金屬的結(jié)晶要點(diǎn)課件

第三章金屬的結(jié)晶與二元金相圖金屬材料的獲得一般都是要經(jīng)過(guò)對(duì)礦產(chǎn)原料的熔煉、除渣、澆鑄等作業(yè)后，再凝固成鑄錠或細(xì)粉。并通過(guò)各種熱加工和冷加工獲取成材或制件。由液態(tài)冷凝成固態(tài)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。金屬材料通常都是多晶體材料，所以金屬由液態(tài)冷凝成固態(tài)的過(guò)程也是一種結(jié)晶過(guò)程。所謂結(jié)晶就是指晶體材料的凝固。結(jié)晶之后得到的金屬材料顯微組織稱為鑄態(tài)組織。鑄態(tài)的顯微組織決定著鑄態(tài)材料的使用性能和加工工藝性能。掌握結(jié)晶規(guī)律可以幫助我們有效地控制金屬的凝固條件，從而獲得性能優(yōu)良的金屬材料。第三章金屬的結(jié)晶與二元金相圖金屬材料的獲得一1第一節(jié)金屬結(jié)晶的基礎(chǔ)知識(shí)液態(tài)金屬的冷卻過(guò)程可以用熱分析法測(cè)出的冷卻曲線(溫度-時(shí)間關(guān)系曲線)來(lái)表述，見(jiàn)圖3-1。從曲線上可以明顯地見(jiàn)到結(jié)晶開(kāi)始和結(jié)晶結(jié)束的溫度。對(duì)于純金屬在結(jié)晶過(guò)程中保持恒溫。也就是說(shuō)純金屬的結(jié)晶溫度為某一溫度值。但是，對(duì)一個(gè)合金系來(lái)說(shuō)，除個(gè)別成分的合金同純金屬一樣有一個(gè)結(jié)晶溫度之外，多數(shù)合金的結(jié)晶開(kāi)始溫度與結(jié)束溫度是兩個(gè)溫度值。即結(jié)晶溫度是一個(gè)溫度區(qū)間。而這個(gè)溫度區(qū)間的大小與合金的化學(xué)成分比有直接的關(guān)系。在測(cè)定冷卻曲線時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬的冷卻速度會(huì)影響結(jié)晶的開(kāi)始和結(jié)束溫度。當(dāng)冷卻速度非常慢(平衡態(tài)冷卻速度)時(shí)，對(duì)于成分一定的金屬都有一個(gè)固定的結(jié)晶溫度或結(jié)晶溫度區(qū)間。當(dāng)冷卻速度時(shí)增大時(shí)，則結(jié)晶溫度或結(jié)晶溫度區(qū)間通常都要下降，而且下降的量隨冷卻速度加大而增加。一、結(jié)晶的溫度與過(guò)冷現(xiàn)象第一節(jié)金屬結(jié)晶的基礎(chǔ)知識(shí)液態(tài)金屬的冷卻過(guò)程可以2在圖3-1中虛線是以平衡狀態(tài)的冷卻速度(Vm)冷卻(冷速極慢)的金屬冷卻曲線。實(shí)線是在某一實(shí)際冷卻速度(V1)冷卻的金屬冷卻曲線。V1〉Vm。圖中T1是純金屬在冷速V1是的實(shí)際結(jié)晶溫度。Tms、Tmf分別是合金在平衡狀態(tài)下的結(jié)晶開(kāi)始溫度和結(jié)晶結(jié)束溫度。T1s、T1f分別是V1冷速下合金的實(shí)際結(jié)晶開(kāi)始溫度和結(jié)晶結(jié)束溫度。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差成為過(guò)冷度(△T)。對(duì)于純金屬其過(guò)冷度△T=Tm-T1。金屬的結(jié)晶都是在達(dá)到一定過(guò)冷度后才進(jìn)行的，這中現(xiàn)象稱過(guò)冷現(xiàn)象。金屬結(jié)晶中的過(guò)冷度大小主要取決于金屬液的冷卻速度和金屬液中雜質(zhì)的含量。冷速愈大，金屬純度愈高，過(guò)冷度也愈大。在圖3-1中虛線是以平衡狀態(tài)的冷卻速度(Vm)冷卻(冷速極慢3

純金屬結(jié)晶是在恒溫下完成的。即冷卻曲線中有一個(gè)平臺(tái)。這是因?yàn)榧兘饘俳Y(jié)晶會(huì)釋放出“潛熱”。而著潛熱剛好彌補(bǔ)了金屬液再冷卻過(guò)程中向周?chē)h(huán)境散發(fā)的熱量。從而使結(jié)晶過(guò)程處于一個(gè)溫度的動(dòng)平衡狀態(tài)。(實(shí)際上，對(duì)于純金屬其冷卻曲線出現(xiàn)平臺(tái)之前，還有一個(gè)相應(yīng)的過(guò)冷現(xiàn)象，它為開(kāi)始結(jié)晶提供足夠的動(dòng)力。一旦結(jié)晶開(kāi)始釋放潛熱，溫度才回升到結(jié)晶溫度平臺(tái)上)。當(dāng)結(jié)晶結(jié)束，潛熱釋放也就結(jié)束，凝固了的金屬隨著向環(huán)境不斷散熱，溫度又逐漸下降。對(duì)于合金(除固定成分外)，在結(jié)晶過(guò)程雖然也釋放潛熱，但達(dá)不到溫度的平衡，僅能使結(jié)晶過(guò)程中冷速變慢，并不出現(xiàn)溫度平臺(tái)。即結(jié)晶過(guò)程不是在恒溫下進(jìn)行，而是在一個(gè)溫度區(qū)間中完成。純金屬結(jié)晶是在恒溫下完成的。即冷卻曲線中有一個(gè)平臺(tái)。這是因4液態(tài)金屬冷卻到結(jié)晶開(kāi)始溫度為什么會(huì)出現(xiàn)液態(tài)固相的轉(zhuǎn)變呢？這是有物質(zhì)自由能狀態(tài)函數(shù)決定的。達(dá)到了結(jié)晶開(kāi)始溫度，同種化學(xué)成分金屬其固態(tài)的自由能就開(kāi)始低于液態(tài)的，由于物質(zhì)在通常條件下都是自動(dòng)朝自由能低的方向轉(zhuǎn)變，而且這個(gè)自由能差愈大，其轉(zhuǎn)變也愈快。可見(jiàn)自由能差是液固轉(zhuǎn)變的推動(dòng)力。也就是說(shuō)自由能是金屬結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)條件。而自由能差是液固轉(zhuǎn)變的推動(dòng)力。而自由能差的大小又取決于過(guò)冷度的大小。顯然，過(guò)冷度也就是金屬結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)條件。金屬的結(jié)晶過(guò)程是原子由不規(guī)則排列向規(guī)則排列的變化過(guò)程。這是需要原子進(jìn)行遷移和擴(kuò)散。一定的結(jié)晶溫度就可以保證原子必要的運(yùn)動(dòng)、保證足夠的擴(kuò)散能力。足夠的溫度是完成結(jié)晶過(guò)程的熱力學(xué)條件。液態(tài)金屬冷卻到結(jié)晶開(kāi)始溫度為什么會(huì)出現(xiàn)液態(tài)固相的轉(zhuǎn)變呢？5

只有當(dāng)動(dòng)力學(xué)條件與熱力學(xué)條件都得到保證金屬就會(huì)順利的結(jié)晶。兩者缺一不可。例如：只有熱力學(xué)條件而沒(méi)有動(dòng)力學(xué)條件金屬不能凝固結(jié)晶；若只有動(dòng)力學(xué)條件而沒(méi)有熱力學(xué)條件金屬雖然可以凝固但不能結(jié)晶。若金屬液的冷卻速度非常大，使過(guò)冷度極大，原子來(lái)不及擴(kuò)散就會(huì)出現(xiàn)非晶金屬。目前，在工業(yè)上已據(jù)此制造出了非晶金屬微粉和箔。

只有當(dāng)動(dòng)力學(xué)條件與熱力學(xué)條件都得到保證金屬就會(huì)順利的結(jié)晶6二．金屬的結(jié)晶(一)金屬結(jié)晶的一般過(guò)程小體積的液態(tài)金屬其結(jié)晶過(guò)程，見(jiàn)圖3-2。當(dāng)液態(tài)金屬的溫度降到一定的過(guò)冷度之后，在液態(tài)金屬中就開(kāi)始出現(xiàn)一些極細(xì)小的固相小晶體，這就是晶核。晶核不斷地從周?chē)囊簯B(tài)金屬中吸附原子使之不斷長(zhǎng)大。在一些晶核長(zhǎng)大的同時(shí)，還會(huì)有新的晶核不斷產(chǎn)生和長(zhǎng)大，直到全部液態(tài)金屬都凝固。每一個(gè)晶核都長(zhǎng)大成為一個(gè)晶粒。最后便形成了有許多晶粒組成的金屬多晶體。這些晶粒有不規(guī)則的外形、晶格位向也各異?？梢?jiàn)，金屬結(jié)晶的過(guò)程包括成核和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程，而且，這兩個(gè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。二．金屬的結(jié)晶(一)金屬結(jié)晶的一般過(guò)程7(二)晶核的形成晶核的形成分為均勻(自發(fā))成核和非均勻成核。在均勻的液態(tài)母相中自發(fā)地形成新相晶核的過(guò)程叫均勻成核，也成自發(fā)成核。在液態(tài)母相隨時(shí)都存在著瞬時(shí)近程有序的原子集團(tuán)(即結(jié)構(gòu)起伏)。這種原子集團(tuán)在沒(méi)有降到結(jié)晶溫度之下時(shí)是不穩(wěn)定的，時(shí)生時(shí)溶。而當(dāng)有了一定的過(guò)冷度時(shí)，某些進(jìn)程有序原子集團(tuán)的尺寸一旦不小于該溫度下的臨界晶核尺寸就會(huì)穩(wěn)定下來(lái),成為新生固相的晶核。臨界晶核尺寸是隨著過(guò)冷度減小而增大的。若過(guò)冷度為零，則臨界晶核尺寸為無(wú)窮大，即不能自發(fā)成核。相反，過(guò)冷度愈大，自發(fā)成核的臨界晶核尺寸愈小。也就是說(shuō)，隨著過(guò)冷度的增加液相中自發(fā)成核所需的近程有序原子集團(tuán)的尺寸也愈小。這意味著過(guò)冷度愈大愈易自發(fā)形成晶核。(二)晶核的形成晶核的形成分為均勻(自發(fā))成核和非均勻成8在實(shí)際金屬熔液中總是存在某些未溶的雜質(zhì)粒子，這些固態(tài)離子表面及鑄型壁等現(xiàn)成的界面都會(huì)成為液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)的自然晶核。凡是依附于母相中某些現(xiàn)成界面而成核的過(guò)程都稱為非均勻成核(非自發(fā)成核)。非均勻成核所需的過(guò)冷度比均勻成核的小的多。現(xiàn)成界面的狀態(tài)(表面能、浸潤(rùn)角、曲率半徑、晶格位向等)影響著非均勻成核的能力。均勻成核與非均勻成核在金屬結(jié)晶中是同時(shí)存在的。非均勻成核在實(shí)際生產(chǎn)中比均勻成核更重要。母相在給定的條件下產(chǎn)生晶核的能力可用成核率(N)來(lái)表示。成核率是指在單位時(shí)間和單位體積內(nèi)所形成的晶核數(shù)目。成核率愈大，結(jié)晶后晶體中的晶粒愈細(xì)小。

在實(shí)際金屬熔液中總是存在某些未溶的雜質(zhì)粒子，這些固態(tài)離子9(三)晶核的長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)就是晶核的固體界面向母相內(nèi)不斷的推進(jìn)。所需的原子由母相不斷地提供，通過(guò)原子本身的遷移和擴(kuò)散來(lái)完成。晶核長(zhǎng)大的能力可用晶核長(zhǎng)大線速度G來(lái)表示，簡(jiǎn)稱為長(zhǎng)大率。長(zhǎng)大率是指單位時(shí)間晶核界面向母相中推進(jìn)的距離。在結(jié)晶這種液固相變中，母相指的就是液相。在以后將要講的固態(tài)相變中母相是指原來(lái)的相。(三)晶核的長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)就是晶核的固體界面向母相10晶核長(zhǎng)大的方式的分類(lèi)(兩類(lèi))另一類(lèi)是絕大多數(shù)的純金屬及合金都是以樹(shù)枝狀的枝晶形式長(zhǎng)大。枝晶長(zhǎng)大是金屬結(jié)晶的普遍方式。這是由于金屬結(jié)晶時(shí)液態(tài)母相都是處于過(guò)冷狀態(tài)，具有負(fù)的溫度梯度。一類(lèi)是非金屬晶體、少量純金屬和金屬化合物(如：Si、Ge、Sb、CuAl2、Cu2Sb等)是以“生長(zhǎng)臺(tái)階”形式長(zhǎng)大。晶核長(zhǎng)大的方式的分類(lèi)(兩類(lèi))另一類(lèi)是絕大多數(shù)的純金屬及合金都11液態(tài)晶核長(zhǎng)大過(guò)程中晶核上的凸出部分(如：棱、尖角)都具有散熱優(yōu)勢(shì)，將優(yōu)先長(zhǎng)大，形成象樹(shù)枝生長(zhǎng)一樣，先長(zhǎng)出干枝稱為一次晶軸。在一次晶軸變粗變長(zhǎng)的同時(shí)，在其側(cè)面的凸出部位或晶體缺陷部位又會(huì)長(zhǎng)出分枝稱為二次晶軸，隨著時(shí)間的推移，二次晶軸的見(jiàn)的空隙也都被填滿。最后每個(gè)晶核都長(zhǎng)大，形成一個(gè)是樹(shù)枝狀的晶?！?，如圖3-3。金屬晶體就是有這些晶粒組成。因?yàn)榻饘偈遣煌该鞯?，且晶粒又很小，所以平常難以用眼睛直接看到枝晶。但是，在某些特殊的情況下也是可以看到的。如鍍鋅鋼板表面上的鋅晶?；y以及水結(jié)晶成雪花等都是枝晶生長(zhǎng)的可見(jiàn)實(shí)例。液態(tài)晶核長(zhǎng)大過(guò)程中晶核上的凸出部分(如：棱、尖角)都具12(四)金屬結(jié)晶后的晶粒大小晶粒的大小通常是指以晶粒度來(lái)表示。而晶粒度又是以單位界面內(nèi)晶粒數(shù)目的多少來(lái)劃分和標(biāo)定的。通常是晶粒愈小材料強(qiáng)度、塑性愈好。純鐵的晶粒大小與力學(xué)性能的關(guān)系見(jiàn)3-1。通過(guò)細(xì)化晶粒而使金屬材料力學(xué)性能提高的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。晶粒大小對(duì)材料的物理化學(xué)性能也有明顯的影響。如：硅鋼片中晶粒愈大磁滯損耗愈少耐蝕不銹鋼中晶粒愈大耐腐蝕性愈好?？梢?jiàn)，按照材料的不同用途和種類(lèi)應(yīng)合理的控制其晶粒大小。這就需要我們了解一些金屬結(jié)晶時(shí)影響晶粒大小的因素。(四)金屬結(jié)晶后的晶粒大小晶粒的大小通常是指以晶粒度來(lái)表示13金屬結(jié)晶時(shí)的成核率N和長(zhǎng)大率G與結(jié)晶后的晶粒大小有密切關(guān)系。而成核率與長(zhǎng)大率又與過(guò)冷度有直接關(guān)系，見(jiàn)圖3-4。從圖上可見(jiàn)，隨過(guò)冷度的增加，N與G均增加，但成核率N的增加速度更快些。單位面積內(nèi)的晶粒數(shù)Zs與成核率和長(zhǎng)大率G有如下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式Zs=1.1√N(yùn)/G顯然，加大過(guò)冷度會(huì)使Zs增加，即增加過(guò)冷度會(huì)使結(jié)晶后的晶粒變小。結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度主要取決與液體的冷卻速度，因此，結(jié)晶時(shí)冷卻速度越大，得到的晶粒也越小。金屬結(jié)晶時(shí)的成核率N和長(zhǎng)大率G與結(jié)晶后的晶粒大小有密切關(guān)系。14從公式中，可以看出，凡是能使成核率N增加和使長(zhǎng)大率G減小的因素都能促進(jìn)晶粒細(xì)化。增加冷卻速度可以細(xì)化晶粒，但是，同時(shí)使結(jié)晶時(shí)的鑄造應(yīng)力增加。另外，對(duì)于大體積的鑄錠與鑄件提高冷速是困難的。團(tuán)此，在實(shí)際鑄造生產(chǎn)中往往采用“變質(zhì)處理”，即在澆注之前向金屬液中加入某些物質(zhì)(變質(zhì)劑)來(lái)促進(jìn)晶粒細(xì)化。變質(zhì)劑主要有兩大類(lèi)型。其一是，變質(zhì)劑作為非均勻成核的晶核(人工晶核)，從而通過(guò)增加成核率來(lái)細(xì)化晶粒。如：向鋼中加Ti、Zr、B、Al；向鑄鐵中加St、Ca等。另一是，變質(zhì)劑作為長(zhǎng)大率的阻礙物，通過(guò)降低長(zhǎng)大速度來(lái)細(xì)化晶粒。如：在鋁硅合金中加入一些鈉鹽的變質(zhì)處理就是通過(guò)鈉來(lái)降低硅的長(zhǎng)大速度來(lái)細(xì)化硅的晶粒。在生產(chǎn)工藝中，有時(shí)還采用振動(dòng)的手段造成枝晶碎斷，則各個(gè)枝晶碎塊都可以變成一個(gè)新的晶核，從而也會(huì)使結(jié)晶后的晶粒細(xì)化。從公式中，可以看出，凡是能使成核率N增加和使長(zhǎng)大率G減小15三、金屬鑄錠的鑄態(tài)組織及缺陷在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬結(jié)晶主要涉及五個(gè)方面的應(yīng)用。鑄錠、鑄件、金屬粉、焊接、熱浸鍍層。金屬凝固結(jié)晶后的組織統(tǒng)稱鑄態(tài)組織。下面以鑄錠為例介紹鑄態(tài)組織。鑄錠是各種金屬材料成材的毛坯。通過(guò)對(duì)鑄錠的熱軋等塑性變形可制成各種規(guī)格的型材、板材、棒材等供人們使用。鑄錠的鑄態(tài)組織是指其晶粒的形態(tài)、大小、取向及缺陷(如：疏松、夾雜、氣孔等)和界面的形貌等。三、金屬鑄錠的鑄態(tài)組織及缺陷在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬結(jié)晶主要涉及16由于澆注在鑄模型腔中的液態(tài)金屬的冷卻速度、體積的大小、化學(xué)成分及變質(zhì)劑等的不同，鑄錠可以有三種典型的晶粒形態(tài)，見(jiàn)圖3－5。其中a圖是全部較細(xì)的等軸晶粒。b圖是全部柱狀晶粒。C圖是最常見(jiàn)的鑄錠晶粒情況，表層(接觸鑄模型腔部分)是薄薄的一層細(xì)小等軸晶粒，稱為表層細(xì)晶區(qū)接著是一層柱狀晶，稱為柱狀晶區(qū)。中心區(qū)域是較粗大的等軸晶，稱為中心等軸晶區(qū)。所謂等軸晶是指晶粒在各方向上的尺寸相差較小的晶粒。而柱狀晶是指某一方向上的尺寸遠(yuǎn)大于其它方向上的尺寸的長(zhǎng)晶粒。由于澆注在鑄模型腔中的液態(tài)金屬的冷卻速度、體積的大小、化17經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柱狀晶的長(zhǎng)度和等軸晶的尺寸主要取決于澆注溫度和合金元素。如；隨澆注溫度升高柱狀晶長(zhǎng)度增加，等軸晶粒尺寸增大；合金元素含量增加可使柱狀晶長(zhǎng)度減短，等軸晶粒尺寸減小。表層細(xì)晶區(qū)是由于模壁附近散熱速度快，并且散熱沒(méi)有突出的優(yōu)勢(shì)方向及模壁處兩種成核率都很高等結(jié)晶條件所造成的。此層組織致密，力學(xué)性能很好，但由于此層很薄，對(duì)整個(gè)鑄錠性能影響不大。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柱狀晶的長(zhǎng)度和等軸晶的尺寸主要取決于澆注溫度和18當(dāng)表層細(xì)晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細(xì)晶區(qū)前面的液體散熱能力下降，過(guò)冷度也下降。但是在各方向上散熱能力的下降是不同的。垂直于模壁的方向顯出散熱優(yōu)勢(shì)，有利于晶粒逆著傳熱方向不斷地向液相區(qū)生長(zhǎng)。而在平行模壁方向散熱能力較差，并且晶粒徑向僅能長(zhǎng)大較短距離相鄰晶粒就互相接觸，停止生長(zhǎng)。因此在細(xì)晶區(qū)形成后，接著形成了一個(gè)柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)金屬較致密，沿柱狀晶軸向強(qiáng)度很高，但近于平行的柱狀晶晶粒之間的徑向結(jié)合強(qiáng)度卻較低。柱狀晶區(qū)有明顯的各向異性。當(dāng)對(duì)鑄錠進(jìn)行塑性變形時(shí)住狀晶區(qū)易出現(xiàn)晶間開(kāi)裂。當(dāng)表層細(xì)晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細(xì)晶區(qū)前面的液19另外，當(dāng)不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)往狀晶區(qū)的交界。此處的雜質(zhì)、氣泡、縮松等較多，成為鑄錠的脆弱結(jié)合面。當(dāng)鑄錠接受塑性變形時(shí)此處也易開(kāi)裂。因此，除塑性極好的一些有色金屬的鑄錠外，并不希望獲得柱狀晶區(qū)。在鑄造工藝上，常采用振動(dòng)方法來(lái)破壞柱狀晶區(qū)的形成和長(zhǎng)大，也常采用變質(zhì)處理來(lái)阻礙柱狀晶長(zhǎng)大，并促進(jìn)中心等軸晶區(qū)的擴(kuò)大來(lái)減少柱狀晶區(qū)。另外，避免金屬液過(guò)熱澆注也會(huì)防止柱狀晶區(qū)過(guò)大。另外，當(dāng)不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)往狀晶區(qū)的20當(dāng)柱狀晶向液相中生長(zhǎng)到一定深度后，垂直于模壁方向的散熱優(yōu)熱將不再明顯。尤其是當(dāng)已凝固區(qū)隨溫度下降而使體積收縮與模壁之間出現(xiàn)間隙時(shí)傳熱速度降低，剩余液相金屬的冷卻速度也會(huì)進(jìn)一步降低，溫度梯度減小，趨于均勻冷卻，柱狀晶的生長(zhǎng)將會(huì)變慢。此時(shí)剩余液體中也會(huì)有一些新晶粒的形成并長(zhǎng)大。因無(wú)散熱優(yōu)勢(shì)方向，新晶粒將會(huì)長(zhǎng)成等軸晶粒。又因剩余液體散熱慢，過(guò)冷度較?。a(chǎn)生的自發(fā)晶核數(shù)量有限，故晶粒長(zhǎng)得較大(但若有非自發(fā)晶核存在，晶粒不會(huì)長(zhǎng)得很大)。從而在相鄰柱狀晶區(qū)的鑄錠心部地區(qū)形成一個(gè)晶粒較粗的等軸晶區(qū)。由于此區(qū)是最后凝固的，因此，一些低熔點(diǎn)的雜質(zhì)或合金元素可能偏多些，以及液體補(bǔ)充不足而出現(xiàn)中心偏析及疏松。當(dāng)柱狀晶向液相中生長(zhǎng)到一定深度后，垂直于模壁方向的散熱優(yōu)21但此晶區(qū)晶粒之間是犬牙交錯(cuò)的結(jié)合在一起，當(dāng)鑄錠受到塑性變形時(shí)不會(huì)象柱狀晶區(qū)那樣易產(chǎn)生沿晶界的開(kāi)裂。對(duì)于鋼錠來(lái)說(shuō)，一般是希望等軸晶區(qū)愈大愈好。綜上所述，鑄錠的鑄造組織是不均勻的，也比較粗大，且有許多鑄造缺陷存在。具體的鑄造組織是由合金的化學(xué)成分和澆注條件等因素來(lái)決定的。當(dāng)化學(xué)成分一定時(shí)，澆注條件極為重要。通常情況下，提高澆注溫度、加快冷卻速度或采用定向冷卻散熱方法，并減少液體中產(chǎn)生非自發(fā)晶核等條件則有利于柱狀晶區(qū)的形成和擴(kuò)展。相反，有利于等軸晶區(qū)的形成和擴(kuò)展。甚至可以根據(jù)工作的需要，制成純柱狀晶鑄錠和純等軸晶鑄錠。但此晶區(qū)晶粒之間是犬牙交錯(cuò)的結(jié)合在一起，當(dāng)鑄錠受到塑性變22第二節(jié)合金結(jié)晶與二元合金相圖合金結(jié)晶的基本規(guī)律與純金屬的結(jié)晶基本相同，也是在一定過(guò)冷度下成核和長(zhǎng)大來(lái)完成結(jié)晶的。但是，其結(jié)晶過(guò)程更復(fù)雜，得到的組織可以是單相或是多相，既可是純固溶體也可是化合物或兩相組成的機(jī)械混合物。而具體成分的合金顯微組織可能是其中的一個(gè)相或一個(gè)基本組織，也可能是多個(gè)相及基本組織的組合。而且在不同溫度下，同一化學(xué)成分合金的顯微組織也可能不同。對(duì)如此復(fù)雜的情況，只用冷卻曲線或語(yǔ)言簡(jiǎn)單敘述是很不方便的。因此，出現(xiàn)了用相圖這種形式來(lái)表述合金的結(jié)晶及冷卻的相變狀況。第二節(jié)合金結(jié)晶與二元合金相圖合金結(jié)晶的基本規(guī)律與純金23相圖是在平衡態(tài)下測(cè)畫(huà)出來(lái)的。因此也稱合金的平衡狀態(tài)圖。相圖是表示在平衡狀態(tài)下合金的化學(xué)成分、相、組織與溫度的關(guān)系圖。由于受到幾何表述的限制，雖然合金系中的組元可以是多個(gè)，但是，只能測(cè)畫(huà)出二元合金的二元相圖和三元合金的三元相圖，三元以上的合金通常是不能直接用相圖來(lái)表述。即使三元合金的相圖也是很復(fù)雜的。本書(shū)只介紹二元合金相圖。相圖是在平衡態(tài)下測(cè)畫(huà)出來(lái)的。因此也稱合金的平衡狀態(tài)圖。相24一、二元合金相圖的測(cè)畫(huà)在每個(gè)二元合金系中都有無(wú)數(shù)個(gè)不同化學(xué)成分比例的合金。每一個(gè)具體成分合金都可以用熱分析法測(cè)定出它的冷卻曲線。將這些冷卻曲線上的相轉(zhuǎn)變點(diǎn)都轉(zhuǎn)畫(huà)到一個(gè)以溫度為縱軸，化學(xué)成分為橫軸的坐標(biāo)中相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上，則這些相變點(diǎn)所形成的各條曲線就構(gòu)成了一個(gè)二元合金系的相圖。一、二元合金相圖的測(cè)畫(huà)在每個(gè)二元合金系中都有無(wú)數(shù)個(gè)不同化25實(shí)際上測(cè)畫(huà)一個(gè)合金系的相圖時(shí)，只需精確地測(cè)定這個(gè)合金系中一些有代表性的合金冷卻曲線。再在溫度——化學(xué)成分的坐標(biāo)上將相同意義的相變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)用平滑曲線連接起來(lái)就了這個(gè)合金系的相圖。在相圖上將各個(gè)交點(diǎn)標(biāo)出字符，將各個(gè)相區(qū)內(nèi)填上相應(yīng)的相或基本組織的代號(hào)就得到了一張完整的相圖了。下面以Ni-Cu二元合金為例，示意二元相圖的測(cè)畫(huà)方法，見(jiàn)圖3－6。實(shí)際上測(cè)畫(huà)一個(gè)合金系的相圖時(shí)，只需精確地測(cè)定這個(gè)合金系中26若某些相變點(diǎn)用熱分析法很難測(cè)準(zhǔn)，可以采用X光衍射法、金相法、膨脹法等來(lái)測(cè)定核實(shí)。有些合金系的相圖就是一種典型的基本相圖。如：勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖等等。而更多的合金系的相圖是很復(fù)雜的。但也都是由這些基本相圖組合而成的。下面我們分別介紹一下常見(jiàn)的基本相圖。若某些相變點(diǎn)用熱分析法很難測(cè)準(zhǔn)，可以采用X光衍射法、金相27二、二元合金相圖基本類(lèi)型及合金的結(jié)晶過(guò)程(一)勻晶相圖——產(chǎn)生單一固溶體相的合金相圖對(duì)于合金組元在液相和固相下均能無(wú)限互溶，結(jié)晶時(shí)只結(jié)晶出單相固溶體組織，這種合金系的相圖就是典型的勾晶相圖。如：An－As、Ni－Cu、Fe－Cr、W－Mo等二元合金系的相圖。都是勻晶相圖。二、二元合金相圖基本類(lèi)型及合金的結(jié)晶過(guò)程(一)勻晶相圖——產(chǎn)281．勻晶相圖分析及合金的結(jié)晶過(guò)程以Cu－Ni合金為例，見(jiàn)圖3－7，圖中A點(diǎn)是純銅的熔點(diǎn)(1083C)；B點(diǎn)是純鎳的熔點(diǎn)(1452C)；AL3L2L1B曲線是液相開(kāi)始結(jié)晶的溫度線，稱為液相線，在其線以上的區(qū)域合金系全部是呈液相L狀態(tài)，稱為液相區(qū)。A321B曲線是液相全部結(jié)晶結(jié)束的溫度線，稱為固相線；在其線以下的區(qū)域合金系全部結(jié)晶成同一種均勻的固溶體相，此區(qū)稱為固相區(qū)。在液相線與團(tuán)相線圍成的區(qū)域內(nèi)是液相與團(tuán)相共存的區(qū)域(L十)，稱為兩相區(qū)。

1．勻晶相圖分析及合金的結(jié)晶過(guò)程以Cu－Ni合金為例，見(jiàn)29銅與鎳兩組元組成的二元合金在固態(tài)下是無(wú)限固溶的，所以，任何成分比例都結(jié)晶成單相固溶體。由液相直接結(jié)晶成單相固溶體的結(jié)晶轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變。在Cu－Ni合金系中，除純Cu和純Ni的結(jié)晶是純金屬的結(jié)晶，其結(jié)晶溫度是一個(gè)點(diǎn)之外，其它任一個(gè)合金的結(jié)晶都是在一個(gè)相應(yīng)的溫度區(qū)間內(nèi)完成結(jié)晶的。雖然溫度區(qū)間的大小和溫度的高低不同，但結(jié)晶規(guī)律是相同的。下面以Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%開(kāi)的Cu-Ni合金為例闡述其結(jié)晶過(guò)程。銅與鎳兩組元組成的二元合金在固態(tài)下是無(wú)限固溶的，所以，任30從圖3－7上可見(jiàn)，WNi=20%的合金化學(xué)成分垂線與液相線相交于L1，與固相線相交于3當(dāng)該合金由液相緩慢冷卻(平衡狀態(tài))至t1溫度時(shí)，由液相中開(kāi)始結(jié)晶出相。隨著溫度的不斷降低相比例不斷增加，剩余液相的比例不斷減少直至到t3溫度，液相L全部結(jié)晶成以相。在溫度由t1降到t3的結(jié)晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中，不僅L與兩相所占的比例不斷變化，而且L和兩相的化學(xué)成分，通過(guò)原子擴(kuò)散也不斷地變化。在t1時(shí)，結(jié)晶出來(lái)的相的化學(xué)成分為幾點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的成分(含Ni高于合金成分)，剩余液相的化學(xué)成分為L(zhǎng)1點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的成分。

從圖3－7上可見(jiàn)，WNi=20%的合金化學(xué)成分垂線與液相線31在t1、t3溫度時(shí)相的化學(xué)成分分別為2，3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成分。而剩余液相的化學(xué)成分分別為L(zhǎng)2、L3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成分。這就是說(shuō)，在不同溫度下剛剛結(jié)晶出來(lái)的固相的化學(xué)成分是不相同的，其變化規(guī)律是沿著固相線變化。與此同時(shí)剩余液相的化學(xué)成分也相應(yīng)地沿著液相線變化。但是，由于冷卻速度很慢(平衡態(tài))，又處在足夠高的溫度下，所以，當(dāng)結(jié)晶結(jié)束時(shí)，無(wú)論是先結(jié)晶的目相，還是后結(jié)晶出來(lái)的相，其化學(xué)成分都將通過(guò)原子足夠長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散而趨平均勻相同。并且相的晶粒通常都是不規(guī)則的多面體狀，稱等軸晶粒。

在t1、t3溫度時(shí)相的化學(xué)成分分別為2，3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的322.枝晶偏析由前述可知不同溫度下結(jié)晶出來(lái)的相成分是不同的，溫度高時(shí)結(jié)晶出來(lái)的相含熔點(diǎn)高的鎳元素多，溫度低時(shí)結(jié)晶的相含鎳少。由于在實(shí)際生產(chǎn)中冷卻速度較快(不能保證平衡態(tài))，原子擴(kuò)散遷移滯后于結(jié)晶，相化學(xué)成分的均勻性得不到保證。這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)晶粒內(nèi)，各處成分的不均勻現(xiàn)象。稱為晶內(nèi)偏析。因?yàn)橄嗍且灾Х绞浇Y(jié)晶，先形成的主干和后形成的支干就會(huì)有化學(xué)成分之差，所以也稱枝晶偏析，見(jiàn)圖3－8。2.枝晶偏析由前述可知不同溫度下結(jié)晶出來(lái)的相成分是不33在CuNi合金枝晶偏析中，白色區(qū)域是先結(jié)晶的部分，鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于合金成分，黑色區(qū)域是后結(jié)晶的部分，銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于合金成分。枝晶偏析會(huì)降低合金的力學(xué)性能(尤其是塑性和韌性)和工藝性能。對(duì)于有枝晶偏析的鑄錠和鑄件可采用在低于固相線100C～200C的溫度下進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的加熱，通過(guò)原子的相互擴(kuò)散而使成分趨于均勻，消除枝晶偏析。這種熱處理方法稱為均勻化退火，也稱擴(kuò)散退火。在CuNi合金枝晶偏析中，白色區(qū)域是先結(jié)晶的部分，鎳的質(zhì)量343.杠桿定律在相圖的兩相區(qū)中，隨著溫度的變化兩個(gè)相的化學(xué)成分和兩相的相對(duì)含量都在變化。兩個(gè)相的化學(xué)成分變化是沿著其相應(yīng)的相線變化。在給定的溫度下，作一條平行于橫軸的直線，與相應(yīng)的相線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分就是相應(yīng)相的化學(xué)成分。但是。在一定溫度下兩個(gè)相的相對(duì)含量如何確定呢？相的相對(duì)含量可用杠桿定律來(lái)確定。見(jiàn)圖3－9。

3.杠桿定律在相圖的兩相區(qū)中，隨著溫度的變化兩個(gè)相的35值得說(shuō)明的是杠桿定律雖然是從勻晶相圖上的液固兩相區(qū)推導(dǎo)出來(lái)的，但它們可以適用于任何二元相圖的任何一個(gè)兩相區(qū)中相的相對(duì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的計(jì)算。固態(tài)相變的兩相區(qū)也適用。值得說(shuō)明的是杠桿定律雖然是從勻晶相圖上的液固兩相區(qū)推導(dǎo)36(二)共晶相圖—具有兩相機(jī)械混合物的合金相圖在二元合金系中，組元在液相無(wú)限互溶，在固相有限互溶，并且在結(jié)晶過(guò)程中，以共晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞯南鄨D就是共晶相圖。如AI－Si、Pb－－Sb、Pb－Sn、Ag－Cu等合金系在結(jié)晶時(shí)都是以共晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳌＿@些合金系的相圖都是比較典型的共晶相圖。所謂的共晶轉(zhuǎn)變是指令全系中某一定化學(xué)成分的合金在一定的溫度下(恒溫)，同時(shí)由液相中結(jié)晶出兩種不同成分和不同晶體結(jié)構(gòu)的固相。同時(shí)結(jié)晶出來(lái)的兩種固相機(jī)械的混合在一起，形成有固定化學(xué)成分的基本組織，被統(tǒng)稱為共晶體。(二)共晶相圖—具有兩相機(jī)械混合物的合金相圖在二元合371．相圖分析以Pb－Sn合金系為例，見(jiàn)圖3－10。Pb－Sn相圖是以共晶型轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕Y(jié)晶方式的相圖，在靠近組元兩端各有一個(gè)有限固溶的勻晶型結(jié)晶區(qū)域。Pb與Sn都能形成有限固溶體。其中以Pb為溶劑，Sn為溶質(zhì)形成α固溶體。Sn在Pb中最大溶解度為F點(diǎn)，其錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)WSn為19%，而以Sn為溶劑Pb為溶質(zhì)則形成β固溶體。Pb在Sn中最大溶解度為G點(diǎn)，其鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)WPb為2.5%。固溶體α與β的液相線相交于E點(diǎn)。E點(diǎn)被稱為共晶點(diǎn)。即在183℃，當(dāng)化學(xué)成分中Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.9%時(shí)則發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變的兩相機(jī)械混合物，稱為共晶體，是一種有固定化學(xué)成分(WSn=61.9%)的基本組織。1．相圖分析以Pb－Sn合金系為例，見(jiàn)圖3－10。Pb－Sn38

A點(diǎn)為Pb的熔點(diǎn)(327.5oC)，B點(diǎn)是Sn的熔點(diǎn)(231.9oC)，AEB線是液相線，AFEGB線是固相線，直線段FEG是共晶線，溫度是183oC。此線所對(duì)應(yīng)的合金，除E點(diǎn)成分的液相全部發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變外，其它成分的合金也有部分液體在183oC時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。因?yàn)樗鼈兿冉Y(jié)晶出固溶體α或β后，剩余液體的化學(xué)成分隨溫度下降，沿液相線變化，當(dāng)?shù)?83oC時(shí)，剩余液體的化學(xué)成分也都達(dá)到共晶轉(zhuǎn)變的成分(E點(diǎn)的成分)，于是剩余液體發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變成共晶體。FC是α固溶體溶解度隨溫度變化曲線，即Sn在Pb中溶解度變化曲線，稱α固溶體溶解度曲線。GD是β固溶體溶解度線。在Pb－Sn相圖中，單相區(qū)有三個(gè)，它們是L、α、β；兩相區(qū)也有三個(gè)L十α，L十β，α十β；三相共存區(qū)有一個(gè)，即共晶線FEG。在共晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中L、α、β三相可以同時(shí)存在。

A點(diǎn)為Pb的熔點(diǎn)(327.5oC)，B點(diǎn)是Sn的熔392.典型合金的結(jié)晶過(guò)程對(duì)于具有共晶相圖的合金系，根據(jù)其結(jié)晶的特點(diǎn)不同，可分為三種類(lèi)型合金：對(duì)應(yīng)共晶成分的合金稱共晶合金；化學(xué)成分低于或高于共晶成分的分別稱亞共晶合金或過(guò)共晶合金；沒(méi)有共晶轉(zhuǎn)變而只有固溶體勻晶轉(zhuǎn)變的合金稱固溶體合金。在Pb－Sn合金系中，WSn=61%．是共晶合金；WSn＜19%是固溶體合金；WSn＞9%是β固溶體合金；WSn＞19%見(jiàn)是亞共晶合金；61.9%＜WSn<97.5%是過(guò)共晶合金。在圖3-10中合金M(WSn=61.5%)、合金K(WSn＝28%)、合金y(WSn=12%)，分別代表著共晶合金、亞共晶合金、固溶體合金。這三種典型合金的結(jié)晶過(guò)程，見(jiàn)圖3－11。

2.典型合金的結(jié)晶過(guò)程對(duì)于具有共晶相圖的合金系，根據(jù)其40當(dāng)液相(L)冷卻到液相線時(shí)(S1)，開(kāi)始由液相中成核結(jié)晶出固溶體相。當(dāng)冷到固溶線時(shí)(S3)，液相全部結(jié)晶成固溶體，這與前述的勻晶轉(zhuǎn)變是相同的。當(dāng)固溶體冷到溶解度線時(shí)(S4)，由于Sn在Pb中溶解度的下降，開(kāi)始以β固溶體形式析出多余的Sn，此時(shí)析出的β由于不是直接從液相中結(jié)晶出來(lái)的，稱為二次固溶體。盡管其化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)與直接從液相中結(jié)晶出來(lái)的β相在同樣溫度下是完全一樣的，但其形態(tài)和分布有所不同，對(duì)材料性能影響也有所不同，故加以下標(biāo)Ⅱ以示區(qū)別。一直冷到室溫下，合金N的顯微組織是十βⅡ，βⅡ的相對(duì)含量隨固溶體合金成分中錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少而減少。當(dāng)WSn

2%(C點(diǎn))時(shí)，βⅡ的含量為零。即Sn含量不大于C點(diǎn)的固溶體合金，室溫時(shí)的顯微組織是單相固溶體。對(duì)以Sn為溶劑Pb為溶質(zhì)的β固溶體合金，其結(jié)晶冷卻過(guò)程與固溶體合金的相似。其室溫組織為β十Ⅱ。(1)固溶體合金N的結(jié)晶過(guò)程當(dāng)液相(L)冷卻到液相線時(shí)(S1)，開(kāi)始由液相中成核結(jié)晶41當(dāng)合金成分為M的合金冷卻到液相線E點(diǎn)時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。同時(shí)結(jié)晶出來(lái)的F和βG兩相機(jī)械混合在一起成為共晶體。當(dāng)溫度低于183C直到室溫，共晶體中兩個(gè)固溶體相分別析出β十Ⅱ，并與共晶體中原來(lái)的相和β相混合在一起，仍保持一個(gè)有M成分的共晶體整體，只是共晶體內(nèi)的相和β相的化學(xué)成分降到室溫時(shí)的溶解度成分。室溫時(shí)固溶體可不用角標(biāo)來(lái)表明成分含量。所以共晶合金的室溫組織可寫(xiě)成(十β)。(2)共晶合金M的結(jié)晶過(guò)程:當(dāng)合金成分為M的合金冷卻到液相線E點(diǎn)時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。42當(dāng)K合金冷卻到液相線時(shí)(S2)，開(kāi)始由液相中結(jié)晶處α固溶體，記為α1；稱為一次固溶體。在冷到固相線之前是兩相共存，只是α1的相對(duì)含量不斷增加，L剩不斷減少，并且L剩中的Sn質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿液相線不斷增加。當(dāng)剩余液相冷到固相線(183C)時(shí)，其Sn質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到E點(diǎn)的成分。這時(shí)剩余的液相將全部發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變成為共晶體。這時(shí)合金K的液相已全部結(jié)晶完了。其顯微組織是。α1十(αF十βG)E。當(dāng)溫度降到183C以下直至室溫時(shí)，固溶體α1按固溶體合金冷卻規(guī)律冷卻。而共晶體按共晶合金的冷卻規(guī)律冷卻。所以，亞共晶合金在室溫時(shí)顯微組織是α十βⅡ+(a十β)。對(duì)于過(guò)共晶合金的結(jié)晶冷卻過(guò)程與亞共晶合金的結(jié)晶冷卻過(guò)程是相似的。過(guò)共晶合金在室溫下的顯微組織是β十Ⅱ+(a十β)。(3)亞共晶合金K的結(jié)晶過(guò)程：當(dāng)K合金冷卻到液相線時(shí)(S2)，開(kāi)始由液相中結(jié)晶處43在合金的顯微組織中，基本相被稱為合金的相組成物。如：Pb－Sn合金中的和β兩種固溶體。而由基本相組成的單相組織和共晶體等基本組織被稱為合金的組織組成物。如：Pb－Sn合金中的亞共晶合金的組織組成物是、βⅡ、(＋β)。而過(guò)共晶合金的組織組成物是β、Ⅱ、(十β)。共晶合金的組織組成物是（＋β)。固溶體合金的組織組成物β＋Ⅱ或＋β。在相圖中除按相組成物標(biāo)明相區(qū)外，還可以用組織組成物來(lái)標(biāo)明各相區(qū)。在顯微鏡下可以看到合金的組織組成物。有相同相組成物的合金可以有不同的組織組成物。其性能也各不相同。在Pb－Sn合金系中，共晶合金、亞（或過(guò)）共晶合金中均有相同相組成物、β。但卻有不同的組織組成物（如前所述），因而性能也各異。在合金的顯微組織中，基本相被稱為合金的相組成物。如：Pb－S443.體積質(zhì)量偏析在共晶合金系中，亞、過(guò)共晶合金結(jié)晶時(shí)，先結(jié)晶出來(lái)先共晶相(如：Pb－Sn合金中

Ⅰ或βⅠ相)其體積質(zhì)量與剩余液相不同。如果冷卻速度很慢，就可能出現(xiàn)先共晶相的上浮或下浮，而使整個(gè)鑄件上部與下部化學(xué)成分不同。這種由于體積質(zhì)量的原因而引起的鑄件成分偏析稱為體積質(zhì)量偏析。這種偏析不同于前述的枝晶(晶內(nèi))偏析。其偏析不是在一個(gè)晶粒之內(nèi)，而是在一個(gè)鑄件的宏觀部位上出現(xiàn)偏析。兩組元體積質(zhì)量差別愈大，引起體積質(zhì)量偏折愈嚴(yán)重。合金成分不同，結(jié)晶溫度區(qū)間(液固相線間距離)）也不同，溫度區(qū)間愈大的合金，固液兩相共存的時(shí)間也愈長(zhǎng)，得到上浮或下浮的時(shí)間也愈長(zhǎng)，體積質(zhì)量偏析也愈嚴(yán)重。冷卻速度愈慢也會(huì)造成同樣效果。3.體積質(zhì)量偏析45嚴(yán)重體積質(zhì)量偏析的鑄件各處的化學(xué)成分、顯微組織不同，造成力學(xué)性能各處也各異。這會(huì)降低鑄件的使用壽命。我們不希望產(chǎn)生嚴(yán)重的體積質(zhì)量偏析。體積質(zhì)量偏析一旦產(chǎn)生，用熱處理方法也不能消除。所以，多在選用合金化學(xué)成分上和合金結(jié)晶時(shí)采取各種工藝措施來(lái)盡量減少這種偏析。如：盡量選用靠近共晶點(diǎn)成分的合金以減小結(jié)晶溫度區(qū)間；結(jié)晶時(shí)冷卻速度盡量快些，澆注時(shí)注意攪拌以破壞先共晶相的上浮或下沉等等工藝措施都是有效的。嚴(yán)重體積質(zhì)量偏析的鑄件各處的化學(xué)成分、顯微組織不同，造46(三)包晶相圖——具有液固兩相共同轉(zhuǎn)變成為另一固相的合金相圖兩組元在液相無(wú)限互溶，在固相下有限固溶，并在合金結(jié)晶時(shí)以包晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞯暮辖鹣鄨D稱包晶相圖。所謂包晶轉(zhuǎn)變是指在一定溫度下，由一定成分的固相和一定成分的液相相互作用產(chǎn)生一種新固相的結(jié)晶轉(zhuǎn)變。包晶轉(zhuǎn)變也是常見(jiàn)的一種合金結(jié)晶方式。具有包晶轉(zhuǎn)變的合金系有Ag－Sn、Ag－Pt、Cu－Zn、Cu－Sn等。下面以Pt－Ag合金為例介紹包晶相圖，見(jiàn)圖3－12。(三)包晶相圖——具有液固兩相共同轉(zhuǎn)變成為另一固相的合金相圖471.

相圖的分析（1）主要相變點(diǎn)：A點(diǎn)為Pt的熔點(diǎn)1772C；B點(diǎn)為Ag的熔點(diǎn)962C；D點(diǎn)為包晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)(1186C，WAg＝42.4%)；C點(diǎn)為包晶轉(zhuǎn)變液相成分點(diǎn)(1186C，WAg＝66.3%)；P點(diǎn)為Ag在Pt中最大溶解度點(diǎn)(1186C，WAg＝10.5%)。（2）主要相變線：ACB為液相線、APDB為固相線、PE和DF分別是Ag在Pt中和Pt在Ag中的溶解度曲線、PDC是包晶轉(zhuǎn)變線。（3）相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)L、α、β；兩相區(qū)L十α、L＋β、β十α；三相共存區(qū)是PDC線，它是L、α、β三相共存區(qū)。1.

相圖的分析（1）主要相變點(diǎn)：A點(diǎn)為Pt的熔點(diǎn)17482．典型合金的結(jié)晶過(guò)程以合金?、??、???為例

合金?：這是具有包晶轉(zhuǎn)變成分的合金。這種合金結(jié)晶過(guò)程見(jiàn)圖3－13a。當(dāng)溫度降到1～D之間從液相中結(jié)晶出Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的一次α固溶體相。隨溫度下降α相含量增加，剩余液相減少。并且α相的銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿AP線變化（Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，但始終低于合金I的銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)），而剩余的液相Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿AC線變化（Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也逐漸增加，高于合金?銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。當(dāng)降到1186C的D點(diǎn)時(shí)α相銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.5%，剩余液相銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66.3%。而兩相相對(duì)含量也可用杠桿定律求出：QL=(42.4-10.5)／(66.3-10.5)=57%，Qα＝43%。這時(shí)發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變。合金?就轉(zhuǎn)變成單相固溶體β。這個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程需要Ag、Pt原子進(jìn)行必要的擴(kuò)散才能完成。當(dāng)溫度進(jìn)一步下降，β固溶體的溶解度也下降，于是將多余的Pt元素以αⅡ形式析出來(lái)。所以合金?在室溫下的顯微組織是：在β固溶體相的基體上彌散地分布著粒狀α固溶體相。2．典型合金的結(jié)晶過(guò)程以合金?、??、???為例合金49

合金II：結(jié)晶冷卻過(guò)程見(jiàn)圖3－13b。當(dāng)溫度降到1～2點(diǎn)之間其結(jié)晶情況同合金I。但是，這時(shí)的剩余液相的含量QL高于57%。根據(jù)前述計(jì)算可知，只能有57%液相與α相發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變成β相。也即在包晶轉(zhuǎn)變完了，仍有部分剩余的液相，這部分液相在2～3點(diǎn)之間以勻晶轉(zhuǎn)變形式也結(jié)晶成β相。所以在3～4點(diǎn)之間合金II是單相β固溶體組織。在點(diǎn)4至室溫時(shí)，由于β固溶體對(duì)Pt溶解度的下降，將析出αⅡ相。所以，合金II在室溫下的組織也是在β固溶體相的基體上彌散分布著粒狀αⅡ相。合金II：結(jié)晶冷卻過(guò)程見(jiàn)圖3－13b。當(dāng)溫度降到1～50

合金III：結(jié)晶冷卻示意圖見(jiàn)圖3－13c。當(dāng)溫度降到1～2點(diǎn)之間，結(jié)晶情況同合金I。是由一次固溶體α1與剩余的液相L組成的組織。當(dāng)溫度降到1186C時(shí)(2點(diǎn))，αI的成分變成P點(diǎn)成分為αP，剩余的液相變成C點(diǎn)的成分LC。則發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變。但是。由于α相的相對(duì)含量Qα大于包晶時(shí)所需的43%，所以，包晶轉(zhuǎn)變后仍有剩余的α相。于是包晶轉(zhuǎn)變后合金III的組織是α十β的雙相組織。而且α相被β包圍著。這不同于前兩種合金。當(dāng)合金III由1186C降到室溫時(shí)，因α和β固溶體的溶解度下降則分別析出βⅡ和αⅡ。所以，室溫時(shí)合金III的組織是α十βⅡ十αⅡ十β合金III：結(jié)晶冷卻示意圖見(jiàn)圖3－13c。當(dāng)溫度降到1513.包晶偏析在包晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中，由液相結(jié)晶的初生固相被包晶轉(zhuǎn)變新生成相β所包圍。見(jiàn)圖3－13a中包晶轉(zhuǎn)變開(kāi)始示意圖。當(dāng)β相繼續(xù)長(zhǎng)大時(shí)要同時(shí)消耗相和液相。因?yàn)?、β、L三相的Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是不相同的，要轉(zhuǎn)變必須有Ag、Pt原子的擴(kuò)散。在β相長(zhǎng)大時(shí)富Ag的液相，需將Ag原子通過(guò)β相擴(kuò)散到貧Ag的相中，而富Pt的相也需將Pt原子通過(guò)β相擴(kuò)散到貧Pt的液相中。這種較大直徑的原子通過(guò)固相的擴(kuò)散速度是較小的。所以，包晶轉(zhuǎn)變是很慢的。在實(shí)際生產(chǎn)中由于冷卻速度不可能非常慢，因此，也會(huì)產(chǎn)生成分的偏析。這種由于包晶轉(zhuǎn)變不能充分完成而產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為包晶偏析。包晶偏析可通過(guò)擴(kuò)散退火得到減輕或消除。3.包晶偏析在包晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中，由液相結(jié)晶的初生52（四）其它相圖前述的勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖是合金結(jié)晶中最基本的三種二元合金相圖。除此之外，還有一些結(jié)晶類(lèi)型的相圖：偏晶相圖(如Cu－Pb系)、形成穩(wěn)定化合物的相圖(如Mg－Si系)、生成不穩(wěn)定化合物的相圖(如K－Na系)等。另外，合金組元如果具有同素異構(gòu)性，則合金結(jié)晶結(jié)束后冷到某溫度又會(huì)發(fā)生由一個(gè)固相共析轉(zhuǎn)變成另兩個(gè)固相混合物的共析相圖以及兩個(gè)固相在一定溫度下包析轉(zhuǎn)變成一個(gè)固相包析相圖等。而更多的合金系其相圖是由多種基本相圖組合而成的復(fù)雜相圖。如：Fe－C合金相圖就是一個(gè)復(fù)雜相圖。它是鋼鐵材料的基礎(chǔ)。我們將在第五章中作詳細(xì)介紹。（四）其它相圖前述的勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖是合53第三節(jié)合金的性能與相圖的關(guān)系

合金的性能取決于合金的化學(xué)成分和它的顯微組織。而相圖就是一個(gè)合金系中各個(gè)合金的顯微組織隨溫度變化的規(guī)律圖。因此，知道了一個(gè)合金系的相圖，就可以根據(jù)相圖推斷出各個(gè)合金的使用性能和工藝性能的變化規(guī)律。下面按合金結(jié)晶的類(lèi)型分別加以敘述。第三節(jié)合金的性能與相圖的關(guān)系

合金的性能取決于合金54一、勻晶轉(zhuǎn)變成單相固溶體的合金系固溶體合金的性能主要取決于組元的性質(zhì)及溶質(zhì)元素的濃度。溶質(zhì)元素濃度愈高引起晶格畸變愈大，則合金的強(qiáng)度、硬度、電阻率愈高、電阻溫度系數(shù)愈小，見(jiàn)圖3－14。固溶體合金仍能保持足夠高的塑性和韌性。即有一定程度的綜合力學(xué)性能。但其所能達(dá)到的強(qiáng)度、硬度有限。由于塑性好，所以它具有良好的壓力加工性能，但是切削加工性能差。主要表現(xiàn)在加工表面粗糙度值大，鑄造工藝性也差些。固溶體合金成分與鑄造工藝性的關(guān)系，見(jiàn)圖3－15。從圖上可見(jiàn)隨著溶質(zhì)濃度的增加，結(jié)晶的溫度區(qū)間也增加（即液固相線距離增加），枝晶偏析傾向增加、合金熔液流動(dòng)性下降、集中縮孔減小而分散縮孔增加。所以，固溶體合金易產(chǎn)生冷隔、澆不足、疏松、鑄造裂紋等鑄造缺陷。因此固溶體合金不適宜作鑄件使用，而適宜作鑄錠然后軋制成材使用。一、勻晶轉(zhuǎn)變成單相固溶體的合金系固溶體合金55二、包晶和共晶轉(zhuǎn)變的合全系以這兩種方式結(jié)晶的合金都會(huì)產(chǎn)生兩相的混合物。其強(qiáng)度、硬度、電阻率等使用性能與化學(xué)成分的關(guān)系一般是直線變化，見(jiàn)圖3－16。對(duì)于共晶合金系在共晶區(qū)附近的性能除與共晶體中相的種類(lèi)性質(zhì)有關(guān)外還與相的形態(tài)（細(xì)密程度）有關(guān)，愈細(xì)強(qiáng)度等性能愈高（見(jiàn)圖上虛線所示）。共晶合金系的壓力加工工藝較差，但切削工藝性好，其鑄造性能與具體合金組織中共晶體所占的比例有關(guān)。共晶體愈多鑄造工藝性愈好，共晶成分的合金鑄造工藝性最好，見(jiàn)圖3－17。所以，在通常的情況下鑄件都是盡量選用近于共晶成分的合金。二、包晶和共晶轉(zhuǎn)變的合全系以這兩種方式結(jié)晶的合金都會(huì)56三、能形成金屬化合物的合金系當(dāng)組元之間相互作用能生成一些穩(wěn)定化合物的合金，會(huì)有較高的強(qiáng)度和硬度及某些特殊的物理化學(xué)性能。但塑性和韌性會(huì)下降，加工工藝性差。純化合物材料及化合物含量太多的合金不能直接作為結(jié)構(gòu)材料來(lái)使用?？梢灾瞥煞勰Ｈ缓笤偻ㄟ^(guò)燒結(jié)方法制成具有特殊性能的零件。如：切削刀具的硬質(zhì)合金及耐高溫、耐磨損的金屬陶瓷零件等。當(dāng)然，若是選用的合金成分使合金中化合物含量適量，并細(xì)化它，使它彌散分布在固溶體相的基體上，會(huì)起到第二相彌散強(qiáng)化作用。例如：對(duì)鋼中的Fe3C等化合物的形態(tài)和分布的控制與利用就是這個(gè)目的。在圖3-18中，a圖示有固定化學(xué)成分的化合物AmBn的情況。B圖示化合物的化學(xué)成分可在一定成分范圍內(nèi)變化的情況。即有以化合物為基的固溶體的情況返回三、能形成金屬化合物的合金系當(dāng)組元之間相互作用能生成一些穩(wěn)定57冷卻曲線返回冷卻曲線返回58金屬結(jié)晶過(guò)程返回金屬結(jié)晶過(guò)程返回59枝晶長(zhǎng)大過(guò)程返回枝晶長(zhǎng)大過(guò)程返回60晶粒與力學(xué)性能關(guān)系返回晶粒與力學(xué)性能關(guān)系返回61成長(zhǎng)率和長(zhǎng)大率與力學(xué)性能關(guān)系返回成長(zhǎng)率和長(zhǎng)大率與力學(xué)性能關(guān)系返回62三種類(lèi)型晶粒形態(tài)返回三種類(lèi)型晶粒形態(tài)返回63相圖測(cè)畫(huà)示意圖返回相圖測(cè)畫(huà)示意圖返回64返回返回65返回返回66返回QL=(Xα-X)／(Xα-XL)Qα=(X-XL)／(Xα-XL)

返回QL=(Xα-X)／(Xα-XL)67返回返回68返回返回69返回返回70返回a返回b返回c返回a返回b返回c71返回返回72返回返回73返回返回74返回返回75返回返回76金屬的結(jié)晶要點(diǎn)課件77第三章金屬的結(jié)晶與二元金相圖金屬材料的獲得一般都是要經(jīng)過(guò)對(duì)礦產(chǎn)原料的熔煉、除渣、澆鑄等作業(yè)后，再凝固成鑄錠或細(xì)粉。并通過(guò)各種熱加工和冷加工獲取成材或制件。由液態(tài)冷凝成固態(tài)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。金屬材料通常都是多晶體材料，所以金屬由液態(tài)冷凝成固態(tài)的過(guò)程也是一種結(jié)晶過(guò)程。所謂結(jié)晶就是指晶體材料的凝固。結(jié)晶之后得到的金屬材料顯微組織稱為鑄態(tài)組織。鑄態(tài)的顯微組織決定著鑄態(tài)材料的使用性能和加工工藝性能。掌握結(jié)晶規(guī)律可以幫助我們有效地控制金屬的凝固條件，從而獲得性能優(yōu)良的金屬材料。第三章金屬的結(jié)晶與二元金相圖金屬材料的獲得一78第一節(jié)金屬結(jié)晶的基礎(chǔ)知識(shí)液態(tài)金屬的冷卻過(guò)程可以用熱分析法測(cè)出的冷卻曲線(溫度-時(shí)間關(guān)系曲線)來(lái)表述，見(jiàn)圖3-1。從曲線上可以明顯地見(jiàn)到結(jié)晶開(kāi)始和結(jié)晶結(jié)束的溫度。對(duì)于純金屬在結(jié)晶過(guò)程中保持恒溫。也就是說(shuō)純金屬的結(jié)晶溫度為某一溫度值。但是，對(duì)一個(gè)合金系來(lái)說(shuō)，除個(gè)別成分的合金同純金屬一樣有一個(gè)結(jié)晶溫度之外，多數(shù)合金的結(jié)晶開(kāi)始溫度與結(jié)束溫度是兩個(gè)溫度值。即結(jié)晶溫度是一個(gè)溫度區(qū)間。而這個(gè)溫度區(qū)間的大小與合金的化學(xué)成分比有直接的關(guān)系。在測(cè)定冷卻曲線時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬的冷卻速度會(huì)影響結(jié)晶的開(kāi)始和結(jié)束溫度。當(dāng)冷卻速度非常慢(平衡態(tài)冷卻速度)時(shí)，對(duì)于成分一定的金屬都有一個(gè)固定的結(jié)晶溫度或結(jié)晶溫度區(qū)間。當(dāng)冷卻速度時(shí)增大時(shí)，則結(jié)晶溫度或結(jié)晶溫度區(qū)間通常都要下降，而且下降的量隨冷卻速度加大而增加。一、結(jié)晶的溫度與過(guò)冷現(xiàn)象第一節(jié)金屬結(jié)晶的基礎(chǔ)知識(shí)液態(tài)金屬的冷卻過(guò)程可以79在圖3-1中虛線是以平衡狀態(tài)的冷卻速度(Vm)冷卻(冷速極慢)的金屬冷卻曲線。實(shí)線是在某一實(shí)際冷卻速度(V1)冷卻的金屬冷卻曲線。V1〉Vm。圖中T1是純金屬在冷速V1是的實(shí)際結(jié)晶溫度。Tms、Tmf分別是合金在平衡狀態(tài)下的結(jié)晶開(kāi)始溫度和結(jié)晶結(jié)束溫度。T1s、T1f分別是V1冷速下合金的實(shí)際結(jié)晶開(kāi)始溫度和結(jié)晶結(jié)束溫度。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差成為過(guò)冷度(△T)。對(duì)于純金屬其過(guò)冷度△T=Tm-T1。金屬的結(jié)晶都是在達(dá)到一定過(guò)冷度后才進(jìn)行的，這中現(xiàn)象稱過(guò)冷現(xiàn)象。金屬結(jié)晶中的過(guò)冷度大小主要取決于金屬液的冷卻速度和金屬液中雜質(zhì)的含量。冷速愈大，金屬純度愈高，過(guò)冷度也愈大。在圖3-1中虛線是以平衡狀態(tài)的冷卻速度(Vm)冷卻(冷速極慢80

純金屬結(jié)晶是在恒溫下完成的。即冷卻曲線中有一個(gè)平臺(tái)。這是因?yàn)榧兘饘俳Y(jié)晶會(huì)釋放出“潛熱”。而著潛熱剛好彌補(bǔ)了金屬液再冷卻過(guò)程中向周?chē)h(huán)境散發(fā)的熱量。從而使結(jié)晶過(guò)程處于一個(gè)溫度的動(dòng)平衡狀態(tài)。(實(shí)際上，對(duì)于純金屬其冷卻曲線出現(xiàn)平臺(tái)之前，還有一個(gè)相應(yīng)的過(guò)冷現(xiàn)象，它為開(kāi)始結(jié)晶提供足夠的動(dòng)力。一旦結(jié)晶開(kāi)始釋放潛熱，溫度才回升到結(jié)晶溫度平臺(tái)上)。當(dāng)結(jié)晶結(jié)束，潛熱釋放也就結(jié)束，凝固了的金屬隨著向環(huán)境不斷散熱，溫度又逐漸下降。對(duì)于合金(除固定成分外)，在結(jié)晶過(guò)程雖然也釋放潛熱，但達(dá)不到溫度的平衡，僅能使結(jié)晶過(guò)程中冷速變慢，并不出現(xiàn)溫度平臺(tái)。即結(jié)晶過(guò)程不是在恒溫下進(jìn)行，而是在一個(gè)溫度區(qū)間中完成。純金屬結(jié)晶是在恒溫下完成的。即冷卻曲線中有一個(gè)平臺(tái)。這是因81液態(tài)金屬冷卻到結(jié)晶開(kāi)始溫度為什么會(huì)出現(xiàn)液態(tài)固相的轉(zhuǎn)變呢？這是有物質(zhì)自由能狀態(tài)函數(shù)決定的。達(dá)到了結(jié)晶開(kāi)始溫度，同種化學(xué)成分金屬其固態(tài)的自由能就開(kāi)始低于液態(tài)的，由于物質(zhì)在通常條件下都是自動(dòng)朝自由能低的方向轉(zhuǎn)變，而且這個(gè)自由能差愈大，其轉(zhuǎn)變也愈快。可見(jiàn)自由能差是液固轉(zhuǎn)變的推動(dòng)力。也就是說(shuō)自由能是金屬結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)條件。而自由能差是液固轉(zhuǎn)變的推動(dòng)力。而自由能差的大小又取決于過(guò)冷度的大小。顯然，過(guò)冷度也就是金屬結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)條件。金屬的結(jié)晶過(guò)程是原子由不規(guī)則排列向規(guī)則排列的變化過(guò)程。這是需要原子進(jìn)行遷移和擴(kuò)散。一定的結(jié)晶溫度就可以保證原子必要的運(yùn)動(dòng)、保證足夠的擴(kuò)散能力。足夠的溫度是完成結(jié)晶過(guò)程的熱力學(xué)條件。液態(tài)金屬冷卻到結(jié)晶開(kāi)始溫度為什么會(huì)出現(xiàn)液態(tài)固相的轉(zhuǎn)變呢？82

只有當(dāng)動(dòng)力學(xué)條件與熱力學(xué)條件都得到保證金屬就會(huì)順利的結(jié)晶。兩者缺一不可。例如：只有熱力學(xué)條件而沒(méi)有動(dòng)力學(xué)條件金屬不能凝固結(jié)晶；若只有動(dòng)力學(xué)條件而沒(méi)有熱力學(xué)條件金屬雖然可以凝固但不能結(jié)晶。若金屬液的冷卻速度非常大，使過(guò)冷度極大，原子來(lái)不及擴(kuò)散就會(huì)出現(xiàn)非晶金屬。目前，在工業(yè)上已據(jù)此制造出了非晶金屬微粉和箔。

只有當(dāng)動(dòng)力學(xué)條件與熱力學(xué)條件都得到保證金屬就會(huì)順利的結(jié)晶83二．金屬的結(jié)晶(一)金屬結(jié)晶的一般過(guò)程小體積的液態(tài)金屬其結(jié)晶過(guò)程，見(jiàn)圖3-2。當(dāng)液態(tài)金屬的溫度降到一定的過(guò)冷度之后，在液態(tài)金屬中就開(kāi)始出現(xiàn)一些極細(xì)小的固相小晶體，這就是晶核。晶核不斷地從周?chē)囊簯B(tài)金屬中吸附原子使之不斷長(zhǎng)大。在一些晶核長(zhǎng)大的同時(shí)，還會(huì)有新的晶核不斷產(chǎn)生和長(zhǎng)大，直到全部液態(tài)金屬都凝固。每一個(gè)晶核都長(zhǎng)大成為一個(gè)晶粒。最后便形成了有許多晶粒組成的金屬多晶體。這些晶粒有不規(guī)則的外形、晶格位向也各異?？梢?jiàn)，金屬結(jié)晶的過(guò)程包括成核和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程，而且，這兩個(gè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。二．金屬的結(jié)晶(一)金屬結(jié)晶的一般過(guò)程84(二)晶核的形成晶核的形成分為均勻(自發(fā))成核和非均勻成核。在均勻的液態(tài)母相中自發(fā)地形成新相晶核的過(guò)程叫均勻成核，也成自發(fā)成核。在液態(tài)母相隨時(shí)都存在著瞬時(shí)近程有序的原子集團(tuán)(即結(jié)構(gòu)起伏)。這種原子集團(tuán)在沒(méi)有降到結(jié)晶溫度之下時(shí)是不穩(wěn)定的，時(shí)生時(shí)溶。而當(dāng)有了一定的過(guò)冷度時(shí)，某些進(jìn)程有序原子集團(tuán)的尺寸一旦不小于該溫度下的臨界晶核尺寸就會(huì)穩(wěn)定下來(lái),成為新生固相的晶核。臨界晶核尺寸是隨著過(guò)冷度減小而增大的。若過(guò)冷度為零，則臨界晶核尺寸為無(wú)窮大，即不能自發(fā)成核。相反，過(guò)冷度愈大，自發(fā)成核的臨界晶核尺寸愈小。也就是說(shuō)，隨著過(guò)冷度的增加液相中自發(fā)成核所需的近程有序原子集團(tuán)的尺寸也愈小。這意味著過(guò)冷度愈大愈易自發(fā)形成晶核。(二)晶核的形成晶核的形成分為均勻(自發(fā))成核和非均勻成85在實(shí)際金屬熔液中總是存在某些未溶的雜質(zhì)粒子，這些固態(tài)離子表面及鑄型壁等現(xiàn)成的界面都會(huì)成為液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)的自然晶核。凡是依附于母相中某些現(xiàn)成界面而成核的過(guò)程都稱為非均勻成核(非自發(fā)成核)。非均勻成核所需的過(guò)冷度比均勻成核的小的多?，F(xiàn)成界面的狀態(tài)(表面能、浸潤(rùn)角、曲率半徑、晶格位向等)影響著非均勻成核的能力。均勻成核與非均勻成核在金屬結(jié)晶中是同時(shí)存在的。非均勻成核在實(shí)際生產(chǎn)中比均勻成核更重要。母相在給定的條件下產(chǎn)生晶核的能力可用成核率(N)來(lái)表示。成核率是指在單位時(shí)間和單位體積內(nèi)所形成的晶核數(shù)目。成核率愈大，結(jié)晶后晶體中的晶粒愈細(xì)小。

在實(shí)際金屬熔液中總是存在某些未溶的雜質(zhì)粒子，這些固態(tài)離子86(三)晶核的長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)就是晶核的固體界面向母相內(nèi)不斷的推進(jìn)。所需的原子由母相不斷地提供，通過(guò)原子本身的遷移和擴(kuò)散來(lái)完成。晶核長(zhǎng)大的能力可用晶核長(zhǎng)大線速度G來(lái)表示，簡(jiǎn)稱為長(zhǎng)大率。長(zhǎng)大率是指單位時(shí)間晶核界面向母相中推進(jìn)的距離。在結(jié)晶這種液固相變中，母相指的就是液相。在以后將要講的固態(tài)相變中母相是指原來(lái)的相。(三)晶核的長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大的實(shí)質(zhì)就是晶核的固體界面向母相87晶核長(zhǎng)大的方式的分類(lèi)(兩類(lèi))另一類(lèi)是絕大多數(shù)的純金屬及合金都是以樹(shù)枝狀的枝晶形式長(zhǎng)大。枝晶長(zhǎng)大是金屬結(jié)晶的普遍方式。這是由于金屬結(jié)晶時(shí)液態(tài)母相都是處于過(guò)冷狀態(tài)，具有負(fù)的溫度梯度。一類(lèi)是非金屬晶體、少量純金屬和金屬化合物(如：Si、Ge、Sb、CuAl2、Cu2Sb等)是以“生長(zhǎng)臺(tái)階”形式長(zhǎng)大。晶核長(zhǎng)大的方式的分類(lèi)(兩類(lèi))另一類(lèi)是絕大多數(shù)的純金屬及合金都88液態(tài)晶核長(zhǎng)大過(guò)程中晶核上的凸出部分(如：棱、尖角)都具有散熱優(yōu)勢(shì)，將優(yōu)先長(zhǎng)大，形成象樹(shù)枝生長(zhǎng)一樣，先長(zhǎng)出干枝稱為一次晶軸。在一次晶軸變粗變長(zhǎng)的同時(shí)，在其側(cè)面的凸出部位或晶體缺陷部位又會(huì)長(zhǎng)出分枝稱為二次晶軸，隨著時(shí)間的推移，二次晶軸的見(jiàn)的空隙也都被填滿。最后每個(gè)晶核都長(zhǎng)大，形成一個(gè)是樹(shù)枝狀的晶?！?，如圖3-3。金屬晶體就是有這些晶粒組成。因?yàn)榻饘偈遣煌该鞯模揖ЯＳ趾苄?，所以平常難以用眼睛直接看到枝晶。但是，在某些特殊的情況下也是可以看到的。如鍍鋅鋼板表面上的鋅晶?；y以及水結(jié)晶成雪花等都是枝晶生長(zhǎng)的可見(jiàn)實(shí)例。液態(tài)晶核長(zhǎng)大過(guò)程中晶核上的凸出部分(如：棱、尖角)都具89(四)金屬結(jié)晶后的晶粒大小晶粒的大小通常是指以晶粒度來(lái)表示。而晶粒度又是以單位界面內(nèi)晶粒數(shù)目的多少來(lái)劃分和標(biāo)定的。通常是晶粒愈小材料強(qiáng)度、塑性愈好。純鐵的晶粒大小與力學(xué)性能的關(guān)系見(jiàn)3-1。通過(guò)細(xì)化晶粒而使金屬材料力學(xué)性能提高的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。晶粒大小對(duì)材料的物理化學(xué)性能也有明顯的影響。如：硅鋼片中晶粒愈大磁滯損耗愈少耐蝕不銹鋼中晶粒愈大耐腐蝕性愈好?？梢?jiàn)，按照材料的不同用途和種類(lèi)應(yīng)合理的控制其晶粒大小。這就需要我們了解一些金屬結(jié)晶時(shí)影響晶粒大小的因素。(四)金屬結(jié)晶后的晶粒大小晶粒的大小通常是指以晶粒度來(lái)表示90金屬結(jié)晶時(shí)的成核率N和長(zhǎng)大率G與結(jié)晶后的晶粒大小有密切關(guān)系。而成核率與長(zhǎng)大率又與過(guò)冷度有直接關(guān)系，見(jiàn)圖3-4。從圖上可見(jiàn)，隨過(guò)冷度的增加，N與G均增加，但成核率N的增加速度更快些。單位面積內(nèi)的晶粒數(shù)Zs與成核率和長(zhǎng)大率G有如下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式Zs=1.1√N(yùn)/G顯然，加大過(guò)冷度會(huì)使Zs增加，即增加過(guò)冷度會(huì)使結(jié)晶后的晶粒變小。結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度主要取決與液體的冷卻速度，因此，結(jié)晶時(shí)冷卻速度越大，得到的晶粒也越小。金屬結(jié)晶時(shí)的成核率N和長(zhǎng)大率G與結(jié)晶后的晶粒大小有密切關(guān)系。91從公式中，可以看出，凡是能使成核率N增加和使長(zhǎng)大率G減小的因素都能促進(jìn)晶粒細(xì)化。增加冷卻速度可以細(xì)化晶粒，但是，同時(shí)使結(jié)晶時(shí)的鑄造應(yīng)力增加。另外，對(duì)于大體積的鑄錠與鑄件提高冷速是困難的。團(tuán)此，在實(shí)際鑄造生產(chǎn)中往往采用“變質(zhì)處理”，即在澆注之前向金屬液中加入某些物質(zhì)(變質(zhì)劑)來(lái)促進(jìn)晶粒細(xì)化。變質(zhì)劑主要有兩大類(lèi)型。其一是，變質(zhì)劑作為非均勻成核的晶核(人工晶核)，從而通過(guò)增加成核率來(lái)細(xì)化晶粒。如：向鋼中加Ti、Zr、B、Al；向鑄鐵中加St、Ca等。另一是，變質(zhì)劑作為長(zhǎng)大率的阻礙物，通過(guò)降低長(zhǎng)大速度來(lái)細(xì)化晶粒。如：在鋁硅合金中加入一些鈉鹽的變質(zhì)處理就是通過(guò)鈉來(lái)降低硅的長(zhǎng)大速度來(lái)細(xì)化硅的晶粒。在生產(chǎn)工藝中，有時(shí)還采用振動(dòng)的手段造成枝晶碎斷，則各個(gè)枝晶碎塊都可以變成一個(gè)新的晶核，從而也會(huì)使結(jié)晶后的晶粒細(xì)化。從公式中，可以看出，凡是能使成核率N增加和使長(zhǎng)大率G減小92三、金屬鑄錠的鑄態(tài)組織及缺陷在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬結(jié)晶主要涉及五個(gè)方面的應(yīng)用。鑄錠、鑄件、金屬粉、焊接、熱浸鍍層。金屬凝固結(jié)晶后的組織統(tǒng)稱鑄態(tài)組織。下面以鑄錠為例介紹鑄態(tài)組織。鑄錠是各種金屬材料成材的毛坯。通過(guò)對(duì)鑄錠的熱軋等塑性變形可制成各種規(guī)格的型材、板材、棒材等供人們使用。鑄錠的鑄態(tài)組織是指其晶粒的形態(tài)、大小、取向及缺陷(如：疏松、夾雜、氣孔等)和界面的形貌等。三、金屬鑄錠的鑄態(tài)組織及缺陷在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬結(jié)晶主要涉及93由于澆注在鑄模型腔中的液態(tài)金屬的冷卻速度、體積的大小、化學(xué)成分及變質(zhì)劑等的不同，鑄錠可以有三種典型的晶粒形態(tài)，見(jiàn)圖3－5。其中a圖是全部較細(xì)的等軸晶粒。b圖是全部柱狀晶粒。C圖是最常見(jiàn)的鑄錠晶粒情況，表層(接觸鑄模型腔部分)是薄薄的一層細(xì)小等軸晶粒，稱為表層細(xì)晶區(qū)接著是一層柱狀晶，稱為柱狀晶區(qū)。中心區(qū)域是較粗大的等軸晶，稱為中心等軸晶區(qū)。所謂等軸晶是指晶粒在各方向上的尺寸相差較小的晶粒。而柱狀晶是指某一方向上的尺寸遠(yuǎn)大于其它方向上的尺寸的長(zhǎng)晶粒。由于澆注在鑄模型腔中的液態(tài)金屬的冷卻速度、體積的大小、化94經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柱狀晶的長(zhǎng)度和等軸晶的尺寸主要取決于澆注溫度和合金元素。如；隨澆注溫度升高柱狀晶長(zhǎng)度增加，等軸晶粒尺寸增大；合金元素含量增加可使柱狀晶長(zhǎng)度減短，等軸晶粒尺寸減小。表層細(xì)晶區(qū)是由于模壁附近散熱速度快，并且散熱沒(méi)有突出的優(yōu)勢(shì)方向及模壁處兩種成核率都很高等結(jié)晶條件所造成的。此層組織致密，力學(xué)性能很好，但由于此層很薄，對(duì)整個(gè)鑄錠性能影響不大。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柱狀晶的長(zhǎng)度和等軸晶的尺寸主要取決于澆注溫度和95當(dāng)表層細(xì)晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細(xì)晶區(qū)前面的液體散熱能力下降，過(guò)冷度也下降。但是在各方向上散熱能力的下降是不同的。垂直于模壁的方向顯出散熱優(yōu)勢(shì)，有利于晶粒逆著傳熱方向不斷地向液相區(qū)生長(zhǎng)。而在平行模壁方向散熱能力較差，并且晶粒徑向僅能長(zhǎng)大較短距離相鄰晶粒就互相接觸，停止生長(zhǎng)。因此在細(xì)晶區(qū)形成后，接著形成了一個(gè)柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)金屬較致密，沿柱狀晶軸向強(qiáng)度很高，但近于平行的柱狀晶晶粒之間的徑向結(jié)合強(qiáng)度卻較低。柱狀晶區(qū)有明顯的各向異性。當(dāng)對(duì)鑄錠進(jìn)行塑性變形時(shí)住狀晶區(qū)易出現(xiàn)晶間開(kāi)裂。當(dāng)表層細(xì)晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細(xì)晶區(qū)前面的液96另外，當(dāng)不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)往狀晶區(qū)的交界。此處的雜質(zhì)、氣泡、縮松等較多，成為鑄錠的脆弱結(jié)合面。當(dāng)鑄錠接受塑性變形時(shí)此處也易開(kāi)裂。因此，除塑性極好的一些有色金屬的鑄錠外，并不希望獲得柱狀晶區(qū)。在鑄造工藝上，常采用振動(dòng)方法來(lái)破壞柱狀晶區(qū)的形成和長(zhǎng)大，也常采用變質(zhì)處理來(lái)阻礙柱狀晶長(zhǎng)大，并促進(jìn)中心等軸晶區(qū)的擴(kuò)大來(lái)減少柱狀晶區(qū)。另外，避免金屬液過(guò)熱澆注也會(huì)防止柱狀晶區(qū)過(guò)大。另外，當(dāng)不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)往狀晶區(qū)的97當(dāng)柱狀晶向液相中生長(zhǎng)到一定深度后，垂直于模壁方向的散熱優(yōu)熱將不再明顯。尤其是當(dāng)已凝固區(qū)隨溫度下降而使體積收縮與模壁之間出現(xiàn)間隙時(shí)傳熱速度降低，剩余液相金屬的冷卻速度也會(huì)進(jìn)一步降低，溫度梯度減小，趨于均勻冷卻，柱狀晶的生長(zhǎng)將會(huì)變慢。此時(shí)剩余液體中也會(huì)有一些新晶粒的形成并長(zhǎng)大。因無(wú)散熱優(yōu)勢(shì)方向，新晶粒將會(huì)長(zhǎng)成等軸晶粒。又因剩余液體散熱慢，過(guò)冷度較?。a(chǎn)生的自發(fā)晶核數(shù)量有限，故晶粒長(zhǎng)得較大(但若有非自發(fā)晶核存在，晶粒不會(huì)長(zhǎng)得很大)。從而在相鄰柱狀晶區(qū)的鑄錠心部地區(qū)形成一個(gè)晶粒較粗的等軸晶區(qū)。由于此區(qū)是最后凝固的，因此，一些低熔點(diǎn)的雜質(zhì)或合金元素可能偏多些，以及液體補(bǔ)充不足而出現(xiàn)中心偏析及疏松。當(dāng)柱狀晶向液相中生長(zhǎng)到一定深度后，垂直于模壁方向的散熱優(yōu)98但此晶區(qū)晶粒之間是犬牙交錯(cuò)的結(jié)合在一起，當(dāng)鑄錠受到塑性變形時(shí)不會(huì)象柱狀晶區(qū)那樣易產(chǎn)生沿晶界的開(kāi)裂。對(duì)于鋼錠來(lái)說(shuō)，一般是希望等軸晶區(qū)愈大愈好。綜上所述，鑄錠的鑄造組織是不均勻的，也比較粗大，且有許多鑄造缺陷存在。具體的鑄造組織是由合金的化學(xué)成分和澆注條件等因素來(lái)決定的。當(dāng)化學(xué)成分一定時(shí)，澆注條件極為重要。通常情況下，提高澆注溫度、加快冷卻速度或采用定向冷卻散熱方法，并減少液體中產(chǎn)生非自發(fā)晶核等條件則有利于柱狀晶區(qū)的形成和擴(kuò)展。相反，有利于等軸晶區(qū)的形成和擴(kuò)展。甚至可以根據(jù)工作的需要，制成純柱狀晶鑄錠和純等軸晶鑄錠。但此晶區(qū)晶粒之間是犬牙交錯(cuò)的結(jié)合在一起，當(dāng)鑄錠受到塑性變99第二節(jié)合金結(jié)晶與二元合金相圖合金結(jié)晶的基本規(guī)律與純金屬的結(jié)晶基本相同，也是在一定過(guò)冷度下成核和長(zhǎng)大來(lái)完成結(jié)晶的。但是，其結(jié)晶過(guò)程更復(fù)雜，得到的組織可以是單相或是多相，既可是純固溶體也可是化合物或兩相組成的機(jī)械混合物。而具體成分的合金顯微組織可能是其中的一個(gè)相或一個(gè)基本組織，也可能是多個(gè)相及基本組織的組合。而且在不同溫度下，同一化學(xué)成分合金的顯微組織也可能不同。對(duì)如此復(fù)雜的情況，只用冷卻曲線或語(yǔ)言簡(jiǎn)單敘述是很不方便的。因此，出現(xiàn)了用相圖這種形式來(lái)表述合金的結(jié)晶及冷卻的相變狀況。第二節(jié)合金結(jié)晶與二元合金相圖合金結(jié)晶的基本規(guī)律與純金100相圖是在平衡態(tài)下測(cè)畫(huà)出來(lái)的。因此也稱合金的平衡狀態(tài)圖。相圖是表示在平衡狀態(tài)下合金的化學(xué)成分、相、組織與溫度的關(guān)系圖。由于受到幾何表述的限制，雖然合金系中的組元可以是多個(gè)，但是，只能測(cè)畫(huà)出二元合金的二元相圖和三元合金的三元相圖，三元以上的合金通常是不能直接用相圖來(lái)表述。即使三元合金的相圖也是很復(fù)雜的。本書(shū)只介紹二元合金相圖。相圖是在平衡態(tài)下測(cè)畫(huà)出來(lái)的。因此也稱合金的平衡狀態(tài)圖。相101一、二元合金相圖的測(cè)畫(huà)在每個(gè)二元合金系中都有無(wú)數(shù)個(gè)不同化學(xué)成分比例的合金。每一個(gè)具體成分合金都可以用熱分析法測(cè)定出它的冷卻曲線。將這些冷卻曲線上的相轉(zhuǎn)變點(diǎn)都轉(zhuǎn)畫(huà)到一個(gè)以溫度為縱軸，化學(xué)成分為橫軸的坐標(biāo)中相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上，則這些相變點(diǎn)所形成的各條曲線就構(gòu)成了一個(gè)二元合金系的相圖。一、二元合金相圖的測(cè)畫(huà)在每個(gè)二元合金系中都有無(wú)數(shù)個(gè)不同化102實(shí)際上測(cè)畫(huà)一個(gè)合金系的相圖時(shí)，只需精確地測(cè)定這個(gè)合金系中一些有代表性的合金冷卻曲線。再在溫度——化學(xué)成分的坐標(biāo)上將相同意義的相變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)用平滑曲線連接起來(lái)就了這個(gè)合金系的相圖。在相圖上將各個(gè)交點(diǎn)標(biāo)出字符，將各個(gè)相區(qū)內(nèi)填上相應(yīng)的相或基本組織的代號(hào)就得到了一張完整的相圖了。下面以Ni-Cu二元合金為例，示意二元相圖的測(cè)畫(huà)方法，見(jiàn)圖3－6。實(shí)際上測(cè)畫(huà)一個(gè)合金系的相圖時(shí)，只需精確地測(cè)定這個(gè)合金系中103若某些相變點(diǎn)用熱分析法很難測(cè)準(zhǔn)，可以采用X光衍射法、金相法、膨脹法等來(lái)測(cè)定核實(shí)。有些合金系的相圖就是一種典型的基本相圖。如：勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖等等。而更多的合金系的相圖是很復(fù)雜的。但也都是由這些基本相圖組合而成的。下面我們分別介紹一下常見(jiàn)的基本相圖。若某些相變點(diǎn)用熱分析法很難測(cè)準(zhǔn)，可以采用X光衍射法、金相104二、二元合金相圖基本類(lèi)型及合金的結(jié)晶過(guò)程(一)勻晶相圖——產(chǎn)生單一固溶體相的合金相圖對(duì)于合金組元在液相和固相下均能無(wú)限互溶，結(jié)晶時(shí)只結(jié)晶出單相固溶體組織，這種合金系的相圖就是典型的勾晶相圖。如：An－As、Ni－Cu、Fe－Cr、W－Mo等二元合金系的相圖。都是勻晶相圖。二、二元合金相圖基本類(lèi)型及合金的結(jié)晶過(guò)程(一)勻晶相圖——產(chǎn)1051．勻晶相圖分析及合金的結(jié)晶過(guò)程以Cu－Ni合金為例，見(jiàn)圖3－7，圖中A點(diǎn)是純銅的熔點(diǎn)(1083C)；B點(diǎn)是純鎳的熔點(diǎn)(1452C)；AL3L2L1B曲線是液相開(kāi)始結(jié)晶的溫度線，稱為液相線，在其線以上的區(qū)域合金系全部是呈液相L狀態(tài)，稱為液相區(qū)。A321B曲線是液相全部結(jié)晶結(jié)束的溫度線，稱為固相線；在其線以下的區(qū)域合金系全部結(jié)晶成同一種均勻的固溶體相，此區(qū)稱為固相區(qū)。在液相線與團(tuán)相線圍成的區(qū)域內(nèi)是液相與團(tuán)相共存的區(qū)域(L十)，稱為兩相區(qū)。

1．勻晶相圖分析及合金的結(jié)晶過(guò)程以Cu－Ni合金為例，見(jiàn)106銅與鎳兩組元組成的二元合金在固態(tài)下是無(wú)限固溶的，所以，任何成分比例都結(jié)晶成單相固溶體。由液相直接結(jié)晶成單相固溶體的結(jié)晶轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變。在Cu－Ni合金系中，除純Cu和純Ni的結(jié)晶是純金屬的結(jié)晶，其結(jié)晶溫度是一個(gè)點(diǎn)之外，其它任一個(gè)合金的結(jié)晶都是在一個(gè)相應(yīng)的溫度區(qū)間內(nèi)完成結(jié)晶的。雖然溫度區(qū)間的大小和溫度的高低不同，但結(jié)晶規(guī)律是相同的。下面以Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%開(kāi)的Cu-Ni合金為例闡述其結(jié)晶過(guò)程。銅與鎳兩組元組成的二元合金在固態(tài)下是無(wú)限固溶的，所以，任107從圖3－7上可見(jiàn)，WNi=20%的合金化學(xué)成分垂線與液相線相交于L1，與固相線相交于3當(dāng)該合金由液相緩慢冷卻(平衡狀態(tài))至t1溫度時(shí)，由液相中開(kāi)始結(jié)晶出相。隨著溫度的不斷降低相比例不斷增加，剩余液相的比例不斷減少直至到t3溫度，液相L全部結(jié)晶成以相。在溫度由t1降到t3的結(jié)晶轉(zhuǎn)變過(guò)程中，不僅L與兩相所占的比例不斷變化，而且L和兩相的化學(xué)成分，通過(guò)原子擴(kuò)散也不斷地變化。在t1時(shí)，結(jié)晶出來(lái)的相的化學(xué)成分為幾點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的成分(含Ni高于合金成分)，剩余液相的化學(xué)成分為L(zhǎng)1點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的成分。

從圖3－7上可見(jiàn)，WNi=20%的合金化學(xué)成分垂線與液相線108在t1、t3溫度時(shí)相的化學(xué)成分分別為2，3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成分。而剩余液相的化學(xué)成分分別為L(zhǎng)2、L3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成分。這就是說(shuō)，在不同溫度下剛剛結(jié)晶出來(lái)的固相的化學(xué)成分是不相同的，其變化規(guī)律是沿著固相線變化。與此同時(shí)剩余液相的化學(xué)成分也相應(yīng)地沿著液相線變化。但是，由于冷卻速度很慢(平衡態(tài))，又處在足夠高的溫度下，所以，當(dāng)結(jié)晶結(jié)束時(shí)，無(wú)論是先結(jié)晶的目相，還是后結(jié)晶出來(lái)的相，其化學(xué)成分都將通過(guò)原子足夠長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散而趨平均勻相同。并且相的晶粒通常都是不規(guī)則的多面體狀，稱等軸晶粒。

在t1、t3溫度時(shí)相的化學(xué)成分分別為2，3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的1092.枝晶偏析由前述可知不同溫度下結(jié)晶出來(lái)的相成分是不同的，溫度高時(shí)結(jié)晶出來(lái)的相含熔點(diǎn)高的鎳元素多，溫度低時(shí)結(jié)晶的相含鎳少。由于在實(shí)際生產(chǎn)中冷卻速度較快(不能保證平衡態(tài))，原子擴(kuò)散遷移滯后于結(jié)晶，相化學(xué)成分的均勻性得不到保證。這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)晶粒內(nèi)，各處成分的不均勻現(xiàn)象。稱為晶內(nèi)偏析。因?yàn)橄嗍且灾Х绞浇Y(jié)晶，先形成的主干和后形成的支干就會(huì)有化學(xué)成分之差，所以也稱枝晶偏析，見(jiàn)圖3－8。2.枝晶偏析由前述可知不同溫度下結(jié)晶出來(lái)的相成分是不110在CuNi合金枝晶偏析中，白色區(qū)域是先結(jié)晶的部分，鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于合金成分，黑色區(qū)域是后結(jié)晶的部分，銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于合金成分。枝晶偏析會(huì)降低合金的力學(xué)性能(尤其是塑性和韌性)和工藝性能。對(duì)于有枝晶偏析的鑄錠和鑄件可采用在低于固相線100C～200C的溫度下進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的加熱，通過(guò)原子的相互擴(kuò)散而使成分趨于均勻，消除枝晶偏析。這種熱處理方法稱為均勻化退火，也稱擴(kuò)散退火。在CuNi合金枝晶偏析中，白色區(qū)域是先結(jié)晶的部分，鎳的質(zhì)量1113.杠桿定律在相圖的兩相區(qū)中，隨著溫度的變化兩個(gè)相的化學(xué)成分和兩相的相對(duì)含量都在變化。兩個(gè)相的化學(xué)成分變化是沿著其相應(yīng)的相線變化。在給定的溫度下，作一條平行于橫軸的直線，與相應(yīng)的相線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分就是相應(yīng)相的化學(xué)成分。但是。在一定溫度下兩個(gè)相的相對(duì)含量如何確定呢？相的相對(duì)含量可用杠桿定律來(lái)確定。見(jiàn)圖3－9。

3.杠桿定律在相圖的兩相區(qū)中，隨著溫度的變化兩個(gè)相的112值得說(shuō)明的是杠桿定律雖然是從勻晶相圖上的液固兩相區(qū)推導(dǎo)出來(lái)的，但它們可以適用于任何二元相圖的任何一個(gè)兩相區(qū)中相的相對(duì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的計(jì)算。固態(tài)相變的兩相區(qū)也適用。值得說(shuō)明的是杠桿定律雖然是從勻晶相圖上的液固兩相區(qū)推導(dǎo)113(二)共晶相圖—具有兩相機(jī)械混合物的合金相圖在二元合金系中，組元在液相無(wú)限互溶，在固相有限互溶，并且在結(jié)晶過(guò)程中，以共晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞯南鄨D就是共晶相圖。如AI－Si、Pb－－Sb、Pb－Sn、Ag－Cu等合金系在結(jié)晶時(shí)都是以共晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹?。這些合金系的相圖都是比較典型的共晶相圖。所謂的共晶轉(zhuǎn)變是指令全系中某一定化學(xué)成分的合金在一定的溫度下(恒溫)，同時(shí)由液相中結(jié)晶出兩種不同成分和不同晶體結(jié)構(gòu)的固相。同時(shí)結(jié)晶出來(lái)的兩種固相機(jī)械的混合在一起，形成有固定化學(xué)成分的基本組織，被統(tǒng)稱為共晶體。(二)共晶相圖—具有兩相機(jī)械混合物的合金相圖在二元合1141．相圖分析以Pb－Sn合金系為例，見(jiàn)圖3－10。Pb－Sn相