3金属与合金的结晶

1第3章金属与合金的结晶第三章金属与合金的结晶§1纯金属的结晶§2合金的结晶凝固——一切物质从液态到固态的转变过程。结晶——把液态金属（原子不规则排列）冷却凝固后形成晶体结构（原子规则排列）的过程。金属的结晶——金属在固态下通常都是晶体，所以金属自液态冷却转变为固态的过程。结晶——一种原子排列状态过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。一次结晶：L→S晶态

,

二次结晶(或重结晶)：S→S晶态2第3章金属与合金的结晶一、纯金属结晶的基本条件

1.理论结晶温度（热分析方法）各种纯金属如Fe、Cu等都有一定的结晶温度。

Fe：1539℃，Cu：1083℃等等，这是指理论结晶温度，也叫平衡结晶温度，是在无限缓慢的冷却条件下结晶的温度，用T0表示。原因：结晶释放的结晶潜热补偿了向外界散失的热量。§1纯金属的结晶3第3章金属与合金的结晶2结晶时的过冷现象过冷现象——实际生产中金属结晶时的冷却速度都相当快，此时液态金属将在理论结晶温度以下某一温度Tn才开始结晶。金属实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象，称为过冷现象。过冷度——理论结晶温度与实际结晶温度的差ΔT，称为过冷度，即：ΔT=T0-Tn过冷状态—处于理论结晶温度以下而没有结晶的状态。4第3章金属与合金的结晶金属总是在一定的过冷度下结晶的，过冷度是结晶的必要条件。同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。5第3章金属与合金的结晶二、纯金属的结晶过程

金属的结晶过程从微观的角度看，当液体金属冷到实际结晶温度后，开始从液体中形成一些尺寸极小的、原子呈规则排列的晶体－晶核，这种已形成的晶核不断长大，同时液态金属的其它部位也产生新的晶核，新晶核又不断长大，直到液态金属全部消失，结晶结束。液态金属的结晶包括形核和晶核长大的两个基本环节。6第3章金属与合金的结晶液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程动画7第3章金属与合金的结晶1、形核在液态金属中，总是存在许多类似于晶体中原子有规则排列的小集团。在结晶温度以上，这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当温度低于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。形核有自发形核和非自发形核两种方式。二、纯金属的结晶过程8第3章金属与合金的结晶1、形核①自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心；②非自发形核液态金属依附在一些未溶颗粒（外来杂质）表面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得多。二、纯金属的结晶过程9第3章金属与合金的结晶2、长大晶体长大过程就是液体中原子迁移到固体表面，使液-固界面向液体中推移的过程。晶体的长大以枝晶状形式进行的，并不断地分枝发展(尖角散热条件好，长的快)。动画10第3章金属与合金的结晶11第3章金属与合金的结晶二、纯金属的结晶过程

铸锭结晶组织12第3章金属与合金的结晶三、金属结晶后的晶粒大小

金属的强度、硬度、塑性和韧性等都随晶粒细化而提高1.晶粒度——用来表示晶粒大小①单位体积内的晶粒的数目；②单位面积内的晶粒的数目；③晶粒的平均直径或半径；13第3章金属与合金的结晶晶粒度

——

表示晶粒大小，分8级晶粒度12345678单位面积晶粒数（个/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直径（μm）2501771258862443122细晶强化

——

晶粒细化使金属机械性能提高的现象14第3章金属与合金的结晶2.晶粒度与性能的关系晶粒大小对金属机械性能影响较大，在常温下工作的金属其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。比较：细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑ 固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓15第3章金属与合金的结晶纯铁晶粒度与力学性能的关系晶粒度

(晶粒数/mm2)

b

(N/mm2)

s

(N/mm2)

(％)6.32374635.3512747044.819429410847.516第3章金属与合金的结晶3.影响晶粒大小的因素：形核率N，长大速度G，形核率N大，而长大速度G相对小，则晶粒愈细，即N与G的比值大则晶粒细。

细化晶粒的措施提高过冷度变质处理振动结晶17第3章金属与合金的结晶1）过冷度：ΔT大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，导致铸件开裂而报废。超高速（105~1011K/s）急冷下，过冷度很大，形核率为零，非晶态金属。形核率N

、长大速度G与过冷度

T的关系18第3章金属与合金的结晶2）变质处理在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。3）振动结晶——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。19第3章金属与合金的结晶四、同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C20第3章金属与合金的结晶金属的同素异构转变-Fe-Fe-Fe1394℃

912℃

21第3章金属与合金的结晶纯铁的冷却曲线T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fcc纯铁的冷却曲线770铁磁性22第3章金属与合金的结晶§2合金的结晶相关概念组元——通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质称为组元。但在所研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C看作一组元。

合金系——由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。相图——用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图。相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。

23第3章金属与合金的结晶意义合金相图又称合金平衡图或合金状态图。它表示在平衡状态下，合金的组成相（或组织状态）和温度、成分之间关系的图解。应用合金相图可以了解合金系中不同成分合金在不同温度时的组成相（或组织状态）,以及相的成分和相的相当量，而且还可以了解合金在缓慢加热和冷却过程中的相变规律。作为冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的重要依据。24第3章金属与合金的结晶§2合金的结晶一、二元合金相图的基本知识1、二元合金相图的表示方法

纯金属的冷却曲线及相图二元合金相图二元合金组成相的变化不仅与温度有关，还与合金成分有关。因此不能用一个温度坐标轴表示，必须增加一个表示合金成分的横坐标。二元合金相图是一个以温度为纵坐标、合金成分为横坐标的平面图形。25第3章金属与合金的结晶2、二元合金相图的测定方法金相法膨胀法电阻法热分析法（以Cu-Ni系相图为例）：目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：26第3章金属与合金的结晶2、二元合金相图的测定方法（1）配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯Cu；Ⅱ80%Cu+20%Ni；Ⅲ60%Cu+40%Ni；Ⅳ40%Cu+60%Ni；Ⅴ20%Cu+80%Ni；Ⅵ：纯Ni。（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；合金成分（含Ni量%）020406080100结晶开始温度（℃）108311751260134014101455结晶终了温度（℃）10831130119512701360145527第3章金属与合金的结晶2、二元合金相图的测定方法（3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上；（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。28第3章金属与合金的结晶二、二元匀晶相图定义：凡是在二元合金系中，两组元在液态和固态下以任何比例均可相互溶解，即在固态下能形成无限固溶体时，其相图属于匀晶相图。如Cu-Ni，Fe-Cr，Au-Ag等合金系都属于此类。29第3章金属与合金的结晶1.相图分析A点——纯铜的熔点（或结晶温度），tA=1083℃；B点——纯镍的熔点（或结晶温度），tB=1455℃；A1B——液相线，Cu-Ni合金在冷却过程中开始结晶、或在加热过程中熔化终了的温度；A4B——固相线，Cu-Ni合金在冷却过程中结晶终了、或在加热过程中开始熔化的温度；L——在液相线以上是单相的液相区，合金处于液体状态；α——在固相线以下是单相的固相区，合金处于固体状态，该区是Cu与Ni的单相无限固溶体；L+α——在液相线与固相线之间是液相+固相的两相共存区（即结晶区）。10831455wNi=k%的合金冷却曲线。匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。工程材料30第3章金属与合金的结晶1.在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。2.随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即QL/Q

=b1c1/a1b12.杠杆原理确定两相区内两个组成相（平衡相）以及相的成分和相的相对量。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

12acba1b1c1T1T2杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为QL/QH=b1c1/a1c1Q

/QH=a1b1/a1c1 =1-QL/QH工程材料31第3章金属与合金的结晶2.杠杆原理例：求30%Ni合金在1280

时相的相对量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

ac30a1b1c11280

C解：作成分线和温度线如图。6618根据杠杆定律推论，

Q

/

QH

=a1b1/a1c1=12/48=1/4答：所求合金在1280

时相的相对质量为1/4。32第3章金属与合金的结晶3.合金的结晶过程分析合金自高温液态缓慢冷却到与液相相交的t1温度时，液相中开始结晶出固溶体。1’1”代表液相的量合金缓慢冷却到与固相相交的t4温度时，合金结晶终了出固溶体。4’4”代表固相的量固溶体合金的结晶过程与纯金属不同点是，合金在一定温度范围内结晶，随着温度降低，固相的量不断增加，液相的量不断减少，同时固相的成分不断沿固相线变化，液相的成分不断沿液相线变化。33第3章金属与合金的结晶4.枝晶偏析理论缓慢冷却→原子充分扩散→成分均匀的固溶体实际快速冷速→原子扩散不充分→成分不均晶内偏析——先结晶的固溶体含高熔点组元（Cu-Ni合金中的Ni）较多；后结晶的固溶体含低熔点组元（Cu-Ni合金中的Cu）较多。这种在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象称为晶内偏析。34第3章金属与合金的结晶4.枝晶偏析枝晶偏析——由于固溶体的结晶一般是按树枝状方式长大的，这就使先结晶的枝干成分与后结晶的枝间成分不同，由于这种晶内偏析呈树枝发布，故又称之枝晶偏析。均匀化退火——枝晶偏析会降低合金的力学性能和加工工艺性能。因此，在生产中需要对其加热到高温，并经长时间保温，使原子充分扩散，达到成分均匀化的目的。这种热处理方法称为均匀化退火。图为铸态Cu-Ni合金，其中固溶体呈树枝状，先结晶的枝干中，Ni含量多，不易侵蚀呈白色；后结晶的枝间因含Cu量高，易侵蚀呈黑色。35第3章金属与合金的结晶三、二元共晶相图凡是二元合金系中两组元在液态能完全互溶，而在固态互相有限溶解，并发生共晶转变的相图，称为共晶相图。如Pb-Sn，Pb-Sb，Al-Si，Ag-Cu等合金系均属于此类相图。下面以Pb-Sn合金相图为例，对共晶相图进行分析。1．相图分析2．合金的结晶过程分析3．合金的相组分与组织组分36第3章金属与合金的结晶1．相图分析PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFSn溶于Pb中，形成固溶体的部分匀晶相图。Pb溶于Sn中，形成β固溶体的部分匀晶相图。tAC、tBC线为液相线。液相在tAC线上开始结晶出固溶体。液相在tBC线上开始结晶出β固溶体。tAD、tBE线分别为与β固溶体的结晶终了的固相线。DF、EG线分别为Sn溶于Pb和Pb溶于Sn的固态溶解度曲线，称为固溶线。Pb与Sn的相互溶解度随温度的降低而逐渐减小。37第3章金属与合金的结晶C点是液相线tAC、tBC与固相线DCE的交点。表示在C点所对应的温度（183）下，成分为C点的液相LC将同时结晶出成分为D点的固溶体D和成分为E点的β固溶体βE

的混合物。LC→（D

＋βE）

1．相图分析PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGF共晶转变：一定成分的液相，在一定温度下，同时结晶出成分不同的两种固相的转变。共晶组织：由共晶转变获得的两相混合物，又称共晶体。共晶点：C点。共晶温度：C点所对应的温度。共晶成分：C点所对应的成分。共晶线：通过C点的水平的固相线DCE成为共晶线。液相冷却到共晶线时，都要发生共晶转变。38第3章金属与合金的结晶1．相图分析PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGF共晶反应要点：共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。39第3章金属与合金的结晶1．相图分析PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGF相界线把共晶相图分为六个相区：单相区：L、、β。两相区：L+

、L+β、+β。共晶线DCE是L++β三相平衡的共存线。40第3章金属与合金的结晶2．合金的结晶过程分析Ⅰ合金结晶过程分析cefgⅠT,CtL

L

LL+

冷却曲线

+

Ⅱ

Ⅱ1234{PbSnT,CL

+L+L+183ced41第3章金属与合金的结晶当合金由液相缓冷到1点时，从液相中开始结晶出Sn溶于Pb的

固溶体。随着温度的下降

固溶体量不断增多，而液相量不断减少。T,CtL

L

LL+

冷却曲线

+

Ⅱ

Ⅱ１２３４当合金冷却到2点时，液相全部结晶成

固溶体，其成分为原合金成分。继续冷却时，在2~3点温度范围内，

固溶体不发生变化。当合金冷却到3点时，Sn在Pb中溶解度已达到饱和。温度再下降到3点以下，Sn在Pb中溶解度已经过饱和，故过剩的Sn以固溶体的形式从固溶体中析出。随着温度的下降，从

固溶体中不断析出固溶体。把从固相中析出的固溶体，称为次生，以“Ⅱ”表示。Ⅰ合金结晶过程分析42第3章金属与合金的结晶Ⅰ合金结晶过程分析合金Ⅰ的室温组织为固溶体+

Ⅱ固溶体。合金Ⅰ的室温时的固溶体+

Ⅱ的相对量，可用杠杆定律计算。D点与F点间的所有合金的结晶过程与合金Ⅰ相似。E点与G点间合金的结晶过程与合金Ⅰ相似。PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGF{Ⅰ4321{+

Ⅱ+Ⅱ43第3章金属与合金的结晶Ⅱ合金结晶过程分析PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFⅡtL(+)L(+)L冷却曲线(+)44第3章金属与合金的结晶Ⅱ合金结晶过程分析PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFⅡ当合金缓慢冷却到C点时，由于C点是两条液相线的交点，故液相同时结晶出α和β两种固溶体，即发生共晶转变。共晶组织中的αD和βE的相对量可用杠杆定律计算。45第3章金属与合金的结晶Ⅱ合金结晶过程分析PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFⅡ在C点以下，合金进入共晶线下面的α+β两相区。这是，随着温度的下降，α和β的溶解度分别沿着各自的固相线DF、EG线变化，因此，由α中析出βⅡ

；由β中析出αⅡ

。46第3章金属与合金的结晶Ⅱ合金结晶过程分析PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFⅡ由于从共晶体中析出的次生相常与共晶体中同类相混在一起，在显微镜下很难分辨，而且次生相的析出量又较少，一般可不予考虑，故室温下组织为:（αF+βG）47第3章金属与合金的结晶Ⅲ合金结晶过程分析t冷却曲线(+)PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFⅢ12348第3章金属与合金的结晶Ⅲ合金结晶过程分析当合金缓慢冷却到1点时，开始从液相中结晶出α固溶体，随着温度的下降，α固溶体不断增加，剩余的液相量不断减少。α固溶体成分沿tAD向D点变化；液相成分沿tAC由1点向C点变化。PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFⅢ12349第3章金属与合金的结晶Ⅲ合金结晶过程分析当温度下降到2点时，α固溶体的成分为D点成分，而剩余液相的成分到达C点成分，这时剩余的液相已经具备进行共晶转变的温度与成分条件，因此在2点发生共晶转变。PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFⅢ12350第3章金属与合金的结晶Ⅲ合金结晶过程分析在共晶转变以前，由液相已经先结晶出的α固溶体相，称为先共晶相（或初相）。共晶转变完毕后的亚共晶合金的组织为：初晶αD+共晶体（αD+βE）PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFⅢ12351第3章金属与合金的结晶Ⅲ合金结晶过程分析当合金冷却到2点温度以下时，由于α和β的溶解度分别沿着各自的固相线DF、EG线变化，因此，由α中析出βⅡ

；由β中析出αⅡ

。但共晶体内不考虑，成分初晶αF+次生βⅡ+共晶体（αF+βG）PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFⅢ12352第3章金属与合金的结晶Ⅲ合金结晶过程分析所有Pb-Sn合金的亚共晶合金的结晶过程都与合金Ⅲ相似，其显微组织均由初晶αF+次生βⅡ+共晶体（αF+βG）组成，不同之处是各部分的量不同。PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFⅢ12353第3章金属与合金的结晶Ⅳ合金结晶过程分析t冷却曲线(+)PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFⅣ123？54第3章金属与合金的结晶Ⅳ合金结晶过程分析所有Pb-Sn合金的过共晶合金的结晶过程都与合金Ⅳ相似，其显微组织均由初晶βG+次生αⅡ+共晶体（αF+βG）组成，不同之处是各部分的量不同。PbSnSn%T,CL

+L+L+tA327232tBCEDGFⅣ12355第3章金属与合金的结晶3．合金的相组分与组织组分相组分（相组成物）：α、β组织组分（组织组成物）：由于不同合金的形成条件不同，各种相将以不同的数量、形状、大小互相组合，因此在显微镜下可观察到不同的组织。α、αⅡ

、β、βⅡ、共晶体（α+β）各具有一定的组织特征，并在显微镜下可以明显区分，故它们都是该合金的组织组分。56第3章金属与合金的结晶3．合金的相组分与组织组分合金中相组分和组织组分的相对量，均可利用杠杆定律来计算。57第3章金属与合金的结晶4．比密度偏析亚共晶或过共晶合金结晶时，若初晶的密度与剩余液相的密度相差很大，则密度小的初晶将上浮（或密度大的初晶将下沉）。这种由于密度不同而引起