系部：机械工程学院教师：张玲

机械制造基础

系部：机械工程学院

教师：张玲

第三章金属与合金的结晶NingXia Institute of Scinece and Technology

第一节纯金属的结晶

第二节合金的结晶


金属由液态转变为固态的凝固过程，实质上是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程。

一、结晶的概念一、结晶的概念结晶：金属由液态凝固为固态的现象。

一次结晶：金属由液态过渡为固体晶态的转变。一次结晶：金属由液态过渡为固体晶态的转变。

二次结晶：金属由一种固态过渡为另一种固体晶态的转变。二次结晶：金属由一种固态过渡为另一种固体晶态的转变。

二、结晶的分类二、结晶的分类


3 、结论： 1 ）纯金属恒温结晶； 2 ）过冷是结晶的必要条件。

三、纯金属的冷却曲线和过冷现象1 、过冷现象：指液态金属实际结晶温度（ Tn ）低于理论结晶温度 (Tm) 的现象。（或指实际冷却到结晶温度以下而暂不结晶的现象。）2 、过冷度 (ΔT) ：： Tm -Tn =ΔT

平台现象

4 、孕育期－在某一过冷度下等温停留的时间。过冷度越大，孕育期越短，结晶容易进行。


5 、过冷度 (ΔT) ：： Tm -Tn

=ΔT

结晶冷却速度越大↑，过冷度 ΔT 越大↑； ΔT↑ 则结晶所需要的时间越短。图 3-2 液态金属不同冷却速度时

的冷却曲线


1 、金属结晶一般包括：晶核的形成（形核）与晶核的长大，而且是边形核、边长大的规律。

二、金属结晶的一般规律

图 3 － 2 金属结晶过程示意图


（ 1 ）形核：当过冷度达到一定数值时，晶胚尺寸便能满足形核所需要的晶核尺寸的要求，晶胚 ( 过冷液相中近程排列原子集团 ) 便成为晶核。

2 、形核与长大

自发形核：从液体内部自发长出的结晶核心。非自发形核：依附于杂质而生成的晶核。


（ 2 ）长大晶核形成后，在较小的 ΔT 下便能自发的长大，首先长出一次晶轴，二次晶轴、三次晶轴 ---- 的树枝状晶体。由于晶粒间长大相互妨碍，最后长成多边形的晶粒。

晶核的长大方式

平面长大树枝状长大


三、金属结晶后的晶粒大小1 、晶粒度：就是指晶粒的大小，用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）来表示。

晶粒越细，金属不仅强度高，塑性、韧性也好。细化晶粒是提高材料机械性能的重要手段。


（ 3 ）动态细化：在浇铸前，搅拌、超声振动、电磁振动等使 ΔT↑ ， N↑ ，以达 ZV↑。可以折断、分裂枝晶，增加晶核数目。

2 、工业中细化金属晶粒的措施

ΔT↑ ， ZV↑, 晶粒越细。（ 2 ）变质处理：在液态金属中加入能促进形核（ N↑ ），抑制长大（ G↓ ）的形核剂，使 ZV↑，以达细化晶粒的目的。

（ 1 ）提高结晶时的冷却速度，增大过冷度

图 3-3 形核率、长大速度与过冷度的关系


四、金属的同素异晶转变

金属在固态下随温度的改变 , 由一种晶格类型转变为另

一种类型的变化 , 称为金属的同素异晶转变。由同素异晶转变所得到的不同晶格类型的晶体，称为同素异晶体。如图• 纯铁的同素异晶 ( allomorph ) 转变反应

式 :


[ 重点掌握 ]

合金相图的基本概念：合金、相、组元、组织、相图等；

合金相图的建立和分析

第二节合金的结晶


一、基本概念合金：是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。

组元：组成合金的独立的、最基本的单元称组元。合金系：是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。

相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。

组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况；组织是决定材料最终性能的关键。


固态合金中的相分为：固溶体和金属化合物两类。 ⑴ 固溶体：合金由液态结晶为固态时，组元间会互相溶解，形成一种在某一组元晶格中包含其他组元的新相。

按溶质原子所处位置分为：

二、合金的相结构

固溶体置换固溶体间隙固溶体

Cu-Ni置换固溶体 Fe-C 间隙固溶体


性能：固溶强化现象，随溶质含量增加 , 固溶体的强度、硬度增加 , 塑性、韧性下降—固溶强化。

原因：是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。

溶质原子对晶格畸变影响示意图


（2 ）金属化合物：各组元的原子按一定的比例相互作用生成的晶格类型和性能完全不同于任一组元的具有金属性质的新相。

性能：金属化合物的

熔点高，性能硬而脆。出现这种金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。但会降低塑韧性。


三、合金的相图 1 、定义：表示在平衡条件下，合金的成分、温度与组织之间关系的简明图表。


相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数 , 分为二元相图、三元相图和多元相图。

Fe-C 二元相图三元相图


2 、相图的建立热分析法

名称 A 金属 B 金属晶格类

型bcc bcc

熔点高低合金 1 100% 0%

合金 2 90% 10%

合金 3 80% 20%

…….. …….. …….

合金 9 20% 80%

合金 10 10% 90%

合金 11 0% 100%


a

b

ab : 液相线ab : 固相线

L

L + S

S

L : 液相区S : 固相区L+S: 液固共存区

A B

温度


时间

温度

90 70 50 30A B

温度

A B

温度


四、二元合金的结晶过程1 、二元合金相图的基本类型

（ 1 ）匀晶相图（ 2 ）共晶相图（ 3 ）包晶相图（ 4 ）共析相图

匀晶相图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。

Cu-NiCu-Ni 合金相图合金相图

（ 1 ）二元匀晶相图


合金的结晶过程分析


以Ⅰ合金为例说明。

L

L+


枝晶偏析：• 合金的结晶只有在缓慢冷却的条件下才能得到成分均匀的

固溶体。但实际冷速较快，在结晶过程中固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有

• 较多的高熔点元素 ( 如 Cu-Ni

• 合金中的 Ni) ，后结晶的枝晶

• 间含有较多的低熔点元素 ( 如

• Cu-Ni 合金中的 Cu) 。


（ 2 ）二元共晶相图

• 共晶相图：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。

Pb-Sn 合金相图

成分（ wt%Sn ）

温度

（℃

）

Pb Sn


相图分析

液相线、固相线、三个单相区： L、 α、 β （ α、 β是有限固溶体）共晶点、共晶合金

L+

C D

A

B


.2

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

L-->L+α-->α-->α+βII

相组成物： α,β组织组成物： α,β


19.2

wt%Sn

温度

, ℃

1’

② 共晶合金 (Ⅱ 合金 ) 的结晶过程发生共晶反应： LE ⇄(C+D) 。室温下：相组成物α， β；组织组成物：（ α+β ）共晶体（ α+β ） %=100%


析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，

因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。

Pb-Sn共晶合金组织


.2

A 、在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。B 、由一个相区进入另一相区时 , 冷却曲线出现拐点。C 、发生三等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。

分析典型合金的结晶过程


组织组成物在相图上的标注

相与相之间的差别主要在结构和成分上。

组织组成物之间的差别主要在形态上。

如Ⅰ 、 Ⅱ和共晶的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。


组织标注


（ 3 ）二元共析相图共析反应 ( 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。

P

S


共析相图分析

共析线 (PSK线 ) 、

共析点 (S点 ) 、

铁碳合金相图


2 、相图与合金性能之间的关系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。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。


2 、合金的工艺性能 1 ）锻造、轧制性能单相固溶体合金单相组织变形抗力

小，变形均匀，不易开裂，塑性好。

2 ）铸造性能共晶合金结晶温度

低，流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性能好。

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