第三章材料的凝固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。

3.1 纯金属的结晶一.结晶的热力学条件结晶的驱动力是实际结晶温度（T 1）下晶体与液体的自由能差ΔGV。

而理论结晶温度（T 0）与实际结晶温度（T 1）的差值称作过冷度（ΔT），即ΔT= T 0-T1。

过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。

液体和晶体的自由能-温度曲线纯金属的冷却曲线二、纯金属的结晶过程1、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，称为晶坯。

在T 0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。

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。

气体、液体、晶体的结构纯金属结晶过程示意图气体晶体液体 2、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。

由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。

以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。

非均匀形核更为普遍。

3、晶核的长大方式晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。

实际金属结晶主要以树枝状长大。

6三、凝固组织及其控制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。

z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。

z（一）结晶后的晶粒大小及其控制72、决定晶粒尺寸的因素晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。

z单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。

z单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。

zN/G比值越大，晶粒越细小。

因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。

83、控制晶粒度的方法⑴控制过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。

⑵变质处理：又称孕育处理。

即有意向液态金属内加入非自发形核物质从而细化晶粒的方法。

所加入的物质叫变质剂（或称孕育剂）。

⑶振动、搅拌：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。

9铸铁变质处理前后的组织变质处理前变质处理后变质处理使组织细化。

变质剂为硅铁或硅钙合金。

10 4、晶粒大小对金属性能的影响常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属强度、硬度越高，同时塑性、韧性越好。

称为细晶强化。

高温下，晶粒过粗、过细都不好。

11（二）铸锭组织及其控制在实际生产中，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型则得到铸件。

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。

121、铸锭的组织铸锭(件)的宏观组织通常由表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区三个区组成:铸锭三区13⑴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。

14⑵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。

⑶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T 1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。

15z 2、铸锭的缺陷z铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析等，它们对性能是有害的。

⑴缩孔：金属凝固时体积收缩，如果没有足够的液体补充便会形成孔隙。

如果孔隙集中在凝固的最后部位，则称缩孔。

可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。

钢锭出现缩孔在锻轧前应切除。

缩孔16⑵偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。

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。

适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。

⑶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。

铸锭内表面未被氧化的气孔可在热加工时可焊合，如发生氧化则必须去除。

2、固态转变的特点z⑴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），因为这些部位或与新相结构相近，或原子扩散容易。

z ⑵由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大，固态相变组织通常要比结晶组织细。

z⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力，使材料发生变形或开裂。

3.2 合金的结晶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。

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。

一、二元相图的建立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。

二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例]1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。

2.将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。

3.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。

相图中，结晶开始点的连线叫液相线。

结晶终了点的连线叫固相线。

Cu-Ni合金二元相图建立示意图二、二元相图的基本类型与分析z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。

z以Cu-Ni合金为例进行分析。

Cu -Ni 合金相图1、二元匀晶相图相图由两条线构成，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）。

αLL+α液相线固相线⑴合金的结晶过程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。

Cu-Ni二元合金的结晶过程z随温度下降，固溶体质量增加，液相质量减少。

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t 3时，最后一滴L 4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α4上来。

z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。

固溶体结晶时成分变化。

慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀。

快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀。

枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀。

对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。

扩散退火：把合金加热到低于固相线100 ℃左右, 长时间保温, 原子充分扩散, 获得成分均匀的固溶体。

z （2）枝晶偏析Cu-Ni合金枝晶偏析示意图26（3）杠杆定律设合金总量为1，液相重量W L ，固相α重量为Wα。

已知液相L中Ni的重量分数为C L ，相α中N i的重量分数为Cα,合金中N i的重量分数量为C,则：bcab CC C C W W C C C C W C C CC W CW C W C W W W L L L LL L L L L ==⇒==⇒=•+•=+ααααααααα12、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。

Pb-Sn 合金相图共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应，生成的两相混合物叫共晶体。

发生共晶反应时三相共存, 三相各自成分确定, 恒温进行。

以Pb-Sn 相图为例进行分析。

⑴相图分析①相：相图中有L、α、β三种相,α是溶质Sn在Pb中的固溶体，β是溶质Pb在Sn中的固溶体。

②相区：相图中有三个单相区：L、α、β；三个两相区：L+α、L+β、α+ β；一个三相区：即水平线CED。

水平线cde 为共晶反应线, 成分在ce 之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。

cf 线为Sn在Pb中的溶解度线(α相的固溶线)。

Sn含量大于f 点的合金从高温冷却到室温时, 从α相中析出β相，叫二次β：α→βII 。

eg 线为Pb在Sn中溶解度线。

Sn含量小g 点的合金, 冷却过程中同样发生二次结晶, 析出二次α。

⑵合金的结晶过程 ①合金Ⅰ的结晶过程 合金I的室温组织为α+βII成分大于D点合金结晶过程与Ⅰ合金相似，室温组织为β+ αⅡ。

.2②合金Ⅱ(共晶合金)的结晶过程 合金的室温组织：共晶体(α+β)组织组成物：(α+β) 组成相：α和β相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。

19.2wt%Sn温度, ℃1’共晶合金组织的形态③合金Ⅲ(亚共晶合金) 的结晶过程 合金室温组织：初生α+二次β+(α+β)组织组成物：α、二次β、(α+β)组成相：α、β④过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为β, 二次相为αⅡ室温组织为βⅠ+(α+β)+αⅡ。

亚共晶合金组织过共晶合金组织亚共晶合金和过共晶合金组织初生α+二次β+(α+β)初生β+二次α+(α+β)⑶组织组成物在相图上的标注组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。

3、二元包晶相图Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合金具有包晶相图。

Pt-Ag 合金相图Pt-Ag合金相图中存在三种相:L相:Pt与Ag形成的液溶体α相:Ag溶于Pt中的有限固溶体β相:Pt溶于Ag中的有限固溶体e 点为包晶点。

e 点成分的合金冷却到e 点温度(包晶温度)时发生包晶反应：L+α→β。

反应时三相共存, 它们的成分确定, 恒温进行。

水平线ced 为包晶反应线。

cf 为Ag在α中的溶解度线,eg 为Pt在β中的溶解度线。

4、形成稳定化合物的二元相图稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg 2Si和Fe-C系的Fe 3C) 。

其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区)。

垂足是其成分, 顶点是其熔点, 结晶过程同纯金属.z分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析.Mg 2SiMg 2Si+SiMg+ Mg 2SiSiL+ Mg 2SiL+ SiL+ Mg 2SiL+ Mg共析转变也是固态相变。

最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:γS ⇄αP + Fe 3C 。

5、具有共析反应的二元相图z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。