第2章 金属的结晶
教学提示：一切物质从液态转变为固态的过程称为凝固，凝固后形成晶体，则称为结晶。金属的结晶是铸锭、铸件及焊接件生产中的重要过程，这个过程决定了工件的组织和性能，并直接影响随后的锻压和热处理等工艺性能及零件的使用性能。相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解，是人们研究物质相变的过程及产物的有利工具。在生产中，相图可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重要依据。
教学要求：本章让学生掌握结晶的概念、结晶基本过程以及结晶后获得细晶粒的方法，
了解铸锭组织形成过程、铸锭组织结构与性能特点。熟悉匀晶相图、共晶相图的结构，能正g3058g1305分g3685相g4075g1766金的结晶过程，g1826g1147g3253g4041图，并能熟g2400g1305g4206用g1591g1574定g2512g1945g3384相组成物和组织组成物的相g1395g2408。
2.1 纯金属的结晶与铸锭
大多数金属材料都是在液态下冶炼，然后铸造成固态金属。由液态金属凝结为固态金属的过程，就是金属的结晶。在工业生产中，金属的结晶决定了铸锭、铸件及焊接件的组织和性能。因此，如何控制结晶就成为提高金属材料性能的手段之一。研究金属结晶的目的，就是要掌握金属结晶的规律，用以指导生产，提高产品质量。
2.1.1 纯金属的结晶
1,g1186金属结晶的g3496件
纯金属结晶是指金属从液态转变为晶体状态的过程。纯金属都有一定的熔点，理想条件下，在熔点温度时液体和固体共存，这时液体中原子结晶到固体上的速度与固体上的原子溶入液体中的速度相等，称此状态为动态平衡。金属的熔点又称为理论结晶温度，或平衡结晶温度。但是，实际条件下，液体金属都必须低于该金属的理论结晶温度才能结晶。
通常把液体冷g2376到低于理论结晶温度的g10628g16949称为过冷。因此，g1363液态纯金属能g20046g2045结晶的条件是g4439必须过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的g5058g1552称为过冷度。过冷度的大g4579g2499g18331
用g9921g2010g7524g8873g17839g15904g8991定。
g9921g2010g7524g8873g16025g13634g12628g3282如g3282 2.1 g6164g12046。在g10627g3671温度g1457g6357g993变的g5785g1929下，如g7536把液态金属g6930
在g3389g3502g1881冷g2376，液态金属就以一定的速度冷g2376。在冷g2376过程中，g8611g19560一定时g19400g8991量一g8437温度，然后把g8991量结g7536g13484制在g256温度g252时g19400g257g3364g7643中，g1427g2499g5483到如g3282 2.2 g6164g12046的冷g2376g7366g13459。
g3282中 T
0
为金属的熔点(又称理论结晶温度)，由g3282g2499g16277，在结晶之g2081，冷g2376g7366g13459g17842g13505下g19489，
g5415液态金属冷g2376到理论结晶温度 T
0
时，g5194g993g5332g3999结晶，g13792是冷g2376到 T
0
以下的g7588g1022温度 T
1
时，液态金属才g5332g3999结晶。在结晶过程中，由于g6930g1998结晶g9520g9921，g15929g1619了冷g2376g6967g3845的g9921量，
第2章 金属的结晶
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g1363结晶时的温度g1457g6357g993变，因g13792在冷g2376g7366g13459上g1998g10628了g8712平g19466段，此g6164g4557g5224温度T
1
为该金属的g5332g3999结晶温度。g8712平g19466段g5322g13505的时g19400就是结晶g5332g3999到g13468了时g19400。结晶g13468了时，液体金属
g1852g18108变成固态金属。g19555后，由于g8821有g6930g1998结晶g9520g9921，固态金属温度就g6365原g7481冷g2376速度g13499g13505
下g19489。
图2.1 热分析法装置简图 图2.2 纯金属结晶时冷却曲线示意图
1—电炉 2—坩埚 3—熔融金属 4—热电偶热端
5—热电偶 6—保护管 7—热电偶冷端 8—检流计
一g14336g5785g1929下，冷g2376g7366g13459上g1998g10628的g8712平g19466段，是液体g8503在结晶的g19466段，这时的温度就是纯金属的实际结晶温度(T
1
)。过冷度的大g4579用g5347(2-1)g15932g12046g726
Δ T=T
0
g713T
1
(2-1)
g5347中 T
0
g252g252理论结晶温度g727
T
1
g252g252金属实际结晶温度g727
Δ Tg252g252过冷度。
过冷度与金属的g7424性和液态金属的冷g2376速度有g1863。金属的纯度g17246高，结晶时的过冷度
g17246大g727g2528一金属冷g2376速度g17246大，g2029金属g5332g3999结晶温度g17246低，过冷度g1075g17246大。g5647之，金属结晶必须在一定的过冷度下g17839g15904，过冷是金属结晶的必要条件。
金属结晶为g1172g1052必须在过冷条件下才能g17839g15904g731这是由结晶时的能量条件决定的，g7693g6466
g9921g2159g4410条件，g13007g13491的g14270由能g3800于g7380低状态时，g13007g13491g7380g12295定。由于液体和固体的结g7512g993g2528，
g15441是g2528一g10301质，g4439g1216在g993g2528温度下的g14270由能变g2282g2029g993g2528。如g3282 2.3 g6164g12046的液态金属和固态金属g14270由能g19555温度g13792变g2282的g7366g13459。液态g14270
由能g7366g13459变g2282g8616固态的要g19509，g1016条g7366g13459必然相g1144。g7366g13459中的g1144点g15932g12046在该温度下液态与固态g14270由能相等，g1016g13785g2499共存g5194g3800于动态平衡。g1144点g6164g4557g5224的温度为理论结晶温度T
0
，高于 T
0
时，液态g8616固态的g14270由能低，金属g3800于液态g993是g12295定的g727低于T
0
时，
由液态转变为固态g2499g1363g14270由能g19489低，于是
g1427g2469生了结晶。因此，液态金属要结晶，
必须g3800于T
0
以下。g6454g2489g16817g16840，要g1363液体结晶，就必须产生一定的过冷度，造成液体和固体
g19400的g14270由能g5058Δ F，这g1022能量g5058就是g1431g1363液体结晶的g6524动g2159。液体结晶时就必须g5326立g2528液
图2.3 液态金属和固态金属自由能与温度的关系
金属学与热处理
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相g19560g5332的晶体界面g13792消耗能量A。g6164以，只有g5415液体的过冷度达到一定的程度，g1363结晶的动g2159Δ F大于g5326立g4579晶体界面g6164需要的g15932面能A时，结晶才能g17839g15904。
2,纯金属结晶的一般过程
液态金属结晶是通过形核和长大这g1016g1022密切联g13007的基g7424过程g7481实g10628的。金属结晶g2499
用g3282 2.4 g7481描述，将液态金属冷g2376到g7588一温度，在一定的过冷度下，经过一段时g19400的孕育
g19466段，晶核以一定的速率N[1/(cm
3
s)]生成，g5194g19555之以一定的g13459速度G(mm/s)长大。g2528时剩余液体金属中还g993断产生新晶核g5194g2528时g993断长大，g5415液体结晶速度达到 50%左右时，各g1022
晶粒g5332g3999相互接触，液体中g2499供结晶的空g19400g19555即减g4579，经过一段时g19400之后液体g1852g18108凝固，
结晶结束，g7380后g5483到了多晶体的金属结g7512。
图2.4 金属结晶过程示意图
概括起g7481，液体金属结晶g2010形核和长大g1016g1022过程，下面g2010别讨论形核和长大的规律。
1) 晶核的形成
晶核的形成有g1016种方g5347g726g14270g2469形核和非g14270g2469形核。
液态金属中存在大量尺寸g993g2528的短程有序的原子集团，这些原子集团称为晶坯，在理论结晶温度以上时，g4439g1216是g993g12295定的。g5415温度g19489低到T
0
以下g5194且过冷度达到一定程度后，
液体具备了结晶条件，液体中那些超过一定尺寸(大于临界尺寸)的短程有序的原子集团g993
再消g3845，成为结晶的核心。这种从液体g1881g18108g14270g2469生成结晶核心的方g5347叫g14270g2469形核。
过冷度g17246大，金属由液态转变为固态的g6524动g2159g17246大，能g12295定存在的短程有序的原子集团的尺寸g17246g4579，因此生成的g14270g2469晶核g17246多。但是，g5415过冷度过大或温度过低时，由于原子的活动能g2159太低，生成晶核g6164需的原子的扩g6967受阻，形核的速率反g13792减g4579，故形核率与过冷度有g1863。
在实际金属结晶中，往往g993需要g14270g2469形核那g1052大的过冷度就已g5332g3999形核，因为实际液态金属中g5647是g993g2499避免地含有一些杂质，杂质的存在常常g1431g1363金属原子在其g15932面形核。此外，液态金属g5647是与锭模g1881壁相接触，于是晶核就依附于这些g10628成的固体g15932面形成。这种依靠外g7481质点作为结晶核心的方g5347称为非g14270g2469形核。
g6365照结晶时能量的条件，基底与晶体结g7512以及点阵常数g17246相近，g4439g1216的原子在接触面上g17246容易吻合，基底与晶核之g19400的界面能g17246g4579，从g13792g2499以减少形核时体g13007g14270由焓的增g1552，
这样的基底g1431g17839非g14270g2469形核形成的效g7536较好，因此，g5415杂质的晶体结g7512和晶格常数与金属的结g7512相似或相g5415时，有g2045于形成非g14270g2469形核，晶核就优先依附于这些g10628成的g15932面g13792形成，
g1075有些难熔金属的晶体结g7512与金属的结g7512相g5058甚远，但是其g15932面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属，g1075g2499以成为非g14270g2469形核的核心。在生产实际中，液态金属结晶时形核方g5347主要是非g14270g2469形核。
第2章 金属的结晶
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2) 晶核的长大
晶核长大的实质是原子由液体向固体g15932面的转移过程。纯金属结晶时，晶核长大方g5347
主要有g1016种g726一种是平面长大方g5347，另一种是枝晶长大方g5347。晶体长大方g5347，取决于冷g2376
条件，g2528时g1075受晶体结g7512、杂质含量的影响。
g5415过冷度较g4579时，晶核主要以平面长大方g5347g17839g15904，晶核各g15932面的长大速度遵守g15932面能
g7380g4579的g8873g2029，即晶核长成的规g2029形状g5224g1363g5647的g15932面能趋于g7380g4579。晶核沿g993g2528方向的长大速度是g993g2528的，以沿原子g7380密排面g3414g11464方向的长大速度g7380g5942，g15932面能增g2164g13543g5942。g6164以，平面长大的结g7536，g1363晶核g14731g5483g15932面为原子g7380密排面的规g2029形状。
g5415过冷度较大时，晶核主要以枝晶的方g5347长大，如g3282 2.5 g6164g12046。晶核长大g2033g7411，其外形为规g2029的形状，但g19555g11540晶核的成长，晶体g7877g16294形成，g7877g16294在g13499g13505长大过程中，g7877g16294g3800的
g6967g9921条件优于其g1194g18108g1313，于是g7877g16294g3800优先生长，沿一定g18108g1313生长g1998空g19400g20604g7562，这种g20604g7562好似g7653g5190，称为一g8437晶g17736，在一g8437晶g17736增长的g2528时，在其g1403面又g1262生长g1998g2010枝，称为g1120g8437晶
g17736，g19555后又生长g1998g989g8437g17736，等等。如此g993断生长和g2010枝下g2447，g11464到液体g1852g18108凝固，g7380后形成g7653枝状晶体。
(a) (b) (c)
(d)
图2.5 晶体枝晶成长示意图
g7653枝晶的各g8437晶g17736都具有相g2528的固定方向，g6164以g8611一g1022g7653枝晶都是一g1022g2345晶体。多晶体金属的g8611一g1022晶粒一g14336都是由一g1022晶核以g7653枝晶的方g5347长成的。在枝晶成长过程中，由于液体的g8981动、晶g17736g7424g17535g18337g2159的作用及g5456此之g19400的g11908g6770以及杂质g1815g13044的作用，g1262g1363g7588些晶
g17736g2469生g1571移或g6252断，以g14280造成晶粒中的g1134晶界、g1313g19181等各种g13582g19531。
晶核以g7653枝状长大的原因是g726晶核长大过程中g18334g6930g1998结晶g9520g9921，晶粒g7877g16294g3800g6967g9921较g5567，
因g13792长大速度g5567，成为g9157入到液体中的枝晶g727g7877g16294g3800g13582g19531较多，从液体中转移过g7481的原子容易固定，有g2045于枝晶的生长g727晶核以枝晶的方g5347生长，g15932面g12227大，g1427于从液体中g14731g5483生长g6164需的原子。实际上，晶核长大的过程受冷g2376速度、g6967g9921条件及杂质的影响。如g7536控制了上述影响因g13044，就g2499控制晶粒长大方g5347，g7380g13468g2499达到控制晶体的组织和性能的目的。
3,晶粒大小及其控制
金属结晶以后，g14731g5483由大量晶粒组成的多晶体。g4557金属材料g13792g16340，晶粒的大g4579与其g5390
g19899性有密切g1863g13007。一g14336g5785g1929下，晶粒g17246g13466g4579，g2029金属的g5390度g17246高，g2528时g3621性和g19899性g1075g17246好，
g16277g15932 2g161。g6164以工程上通过控制金属结晶的过程g7481g13466g2282晶粒，这g4557g6925g2904金属材料的g2159g4410性能有g18337要g5859g1053。
金属学与热处理
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表2-1 晶粒大小对纯铁力学性能的影响
晶粒平均直径d/mm 抗拉强度σ
b
/MPa 屈服强度σ
s
/MPa 延伸率δ/(%)
9.7 165 40 28.8
7.0 180 38 30.6
2.5 211 44 39.5
0.2 263 57 48.8
1) 晶粒度的概g5577
晶粒的大g4579称为晶粒度，用g2345g1313面g12227上的晶粒数目或晶粒的平g3355g13459长度(或g11464g5464)g15932g12046。
金属结晶后的晶粒度与形核速率N和长大速度G有g1863。g6164g16871形核速率N即g2345g1313时g19400g1881在g2345
g1313体g12227中g6164形成晶核的数目。g6164g16871长大速度G即晶体长大的g13459速度。形核速率g17246大，g2345g1313
体g12227中g6164生成的晶核数目g17246多，晶粒g1075g17246g13466g4579g727g14521形核速率一定，长大速度g17246g4579，g2029结晶的时g19400g17246长，生成的晶核g17246多，晶粒g17246g13466g4579。g2345g1313体g12227g1881晶粒的g5647数目 Z
V
与形核速率 N
和长大速度G之g19400存在如下g1863g13007g726
3
4
V
0.9
N
Z
G
=
(2-2)
g2345g1313面g12227g1881晶粒的g5647数目Z
S
的g1863g13007g5347为
1
2
S
1.1
N
Z
G
=
(2-3)
从金属结晶的过程g2499g11705，g1973是g1431g17839形核，g6245制长大的因g13044，都能g13466g2282晶粒。通过g6925变
g8987g8892温度和冷g2376条件，g1427g2499g6925变金属液相的过冷度，从g13792g2499以控制晶粒大g4579。
2) 晶粒度的控制
在工业生产中，为了g13466g2282铸态的晶粒，以提高铸件及焊缝的性能，g18331取的g6526g7057如下g726
(1) 增g2164过冷度。金属结晶时，形核速率 N 和长大速度 G 都与过冷度有g1863，如g3282 2.6
g6164g12046。g19555g11540过冷度的增g2164，形核速率N和长大速度G都增g2164，g5194在一定过冷度下达到g7380大
g1552，但g19555g11540过冷度的g17839一g8505增g2164，g1016g13785都减g4579，这是由于温度过低时，液体中原子扩g6967g3268
难，N和G都g19555之减g4579。在生产实g17353中，冷g2376条件往往g3800于g7366g13459的左g17805g18108g2010，g13792g7366g13459的右
g17805g18108g2010的冷g2376条件在实际中难以达到。g6164以，g19555g11540过冷度的增g2164，形核速率N和长大速度
G都增g2164，但形核速率N增g2164g7368g5567，故N/G增大，g1363晶粒g13466g2282。铸造生产中，通过g19489低g8987
g8892温度、g2164g5567冷g2376速度等都能增大金属液相的过冷度，g1363晶粒g13466g2282。g2164g5567冷g2376速度的方g8873
主要有g726g18331用g6967g9921g5567的金属铸g3423、g19489低金属铸g3423的g20056g9921温度、减g4579g9046料g4630的g2414度以及g18331用
g8712冷铸g3423等。g19555g11540超高速g5625冷(10
5
K/sg79410
11
K/s)g6228g7427的g2469g4649，g2499以g14731g5483超g13466g2282晶粒的金属、
g1134g12295态金属和非晶态金属。此g12879金属有g14403好的g7438g7812性能和g10301理g2282g4410性能，且有g7509大的g2469
g4649g2081g7235。g4557体g12227大、形状g3809杂的铸件，g5468难g14731g5483大的过冷度，就g18331用变质方g8873或g10301理方g8873
g7481g13466g2282晶粒。
(2) 变质g3800理。变质g3800理又叫孕育g3800理，就是在液态金属中g2164入孕育g2070或变质g2070，以增g2164非g14270g2469形核的数目，g1431g17839形核，g6245制晶核长大，从g13792达到g13466g2282晶粒的目的。用于g13466g2282
晶粒的变质g2070有如下g1972种g726在g8987g8892g2081向液体金属中g2164入g2528g12879金属g13466粒，或g2164入结g7512g4448g1852g4557
第2章 金属的结晶
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g5224的高熔点g10301质g13466粒，在液相中g11464接起g11540外g7481晶核的作用。如g8987g8892高g19136g19062时g2164入g19136g19093g12893g727
在液态金属中g2164入少量的g7588些g1815g13044，形成g12295定g2282合g10301作为活性质点，g1431g17839非g14270g2469形核g727如在g19062液中g2164入g19055、g19046、g19104等形成g11911g2282合g10301作为活性质点g727g19121液中g2164入g19055、g19162作为质点都能起到非g14270g2469形核的核心作用。有些g10301质g993能提供结晶核心，但能阻g8502晶粒长大，如液态金属中g2164入少量g15932面活性g1815g13044，能附g11540在晶核的结晶g2081沿，阻g11873晶核长大，如g19062液中g2164入
g11856就属于此g12879变质g2070。
图2.6 金属的形核率N和长大速度G与过冷度的关系
(3) g6403动、g6617g6304等。在金属结晶过程中，用g7438g7812g6403动、超g3780g8886g6403动以及g6617g6304等方g8873，
能g3827g6183g11874g8503在长大的枝晶，增g2164结晶的核心，达到g13466g2282晶粒的目的。
2.1.2 铸锭组织
1,铸锭组织的形成
铸锭凝固过程中，由于g15932面和中心冷g2376条件g993g2528，因此铸锭的组织是g993g3355g2260的。如
g32822.7铸锭g2090面组织g12046g5859g3282。其组织由外向g1881g7138g7186g2010为g989g1022晶g2318g726g15932g4630g13466晶g2318，g7621状晶g2318，
中心等g17736晶g2318。
图2.7 金属铸锭组织示意图
1—表层细晶区 2—柱状晶区 3—中心等轴晶区
g15932g4630g13466晶g2318g726g5415将g19062g8712g8987g8892到锭模以后，由于模壁的温度较低，和模壁接触的g19062液受到g9620冷，造成较大的过冷度，形成大量的晶核，g2528时模壁g1075有非g14270g2469形核核心的作用。结
g7536，在金属的g15932g4630形成一g4630g2414度g993大、晶粒g5468g13466的g13466晶g2318。
g15932g4630g13466晶g2318的晶粒g2325g2010g13466g4579、组织g14280密，g2159g4410性能好。但纯金属铸锭g15932g4630g13466晶g2318的g2414
度一g14336都g5468g15192，g4557g6984g1022铸锭性能的影响g993是g5468大。g13792合金铸锭一g14336具有较g2414的g15932g4630g13466晶g2318。
金属学与热处理
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g7621状晶g2318g726g13466晶g2318形成的g2528时，模壁温度g2331高，g1363剩余液体金属的冷g2376速度g19489低，g2528
时，由于g15932g4630结晶时g18334g6930结晶g9520g9921，g1363g13466晶g2318g2081沿的液体过冷度减g4579，形核速度g19489低，但晶核g13499g13505生长。由于g3414g11464模壁的方向g6967g9921速度g7380g5567，那些晶g17736g3414g11464于模壁的晶核就g1262沿g11540
与g6967g9921方向相反的方向g17817速向液体金属中长大，g13792晶g17736与模壁g7024g1144的晶核长大受到g19492制，
结g7536g14731g5483g7621状晶粒g2318。
在g7621状晶g2318，晶粒g5456此g19400的界面g8616较平g11464，g8680泡缩孔g5468g4579，组织g8616较g14280密。g13792g7621状晶的g1144界面g3800的低熔点杂质或非金属杂质较多，形成g7138g7186的脆弱界面，在锻造、轧制时易沿这些脆弱面形成裂纹或g5332裂。生产上，g4557于g993希望g5483到g7621状晶的金属，通常g18331用g6403动g8987g8892
或变质g3800理等方g8873g7481g6245制g7621状晶的扩g4649。但g7621状晶g2318的性能有g7138g7186的方向性，沿g7621状晶晶
g17736方向g5390度高，g4557于那些主要受g2345向载荷的g7438g7812零件，例如汽轮g7438叶片，g7621状晶是g8616较理想的，一g14336g18331用提高g8987g8892温度、g2164g5567冷g2376速度等g6526g7057，都有g2045于g7621状晶的g2469g4649。
中心等g17736晶g2318g726g19555g11540g7621状晶g2318的g2469g4649，剩余液体金属的冷g2376速度g5468g5567g19489低，温g5058g1075g17246
g7481g17246g4579，g6967g9921方向变g5483g993g7138g7186，g3800于g3355g2260冷g2376状态。此外，由于液体金属的g8981动，将一些未熔杂质质点g6524向铸锭中心，或g7621晶上的g4579g2010枝被冲断g13792漂移到铸锭中心，g4439g1216都能成为剩余液体金属结晶晶核，这些晶核由于在g993g2528方向上的生长速度大g14280相g2528g13792g7380g13468长成等g17736
晶粒。
中心等g17736晶g2318g993存在g7138g7186的脆弱面，方向g993g2528的晶粒g5456此g1144g19181、咬合，各方向上g2159g4410
性能g3355g2260，是一g14336g19062g19093铸件g6164要求的组织和性能。生产上g18331用低温g8987g8892、冷g2376速度g5942、各方向g3355g2260g6967g9921、变质g3800理和附g2164g6403动、g6617g6304等g6526g7057g7481g14731g5483等g17736晶粒。
2,铸锭的缺陷
液体金属或合金在凝固过程中经常g1262产生一些铸造g13582g19531，常g16277的有缩孔、疏松和g8680孔等，这些g13582g19531的存在g4557铸件的质量产生g18337要影响。
1) 缩孔
液体金属在凝固过程中g2469生体g12227收缩，凝固早的液体金属g6164产生的收缩孔隙由凝固晚的液体金属g7481g15929充，g7380后一g18108g2010g8821有剩余的液体金属g15929充就成为空洞，即缩孔。一g14336缩孔
g18108g2010在轧制或锻造之g2081都要切g2447，否g2029g4557产品质量有影响。生产中减少缩孔的办g8873有g726合理的设计模锭g727合理的g8987g8892方g8873，如上g8892g8873，g5942g8892g727g18331用g1457温帽等g6526g7057。g18331用g17842铸工艺生产的g19062坯g8821有缩孔g13582g19531。因此，g17842铸工艺生产的g19062材的成材率高。
2) 疏松
疏松即g2010g6967缩孔，主要是由于枝晶g19400g2010g19560的液体金属在凝固收缩时g5483g993到液体金属g15929
充g13792g2499能留下的一些g4579孔隙以及金属液中的g8680体夹杂造成的。减少疏松的方g8873是g5567速冷g2376
及g19489低g8680体含量等。
3) g8680孔
g8680孔是指铸锭(件)中因有g8680体g7524g1998g13792形成的空洞。液体金属中的g8680体溶解度较大，如铸模g15932面的锈皮等与液体相互作用产生g8680体，g8987g8892时液体g8981动g1075g1262卷入g8680体，希望这些g8680
体在凝固过程要g7524g1998。如g7536凝固过程g8680体g7481g993及逸g1998，就g1262g1457留在液体金属中形成g8680孔。
在铸锭铸坯轧制过程中g8680孔大多都g2499以焊合，但g4557皮下g8680孔，g1262造成微g13466裂纹和g15932面起皱
g10628g16949，从g13792影响金属质量。故冶炼及g8987g8892过程要控制产生g8680体的各种因g13044。
第2章 金属的结晶
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2.2 合金的结晶
相g3282是g15932g12046合金g13007的状态，是合金的状态与温度、成g2010之g19400g1863g13007的g3282解。g2045用相g3282，
g2499以g11705道各种成g2010的合金在g993g2528温度的组织状态及g1172g1052温度下g2469生结晶和相变，g1075g2499以了解g993g2528成g2010的合金在g993g2528温度下由哪些相组成及相g4557含量，还能了解合金在g2164g9921和冷g2376过程中g2499能g1262g2469生的转变。合金状态g3282为g17839g15904金相g2010g7524、合金熔炼、铸造、锻造及g9921g3800理工艺提供了理论依g6466。
2.2.1 二元合金相图的建立
1,相图的建立方法
g1120g1815合金相g3282是由实验g8991定的。g8991定相g3282的方g8873有g9921g2010g7524g8873、金相g2010g7524g8873、硬度g8873、
膨胀试验、X射g13459g2010g7524等。这些方g8873都是以合金相变时g2469生g7588些g10301理变g2282为基础g13792选定的。
这里g18337点介绍g9921g2010g7524g8873g5326立相g3282。
合金凝固时g18334g6930凝固g9520g9921，用g9921g2010g7524g8873g2499以方g1427地g8991定合金的凝固温度。g5326立g1120g1815合金相g3282的具体g8505骤如下g726
① 首先配制一g13007列g993g2528成g2010的g2528一合金g13007。
② 将合金熔g2282后，g2010别g8991g1998g4439g1216的冷g2376g7366g13459。
③ g7693g6466冷g2376g7366g13459上的转g6252点确定各合金的状态变g2282温度。
④ 将上述数g6466引入以温度(℃)为纵g17736、成g2010(质量百g2010g8616为g2345g1313)为横g17736的g3364g7643平面中。
⑤ g17842接g5859g1053相g2528的点，作g1998相g5224的g7366g13459，g7643g7138各g2318域g6164存在的相。g1427g5483到合金g13007
相g3282。
g8991定时g6164配制的合金数目g17246多、g6164用金属纯度g17246高、g8991温精度g17246高、冷g2376速度g17246g5942
(0.5℃/min ~1.5℃/min)，g2029g6164g8991g5483的相g3282g17246精确。
如g32822.8g6164g12046是用g9921g2010g7524g8873g5326立的Cu-Ni合金的相g3282过程g12046例。
图2.8 用热分析法建立Cu-Ni相图
金属学与热处理
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g32822.8(a)给g1998纯Cu、Ni的含量g2010别为w
Ni
30%、w
Ni
50%、w
Ni
70%的合金及纯Ni的冷g2376
g7366g13459。g2499g16277，纯Cu和纯Ni的冷g2376g7366g13459都有一g8712平g19466段，g15932g12046其结晶的临界点，其g1194g989种合金的冷g2376g7366g13459都g8821有g8712平g19466段，但有g1016g8437转g6252，转g6252点g6164g4557g5224的温度代g15932g1016g1022临界点，
g15932g7138这些合金都是在一定温度范围g1881g17839g15904结晶，温度较高的临界点是g5332g3999结晶温度，称上临界点，温度较低的临界点是结晶g13468了温度，称为下临界点。
将上述的临界点g7643在温度g252成g2010g3364g7643g3282中，再将相g5224的临界点g17842接起g7481，就g5483到g32822.8(b)
g6164g12046的 Cu-Ni 相g3282。其上临界点的g17842接g13459称为液相g13459，g15932g12046合金在g13543g5942冷g2376过程中g5332g3999结晶(或在g2164g9921过程中熔g2282g13468了)的温度g727下临界点的g17842g13459称为固相g13459，g15932g12046合金在冷g2376过程中结晶g13468了(或在g2164g9921时g5332g3999熔g2282)的温度。这g1016条g7366g13459把 Cu-Ni 合金相g3282g2010成g989g1022相g2318，
液相g13459以上g2318域g15932g7138g6164有合金g3355为液相，用符号Lg15932g12046。固相g13459以下的g2318域g15932g7138g6164有合金
g3355为固相，用符号αg15932g12046。液、固相g13459之g19400的g2318域是液相与固相g1016相平衡共存的g2318域，以
L+αg15932g12046。
2,相律及杠杆定律
(1) 相律。相律是g15932g12046在平衡条件下，g13007g13491的g14270由度数、组g1815数和相数之g19400的g1863g13007，
是g13007g13491平衡条件的数g4410g15932达g5347，是检验、g2010g7524和g1363用相g3282的g18337要工具，g6164g8991定的相g3282是否
g8503确，要用相律检验。在研究和g1363用相g3282时，g1075要用到相律。
相律g2499用g5347(2-4)g15932g12046g726
f=cg713p＋2 (2-4)
g5415g13007g13491的压g2159为常数时，g2029为
f=cg713p＋1 (2-5)
g5347中，cg252g252g13007g13491的组g1815数g727
pg252g252平衡条件下g13007g13491中的相数g727
f g252g252g14270由度数。g6164g16871g14270由度是指在g1457g6357合金g13007中相的数目g993变的条件下，合金g13007中
g2499以独立g6925变的影响合金状态因g13044的数目，g14270由度fg993能为负数。
影响合金状态的因g13044有合金的成g2010、温度和压g2159。g5415压g2159g993变时，g2029合金的状态由成
g2010和温度g1016g1022因g13044确定。
g2045用相律g2499以判断在一定条件下g13007g13491g7380多g2499能平衡共存的相数目。g5415组g1815 c 给定时，
g14270由度fg17246g4579，平衡共存的相数g17246多。g5415f=0时，由g5347(2-4)g5483g1998g726
p=c＋2 (2-6)
压g2159恒定时g726 p=c＋1 (2-7)
g5347(2-7)g15932g7138，在压g2159给定的条件下，g13007g13491中g2499能g1998g10628的g7380多平衡相数g8616组g1815数多 1，
例如g726一g1815g13007c=1，p=2，即g7380多g2499以g1016相共存。g1120g1815g13007c=2，p=3，g7380多g2499以g989相平衡共存，
等待。
g2045用相律g2499以g16840g7138纯金属或合金结晶时的g7588些g5058别，例如纯金属结晶时存在液体与固体g1016相，即 p=2，由相律g2499g5483g1998 f =1g7132＋1=0。因此，纯金属在结晶时温度g993能g6925变，只能在恒温下g17839g15904，在冷g2376g7366g13459上g15932g10628为g8712平g13459段g727g1120g1815合金在结晶时，如g7536是固、液g1016相平衡共存，g2029 f =2g7132＋1=1，有一g1022g14270由度数，即有一g1022g2499以g6925变的影响因g13044，因g13792g2499以在一定的温度范围g1881g17839g15904结晶。如g7536在g1120g1815合金结晶时g1998g10628g989相平衡共存，g2029 f =2g7133＋1=0，
第2章 金属的结晶
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因g13792这种转变只能在恒温下g17839g15904。
(2) 杠杆定律。合金在结晶过程中，各相的成g2010及其相g4557含量都在g993断地g2469生变g2282。
g2045用相g3282及杠杆定律，g993但能g3827确定任一成g2010的合金在任一温度下g3800于平衡时的g1016相的成
g2010，g13792且g2499以确定g1016相的相g4557含量。
如g32822.9g6164g12046，在Cu-Ni合金中，要想确定含Ni量为C%的合金I在结晶过程中冷g2376
到温度T
1
后，其组织由哪g1016g1022相组成以及各相的成g2010，g2499以通过T
1
作一g8712平g13459段arb,arb
g13459与液相g13459(液相g2318)相g1144于a点，与固相g13459(固相g2318)相g1144于b点，g1075就是g15932g12046合金I在温度
T
1
时是由液相L与固相(α固溶体)g6164组成，液相L的成g2010是含Ni量为C
L
%，固溶体α的成
g2010是含Ni量为
α
C %。
图2.9 杠杆定律的证明及力学比喻
设合金I的g5647质量为1，在温度T
1
时液相的质量为Q
L
，α固溶体的质量为
α
Q,g2029有g726
L
Q +
α
Q =1 (2-8)
另外，合金I中g6164含的Ni的质量g5224该等于液相中Ni的质量与固溶体中Ni的质量的和。
即
L
Q ·
L
C ＋
α
Q ·
α
C =1×C (2-9)
由g5347(2-8)、g5347(2-9)g2499以g5483到g726
α
L
α L
CC rb
Q
C Cab
==
(2-10)
L
α
α L
CC ar
Q
C Cab
==
(2-1)
或
L
α
Q rb
Q ar
= (2-12)
这g1022g5347子与g2159g4410中的杠杆定律非常相似，g6164以g1075称为杠杆定律。如g32822.9(b)中，如将r
看作是支点，假定杠杆arb的g1016端g2010别悬挂质量
L
Q 及
α
Q,g2029杠杆的平衡条件就是g726
L
Q? ar =
α
Q? rb (2-13)
即
L
α
Q rb
Q ar
= (2-14)
g5224g5415g8892g5859，杠杆定律只能用于g3800于平衡状态的g1016相g2318，g4557相的g12879g3423g993作g19492制。
金属学与热处理
·40·
·40·
2.2.2 匀晶相图
1,相图分析
g1016组g1815在液态、固态g3355无g19492互溶，冷g2376时g2469生g2260晶反g5224(结晶)的合金g13007，g7512成g2260晶相
g3282。具有这g12879相g3282的g1120g1815合金g13007主要有g726Cu-Ni、Au-Ag、Pt-Rh、Fe-Cr、Cr-Mo、Fe-Ni等。
这g12879合金结晶时，都是从液相结晶g1998g2345相的固溶体，这种结晶过程称为g2260晶转变。下面以
Cu-Nig1120g1815合金相g3282为例g17839g15904g2010g7524。
如g32822.10(a)g6164g12046的Cu-Nig1120g1815合金相g3282，该相g3282上面一条是液相g13459，下面一条是固相
g13459，液相g13459和固相g13459把相g3282g2010成g989g1022g2318域，即液相g2318L、固相g2318α以及液固g1016相g2318L+α。
2,合金的平衡结晶过程
平衡结晶是指合金在g7509其g13543g5942冷g2376条件下g17839g15904结晶的过程。如g32822.10g6164g12046Cu-Ni合金的冷g2376g7366g13459及结晶过程g12046g5859g3282，在1点温度以上，合金为液相L，g13543g5942冷g2376到1g7942温度之
g19400，g2469生g2260晶反g5224(结晶)，从液相中逐渐结晶g1998α固溶体，2点温度以下，合金g1852g18108结晶为
α固溶体，其g1194合金g13007结晶过程与此g12879似。
图2.10 Cu-Ni合金相图及冷却曲线示意图
与纯金属一样，α 固溶体从液相中结晶的过程，g1075包括形核和长大的过程，固溶体结晶是在一g1022温度范围g1881g17839g15904，即是一g1022变温结晶过程。在g1016相g2318，温度一定时，g1016相成g2010
是确定的，确定成g2010的方g8873是g726过指定温度T
1
作g8712平g13459，g2010别g1144液相g13459和固相g13459于a
1
点和
c
1
点，g2029a
1
点和c
1
点在成g2010g17736上的投影即为液相L和固相α 的成g2010。g19555g11540温度的g19489低，液相成g2010g19555液相g13459变g2282，固相成g2010g19555固相g13459变g2282。
在g1016相g2318g1881，温度一定时，g1016相的质量g8616是一定的，如T
1
时，g2045用杠杆定律g2499g5483g1016相的质量g8616的g15932达g5347g726
L 11
α 1 1
Q bc
Q ab
= (2-15)
第2章 金属的结晶
·41·
·41·
g5347中，Q
L
为液相 L 的质量，
α
Q 为固相α的质量，b
1
c
1
、a
1
b
1
为g13459段长度，g2499用其成g2010g3364g7643
上的数字g7481度量。
3,枝晶偏析
在实际铸造生产中，由于冷速较g5567，固溶体合金g2469生g993平衡结晶，g5483到g993g3355g2260的g7653枝状组织，先结晶g1998的g7653枝晶的晶g17736含有较多的高熔点组g1815，g13792后结晶g1998g7481的g2010枝及其枝g19400
空隙g2029含有较多的低熔点组g1815。这种g7653枝状晶体中成g2010g993g3355g2260g10628g16949称为枝晶g1571g7524，又称为晶g1881g1571g7524。
枝晶g1571g7524g1262g1363晶粒g1881g18108的性能g993一g14280，从g13792g1363合金的g7438g7812性能g19489低，特别是其g3621性和g19899性g19489低。枝晶g1571g7524g1075g1262导g14280合金g2282g4410性能的g993g3355g2260，g1363其耐蚀性能g19489低。在生产上一g14336g18331用扩g6967退火或g3355g2260g2282退火的方g8873g7481消除枝晶g1571g7524，即将铸件g2164g9921到低于固相g13459以下
100℃g794200℃的温度，g17839g15904长时g19400的g1457温，g1363g1571g7524g1815g13044g17839g15904充g2010的扩g6967，以达到g3355g2260g2282的目的。铸锭经过g9921轧或g9921锻后，g1075g2499以g1363其枝晶g1571g7524程度有g6164减轻。
2.2.3 二元共晶相图
g1016组g1815在液态无g19492溶解，在固态有g19492溶解，且冷g2376过程中g2469生共晶反g5224的相g3282，称为共晶相g3282。这g12879合金有Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等。下面以Pb-Sng1120g1815共晶相g3282为例
g2010g7524其结晶过程。
1,相图分析
Pb-Sn合金相g3282(g16277g32822.11)中，Pb与Sn形成的液相L，Sn溶于Pb中形成的有g19492固溶体α SS相，Pb溶于Sn中形成的有g19492固溶体β相。A和Bg2010别为组g1815Pb和Sn的熔点，C、
D点g2010别是Sn在固溶体α中的g7380大溶解度点和Pb在固溶体β中的g7380大溶解度点，g13792CF及
DGg2029代g15932g1016固溶体α及β的溶解度g7366g13459。AEB为液相g13459，ACEDB为固相g13459，相g3282中有g989
g1022g2345相g2318(L、α、β )g727g989g1022双相g2318(L+α、L＋β、α＋β )g727一条 L＋α＋β的g989相共存g13459(g8712
平g13459CED)，E点是共晶点，g15932g12046此点成g2010的合金冷g2376到此点g6164g4557g5224的温度时，共g2528结晶g1998
C点成g2010的α相和D点成g2010的β相g726
L αβ
E CD
→+
共晶温度
(2-16)
这种具有一定成g2010的液体(L
E
)在一定温度(共晶温度)下g2528时结晶g1998g1016种固体( αβ)
C D
+
的反g5224叫做共晶反g5224，g6164生成的产g10301称共晶体或共晶组织。共晶体的g7186微组织特征是g1016相
g1144替g2010布，其形态与合金的特性及冷g2376速度有g1863，一g14336为片g4630状，或g7653枝状，或针状。
2,典型合金的平衡结晶过程
(1) 合金I。合金I为共晶合金，其结晶过程如g32822.12g6164g12046。合金从液态冷g2376到1点温度后，g2469生共晶反g5224，经过一定时g19400到1' 时，反g5224结束，液相g1852g18108转变为共晶体(αβ)
C D
+ 。
从共晶温度冷g2376到室温，共晶体中的α
C
和β
D
g3355g2469生g1120g8437结晶，从α中g7524g1998
II
β,从β中g7524g1998
II
α 。α的成g2010由C点变为F点，β的成g2010由D点变为G点。由于g7524g1998的
II
α 和
II
β 都相g5224地金属学与热处理
·42·
·42·
与α和β相g17842在一起，共晶体的成g2010和形态g993变，合金的室温组织g1852g18108为共晶体，即只含有一种组织组成g10301，g13792其组成相为α和β。
图2.11 Pb-Sn二元共晶相图 图2.12 共晶合金冷却曲线及组织转变示意图
(2) 合金II。合金II为g1134共晶合金，其结晶过程如g32822.13g6164g12046。
合金冷g2376到 1 温度以后，g5332g3999结晶g1998α固溶体，称为g2033生α固溶体。从 1 点到 2 点温度的冷g2376过程中，α固溶体逐渐增多，液相逐渐减少，相α的成g2010沿AC变g2282，液相成g2010沿
AE变g2282。这一g19466段的转变属于g2260晶转变。g5415温度g19489至2点温度尚未g2469生共晶转变时，α相和剩余液相的成g2010g2010别到达C点和E点，此时用杠杆定律g2499以求g1998g1016相的相g4557含量g726
α
2
100%
E
w
CE
=× (2-17)
L
2
100%
C
w
CE
=× (2-18)
图2.13 亚共晶合金结晶过程示意图
在温度为T
E
、成g2010为E点的液相g1427g2469生共晶转变，g2033生α相g993变。经过一段时g19400到2'
时，剩余液相g1852g18108形成共晶组织(αβ)
C D
+,此时组织为α＋(αβ)
C D
+ 。从共晶温度g13499g13505往下冷g2376时，将从α相中g7524g1998
II
β,从β相中g7524g1998
II
α 。室温组织为g2033生α＋
II
β ＋(αβ)
C D
+,g7186
第2章 金属的结晶
·43·
·43·
微组织如g32822.14g6164g12046，g3282中暗黑色g7653枝状晶是先共晶α相，之中的白色颗粒是
II
β,黑白相
g19400g2010布的是共晶组织。此时合金的相组成为α和β，g4439g1216的相g4557含量为
α
3
100%
G
w
FG
=× (2-19)
β
3
100%
F
w
FG
=× (2-20)
(3) 合金III。合金 III为过共晶，其平衡结晶过程与g1134共晶合金相似，g1075包括g2260晶反
g5224、共晶转变和g1120g8437结晶g19466段，g6164g993g2528的是先共晶相g993是αg13792是β，g1120g8437结晶过程为从β中
g7524g1998
II
α 。g6164以室温组织为β＋
II
α ＋(α＋β )，其组织g12046g5859g3282如g32822.15g6164g12046，g3282中白色卵形
g18108g2010为βg2033晶，其余为共晶组织。
图2.14 亚共晶组织示意图 图2.15 过共晶组织示意图
(4) 合金g268。合金g268的平衡结晶过程如g32822.16g6164g12046。
图2.16 合金Ⅳ的结晶过程示意图
液态合金冷g2376到 1 点温度以后，g2469生g2260晶结晶过程，至 2 点温度合金g4448g1852结晶成α固溶体，从2g7943温度之g19400，α相g993变，从3点温度g5332g3999，由于Sn在α中的溶解度g19489低，从α
中g7524g1998
II
β,到室温时α中 Sn 含量逐渐变为 4 点。g7380后合金g5483到的组织为α＋
II
β,g1016相的相g4557含量为
金属学与热处理
·44·
·44·
α
4
100%
G
w
FG
=× (2-21)
β
4
100%
F
w
FG
=× (2-2)
2.2.4 二元包晶相图
g1016组g1815在液态相互无g19492互溶，在固态有g19492互溶，结晶过程g2469生包晶转变的g1120g1815合金g13007
相g3282，称为包晶相g3282。具有包晶转变的g1120g1815合金g13007有Sn-Sb、Pt-Ag、Cu-Sn、Cu-Zn等。下面以Pt-Ag相g3282为例g2010g7524包晶转变过程。
1,相图分析
Pt-Agg1120g1815合金相g3282如g32822.17g6164g12046。g3282中存在g989种相g726Pt与Ag形成的液相L，Ag溶于Pt中的有g19492固溶体α，Pt溶于Ag中的有g19492固溶体β。ACB为液相g13459，APDB为固相g13459，
PE及DFg2010别是溶解度g7366g13459，g8712平g13459是包晶转变g13459，D点是包晶点，g6164有成g2010在P和C之
g19400的合金在此温度都将g2469生g989相平衡的包晶转变，这种转变的反g5224g5347为
L αβ
C PD
+→
包晶温度
(2-23)
这种由一种液相与一种固相在恒温下相互作用g13792转变为另一种固相的反g5224叫做包晶反g5224
或包晶转变。g2469生包晶反g5224时，g989相共存。g7693g6466相律，在包晶转变时，其g14270由度f =2g7133＋1=0，
即g989g1022相的成g2010g993变，且转变在恒温下g17839g15904。
图2.17 Pt-Ag合金相图
2,典型合金的平衡结晶过程
(1) 合金I。合金I的平衡结晶过程如g32822.18g6164g12046。
第2章 金属的结晶
·45·
·45·
图2.18 合金I的平衡结晶过程
g5415合金g14270液态g13543g5942冷g2376到与液相g13459相g1144的 1 点时，g5332g3999从液相中结晶g1998α相，g19555g11540温度的g19489低，α相的量g993断增多，液相的量g2029g993断减少，α固溶体的成g2010沿固相g13459AP变g2282，
L相成g2010沿液相g13459AC变g2282。g5415温度g2030g2030g19489低T
D
(1186℃)时，α相与L相的相g4557量g2499由杠杆定律g12651g1998g726
L
100%
PD
w
PC
=× (2-24)
α
100%
DC
w
PC
=× (2-25)
在温度T
D
下，液相L和固相αg2469生包晶转变，转变结束后，L和α相g1852g18108转变为β固溶体。温度g13499g13505g19489低，从β中g7524g1998
II
α,室温组织为β＋
II
α 。
包晶转变g1075需要一定的过冷度，g5415温度g19489低到g11065低于包晶温度(T
D
)时，g5332g3999从液相中
g7524g1998β固溶体，β固溶体将在原有的g2033生α固溶体的g15932面形核及长大，在α固溶体的g15932面形成一g4630β固溶体的外g3783。此时，α固溶体的成g2010相g5415于P点，β固溶体的成g2010相g5415于D点，
g13792液相的成g2010g2029相g5415于C点。由相g32822.17g2499g11705，β固溶体中的Ag含量g8616液相低但g8616α固溶体高，其中含Pt量g2029g8616α固溶体低g13792g8616液相高。由于在各相的界面上存在g11540g8999度g7811度，
因此，液相中的Ag原子将g993断地由液相向β固溶体扩g6967。这样，g7380g2033形成的β固溶体向外将g993断地消耗液相g13792向液相中生长，g2528时，g1075g993断地消耗α固溶体g13792向g1881生长，g11464至g7380后将液相和α固溶体g1852g18108消耗g4448为g8502。
(2) 合金II。合金II的平衡结晶过程如g32822.19g6164g12046。
图2.19 合金II的平衡结晶过程示意图
g5415合金由液态g13543g5942冷g2376到与液相g13459相g1144的 1 点时，g5332g3999从液体中结晶g1998α固溶体，在
1g7942 点之g19400，g19555g11540温度的g19489低，α固溶体的量g993断增g2164，液相的量g993断减少，α固溶体的成g2010沿APg13459变g2282，液相成g2010沿ACg13459变g2282。g5415温度g2030好g19489低到T
D
点时，α固溶体与液相L
的相g4557含量为
金属学与热处理
·46·
·46·
α
2
100%
C
w
PC
=× (2-26)
L
2
100%
P
w
PC
=× (2-27)
在T
D
温度以下时，α固溶体与液相共g2528作用g2469生包晶转变，形成β固溶体。由于合金
II在T
D
温度时，其中α固溶体的相g4557量较多，因此，包晶转变结束后，合金中除了新形成的β固溶体外，还有剩余的α固溶体。由于g19555g11540温度的g19489低，Ag 在α固溶体中的溶解度沿
PEg13459减g4579，Pt在β固溶体中的溶解度沿DFg13459减g4579，因此，g5415合金g13499g13505冷g2376时，将g993断从α
固溶体中g7524g1998
II
β,从β固溶体中g7524g1998
II
α,合金II冷g2376到室温时的组织为α＋β＋
II
α ＋
II
β 。
(3) 合金III。合金III的平衡结晶过程如g32822.20g6164g12046。
图2.20 合金Ⅲ的平衡结晶过程示意图
合金由液态g13543g5942冷g2376到与液相g13459相g1144的1点时g5332g3999结晶g1998α固溶体，在1g7942点之g19400，
g19555g11540温度的g19489低，α固溶体的量g993断增g2164，g5415温度g19489到T
D
时后，α固溶体与液相L共g2528作用，g2469生包晶转变，形成β固溶体。这些转变与合金IIg12879似，但由杠杆定律g2499g12651g1998，合金
III在包晶转变g4448以后，除了新形成的β固溶体外，还有剩余的液相存在。g5415合金的温度g13499
g13505g19489低，剩余的液相将g13499g13505结晶g1998β固溶体。在2g7943点之g19400，g19555g11540温度的g19489低，β固溶体的量g993断增g2164，g5415温度g19489低到3点时，合金g1852g18108结晶为β固溶体。在3g7944点温度之g19400，合金组织g993g2469生变g2282，为g2345相β固溶体。g5415温度g19489低到4点后，与β固溶体的溶解度g13459DF相
g1144，将从β固溶体中g7524g1998α
II
。室温组织为β＋α
II
。
上述g2010g7524的是包晶转变g13459(PDCg13459)范围g1881的g989种g993g2528g1868g3423合金的平衡结晶过程。其中成g2010在PD之g19400的平衡合金结晶过程与合金IIg12879似，成g2010在DC之g19400的合金平衡结晶过程与合金IIIg12879似，至于含Ag量g4579于P点及大于C点的合金，其平衡结晶过程与g2260晶相g3282
g12879似。
在合金结晶过程中，如g7536冷速较g5567，包晶反g5224时原子扩g6967g993能充g2010g17839g15904，g2029生成的β 固溶体g1262g2469生较大的成g2010g1571g7524，原α固溶体中Pt含量较高，g13792液相g2318Pt含量较低。这种由于包晶转变g993能充g2010g17839g15904g13792产生g2282g4410成g2010g993g3355g2260的g10628g16949称为包晶g1571g7524。在生产中，g2499以g18331用在结晶后g17839g15904长时g19400扩g6967退火，g1363原子g5483以充g2010扩g6967g7481减少或消除包晶g1571g7524。
2.2.5 其他常用的二元合金相图简介
1,形成稳定化合物的二元合金相图
g6164g16871g12295定g2282合g10301，就是指具有一定熔点，在熔点以下g993g2469生g2010解的g2282合g10301。在g2010g7524这g12879
相g3282时，将g12295定g2282合g10301看成一g1022独立的组g1815，g5194将g6984g1022相g3282g2010成g1972g1022相g2318。Mg-Si 相g3282就是第2章 金属的结晶
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这g12879相g3282的一g1022g1868g3423，如g32822.21g6164g12046。Mg和Si形成g12295定g2282合g10301Mg
2
Si，如g7536把Mg
2
Si看作一g1022组g1815，g2029g2499以把Mg-Si相g3282看成是由Mg-Mg
2
Si和Mg
2
Si-Sig1016g1022共晶相g3282g7481g2010g7524。
图2.21 Mg-Si合金相图
2,具有共析转变的相图
在有些合金g13007中，液态合金在g4448g1852形成固溶体后，g13499g13505冷g2376时，在一定温度下，将由一定成g2010的固相g2010解为一定成g2010的g1016相g9163合g10301，称之为共g7524转变。在相g3282上，与液态结晶时的共晶转变g12879似，都是由一g1022相g2010解为g1016g1022相的g989相恒温转变。如g32822.22g6164g12046的Al-Cu
相g3282g6164g12046，在565℃时，由g2345相的β中g2528时g7524g1998α和
2
γ g1016相。
15.6
11.8 9.4 2
βαγ→+
图2.22 Al-Cu合金相图
金属学与热处理
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2.3 结晶理论的应用实例
液态纯金属和合金的结晶都是形核和长大的过程，g7693g6466晶体形核和长大的g7438制及其规律，控制其结晶过程，就g2499以g14731g5483特g8542组织和性能的材料，从g13792g9397g17287工业上g4557g993g2528性能材料的要求。以下具体介绍结晶理论在g2345晶制备及g2318域熔炼中的g5224用。
2.3.1 单晶制备
g2345晶体是g11017子和g9620g1821g6228g7427中必须g1363用的g18337要材料，在金属的研究中g1075常常用到g2345晶体。
g2345晶体制备的基g7424原理是设g8873g1363液体结晶时只有一g1022晶核形成g5194长大，g4439g2499以是g1119先制备好的g12881晶，g1075g2499以是液体中形成的晶核。在g2345晶体的制备过程中，g1017格g19462g8502形成多余的晶核。这就要求材料有g5468高的纯度，以免g2469生非g3355g2260形核，还要g1457g16789凝固过程中g993能达到过冷度。g2345晶g2499用下面g1016种方g8873制取。
1,垂直提拉法
这种方g8873g5203g8879用于制取g11017子工业中g6164需的g2345晶g11801，原理如g32822.23(a)g6164g12046。
先将g3389g3502中的材料熔g2282，g5194g1363其温度g11065高于材料的熔点，将g12881晶夹在g12881晶杆上，然后
g1363g12881晶杆下g19489与熔体接触，g3389g3502温度下g19489的时g1517，向上提g6301g12881晶杆g2528时g993断g7071转。这样晶核以g12881晶为核心g993断长大，形成g2345晶体。g1852g18108g6817作是在g11507空或有g5828性g8680体g1457g6264的g10627g3671中
g17839g15904的。
2,尖晶形核法
其原理如g32822.23(b)g6164g12046，其特点是先将材料熔g2282，然后g1363g4586底形的g3389g3502g13543g5942退g1998g9821子，
g5194g1363g4586端首先冷g2376，控制冷g2376条件，就g2499以在g4586端只形成一g1022晶核，这g1022晶核在g3389g3502g1998g9821
过程中g993断长大，形成g2345晶体。
图2.23 单晶制备原理图
第2章 金属的结晶
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2.3.2 区域熔炼
g2045用合金铸造凝固时溶质g18337新g2010布的规律，g5332g2469了一种g2318域熔炼的金属提纯g6228g7427。g2318
域熔炼g8873g2499以制取纯度非常高的晶体。
g2318域熔炼g8873是g2045用g2260晶结晶的选g2010结晶原理g17839g15904的。g4439g993是把材料的g7846料g1852g18108熔g2282，
g13792是将g7846料从一端g20046序的g17839g15904g4628g18108熔g2282。例如g5224用g5875g5224g3292g1363合金g7846g2164g9921熔g2282一段g5194从左端逐g8505向右端移动，凝固过程g1075g19555之g17839g15904。g5415熔g2282g2318g17220g4448一g17953，溶质杂质逐g8505向右g17813移，g1363
左端高熔点组g1815纯度提高。经过多g8437g18337g3809，g7846左端高熔点组g1815纯度即g2499达到g20056g7411结g7536，如
g32822.24g6164g12046。
图2.24 区域熔炼示意图
2.4 二元相图的应用
g2081面已经述及，在常压下，相g3282是材料状态与成g2010、温度之g19400g1863g13007的g3282解。g6164以，相
g3282反g7156了g993g2528材料结晶的特点g727相g3282还g2499以看作一定温度下材料的成g2010与其组织之g19400的g1863
g13007，g13792材料的组织及其相g4557含量又与材料的性能密切相g1863。因此，相g3282与材料的成g2010、材料性能之g19400存在一定的联g13007。g4557于金属材料，相g3282是研究合金的g18337要工具，g2045用g4439g2499以大
g14280判断g1120g1815合金的组织、g2159g4410性能、g9921g3800理工艺性、铸造性能及其g1194性能等，为材料的选用及工艺制定提供依g6466。
1,根据相图判断合金的力学性能和物理性能
合金的g2159g4410性能取决于合金的组织，g13792组织g2029由相g3282g11464接作g1998判断，因此，g7693g6466相g3282
g2499以大g14280判断g1998合金的g2159g4410性能。
如g32822.25g6164g12046，g4557于g2260晶g13007固溶体的g5390度和硬度g3355高于纯金属，且g19555g11540溶质组g1815含量的增g2164g13792增g2164。这种g5390g2282称为固溶g5390g2282，是由于溶质原子g6392入晶格中，g1363其g2620围产生g5389性g5224g2159
g3342阻g8502g1313g19181g17828动g13792引起的。固溶g5390g2282是提高合金g5390度的g18337要g17896g5464之一。在工业生产中g5483到g5203
g8879g5224用，例如低g11911g19062中g2164入合金g1815g13044Mn、Si等就是g2045用固溶g5390g2282g7481提高金属g5390度的。
固溶体的g3621性g2376g19555g11540溶质组g1815的增g2164g13792g19489低。固溶体的g11017导率g19555溶质的增g2164g13792下g19489，
g13792g11017阻g19555溶质量的增g2164g13792增g2164。工业上常用 w
Ni
为 50%的 Cu-Ni 合金制造g2164g9921g1815件及g2499变
g11017阻g3132的材料。
g4557于共晶g13007和包晶g13007，g14521形成g1016相g2282合g10301，且g9163合g10301中g1016相的大g4579及g2010布都g8616较g3355g2260
时，材料的性能是g1016相的平g3355g1552，即性能与成g2010g2588g11464g13459g1863g13007。g5415共晶组织g2325g2010g13466密，且在g993
金属学与热处理
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平衡结晶时g1998g10628g1278共晶，其g5390度和硬度在共晶成g2010附近g1571g12175g11464g13459g1863g13007g13792g1998g10628g4804g1552，如g32822.25
中g15406g13459g6164g12046。
图2.25 不同类型的合金与性能关系
2,根据相图判断合金的铸造性能
合金的铸造性能主要g15932g10628为液态合金的g8981动性、缩孔、g9921裂g1554向等性能，g4439主要取决于相g3282上液相g13459与固相g13459之g19400的g8712平g17329g12175及g3414g11464g17329g12175，即结晶的成g2010g19400g19560与温度
g19400g19560。
相g3282上的成g2010g19400g19560与温度g19400g19560g17246大，合金的g8981动性g17246g5058，g2010g6967缩孔g1075多，凝固后的枝晶g1571g7524g1075g17246g1017g18337。另外，g5415结晶g19400g19560g5468大时，将g1363合金在较长时g19400g1881g3800于g2334固g2334液状态，
在已结晶固相的g993g3355g2260收缩g5224g2159下，有g2499能引起铸件g1881g18108g1998g10628裂纹。
固溶体合金的g8981动性g993如纯金属的高g727具有共晶转变合金的g8981动性大于固溶体的g8981动性。g4557于共晶g13007，共晶成g2010合金的熔点低，且凝固在恒温下g17839g15904，g8981动性g7380好，g2010g6967缩孔少，g9921裂g1554向g1075g4579，g6164以，铸造合金一g14336选用接近共晶成g2010的合金。如g32822.26g6164g12046为相g3282
与合金铸造性能之g19400的g1863g13007。
3,根据相图判断合金的热处理工艺可能性
相g3282是制定g9921g3800理g2164工工艺的g18337要依g6466，g7693g6466相g3282g2499以g2033g8505判断合金g2499能g6227受的g9921g3800
理方g5347g726g4557于固溶体g12879合金，由于g993g2469生固态转变，g2499以g17839g15904高温扩g6967退火以g6925g2904固溶体的枝晶g1571g7524g727g4557于有g14085溶转变的合金，由于有溶解度变g2282，g2499以g17839g15904固溶g3800理及时效g3800理，
提高合金的g5390度，这是g19121合金及耐g9921合金的主要g9921g3800理方g5347。g4557于有共g7524转变的合金，一
g14336g2164g9921到固溶体g2345相g2318，然后g5567速冷g2376，g6245制共g7524转变的g2469生，g2029g14731g5483g993g2528的g1134g12295组织，
如g20544g8675体、g17137g8675体等以g9397g17287g993g2528零件g2159g4410性能的要求。这些g6245制共g7524转变的g9921g3800理方g5347是零件g17839g15904g9921g3800理的基础。
第2章 金属的结晶
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图2.26 相图与合金铸造性能之间的关系
小 结
g7424g12468g11540g18337讨论金属结晶的一g14336过程及其基g7424规律。
(1) 结晶的基g7424过程是形核和晶核长大。讨论结晶的条件及控制晶粒尺寸的方
g8873和原理。
(2) g2045用结晶时的凝固理论g16840g7138凝固的组织结g7512。如铸锭g989g1022晶g2318、g13582g19531、g2345晶和
g2318域提纯等特g8542组织的形成及控制。
(3) 介绍了g1120g1815合金相g3282的g5326立过程以及g2010g7524了g2260晶相g3282、共晶相g3282、包晶相g3282等的结晶过程及其组织和相变g2282，g5194用杠杆定律计g12651平衡结晶过程，给定温度下的组织和相的相g4557变g2282。
(4) g5647结了g1120g1815合金相g3282在判断合金的g2159g4410性能和g10301理性能、铸造性能、g9921g3800理工艺性能等方面的g5224用。
本 章 习 题
1,何g16871过冷度g731为g1172g1052金属结晶一定要有过冷度g731
2,金属结晶时，g14731g5483g13466晶的g17896g5464有哪些g731
3,金属的结晶条件和结晶的一g14336规律是g1172g1052g731
金属学与热处理
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4,g1120g1815合金相g3282是如何g5326立的g731
5,如g7536其g1194条件相g2528，试g8616较在铸造条件下铸件晶粒的大g4579g726
(1) 金属模g8987g8892和g11734g3423g8987g8892g727
(2) 变质g3800理和g993变质g3800理g727
(3) 铸成g15192件和铸成g2414件g727
(4) g8987g8892时g18331用g6403动与g993g18331用g6403动。
6,g32822.27g6164g12046为g1120g1815共晶相g3282。
(1) g2010g7524合金I、II的结晶过程，g5194g11023g1998冷g2376g7366g13459。
(2) g16840g7138室温下合金I、II的相和组织是g1172g1052g731g5194计g12651g1998相和组织组成g10301的相g4557量。
图2.27 二元共晶相图
