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第二章 金属材料的凝固与固态相变 第一节 纯金属的结晶 凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律 同素异晶(构)转变 晶体的结晶 结晶的能量条件及结构条件 1.纯金属的结晶 (一）热分析实验与冷却曲线 结晶的冷却曲线 1.纯金属结晶时的冷却曲线 1.过冷现象 ( supercooling )：结晶时，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。 过冷度 ( degree of supercooling ) ΔT = T0 – Tn 非晶体的凝固过程 二, 纯金属的结晶 2、结晶的一般过程—形核+核长大 （二）晶体的长大方式（生长形态） 2.影响形核和长大率的因素 （1）增加过冷度 2)难熔杂质的影响—提高形核率 1、晶粒度—用于描述晶粒大小的参数 常用的表示方法 （1）单位体积的晶粒数目（ZV）；或单位面积内的晶粒数目（ZS）或晶粒的平均线长度（或直径）表示 晶粒大小的控制方法 Al-Si合金组织 铸铁变质处理前后的组织 第二节 金属的同素异构转变 纯铁的同素异晶( allomorph )转变反应式: 纯铁的冷却曲线 同素异构转变的过程,也就是原子重新排列的过程,它也遵循生核与长大的基本规律.由此可见,同素异构转变实质上也是一种广义的结晶过程,与液-固结晶过程不同之处在于晶体结构的转变是在固态下进行的. 第二节 合金的结晶 一、二元相图的建立 二、二元相图的基本类型与分析 1、二元匀晶相图 2、二元共晶相图 3、二元包晶相图 4、形成稳定化合物的二元相图 5、具有共析反应的二元相图 6、二元相图的分析步骤 7、相图与合金性能之间的关系 1. 二元合金的相图和凝固 2、相图的建立—常用热分析法 ⑵ 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： ① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成 则 QL + Q? =1 QL x1 + Q? x2 =x 解方程组得 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。 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重. 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能. 三、二元共晶相图 ⑴ 相图分析 ① 相：相图中有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。 ④ 固溶线: 溶解度点的连线称固溶线.相图中的CF、DG线分别为 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的固溶线。 ⑤ 共晶线：水平线CED叫做共晶线。 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) 共晶组织形态 ⑵ 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 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相? 固溶体, 这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相. 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。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种. 由于二次相析出温度较低，一般十分细小。 由于二次相析出温度较低，一般十分细小。 3、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 水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+?P ?βD 。该反应是液相L包着固相?, 新相 β 在 L 与? 的界面上形核，并向 L 和 ? 两个方向长大。 最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变: ?S ? ?P+ Fe3C 。 (?—奥氏体，?—铁素体，Fe3C—渗碳体) 共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合 共析反应的产物是共析体 (铁碳合金中的共析体称珠光体)，也是两相的机械混合物(铁素体+渗碳体)。 与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而 二、铸锭(件)组织与缺陷 钢锭的结晶组织 实际生产中，金属或合金在定模或铸型中结晶组织都有三个晶区： 1.表层等轴细晶区