫度低于平衡結晶時的終止溫度。終止溫度。 兩組元在液態中無限互溶，在固態時有限互溶，并發生共晶轉變的一種相圖，稱為共晶相圖。如Pb-Sn、Ag-Cu、Al-Si等合金系相圖。 三、二元共晶相圖三、二元共晶相圖 點：A、 B、E（共晶點）：該點成分的液相將發生共晶反應線：AEB液相線， AMENB 固相線 MFSn在中的溶解度曲線 NGPb在中的溶解度曲線 MEN共晶線，成分在該線范圍內的合金冷卻到該線以下時將發生共晶反應 LE M+ N AM 的結晶終了線。BN 的結晶終了線。LE M + NPbSnSn%T, C液相線液相線L固相線固相線 + L+ L + 固溶線固溶線 固溶

43、線固溶線ABEMNFG共晶相圖簡介單相區：L, , 雙相區：L + ， L + ， + 三相區： L + + 二元相圖中的三相區都是水平線。 共晶線共晶線MEN是是L+三相平衡的共存線。三相平衡的共存線。一定成分的液相，在一定溫度下，同時結晶出成分不同的兩種固相的轉變，稱為共晶轉變。由共晶轉變獲得的兩相混合物稱為共晶組織或共晶體。E點稱為共晶點。C點所對應的溫度與成分分別稱為共晶溫度與共晶成分。通過E點的水平的固相線MEN稱為共晶線，液體冷卻到共晶線時，都要發生共晶轉變。PbSnT, CL + L + L + 共晶反應線共晶反應線表示從表示從M點到點到N點點范圍的合金，在范圍的合金，在該溫度上

44、都要發該溫度上都要發生不同程度上的生不同程度上的共晶反應。共晶反應。ce共晶點共晶點表示表示E點成分的合點成分的合金冷卻到此溫度金冷卻到此溫度上發生完全的共上發生完全的共晶轉變。晶轉變。dLE M + NABEMNFGPbSnT, CL + L + L + 183ced1.1.共晶轉變在恒溫下共晶轉變在恒溫下進行。進行。2.2.轉變結果是從一種轉變結果是從一種液相中結晶出兩個液相中結晶出兩個不同的固相。不同的固相。3.3.存在一個確定的共存在一個確定的共晶點。在該點凝固晶點。在該點凝固溫度最低。溫度最低。4.4.成分在共晶線范圍成分在共晶線范圍的合金都要經歷共的合金都要經歷共晶轉變。晶轉變。共

45、晶轉變要點須知ceFGX1T, CtL L LL+ 冷卻曲線冷卻曲線 + 1234PbSnT, CL + L + L + 183DEC（1）合金（F、D點間的合金） 當合金由液相緩冷到1點時，從液相中開始結晶出Sn溶于Pb的固溶體，隨著溫度的下降， 固溶體量不斷增多，而液相量不斷減少，液相成分沿液相線tAC變化， 固相的成分沿固相線tAD變化。當合金緩冷到3點時， Sn在Pb中的溶解度已達到飽和。溫度再下降到3點以下， Sn在Pb中的溶解度已過飽和，過剩的Sn以固溶體的形式從固溶體中析出。隨著溫度的下降， 和固溶體的溶解度分別沿DF和EG兩條固溶線變化，從固溶體中不斷析出固溶體。ceFGX11

46、234PbSnT, CL + L + L + 183DECtAtB為了區別于從液相中結晶出的固溶體，把從固相中析出的固溶體稱為次生，并以“”表示。PbSnT, CL + L + L + 183DECT, CtL L LL+ 冷卻曲線冷卻曲線 + 1.沒有共晶反應過程，沒有共晶反應過程，而是經過勻晶反應形成而是經過勻晶反應形成單相單相 固相。固相。2.要經過二次析出反要經過二次析出反應，室溫應，室溫 組織組成組織組成物物為為 + 組織組成物組織組成物組織中，由一定的相構成的、具有一定形態特征的組成部分。）合金顯微組織（點成分的200SnPbDwSn合金的室溫組織為固溶體+固溶體。右圖中，黑色基體為固溶體，白色顆粒為固溶體。成分在成分在D點與點與F點間的點間的所有合金，其結晶過所有合金，其結晶過程與合金程與合金相似，室相似，室溫下顯微組織都是由溫下顯微組織都是由+組成。只是兩組成。只是兩相的相對量不同，合相的相對量不同，合金成分越靠近金成分越靠近D點，點，室溫時室溫時量越多。量越多。合金合金在室溫下的在室溫下的與與的相對量計算