合金的结晶过程分析

合金的结晶与纯金属一样，也遵循形核和长大规律，但由于合金成分中包含两个或两个以上的组元，所以合金的结晶过程比纯金属复杂得多，要借助于合金相图才能表示清楚。

合金相图是表示在十分缓慢的加热或冷却条件（平衡条件）下，合金的状态与温度和成分之间关系的图形，也称为状态图或平衡图。在生产实践中，相图可作为正确制定铸造、锻压、焊接及热处理工艺的重要依据。

2.2.2.1　二元合金相图的建立

资源2-6　二元合金相图的建立

合金的结晶过程不仅与温度有关，还与成分有关，因此，二元合金相图需用温度和成分两个坐标表示，通常纵坐标表示温度，横坐标表示合金的成分。相图是用试验方法测得的，下面以Cu-Ni二元合金为例，说明用热分析法测定二元合金相图的过程。

1）配制不同成分的Cu-Ni合金；

2）用热分析法测出所配制各合金的冷却曲线，如图2-14（a）所示；

3）找出各冷却曲线中的相变点（开始结晶温度和结晶终了温度）；

4）将各合金的相变点分别标注在温度—成分坐标图中相应成分的位置上；

5）连接各具有相同意义的相变点，即得到如图2-14（b）所示的Cu-Ni二元合金相图。

图2-14　Cu-Ni合金相图的建立

Cu-Ni合金相图是最简单的二元合金相图，任何复杂相图都是由若干简单的基本相图组成的，下面介绍两种二元相图的最基本类型，即匀晶相图和共晶相图。

2.2.2.2　匀晶相图

合金的两组元在液态和固态下均可以任意比例互相溶解的合金相图称为匀晶相图。Cu-Ni、Fe-Cr等合金都具有这类相图。

（1）相图分析

图2-15（a）所示为Cu-Ni二元合金相图，图中A点是纯铜的熔点（1 083℃），B点是纯镍的熔点（1 452℃）。上面一条为液相线，代表各种成分的Cu-Ni合金在冷却过程中开始结晶（或加热过程中熔化终了）的温度；下面一条为固相线，代表各种成分的Cu-Ni合金在冷却过程中结晶终了（或加热过程中开始熔化）的温度。液相线以上的区域为液相区，用L表示；固相线以下的区域是固相区，用α表示；液相线与固相线之间的区域是液、固两相共存区，用L+α表示。

（2）合金的平衡结晶过程

现以图2-15（a）中合金I为例，分析Cu-Ni合金的平衡结晶过程。当液态合金缓慢冷却到t1温度时，开始从液相中结晶出α固溶体，随着温度的下降，α相的量不断增加，剩余液相量不断减少。当合金冷却到t4温度时，结晶结束，得到与原合金成分相同的α固溶体。温度继续下降，合金组织不再发生变化。合金I结晶时的冷却曲线及组织转变如图2-15（b）所示。

在结晶过程中，不仅液相和固相的量不断变化，而且液相和固相的成分通过原子的扩散也在不断变化。液相成分沿着液相线由L1变化至L4，固相成分沿固相线由α1变化至α4。由此可见，液、固相线不仅是相区分界线，也是结晶时两相成分变化线。

图2-15　Cu-Ni二元合金相图

2.2.2.3　共晶相图

合金的两组元在液态能完全互溶，在固态下相互有限溶解或不溶，并发生共晶转变的相图称为共晶相图。如Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si等都属于这类相图。下面以图2-16所示Pb-Sn合金相图为例进行分析。

图2-16　Pb-Sn合金相图

（1）相图分析

图2-16中A点是纯铅的熔点（327.5℃），B点是纯锡的熔点（232℃），C点是共晶点（183℃，ω（Sn）=61.9%），E点（183℃，ω（Sn）=19.2%）和F点（183℃，ω（Sn）=97.5%）分别是锡在铅中和铅在锡中的最大溶解度。ACB是液相线，AECFB是固相线，ED和FG分别表示锡在铅中和铅在锡中的溶解度曲线，也称固溶线。可以看出，随着温度降低，固溶体的溶解度下降。相图中有三个单相区，即液相区L、α相区和β相区；三个两相区，即L+α、L+β和α+β相区。

凡成分位于EF之间的合金，当温度降至ECF线时，其剩余液相的成分均会变为C点成分的液相LC，此时液相将同时结晶出E点成分的α固溶体和F点成分的β固溶体，其反应式为

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这种在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种成分不同固相的转变，称为“共晶转变”。共晶转变是在恒温下进行的，发生共晶转变的温度称为共晶温度；发生共晶转变的成分是一定的，该成分（C点成分）称为共晶成分；C点称为共晶点；由共晶转变得到的两相混合物称为共晶体，ECF称为共晶转变线。

（2）典型Pb-Sn合金的平衡结晶过程

1）合金Ⅰ（E～D之间的合金）。

当合金Ⅰ由液相缓慢冷却到1点时，从液相开始结晶出Sn溶于Pb的α固溶体。随着温度的降低，α固溶体不断增多，液相不断减少，液相的成分沿着AC线变化，而α固溶体的成分沿着AE线变化。当冷却至2点时，液相合金全部结晶为α固溶体，这一结晶过程与匀晶相图合金相同。温度在2～3点之间，α固溶体不发生变化。当温度降至3点时，Sn在Pb中的溶解度达到饱和；当温度下降到3点以下时，多余的Sn以β固溶体的形式从α固溶体中析出。为了区别于从液相中结晶出的β固溶体，把从α固溶体中析出的β固溶体称为二次β（或次生β相），用βⅡ表示。在βⅡ析出的过程中，α固溶体的成分沿ED线变化，βⅡ固溶体的成分沿FG线变化。故合金Ⅰ冷却到室温时的组织为α+βⅡ。图2-17所示为合金Ⅰ的冷却曲线及组织转变示意图。

图2-17　合金Ⅰ的冷却曲线及组织转变示意图

成分在F～G之间的合金，其冷却过程与合金Ⅰ相似，室温组织为αⅡ+β。

2）合金Ⅱ（C点成分的合金）。

C点成分的合金称为共晶合金，该合金缓慢冷却到C点时，将发生共晶转变，即由C点成分的液相在共晶温度（183℃）同时结晶出E点成分的αE固溶体和F点成分的βF固溶体组成的两相组织（αE+βF）。

在C点温度以下，液相消失，共晶转变结束。随温度继续下降，固溶体的溶解度随温度的降低而减少，所以共晶组织中的α和β固溶体的成分分别沿着ED和FG线变化，析出βⅡ和αⅡ相。由于从共晶体中析出的βⅡ和αⅡ相与共晶体中的α和β相混在一起，难以辨别出来，且βⅡ和αⅡ数量较少，所以一般不予考虑。合金Ⅱ（共晶合金）的室温组织为α+β。图2-18所示为合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程示意图，图2-19所示为共晶合金的显微组织。

图2-18　合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程示意图

图2-19　共晶合金的显微组织

3）合金Ⅲ（E～C点之间的合金）。

成分在E～C点之间的合金称为亚共晶合金。当合金Ⅲ由液相缓慢冷却到1点时，开始从液相结晶出α固溶体。随着温度的降低，α固溶体的量不断增多，成分沿着AE线变化；液相不断减少，成分沿着AC线变化。当冷却至2点温度时，α固溶体的成分为E点成分，而剩余液相的成分达到C点成分（共晶成分），剩余液相将发生共晶转变，转变为共晶体，此时合金由初生相α固溶体和共晶体（α+β）组成。共晶转变结束后，随着温度的下降，由于固溶体的溶解度降低，从初生的α固溶体和共晶体中的α固溶体中不断析出βⅡ，从共晶体中的β固溶体中不断析出αⅡ，直至室温为止。在显微镜下除了在初生α固溶体中可以观察到βⅡ外，共晶体中析出的二次相很难辨认，所以亚共晶合金Ⅲ的室温组织为α+βⅡ+（α+β）。亚共晶合金的冷却曲线和结晶过程以及其室温组织分别如图2-20和图2-21所示。

图2-20　亚共晶合金的冷却曲线和结晶过程

图2-21　亚共晶合金的显微组织

成分在E～C点之间的所有亚共晶合金，其冷却过程都与合金Ⅲ相似，室温组织都是由α+βⅡ+（α+β）组成，所不同的是成分越接近C点，组织中初生相α量越少，而共晶体α+β越多。

4）合金Ⅳ（C～F点之间的合金）

成分在C～F点之间的合金称为过共晶合金，其冷却曲线和结晶过程示意图如图2-22所示。过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是初生相为β固溶体，次生相为αⅡ，所以其室温组织为αⅡ+β+（α+β）。过共晶合金的显微组织如图2-23所示。

成分在C～F点之间的所有过共晶合金，其冷却过程都与合金Ⅳ相似，室温组织都是由αⅡ+β+（α+β）组成，所不同的是成分越接近C点成分，组织中初生相β量越少，而共晶体α+β越多。

根据上述几种典型合金的结晶过程可见，Pb-Sn合金结晶后所得组织中仅出现α、β两相，图2-16就是以相组分填写的Pb-Sn合金相图。由于不同合金中α和β的数量、形状、大小不同，就出现了初生相α、β，次生相αⅡ、βⅡ及共晶体α+β，将这些组织分别填写在相图中，就形成了以组织组分填写的Pb-Sn二元合金相图，如图2-24所示。

图2-22　过共晶合金的冷却曲线和结晶过程

图2-23　过共晶合金的显微组织

图2-24　以组织组分填写的Pb-Sn合金相图