2.1.1 純金屬的結晶

純金屬結晶的條件

過冷度：理論結晶溫度與開始結晶溫度只差
$\Delta T=T_0?T_n$
冷卻速度越大，開始結晶溫度越低，過冷度越大。
純金屬結晶是等溫過程。
液體金屬結晶必須要過冷。

2.純金屬的結晶過程

形核+長大
晶核的形成：
自發形核
非自發形核：雜質的存在，促進晶核形成
兩種形核同時存在，但非自發形核更重要，優先、主導
晶體的長大
平面長大：過冷度較小，較純金屬以其表面向前平行推移
樹枝狀長大：過坑度較大，存在雜質時。原因：晶體尖角處散熱較快。
實際金屬結晶過程一般都以樹枝狀長大的方式。

2.1.2同素異構轉變

金屬在固態下隨溫度的轉變，由一種晶格轉變為另一種晶格的現象。
同素異構晶體。（例如 δ-Fe、γ-Fe、α-Fe）
同素異構轉變與結晶相似，被稱為二次結晶、重結晶，也有過冷和放出潛熱。且需要更大的過冷度

2.1.3 鑄錠的結構

1.鑄錠結構
細等軸晶區、柱狀晶區、粗等軸晶區（由外到內）
2.晶粒形狀的影響因素
柱狀晶：
對于熔點高、雜質多的金屬，不希望生成柱狀晶（如鐵鎳）
對于熔點低、不易熔雜質。塑性好的金屬，則希望得到柱狀晶結構。
柱狀晶的性能具有明顯的方向性，沿柱狀晶長軸方向的強度較高。
促進柱狀晶生成：金屬加熱溫度高、冷卻速度大、鑄造溫度高、澆注速度大，結晶時單向散熱。
等軸晶：
性能均勻、無方向性，是一般金屬所要求的結構。
促進等軸晶：鑄造溫度低，冷卻速度小等，有利于截面溫度的均勻性；機械振動、電磁攪拌
3.鑄錠的缺陷
縮孔、疏松、氣孔

2.1.4 結晶理論的工程應用

1.細化鑄態金屬晶粒

金屬的晶粒越小，強度、韌性和塑性越好。晶粒細化是提高金屬力學性能的重要途徑之一。稱為細晶強化
細化晶粒的措施：
a.增大晶粒過冷度（提高形核率）：
增大過冷度：采用冷卻能力強的模子（金屬鑄模強于砂型鑄模）
形核率隨過冷度增大而增大，到一定值后又下降
b.變質處理：添加異質合金
c.振動：破碎生長中的樹枝狀晶體，形成更多晶核
d.電磁攪拌：同上

2.定向結晶

獲得柱狀晶結構

3.單晶的制取

基本要求：結晶時只存在一個晶核
尖端形核法、垂直提拉法

2.2 合金的結晶

相圖：表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關系的簡明示意圖，也稱平衡圖或狀態圖
平衡：合金系中參與相變過程的各相的組成成分和質量分數不再變化。

2.2.1 二元合金的結晶

1.勻晶反應
典型的Cu-Ni相圖：

還有Fe-Cr、Au-Ag也是勻晶反應
相圖閱讀方法：從橫軸上取一點做垂線，與相圖交線表示該成分在某一質量分數下隨溫度的相變過程。
勻晶結晶的特點：
1.也包括形核、長大，但固溶體更趨于樹枝狀長大。
2.是變溫結晶過程
3.在某一溫度下，兩相成分是確定的。沿某一溫度作水平線，與液相線和固相線的交點在成分軸上的投影點即為L相和α相的成分。
4.在兩相區，溫度一定時，兩相的質量比是一定的。
杠桿定律：只適用于兩相區。
5.固溶體結晶時成分是變化的，緩慢冷卻可使原子擴散能充分進行。而冷卻過快則形成不均勻的固溶體，造成晶粒內化學成分分布不均，成為枝晶偏析。
消除方法：加熱到高溫再長時間保溫。（擴散退火）
2.發生共晶反應的合金的結晶
Pb-Sn合金
$L_d?{\alpha }_c+{\beta }_e$ 條件是恒溫（共晶反應：液相析出兩種固體相）

d為共晶點，在此成分此溫度共同結晶出兩種晶體，cde線為共晶反應線，成分在ce之間的合金平衡結晶時都會發生共晶反應。
（1）合金1的平衡結晶過程

1-2：勻晶反應，液相結晶生成α，到2溫度合金完全結晶為α固溶體
2-3：α相不變
3-4：由于Sn的溶解度下降（沿cf），從α中析出${\beta }_2$，直到室溫
最終的合金室溫組織由α和${\beta }_2$組成，即為組織組成物：合金組織中具有確定本質、一定形成機制的特殊形態的組成部分
組成相：
單相α和單相${\beta }_2$
（2）合金2的結晶過程（過共晶點）

合金2為共晶合金
到1時發生共晶反應（恒溫），經一定時間反應結束，全部轉變為共晶體α+β，成分分別對應c點和e點
從共晶溫度到室溫，α、β均發生二次結晶，α析出${\beta }_2$，β析出${\alpha }_2$，兩相成分從c-f，e-g，由于二次結晶與原來的相結合在一起，因此不改變共晶體形態和成分。最終組成相為：α、β
（3）合金3的結晶過程

合金3為亞共晶合金
從1開始勻晶反應生成α，α沿a-c，液相沿a-d，溫度2點時由液相和初生α組成，到2開始共晶反應（初生α不變），直到液相消失，此時成分為${\alpha }_c+({\alpha }_c+{\beta }_e)$,冷卻到室溫的過程，α二次結晶析出${\beta }_2$。
室溫合金組織為：α+${\beta }_2$+（α+β）
（4）合金4的結晶過程
過共晶合金

3.發生包晶反應的合金的結晶
${\alpha }_c+L_d?{\beta }_e$ （恒溫）
Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合金
兩組元在液態下完全互溶，在固態下有限互溶

P點為包晶點，P點溫度時包晶反應生成的β相包圍而形成。包晶反應完成時液相和α正好完全耗盡，在冷卻到室溫的過程中，β相再析出${\alpha }_2$。最后室溫組織為：β+${\alpha }_2$
如果結晶過程冷速較快，則β相易發生包晶偏析，可通過擴散退火來消除。
4.發生共析反應的合金的結晶
${\gamma }_d?{\alpha }_c+{\beta }_e$（恒溫）

共析反應在固態下進行，因此共析產物比共晶產物要細密得多
5.含有穩定化合物的合金的結晶
分析這類相圖，把穩定化合物看成獨立的組元，把整個相圖分割成幾個簡單相圖。

2.2.2 合金的性能與相圖的關系

合金的性能取決于成分和組織，相圖可以反映不同成分的合金在室溫時的平衡組織，因此性能和相圖存在一定對應關系。

固溶體的性能與溶質元素的溶入量有關，溶質的溶入量越多，晶格畸變越大，則合金的額硬度、強度越高，電阻越大，當溶質的原子分數約為50%時，達到極限，再增加就會降低。
工藝性能與相圖：
純組元和共晶成分的合金流動性最好，縮孔集中，鑄造性好
相圖中液相線與固相線之間的距離越小，液體合金結晶的溫度范圍越窄，不易出現枝晶偏析和分散縮孔，因此鑄造合金常選共晶或接近共晶的成分。

2.2.3 鐵碳合金的結晶

主要有碳鋼和鑄鐵 （Q235是碳鋼）

1.鐵碳相圖

$F{e}_{3}C$的碳質量分數為6.69%，碳質量分數更大時合金脆性過大，沒有使用價值，因此不作討論。

Fe-$F{e}_{3}C$相圖有三個基本相圖構成：包晶相圖、共晶相圖、共析相圖
鐵碳合金的組元
Fe 工業純鐵的力學性能：強度低、硬度低、塑性好
$F{e}_{3}C$ 滲碳體：硬而脆
鐵碳合金中的相
液相L
δ相 高溫鐵素體，體心立方
α相 鐵素體 F或α表示，強度低、硬度低、塑性好，碳的固溶度最小（在鐵碳相圖最左邊）
γ相奧氏體 A或γ表示，是碳的間隙固溶體，面心立方。強度較低、硬度不高，易于塑性變形
$F{e}_{3}C$ 有各種形態，對鐵碳合金性能影響很大
萊氏體：Le 共晶反應后奧氏體與滲碳體的共晶混合物，其中的滲碳體成為共晶滲碳體。萊氏體是塊狀或粒狀奧氏體分布在滲碳體基體上
珠光體：P 共析反應后鐵素體與滲碳體的共析混合物，呈層片狀。珠光體強度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間
二次滲碳體：沿奧氏體固溶線（ES線又叫$A_{cm}$線）析出的滲碳體稱為二次滲碳體
三次滲碳體：沿鐵素體的固溶線（PQ）析出的滲碳體稱為三次滲碳體。數量少可忽略。

2.典型鐵碳合金的平衡結晶過程

按照鐵碳相圖，鐵碳合金可分為三類（碳含量）：
工業純鐵（$\le$ 0.0218%）
鋼（（0.0218%，2.11%]）：
亞共析鋼（0.0218%，0.77%）、共析鋼（=0.77%）、過共析鋼（0.77%，2.11]
白口鑄鐵（2.11%，6.69%）：
亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵（4.3%）、過共晶白口鑄鐵

工業純鐵
L——L+δ——δ——δ+A——A——A+F——F——F+三次滲碳體（可忽略） 沒參與包晶反應
共析鋼（過共析點S）

L——L+A——A——（共析結束）P（鐵素體和滲碳體）
珠光體P呈片狀
亞共析鋼

L——L+δ——（包晶反應后）L+A——A——A+F——A+F+P（共析反應中）——F+P
珠光體呈片狀，F呈白色網狀包圍在P周圍
過共析鋼

L——L+A——A——A+二次$F{e}_{3}C$——A+二次$F{e}_{3}C$+P——P+$F{e}_{3}C$
（共析反應生成的鐵素體和滲碳體結合就是珠光體……）
共晶白口鑄鐵

L——L+Le（A+滲碳體）——Le（中間有多種成分變化）——Le’
Le是高溫萊氏體（A+$F{e}_{3}C$+（二次$F{e}_{3}C$）+（P））
Le’是低溫萊氏體（P+$F{e}_{3}C$+二次$F{e}_{3}C$）
最終組成相為 低溫萊氏體
亞共晶白口鑄鐵
Le’+二次滲碳體
過共晶白口鑄鐵
Le’+一次滲碳體

3.鐵碳合金的成分-組織-性能

強度最高值：0.9%碳，略高于共析點（0.77%），之后二次滲碳體在晶界結網，降低強度
硬度隨碳含量增加一直增加
塑性全部由鐵素體提供，因此隨滲碳體含量增加而降低

4.鐵碳相圖的工程應用

建筑結構、型鋼 塑性、韌性好 碳質量分數低的鋼材
機械零件 強度、塑性、韌性都較好 碳質量分數始終的中碳鋼
工具 硬度高、耐磨性好 碳質量分數高的鋼種

鑄鐵生產：共晶成分附近 （凝固溫度區間最小，流動性好，縮孔集中）
鍛造或軋制：奧氏體（強度較低，塑性較好）

鐵碳相圖的應用注意事項：
1.只反映鐵碳二元合金，如含有其他元素則相圖不一致
2.反映平衡條件下（溫度變化緩慢）的相變，若冷卻或加熱速度快，則其組織轉變不能再用相圖分析。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的工程材料学习3——第二章 金属材料组织和性能的控制（2.1 纯金属的结晶 2.2 合金的结晶）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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