匀晶转变
α
2
L 2’
(α+β)
α
βⅡ
3
(α+β) (α+β)
α βⅡ
时间
一次α相 一次α的成分沿AC线变化到C点
析出
βⅡ 液相的成分沿AE线变化到E点
183℃
LE
αc + βD
三、二元共晶相图
共晶相图：二元合金系中两组元在液态能完全溶解，而 在固态互相有限溶解，并发生共晶转变的相图
（一）相图分析
其它相线：液相线，固相线，固溶线
合金系：两个或两个以上的组元按不同比例下配制成 的一系列不同成分的合金的总称
合金的结晶特点：
1.合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个温 度范围内完成，而纯金属在恒温下完成； 2.合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化，还会伴有化 学成分的变化，而纯金属仅发生晶体结构的变化。
合金结晶：非恒温结晶 一、二元合金相图的基本知识 合金相图：又称合金平衡图， 表示在平衡状态下，合金的组 成相和温度、成分之间关系的 图解
补充：共析相图 共析转变：在恒定的温度下，一个有特定成分的固相分解成另外
两个与母相成分不相同的固相的转变过程，与共晶转变类似，S点为 共析点
共析相图：发生共析转变的相图
第三章 金属与合金的结晶
思考题
什么是过冷度？ 什么是共晶转变？ 工业生产中常采用哪些方法细化晶粒，
改善铸件的性能？
本章到此结束。
ALB为液相线，开始结晶，液相线以上为液态，L； AαB为固相线，结晶终了，固相线以下为固态区，α； 液相线与固相线之间为两相共存区，L+α
分析
1.液、固相线不仅是相区分线，也是结晶时两 相的成分变化线
2.匀晶转变是变温转变，在结晶过程中，液、固 两相的成分随温度而变化
3）杠杆定律
➢ 确定两平衡相的成分 t1
纯金属的冷却曲线
（一）二元合金相图的表示方法
合金的冷却曲线
（二）二元合金相图的测定方法
二元相图的建立
温 度 Cu—Ni二元合金系为例，说 明二元相图的建立过程
1）配制出不 同成分的合金
结晶的开始 温度和终了 测出它们温的度 冷却曲线
℃
100%Ni
80%Ni 60%Ni 40%Ni 20%Ni 100%Cu
（二）合金的结晶过程分析
（1以上） 液相——（C点） 液、α、β——（1-2，α、β的溶解度分别沿DF、EG变化） α中析出β，β中析出α
（二）合金的结晶过程分析
（1以上） 液相——（1-2） 液、α——（2共晶转变）初晶 αD+共晶体（αD+βE）——（3以下沿固溶线 变化）αF+次生β+次生α（不予考虑）+ 共晶体（αF+βG）
（1以上） 液相——（1-2） 液、α——（2-3，溶解度饱和） α——（3以下过饱和，Sn析出）α+次生β
X1合金结晶特点
L
T,C
L
L+
L
+ Ⅱ
冷却曲线 t Ⅱ
1.没有共晶反应过程， 而是经过匀晶反应形成 单相固相。
2.要经过脱溶反应，室温 组织组成物为 + Ⅱ
组织组成物
组织中，由一定的相构成的，具 有一定形态特征的组成部分。
结晶过程
性能发生突变
非晶体凝固过程 逐渐变化
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线和过冷现象 恒温结晶，热分析法测定
a：平衡条件下结晶 T0:理论结晶温度
b：实际生产中结晶 Tn:实际结晶温度 过冷度△T＝ T0－ Tn
冷却曲线：测定液体金属冷却 时温度和时间的变 化关系作出的曲线
a）
b）
纯金属的冷却曲线
晶核树枝状长大示意图
3）晶粒大小
晶粒就是由一个晶核长大的晶体
晶粒度
表示晶粒大小的一种尺寸
标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。
晶粒大小一般以单位面积的晶粒数目或 以晶粒的平均直径来表示
钢的晶粒度示意图（100 X ）
1级
2
3
4
级
级
级
5
6
7
8
三、金属结晶后的晶粒大小
表 纯铁的晶粒度与力学性能的关系
同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶 格变为另一种晶格的现象
同素异构体：由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体
意义：没有这一转变，铁碳合金 （钢和铸铁）就不可能通过多种热 处理来改变其组织和性能。
纯铁的同素异构转变
912 C
-Fe，fcc
-Fe，bcc
第二节 合金的结晶
合 金：是两种或两种以上的金属元素，或金属元素与 非金属元素组成的具有金属特性的物质
支点为合金的成分点
4）枝晶偏析 也称晶内偏析
定 义：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀 的现象
成 因：
实际冷却速度较快
致使扩散过程落后于结晶过程
在一个晶粒中，造成先结晶晶轴(枝干)的成分和后 结晶晶轴(分枝)成分的差异
缺点：性能不均匀，降低合金的力学性能和加工工艺性能
影响 因素
对合金性 能的影响
晶粒度
b
s
(晶粒数/mm2)
(N/mm2)
(N/mm2)
(％)
6.3
237
46
35.3
51
274
70
44.8
194
294
108
ห้องสมุดไป่ตู้
47.5
决定晶粒度的因素
晶粒的大小
形核率 长大的速度
形核率（N） 单位时间单位体积内形成晶核的数目
晶核的长大速度（G） 单位时间晶体生长的线长度
形核率与长大速度的比值N/G越大 晶粒越细
四、合金性能与相图间的关系
1、两相混合物合金。 共晶相图中，结晶后形成两相组织的合金称为两相混合物合金。 a)合金使用性能与相图的关系 b)合金的铸造性能与相图的关系
性能处于两相 之间，并与两 相的细密度有 关，强度硬度 对组织敏感， 在共晶体区出 现峰值
共晶附近熔点 低，流动性好， 集中缩孔，铸 件致密性好
第三章 金属与合金的结晶
本章主要内容
➢ 第一节 纯金属的结晶 ➢ 第二节 合金的结晶
凝固与结晶
凝 固：指物质从液态经冷却转变为固态的过程；
凝固后的固态物质可以是晶体，也可以是非晶体
结 晶：通过凝固形成晶体物质的过程，是原子从不规则排
列状态（液态）过渡到规则排列状态（晶体状态）的过程
金属的凝固过程 玻璃的凝固过程
促进形核
细化晶粒
变质剂（孕育剂)
注：不是加入任何物质都能起变质作用的，不同的 金属液体要加入不同的物质
铸造工业中利用此法，可生产出高强度的孕育铸铁
3. 振动、搅拌等方法
在结晶时，采用机械振 动、超声波处理等方法
由于外部 输入了能 量 能促进形核
打碎正在生长的树状晶
晶粒细化
新的晶核
碎晶块
四、金属的同素异构转变
形成晶核
固态金属原子排列
纯金属的结晶过程
液体
1. 结晶的基本过程
结晶过程
晶核不断形成 晶核不断长大
液体冷却到 经过一段时间 T0温度以下 (称为孕育期)
一些尺寸极小、
原子规则排列
液体完的小全晶消体失
不断生核 不断长大
晶核 各个方向生长 出现新的晶核
每一个晶核
一个小晶粒
多晶体结构 晶体
晶核的形成方式
找出各曲线 上的临界点
时间
Cu-Ni合金的冷却曲线
在温度-成分坐标 系中过合金成分 点作成分垂线
将临界点标 在成分线上
将成分垂线上相同意义的点连接 起来，标上相应的数字和字母
液相线：结
温 度
100%Ni
温 度
晶开始点的 连线
80%Ni 60%Ni 40%Ni 20%Ni 100%Cu
L
L+α
α
固相线：结 晶终了点的 连线
二、纯金属的结晶过程：形核→长大
结晶的结构条件
液态金属 原子作短程有序规则排列
固态金属 原子作长程有序规则排列
金属结晶的实质:由短程有序的排列的液 态金属转变成具有长程有序排列的固态 金属
液态金属原子排列
在一定条件下短程有序排列的 原子团有可能成为结晶的核心
晶核孕育
期
液态金属冷却到T0以下 经过一段时间
Wα=
x1x x1x2
100 %
WL xx2 W x1x
端点是所求 两平衡相的 成分
x1 x1x
WL
支点是 合金的 成分
x
x2
xx2
Wα
WL x1x W xx2
注：杠杆定律只适用于两相区
注意： • 杠杆定律只适用于二元合金相图的两相区 • 只在平衡状态下使用 • 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，
设成分为x的合金的重量为1
液相的相对重量为WL，
其成分为x1
t1
固相相对重量为Wα，
其成分为x2，则：
WL+Wα =1 A
WL* x1 + Wα* x2 =x
WL=
x2- x x2- x1
Cu
x- x1 Wα= x2- x1
L
B
ao
L+α
b
α
x1 x
x2 Ni
Ni%
WL= xx2 100 % x1 x2
成分为C点的液相同时 结晶出成分为D点的α 固溶体和成分为E点的 β固溶体的混合物
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 。 T,C