《工程材料与成形技术》课程授课教案（讲义）第2章 金属的结晶与二元合金相图

《工程材料及成形技术》教案 第2章：金属材料的结晶与二元相图 2.1纯金属的结品 2.1.1结品的条件 (一)基本概念 ·物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 ·●物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 ·物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。 (二)冷却曲线 ·金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。 ·曲线上水平阶段所对应的温度称实际结品温度T。 ·曲线上水平阶段是由于结品时放出结晶潜热引起的。 (三)过冷与过冷度 ·纯金属都有一个理论结晶温度T(熔点或平衡结品温度)。在该温度下，液体和 晶体处于动平衡状态 ·结品只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。 ●液态金属在理论结品温度以下开始结品的现象称过冷 ·理论结晶温度与实际结晶温度的差△T称过冷度 △T=T0-T1 ·过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。 ·自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定 状态。 ·在一定温度条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量） 降低的过程才能自发进行。 ·△F是液态金属结晶的动力。 ·△T是结晶的必要条件。 2.1.2结晶的过程 (一)结晶的基本过程 ·结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。 ●液态金属中存在若原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为品胚。在 T0以下，经一段时间后（即孕育期，一些大尺寸的品坯将会长大，称为品核。 1/19

1 / 19 《工程材料及成形技术》教案 第 2 章：金属材料的结晶与二元相图 2.1 纯金属的结晶 2.1.1 结晶的条件 （一）基本概念 ⚫ 物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 ⚫ 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 ⚫ 物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。 （二）冷却曲线 ⚫ 金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。 ⚫ 曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度 T1。 ⚫ 曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。 （三）过冷与过冷度 ⚫ 纯金属都有一个理论结晶温度 T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下, 液体和 晶体处于动平衡状态。 ⚫ 结晶只有在 T0 以下的实际结晶温度下才能进行。 ⚫ 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。 ⚫ 理论结晶温度与实际结晶温度的差 T 称过冷度 T= T0 –T1 ⚫ 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。 ⚫ 自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定 状态。 ⚫ 在一定温度条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量） 降低的过程才能自发进行。 ⚫ ΔF 是液态金属结晶的动力。 ⚫ T 是结晶的必要条件。 2.1.2 结晶的过程 （一）结晶的基本过程 ⚫ 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。 ⚫ 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶胚。在 T0 以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核

●品核形成后便向各方向生长，同时又有新的品核产生。 ·晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。 ·每个品核最终长成一个晶粒，两品粒接触后形成晶界 (二)晶核的形成方式 ·形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 ·自发形核一一依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结品核心。 ·非自发形核一一依附与金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核 ·金属结晶过程中晶核的形成 ·主要是以非自发形核方式为主 (三)晶核的长大方式 ·晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。 ·晶核的长大方式有两种，即平面长大和树枝状长大。 ●在正温度梯度下，品体生长以平面状态向前推进。 ·在负温度梯度下，在品核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一次轴产生 二次轴，树枝间最后被填充。 ●实际金属结品主要以树枝状长大， 2.13同素异构转变 (一)概念 ·物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变，同素异构转变属于 固态相变。 (二)铁的同素异构转变 ·铁在态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为： 8-Fer immcy-Ferua-Fe ●8-Fe、a-Fe为体心立方结构bcc,Y-fe为面心立方结构(fc)都是Fe的同素异 构体。 (三)固态转变的特点 ·形核一般在某些特定部位发生（如品界、品内缺陷、特定品面等）。 ·由于固态下扩散困难，因而过冷顿向大。 ●固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。 ●例如Y-Fe转变为a-Fe时，铁的体积会膨胀约1%。它可引起钢淬火时产 生应力，严重时会导致工件变形和开裂。 2.14细化铸态金属晶粒的措递 2/19

2 / 19 ⚫ 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。 ⚫ 晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。 ⚫ 每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 （二）晶核的形成方式 ⚫ 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 ⚫ 自发形核——依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结晶核心。 ⚫ 非自发形核——依附与金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核。 ⚫ 金属结晶过程中晶核的形成 ⚫ 主要是以非自发形核方式为主 （三）晶核的长大方式 ⚫ 晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。 ⚫ 晶核的长大方式有两种，即平面长大和树枝状长大。 ⚫ 在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。 ⚫ 在负温度梯度下，在晶核棱角处散热好，生长快，先形成一次轴，一次轴产生 二次轴，树枝间最后被填充。 ⚫ 实际金属结晶主要以树枝状长大 。 2.1.3 同素异构转变 （一）概念 ⚫ 物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于 固态相变。 （二）铁的同素异构转变 ⚫ 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为： 1394 912 C C    Fe Fe Fe ⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯→   − − − ⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯ ⚫ -Fe、 -Fe 为体心立方结构(bcc)，-Fe 为面心立方结构(fcc)都是 Fe 的同素异 构体。 （三）固态转变的特点 ⚫ 形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。 ⚫ 由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 ⚫ 固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。 ⚫ 例如 γ -Fe 转变为α - Fe 时，铁的体积会膨胀约 1％。它可引起钢淬火时产 生应力， 严重时会导致工件变形和开裂。 2.1.4 细化铸态金属晶粒的措施

(1)晶粒度 ●表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生 产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。 ●标准品粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的品粒大小 与标准图对照来评级」 (2)决定品粒度的因素 ·晶粒的大小取决于品核的形成速度和长大速度。 ●单位时间、单位体积内形成的品核数目叫形核率(N) ●单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。 ●N/G比值越大，品粒越细小。 ●凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。 (3)控制晶粒度的方法 ●控制过冷度：随过冷度增加，NG值增加，品粒变细 ·变质处理（又称孕有处理）：即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细 化品粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。 ·振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能 量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝品破碎，使品核数目显著增加 2.1.5金属的铸锭 ·在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成 形则得到铸件。 ·俦锭（件）的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响， (1)铸锭的组织结构 ●表层细品区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表 面形成一层很细的等轴晶粒区。 ●柱状品区：由于模壁温度升高，结品放出潜热，使细品区前沿液体的过冷度减 小，形核困难。加上模壁的定向散热，使己有的晶体沿着与散热相反的方向生 长而形成柱状晶区。 ·中心粗等轴晶区：由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状 晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以 非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶品粒。 ●定向结晶 a)为了获得柱状品结构，可采用的方法， b)具有细长柱状品的铝镍钻永磁合金即是用这种方法生产的。 3/19

3 / 19 （1）晶粒度 ⚫ 表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生 产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。 ⚫ 标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过 100 倍显微镜下的晶粒大小 与标准图对照来评级。 （2）决定晶粒度的因素 ⚫ 晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。 ⚫ 单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。 ⚫ 单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。 ⚫ N/G 比值越大，晶粒越细小。 ⚫ 凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。 （3）控制晶粒度的方法 ⚫ 控制过冷度：随过冷度增加，N/G 值增加，晶粒变细。 ⚫ 变质处理（又称孕育处理）：即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细 化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。 ⚫ 振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能 量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。 2.1.5 金属的铸锭 ⚫ 在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成 形则得到铸件。 ⚫ 铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。 （1）铸锭的组织结构 ⚫ 表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表 面形成一层很细的等轴晶粒区。 ⚫ 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减 小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生 长而形成柱状晶区。 ⚫ 中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状 晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度 T1 以下时，在杂质作用下以 非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。 ⚫ 定向结晶 a) 为了获得柱状晶结构，可采用的方法。 b) 具有细长柱状晶的铝镍钴永磁合金即是用这种方法生产的

(2)俦造缺陷 ·铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等， 它们对性能是有害的。 ●缩孔 )缩孔是由于液态金属结品时体积收缩且补缩不足造成的。 b)可通过改变结晶的冷却条件和加冒口等控制。 ©)钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。 ·缩松 )缩松是由于液态金属结晶时体积收缩且得不到补缩而造成的。 b)可通过改变结晶的冷却条件和加目口等控制。 c)钢锭出现缩松使得力学性能下降。 偏析： a)合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。 b)铸锭（件）在结晶时，由于各部位结品先后顺序不同，合金中的低熔点元 素偏聚于最终结品区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。 )适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。 ·气孔 )气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而 存留于铸锭（件）中的气泡。 b)铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气孔需要切除。 c)俦件中出现气孔则只能报废。 (3)单品的制取 ·单晶是电子元件和激光元件的重要原料。金属单晶也开始应用于某些特殊场合 如喷气发动机叶片等。 ·根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时只存在一个晶核，要严格防 止另外形核。 ●单晶制备方法 a)尖端形核法 1将原料放入一个尖底的园柱形坩埚中加热熔化。 ⅱ然后让坩埚缓慢地向冷却区下降，底部尖端的液体首先达到过冷状 态，开始形核。 ⅲ，恰当控制各种因素，就可能形成一个晶核。 V.随着坩埚的继续缓慢下降，品体不断长大而获得单品 b)垂直提拉法 4/19

4 / 19 （2）铸造缺陷 ⚫ 铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等， 它们对性能是有害的。 ⚫ 缩孔: a) 缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。 b) 可通过改变结晶的冷却条件和加冒口等控制。 c) 钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。 ⚫ 缩松: a) 缩松是由于液态金属结晶时体积收缩且得不到补缩而造成的。 b) 可通过改变结晶的冷却条件和加冒口等控制。 c) 钢锭出现缩松使得力学性能下降。 ⚫ 偏析： a) 合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。 b) 铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元 素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。 c) 适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。 ⚫ 气孔: a) 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而 存留于铸锭(件)中的气泡。 b) 铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合, 张开的气孔需要切除。 c) 铸件中出现气孔则只能报废。 （3）单晶的制取 ⚫ 单晶是电子元件和激光元件的重要原料。金属单晶也开始应用于某些特殊场合 如喷气发动机叶片等。 ⚫ 根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时只存在一个晶核，要严格防 止另外形核。 ⚫ 单晶制备方法 a) 尖端形核法 i. 将原料放入一个尖底的园柱形坩埚中加热熔化。 ii. 然后让坩埚缓慢地向冷却区下降,底部尖端的液体首先达到过冷状 态，开始形核。 iii. 恰当控制各种因素，就可能形成一个晶核。 iv. 随着坩埚的继续缓慢下降，晶体不断长大而获得单晶。 b) 垂直提拉法

1.先将坩埚中原料加热熔化，并使其温度保持在稍高于材料的熔点之 上。 ⅱ将籽晶夹在籽晶杆上。然后让籽晶与熔体接触。 ⅲ.将籽品一面转动一面缓慢地拉出，即长成一个单品。 v.这种方法广泛地用于制取电子工业中应用的单品硅。 2.2合金的结晶 2.2.1二元合金相图 ·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。 ·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。 ●组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 ·多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反 应的化合物也可看作组元.如Fe-C合金中的Fe3C。 ·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。 ·几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法 2.2.2二元合金相图类型与结晶分析 (一)二元匀品相图 ●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匀晶相图。以C-N 合金为例进行分析。 (1)相图的构成 ·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α固溶 体区，两条线之间为两相共存的两相区(L+α) (2)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合金为例说明。 ·当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为α1的固溶体，其N 含量高于合金平均成分。 ·这种从液相中结品出单一固相的转变称为匀品转变或匀品反应 ●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， 51/19

5 / 19 i. 先将坩埚中原料加热熔化，并使其温度保持在稍高于材料的熔点之 上。 ii. 将籽晶夹在籽晶杆上。然后让籽晶与熔体接触。 iii. 将籽晶一面转动一面缓慢地拉出，即长成一个单晶。 iv. 这种方法广泛地用于制取电子工业中应用的单晶硅。 2.2 合金的结晶 2.2.1 二元合金相图 ⚫ 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。 ⚫ 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。 ⚫ 组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 ⚫ 多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反 应的化合物也可看作组元, 如 Fe-C 合金中的 Fe3C。 ⚫ 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。 ⚫ 几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。 2.2.2 二元合金相图类型与结晶分析 （一）二元匀晶相图 ⚫ 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匀晶相图。以 Cu-Ni 合金为例进行分析。 （1）相图的构成 ⚫ 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+  ）。 （2）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合金为例说明。 ⚫ 当液态金属自高温冷却到 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3时，最后一滴L3成分的液 体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分α3上来。 ●液固相线不仅是相区分界线也是结品时两相的成分变化线：匀品转变是变洱 转变。 (3)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C-Ni合金为例推导杠杆定律： a)确定两平衡相的成分： i设合金成分为x,过x做成分垂线。 ⅱ.在成分垂线相当于温度t的0点作水平线，其与液固相线交点a、b 所对应的成分x、x2即分别为液相和固相的成分。 b)确定两平衡相的相对重量： 1.设合金的重量为1，液相重量为QL,固相重量为Qα。 i.则有：QL+Qa=1 ⅲ解方程组得Q=: 路 i.式中的x2-xx2-xlx-xl即为相图中线段x2(ob).xlx2(ab)、xlao) 的长度。因此两相的相对重量百分比为 是出 8装出 V.两相的重量比为： 是曾起w=0西 c)上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。 1即：合金在某一温度下，两平衡相的重量比一与各自相区距离较远 的成分线段之比。 ●特点： )在杠杆定律中，杠杆的支点一一合金的成分，杠杆的端点一一所求的 两平衡相（或两组织组成物）的成分 b)杠杆定律只适用于两相区。 6/19

6 / 19 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。 （3）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： a) 确定两平衡相的成分： i. 设合金成分为 x，过 x 做成分垂线。 ii. 在成分垂线相当于温度 t 的 o 点作水平线，其与液固相线交点 a、b 所对应的成分 x1、x2 即分别为液相和固相的成分。 b) 确定两平衡相的相对重量: i. 设合金的重量为 1，液相重量为 QL，固相重量为 Q。 ii. 则有： QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x iii. 解方程组得 2 L 2 1 1 a 2 1 x - x Q = x - x x - x Q = x - x iv. 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 2 1 2 1 1 2 L α xx ob Q x x ab x x ao Q x x ab = = = = v. 两相的重量比为： 2 1 2 1 ( ) L L Q xx ob Q x x Q xx Q x x ao   = =  =  或 c) 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。 i. 即：合金在某一温度下， 两平衡相的重量比==与各自相区距离较远 的成分线段之比。 ⚫ 特点： a) 在杠杆定律中， 杠杆的支点——合金的成分，杠杆的端点——所求的 两平衡相（或两组织组成物）的成分 b) 杠杆定律只适用于两相区

(4)枝品偏析 ·合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体 ·但实际冷速较快，结晶时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N),后结晶的枝品间含有较多的低熔 点元素（如Cu-Ni合金中的Cu。 ·在一个枝品范围内或一个品粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。 ·影响因素： )冷却速度：冷速越大，枝品偏析越严重。 b)液固相线的间距：液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 c)枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。 ●消除办法：扩散退火 a)一种将铸件加热到周相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩 散、成分均匀，消除枝品偏析的热处理工艺。 (二)二元共品相图 ·当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生共品反应时所构成的 相图称作共品相图。以PbS相图为例进行分析。 (1)相图分析（点、线、区） ·相 a)L、a、B三种相，a是溶质Sn在Pb中的固溶体，B是溶质Pb在 Sn中的固溶体。 ·相区 a)三个单相区：L、a、B b)三个两相区：L+a、L+B、a+B C)一个三相区：即水平线CED ·液固相线 a)液相线AEB,固相线ACEDB,A、B分别为Pb、Sn的熔点。 ·固溶线 a溶解度点的连线称固溶线 b)CF线Sn在Pb中的周溶线 c)DG线Pb在Sn中的固溶线 )溶解度随温度降低而下降 ●共品线 a)水平线CED叫做共品线 7/19

7 / 19 （4）枝晶偏析 ⚫ 合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。 ⚫ 但实际冷速较快，结晶时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)。 ⚫ 在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。 ⚫ 影响因素： a) 冷却速度：冷速越大，枝晶偏析越严重。 b) 液固相线的间距：液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 c) 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。 ⚫ 消除办法：扩散退火 a) 一种将铸件加热到固相线以下 100-200℃长时间保温,以使原子充分扩 散、成分均匀，消除枝晶偏析的热处理工艺。 （二）二元共晶相图 ⚫ 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。 以 Pb-Sn 相图为例进行分析。 （1）相图分析（点、线、区） ⚫ 相 a) L、、 三种相,  是溶质 Sn 在 Pb 中的固溶体，  是溶质 Pb 在 Sn 中的固溶体。 ⚫ 相区 a) 三个单相区： L、、 b) 三个两相区： L+、L+、 +  c) 一个三相区：即水平线 CED ⚫ 液固相线 a) 液相线 AEB, 固相线 ACEDB，A、B 分别为 Pb、Sn 的熔点。 ⚫ 固溶线 a) 溶解度点的连线称固溶线 b) CF 线 Sn 在 Pb 中的固溶线 c) DG 线 Pb 在 Sn 中的固溶线 d) 溶解度随温度降低而下降 ⚫ 共晶线 a) 水平线 CED 叫做共晶线

b)在共品线对应的温度下(183C),E点成分的合金同时结晶出C点 成分的α固溶体和D点成分的B固溶体，形成这两个相的机械混合 物： Lg户ae+B ©)在一定温度下，由一定成分的液相同时结品出两个成分和结构都不相 同的新固相的转变称作共品转变或共品反应。 )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品温度(183℃)。 )代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点(61.9%Sn)。 g)具有共晶成分的合金称共晶合金。 )共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点 以右的合金称过共晶合金。 )凡具有共品线成分的合金液体冷却到共品温度时都将发生共品反应。 (2)合金的结品过程 ·匀品合金(【合金)的结品过程 )在2点以前为匀晶转变，结品出，这种直接从液相中结品出的固相称 一次相或初生相。 b)2-3之间是单相固溶体的自然冷却。 c)温度降到3点以下，α固溶体被S加过饱和，由于晶格不稳，开始析 出（相变过程也称析出）新相一B相。 )由固相析出的新固相称二次相或次生相。 e)由a析出的二次B用BⅡ表示. )随温度下降，a和B相的成分分别沿cf线和eg线变化，BⅡ的重量 增加。 g)由于二次相析出温度较低，一般十分细小。形成二次相的过程称二次 析出，是固态相变的一种。 h)室温下BⅡ的相对重量百分比为 &会w )I合金室温组织为a+BⅡ。(a和BⅡ均称为组织组成物 )成分大于E点合金结晶过程与【合金相似，室温组织为B+αⅡ。 ●共品合金（Ⅱ合金）的结晶过程 a)液态合金冷却到E点时同时被Pb和Sn饱和，发生共晶反应：LE (ac+BD) 8/19

8 / 19 b) 在共晶线对应的温度下 (183 ℃) ，E 点成分的合金同时结晶出 C 点 成分的  固溶体和 D 点成分的  固溶体，形成这两个相的机械混合 物： LE C D   + c) 在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相 同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。 d) 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。 e) 发生共晶反应的温度称共晶温度（183℃）。 f) 代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点（61.9%Sn）。 g) 具有共晶成分的合金称共晶合金。 h) 共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点 以右的合金称过共晶合金。 i) 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。 （2）合金的结晶过程 ⚫ 匀晶合金(Ⅰ合金)的结晶过程 a) 在 2 点以前为匀晶转变，结晶出, 这种直接从液相中结晶出的固相称 一次相或初生相。 b) 2-3 之间是单相  固溶体的自然冷却。 c) 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。 d) 由固相析出的新固相称二次相或次生相。 e) 由  析出的二次  用 Ⅱ 表示。 f) 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。 g) 由于二次相析出温度较低，一般十分细小。形成二次相的过程称二次 析出, 是固态相变的一种。 h) 室温下 Ⅱ的相对重量百分比为: 4 100% f Q fg  =  i) Ⅰ合金室温组织为  + Ⅱ 。( 和 Ⅱ均称为组织组成物) j) 成分大于 E 点合金结晶过程与Ⅰ合金相似,室温组织为  +  Ⅱ。 ⚫ 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 a) 液态合金冷却到 E 点时同时被 Pb 和 Sn 饱和, 发生共晶反应： LE ⇄ (C+D)

b)在共晶转变过程中，L、a、B三相共存，三个相的量在不断变化， 但它们各自成分是周定的。 c)共晶反应形成的组织成为共晶组织，记为（α+B)。 d)共晶组织中的相称共品相。 ©)共品转变结束时，α和B相的相对重量百分比为： g-100%-0-54.6 )共品结束后，随温度下降，a和B的成分分别沿CF线和DG线变 化，并从共品a中析出BⅡ，从共品B中析出aⅡ。 ·亚共品合金（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E点，此时两相的相对重量为 b)在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：L(α+B),转变为 共晶组织。 ©)共晶体的重量与转变前的液相重量相等，即： Q=Q.=号xio%,0.=2x10o d)共晶反应结束后，在共晶温度下a、B两相的相对重量百分比为： c)温度继续下降，将从一次a和共晶a中析出BⅡ，从共品B中析出a Ⅱ。其室温组织为aI+(a+B)+BⅡ。 (4)过共品合金结品过程 a)与亚共品合金相似，不同的是一次相为B,二次相为αⅡ b)室温组织为BI+(a+B)+aⅡ (3)组织组成物在相图上的标注 组织组成物 a)组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。αI和BI,aⅡ和BⅡ， 共品体(a+B)都是组织组成物。 b)相与相之间的差别主要在结构和成分上。 c)组织组成物之间的差别主要在形态上。如a】、aⅡ和共晶α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。 9/19

9 / 19 b) 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。 c) 共晶反应形成的组织成为共晶组织，记为（+  ）。 d) 共晶组织中的相称共晶相。 e) 共晶转变结束时， 和  相的相对重量百分比为： 97.5- 61.9 100% 100% 45.4% 97.5-19.2 100% - 54.6 a b a ED Q CD Q Q =  =  = = = f) 共晶结束后，随温度下降，  和  的成分分别沿 CF 线和 DG 线变 化，并从共晶  中析出 Ⅱ，从共晶  中析出 Ⅱ。 ⚫ 亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程 a) 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 E 点, 此时两相的相对重量为： 2 2 L E ( ) 100%, 100% C E Q Q Q CE CE = =  =   b) 在 2 点，具有 E 点成分的剩余液体发生共晶反应：L⇄(+)，转变为 共晶组织 。 c) 共晶体的重量与转变前的液相重量相等, 即： 2 2 E L 100%, 100% C E Q Q Q CE CE = =  =   d) 共晶反应结束后，在共晶温度下 、  两相的相对重量百分比为： 2 2 100%, 100% D C Q Q CD CD   =  =  e) 温度继续下降，将从一次  和共晶  中析出 Ⅱ，从共晶  中析出  Ⅱ。其室温组织为 Ⅰ+ (+) + Ⅱ。 ⚫ （4） 过共晶合金结晶过程 a) 与亚共晶合金相似, 不同的是一次相为  , 二次相为 Ⅱ b) 室温组织为 Ⅰ+(+)+Ⅱ （3）组织组成物在相图上的标注 ⚫ 组织组成物 a) 组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。Ⅰ和 Ⅰ, Ⅱ和 Ⅱ, 共晶体(+)都是组织组成物。 b) 相与相之间的差别主要在结构和成分上。 c) 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

●组织组成物的标注 a)将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的 组织一致。 (三)二元包品相图 ·当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的 相图称作包晶相图。以P-Ag相图为例简要分析 (1)相图分析（点、线、区） ●相 a)L、a、B三种相，a是溶质Ag在Pt中的固溶体，B是溶质Pt在 Ag中的周溶体。 ·相区 a)三个单相区：L、a、B b)三个两相区：L+a、L+B、a+B c)一个三相区：即水平线ced ●液固相线 a)液相线adb,固相线aceb,a、b分别为Pt、Ag的熔点 ·固溶线 a)cr线Ag在Pb中的周溶线 b)eg线Ag在Pt中的固溶线 ·包品线 a)水平线PDC称包品线 b)与PDC线成分对应的合金在1186℃下发生包晶反应： Lu+a.户+月 c)包晶反应是液相L包者固相a,新相B在L与a的界面上形核，并 向L和a两个方向长大。 d)在一定温度下，由一个液相包者一个固相生成另一新固相的反应称包 晶转变或包晶反应 (2)合金结晶过程 ·包晶成分合金 a)匀晶→包晶→二次析出，室温组织为B+al ·亚包晶成分(ce)合金 a)匀品→包品→二次析出，室温组织为a+BⅡ+B+川 ·过包品成分(ed)合金 10/19

10 / 19 ⚫ 组织组成物的标注 a) 将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的 组织一致。 （三）二元包晶相图 ⚫ 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 （1）相图分析（点、线、区） ⚫ 相 a) L、、 三种相,  是溶质 Ag 在 Pt 中的固溶体，  是溶质 Pt 在 Ag 中的固溶体。 ⚫ 相区 a) 三个单相区： L、、 b) 三个两相区： L+、L+、 +  c) 一个三相区：即水平线 ced ⚫ 液固相线 a) 液相线 adb, 固相线 aceb, a、b 分别为 Pt、Ag 的熔点。 ⚫ 固溶线 a) cr 线 Ag 在 Pb 中的固溶线 b) eg 线 Ag 在 Pt 中的固溶线 ⚫ 包晶线 a) 水平线 PDC 称包晶线 b) 与 PDC 线成分对应的合金在 1186℃下发生包晶反应： Ld c e + +   c) 包晶反应是液相 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。 d) 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。 （2）合金结晶过程 ⚫ 包晶成分合金 a) 匀晶→包晶→二次析出, 室温组织为β + II ⚫ 亚包晶成分（ce）合金 a) 匀晶→包晶→二次析出, 室温组织为  + βII +β+ II ⚫ 过包晶成分（ed）合金