第2章

金屬的結(jié)晶

返回總目錄教學(xué)提示：一切物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固，凝固后形成晶體，則稱為結(jié)晶。金屬的結(jié)晶是鑄錠、鑄件及焊接件生產(chǎn)中的重要過程，這個(gè)過程決定了工件的組織和性能，并直接影響隨后的鍛壓和熱處理等工藝性能及零件的使用性能。相圖是描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關(guān)系的一種圖解，是人們研究物質(zhì)相變的過程及產(chǎn)物的有利工具。在生產(chǎn)中，相圖可以作為制定金屬材料熔煉、鑄造、鍛造和熱處理等工藝規(guī)程的重要依據(jù)。教學(xué)要求：本章讓學(xué)生掌握結(jié)晶的概念、結(jié)晶基本過程以及結(jié)晶后獲得細(xì)晶粒的方法，了解鑄錠組織形成過程、鑄錠組織結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)。熟悉勻晶相圖、共晶相圖的結(jié)構(gòu)，能正確地分析相應(yīng)合金的結(jié)晶過程，畫出示意圖，并能熟練地運(yùn)用杠桿定律計(jì)算相組成物和組織組成物的相對量?！?/p>

2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠●

2.2合金的結(jié)晶●

2.3結(jié)晶理論的應(yīng)用實(shí)例●

2.4二元相圖的應(yīng)用●小結(jié)●本章習(xí)題本章內(nèi)容2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠大多數(shù)金屬材料都是在液態(tài)下冶煉，然后鑄造成固態(tài)金屬。由液態(tài)金屬凝結(jié)為固態(tài)金屬的過程，就是金屬的結(jié)晶。在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬的結(jié)晶決定了鑄錠、鑄件及焊接件的組織和性能。因此，如何控制結(jié)晶就成為提高金屬材料性能的手段之一。研究金屬結(jié)晶的目的，就是要掌握金屬結(jié)晶的規(guī)律，用以指導(dǎo)生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。2.1.1純金屬的結(jié)晶

1.純金屬結(jié)晶的條件純金屬結(jié)晶是指金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w狀態(tài)的過程。純金屬都有一定的熔點(diǎn)，理想條件下，在熔點(diǎn)溫度時(shí)液體和固體共存，這時(shí)液體中原子結(jié)晶到固體上的速度與固體上的原子溶入液體中的速度相等，稱此狀態(tài)為動(dòng)態(tài)平衡。金屬的熔點(diǎn)又稱為理論結(jié)晶溫度，或平衡結(jié)晶溫度。但是，實(shí)際條件下，液體金屬都必須低于該金屬的理論結(jié)晶溫度才能結(jié)晶。通常把液體冷卻到低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷。因此，使液態(tài)純金屬能順利結(jié)晶的條件是它必須過冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值稱為過冷度。過冷度的大小可采用熱分析法進(jìn)行測定。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠熱分析法裝置簡圖如圖2.1所示。在環(huán)境溫度保持不變的情況下，如果把液態(tài)金屬放在坩堝內(nèi)冷卻，液態(tài)金屬就以一定的速度冷卻。在冷卻過程中，每隔一定時(shí)間測量一次溫度，然后把測量結(jié)果繪制在“溫度—時(shí)間”坐標(biāo)中，便可得到如圖2.2所示的冷卻曲線。圖中T0為金屬的熔點(diǎn)(又稱理論結(jié)晶溫度)，由圖可見，在結(jié)晶之前，冷卻曲線連續(xù)下降，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶溫度T0時(shí)，并不開始結(jié)晶，而是冷卻到T0以下的某個(gè)溫度T1時(shí)，液態(tài)金屬才開始結(jié)晶。在結(jié)晶過程中，由于放出結(jié)晶潛熱，補(bǔ)償了冷卻散失的熱量，使結(jié)晶時(shí)的溫度保持不變，因而在冷卻曲線上出現(xiàn)了水平階段，此所對應(yīng)溫度T1為該金屬的開始結(jié)晶溫度。水平階段延續(xù)的時(shí)間就是結(jié)晶開始到終了時(shí)間。結(jié)晶終了時(shí)，液體金屬全部變成固態(tài)金屬。隨后，由于沒有放出結(jié)晶潛熱，固態(tài)金屬溫度就按原來冷卻速度繼續(xù)下降。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠1—電爐2—坩堝3—熔融金屬4—熱電偶熱端5—熱電偶6—保護(hù)管7—熱電偶冷端8—檢流計(jì)一般情況下，冷卻曲線上出現(xiàn)的水平階段，是液體正在結(jié)晶的階段，這時(shí)的溫度就是純金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度(T1)。過冷度的大小用式(2-1)表示：

T=T0－T1 (2-1)2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠式中T0——理論結(jié)晶溫度；

T1——金屬實(shí)際結(jié)晶溫度；

T——過冷度。過冷度與金屬的本性和液態(tài)金屬的冷卻速度有關(guān)。金屬的純度越高，結(jié)晶時(shí)的過冷度越大；同一金屬冷卻速度越大，則金屬開始結(jié)晶溫度越低，過冷度也越大。總之，金屬結(jié)晶必須在一定的過冷度下進(jìn)行，過冷是金屬結(jié)晶的必要條件。金屬結(jié)晶為什么必須在過冷條件下才能進(jìn)行？這是由結(jié)晶時(shí)的能量條件決定的，根據(jù)熱力學(xué)條件，系統(tǒng)的自由能處于最低狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)最穩(wěn)定。由于液體和固體的結(jié)構(gòu)不同，雖是同一物質(zhì)，它們在不同溫度下的自由能變化則不同。如圖2.3所示的液態(tài)金屬和固態(tài)金屬自由能隨溫度而變化的曲線。液態(tài)自由能曲線變化比固態(tài)的要陡，兩條曲線必然相交。曲線中的交點(diǎn)表示在該溫度下液態(tài)與固態(tài)自由能相等，兩者可共存并處于動(dòng)態(tài)平衡。交點(diǎn)所對應(yīng)的溫度為理論結(jié)晶溫度T0，高于T0時(shí)，液態(tài)比固態(tài)2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠的自由能低，金屬處于液態(tài)不是穩(wěn)定的；低于T0時(shí)，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)可使自由能降低，于是便發(fā)生了結(jié)晶。因此，液態(tài)金屬要結(jié)晶，必須處于T0以下。換句話說，要使液體結(jié)晶，就必須產(chǎn)生一定的過冷度，造成液體和固體間的自由能差F，這個(gè)能量差就是促使液體結(jié)晶的推動(dòng)力。液體結(jié)晶時(shí)就必須建立同液相隔開的晶體界面而消耗能量A。所以，只有當(dāng)液體的過冷度達(dá)到一定的程度，使結(jié)晶的動(dòng)力F大于建立小晶體界面所需要的表面能A時(shí)，結(jié)晶才能進(jìn)行。

2.純金屬結(jié)晶的一般過程液態(tài)金屬結(jié)晶是通過形核和長大這兩個(gè)密切聯(lián)系的基本過程來實(shí)現(xiàn)的。金屬結(jié)晶可用圖2.4來描述，將液態(tài)金屬冷卻到某一溫度，在一定的過冷度下，經(jīng)過一段時(shí)間的孕育階段，晶核以一定的速率N[1/(cm3s)]生成，并隨之以一定的線速度G(mm/s)長大。同時(shí)剩余液體金屬中還不斷產(chǎn)生新晶核并同時(shí)不斷長大，當(dāng)液體結(jié)晶速度達(dá)到50%左右時(shí)，各個(gè)晶粒開始相互接觸，液體中可供結(jié)晶的空間隨即減小，經(jīng)過一段時(shí)間之后液體全部凝固，結(jié)晶結(jié)束，最后得到了多晶體的金屬結(jié)構(gòu)。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠圖2.4金屬結(jié)晶過程示意圖概括起來，液體金屬結(jié)晶分形核和長大兩個(gè)過程，下面分別討論形核和長大的規(guī)律。

1)晶核的形成 晶核的形成有兩種方式：自發(fā)形核和非自發(fā)形核。液態(tài)金屬中存在大量尺寸不同的短程有序的原子集團(tuán)，這些原子集團(tuán)稱為晶坯，在理論結(jié)晶溫度以上時(shí)，它們是不穩(wěn)定的。當(dāng)溫度降低到T0以下并且過冷度達(dá)到一定程度后，液體具備了結(jié)晶條件，液體中那些超過一定尺寸(大于臨界尺寸)的短程有序的原子集團(tuán)不再消失，成為結(jié)晶的核心。這種從液體內(nèi)部自發(fā)生成結(jié)晶核心的方式叫自發(fā)形核。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠過冷度越大，金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的推動(dòng)力越大，能穩(wěn)定存在的短程有序的原子集團(tuán)的尺寸越小，因此生成的自發(fā)晶核越多。但是，當(dāng)過冷度過大或溫度過低時(shí)，由于原子的活動(dòng)能力太低，生成晶核所需的原子的擴(kuò)散受阻，形核的速率反而減小，故形核率與過冷度有關(guān)。在實(shí)際金屬結(jié)晶中，往往不需要自發(fā)形核那么大的過冷度就已開始形核，因?yàn)閷?shí)際液態(tài)金屬中總是不可避免地含有一些雜質(zhì)，雜質(zhì)的存在常常促使金屬原子在其表面形核。此外，液態(tài)金屬總是與錠模內(nèi)壁相接觸，于是晶核就依附于這些現(xiàn)成的固體表面形成。這種依靠外來質(zhì)點(diǎn)作為結(jié)晶核心的方式稱為非自發(fā)形核。按照結(jié)晶時(shí)能量的條件，基底與晶體結(jié)構(gòu)以及點(diǎn)陣常數(shù)越相近，它們的原子在接觸面上越容易吻合，基底與晶核之間的界面能越小，從而可以減少形核時(shí)體系自由焓的增值，這樣的基底促進(jìn)非自發(fā)形核形成的效果較好，因此，當(dāng)雜質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)與金屬的結(jié)構(gòu)相似或相當(dāng)時(shí)，有利于形成非自發(fā)形核，晶核就優(yōu)先依附于這些現(xiàn)成的表面而形成，也有些難熔金屬的晶體結(jié)構(gòu)與金屬的結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)，但是其表面的凹孔或裂縫有時(shí)殘留未熔金屬，也可以成為非自發(fā)形核的核心。在生產(chǎn)實(shí)際中，液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)形核方式主要是非自發(fā)形核。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠

2)晶核的長大晶核長大的實(shí)質(zhì)是原子由液體向固體表面的轉(zhuǎn)移過程。純金屬結(jié)晶時(shí)，晶核長大方式主要有兩種：一種是平面長大方式，另一種是枝晶長大方式。晶體長大方式，取決于冷卻條件，同時(shí)也受晶體結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)含量的影響。當(dāng)過冷度較小時(shí)，晶核主要以平面長大方式進(jìn)行，晶核各表面的長大速度遵守表面能最小的法則，即晶核長成的規(guī)則形狀應(yīng)使總的表面能趨于最小。晶核沿不同方向的長大速度是不同的，以沿原子最密排面垂直方向的長大速度最慢，表面能增加緩慢。所以，平面長大的結(jié)果，使晶核獲得表面為原子最密排面的規(guī)則形狀。當(dāng)過冷度較大時(shí)，晶核主要以枝晶的方式長大，如圖2.5所示。晶核長大初期，其外形為規(guī)則的形狀，但隨著晶核的成長，晶體棱角形成，棱角在繼續(xù)長大過程中，棱角處的散熱條件優(yōu)于其他部位，于是棱角處優(yōu)先生長，沿一定部位生長出空間骨架，這種骨架好似樹干，稱為一次晶軸，在一次晶軸增長的同時(shí)，在其側(cè)面又會生長出分枝，稱為二次晶軸，隨后又生長出三次軸，等等。如此不斷生長和分枝下去，直到液體全部凝固，最后形成樹枝狀晶體。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠圖2.5晶體枝晶成長示意圖樹枝晶的各次晶軸都具有相同的固定方向，所以每一個(gè)樹枝晶都是一個(gè)單晶體。多晶體金屬的每一個(gè)晶粒一般都是由一個(gè)晶核以樹枝晶的方式長成的。在枝晶成長過程中，由于液體的流動(dòng)、晶軸本身重力的作用及彼此之間的碰撞以及雜質(zhì)元素的作用，會使某些晶軸發(fā)生偏移或折斷，以致造成晶粒中的亞晶界、位錯(cuò)等各種缺陷。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠晶核以樹枝狀長大的原因是：晶核長大過程中釋放出結(jié)晶潛熱，晶粒棱角處散熱較快，因而長大速度快，成為深入到液體中的枝晶；棱角處缺陷較多，從液體中轉(zhuǎn)移過來的原子容易固定，有利于枝晶的生長；晶核以枝晶的方式生長，表面積大，便于從液體中獲得生長所需的原子。實(shí)際上，晶核長大的過程受冷卻速度、散熱條件及雜質(zhì)的影響。如果控制了上述影響因素，就可控制晶粒長大方式，最終可達(dá)到控制晶體的組織和性能的目的。

3.晶粒大小及其控制金屬結(jié)晶以后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。對金屬材料而言，晶粒的大小與其強(qiáng)韌性有密切關(guān)系。一般情況下，晶粒越細(xì)小，則金屬的強(qiáng)度越高，同時(shí)塑性和韌性也越好，見表2-1。所以工程上通過控制金屬結(jié)晶的過程來細(xì)化晶粒，這對改善金屬材料的力學(xué)性能有重要意義。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠表2-1晶粒大小對純鐵力學(xué)性能的影響晶粒平均直徑d/mm抗拉強(qiáng)度σb/MPa屈服強(qiáng)度σs/MPa延伸率δ/(%)9.71654028.87.01803830.62.52114439.50.22635748.8

1)晶粒度的概念晶粒的大小稱為晶粒度，用單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長度(或直徑)表示。金屬結(jié)晶后的晶粒度與形核速率N和長大速度G有關(guān)。所謂形核速率N即單位時(shí)間內(nèi)在單位體積中所形成晶核的數(shù)目。所謂長大速度G即晶體長大的線速度。形核速率越大，單位體積中所生成的晶核數(shù)目越多，晶粒也越細(xì)??；若形核速率一定，長大速度越小，則結(jié)晶的時(shí)間越長，生成的晶核越多，晶粒越細(xì)小。單位體積內(nèi)晶粒的總數(shù)目ZV與形核速率N和長大速度G之間存在如下關(guān)系：2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠

(2-2)

單位面積內(nèi)晶粒的總數(shù)目ZS的關(guān)系式為

(2-3)

從金屬結(jié)晶的過程可知，凡是促進(jìn)形核，抑制長大的因素，都能細(xì)化晶粒。通過改變澆注溫度和冷卻條件，便可改變金屬液相的過冷度，從而可以控制晶粒大小。

2)晶粒度的控制在工業(yè)生產(chǎn)中，為了細(xì)化鑄態(tài)的晶粒，以提高鑄件及焊縫的性能，采取的措施如下：

(1)增加過冷度。金屬結(jié)晶時(shí)，形核速率N和長大速度G都與過冷度有關(guān)，如圖

2.6所示。隨著過冷度的增加，形核速率N和長大速度G都增加，并在一定過冷度下達(dá)到最大值，但隨著過冷度的進(jìn)一步增加，兩者都減小，這是由于溫度過低時(shí)，液體中原子擴(kuò)散困難，N和G都隨之減小。在生產(chǎn)實(shí)踐中，冷卻條件往往處于曲線的左邊部分，而曲線的右邊部分的冷卻條件在實(shí)際中難以達(dá)到。所以，隨著過冷度的增加，形核速率N和長大速度G都增加，但形核速率N增加更快，故N/G增大，使晶粒細(xì)化。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠鑄造生產(chǎn)中，通過降低澆注溫度、加快冷卻速度等都能增大金屬液相的過冷度，使晶粒細(xì)化。加快冷卻速度的方法主要有：采用散熱快的金屬鑄型、降低金屬鑄型的預(yù)熱溫度、減小涂料層的厚度以及采用水冷鑄型等。隨著超高速急冷(105K/s～1011K/s)技術(shù)的發(fā)展，可以獲得超細(xì)化晶粒的金屬、亞穩(wěn)態(tài)金屬和非晶態(tài)金屬。此類金屬有良好的機(jī)械性能和物理化學(xué)性能，且有極大的發(fā)展前景。對體積大、形狀復(fù)雜的鑄件，很難獲得大的過冷度，就采用變質(zhì)方法或物理方法來細(xì)化晶粒。

(2)變質(zhì)處理。變質(zhì)處理又叫孕育處理，就是在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，以增加非自發(fā)形核的數(shù)目，促進(jìn)形核，抑制晶核長大，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。用于細(xì)化晶粒的變質(zhì)劑有如下幾種：在澆注前向液體金屬中加入同類金屬細(xì)粒，或加入結(jié)構(gòu)完全對應(yīng)的高熔點(diǎn)物質(zhì)細(xì)粒，在液相中直接起著外來晶核的作用。如澆注高鉻鋼時(shí)加入鉻鐵粉；在液態(tài)金屬中加入少量的某些元素，形成穩(wěn)定化合物作為活性質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)非自發(fā)形核；如在鋼液中加入鈦、釩、鈮等形成碳化合物作為活性質(zhì)點(diǎn)；鋁液中加入鈦、鋯作為質(zhì)點(diǎn)都能起到非自發(fā)形核的核心作用。有些物質(zhì)不能提供結(jié)晶核心，但能阻止晶粒長大，如液態(tài)金屬中加入少量表面活性元素，能附著在晶核的結(jié)晶前沿，阻礙晶核長大，如鋼液中加入硼就屬于此類變質(zhì)劑。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠圖2.6金屬的形核率N和長大速度G與過冷度的關(guān)系

(3)振動(dòng)、攪拌等。在金屬結(jié)晶過程中，用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)以及攪拌等方法，能夠打碎正在長大的枝晶，增加結(jié)晶的核心，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠2.1.2鑄錠組織

1.鑄錠組織的形成鑄錠凝固過程中，由于表面和中心冷卻條件不同，因此鑄錠的組織是不均勻的。如圖2.7鑄錠剖面組織示意圖。其組織由外向內(nèi)明顯分為三個(gè)晶區(qū)：表層細(xì)晶區(qū)，柱狀晶區(qū)，中心等軸晶區(qū)。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠圖2.7金屬鑄錠組織示意圖1—表層細(xì)晶區(qū)2—柱狀晶區(qū)3—中心等軸晶區(qū)表層細(xì)晶區(qū)：當(dāng)將鋼水澆注到錠模以后，由于模壁的溫度較低，和模壁接觸的鋼液受到激冷，造成較大的過冷度，形成大量的晶核，同時(shí)模壁也有非自發(fā)形核核心的作用。結(jié)果，在金屬的表層形成一層厚度不大、晶粒很細(xì)的細(xì)晶區(qū)。表層細(xì)晶區(qū)的晶粒十分細(xì)小、組織致密，力學(xué)性能好。但純金屬鑄錠表層細(xì)晶區(qū)的厚度一般都很薄，對整個(gè)鑄錠性能的影響不是很大。而合金鑄錠一般具有較厚的表層細(xì)晶區(qū)。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠柱狀晶區(qū)：細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，模壁溫度升高，使剩余液體金屬的冷卻速度降低，同時(shí)，由于表層結(jié)晶時(shí)釋放結(jié)晶潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿的液體過冷度減小，形核速度降低，但晶核繼續(xù)生長。由于垂直模壁的方向散熱速度最快，那些晶軸垂直于模壁的晶核就會沿著與散熱方向相反的方向迅速向液體金屬中長大，而晶軸與模壁斜交的晶核長大受到限制，結(jié)果獲得柱狀晶粒區(qū)。在柱狀晶區(qū)，晶粒彼此間的界面比較平直，氣泡縮孔很小，組織比較致密。而柱狀晶的交界面處的低熔點(diǎn)雜質(zhì)或非金屬雜質(zhì)較多，形成明顯的脆弱界面，在鍛造、軋制時(shí)易沿這些脆弱面形成裂紋或開裂。生產(chǎn)上，對于不希望得到柱狀晶的金屬，通常采用振動(dòng)澆注或變質(zhì)處理等方法來抑制柱狀晶的擴(kuò)展。但柱狀晶區(qū)的性能有明顯的方向性，沿柱狀晶晶軸方向強(qiáng)度高，對于那些主要受單向載荷的機(jī)械零件，例如汽輪機(jī)葉片，柱狀晶是比較理想的，一般采用提高澆注溫度、加快冷卻速度等措施，都有利于柱狀晶的發(fā)展。中心等軸晶區(qū)：隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，剩余液體金屬的冷卻速度很快降低，溫差也越來越小，散熱方向變得不明顯，處于均勻冷卻狀態(tài)。此外，由于液體金屬的流動(dòng)，將一些未熔雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)推向鑄錠中心，或柱晶上的小分枝被沖斷而漂移到鑄錠中心，它們都能成為剩余液體金屬結(jié)晶晶核，這些晶核由于在不同方向上的生長速度大致相同而最終長成等軸晶粒。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠中心等軸晶區(qū)不存在明顯的脆弱面，方向不同的晶粒彼此交錯(cuò)、咬合，各方向上力學(xué)性能均勻，是一般鋼鐵鑄件所要求的組織和性能。生產(chǎn)上采用低溫澆注、冷卻速度慢、各方向均勻散熱、變質(zhì)處理和附加振動(dòng)、攪拌等措施來獲得等軸晶粒。

2.鑄錠的缺陷液體金屬或合金在凝固過程中經(jīng)常會產(chǎn)生一些鑄造缺陷，常見的有縮孔、疏松和氣孔等，這些缺陷的存在對鑄件的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。

1)縮孔液體金屬在凝固過程中發(fā)生體積收縮，凝固早的液體金屬所產(chǎn)生的收縮孔隙由凝固晚的液體金屬來補(bǔ)充，最后一部分沒有剩余的液體金屬補(bǔ)充就成為空洞，即縮孔。一般縮孔部分在軋制或鍛造之前都要切去，否則對產(chǎn)品質(zhì)量有影響。生產(chǎn)中減少縮孔的辦法有：合理的設(shè)計(jì)模錠；合理的澆注方法，如上注法，慢注；采用保溫帽等措施。采用連鑄工藝生產(chǎn)的鋼坯沒有縮孔缺陷。因此，連鑄工藝生產(chǎn)的鋼材的成材率高。

2)疏松疏松即分散縮孔，主要是由于枝晶間分隔的液體金屬在凝固收縮時(shí)得不到液體金屬補(bǔ)充而可能留下的一些小孔隙以及金屬液中的氣體夾雜造成的。減少疏松的方法是快速冷卻及降低氣體含量等。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠

3)氣孔氣孔是指鑄錠(件)中因有氣體析出而形成的空洞。液體金屬中的氣體溶解度較大，如鑄模表面的銹皮等與液體相互作用產(chǎn)生氣體，澆注時(shí)液體流動(dòng)也會卷入氣體，希望這些氣體在凝固過程要析出。如果凝固過程氣體來不及逸出，就會保留在液體金屬中形成氣孔。在鑄錠鑄坯軋制過程中氣孔大多都可以焊合，但對皮下氣孔，會造成微細(xì)裂紋和表面起皺現(xiàn)象，從而影響金屬質(zhì)量。故冶煉及澆注過程要控制產(chǎn)生氣體的各種因素。2.1純金屬的結(jié)晶與鑄錠2.2合金的結(jié)晶相圖是表示合金系的狀態(tài)，是合金的狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖解。利用相圖，可以知道各種成分的合金在不同溫度的組織狀態(tài)及什么溫度下發(fā)生結(jié)晶和相變，也可以了解不同成分的合金在不同溫度下由哪些相組成及相對含量，還能了解合金在加熱和冷卻過程中可能會發(fā)生的轉(zhuǎn)變。合金狀態(tài)圖為進(jìn)行金相分析、合金熔煉、鑄造、鍛造及熱處理工藝提供了理論依據(jù)。2.2.1二元合金相圖的建立

1.相圖的建立方法二元合金相圖是由實(shí)驗(yàn)測定的。測定相圖的方法有熱分析法、金相分析法、硬度法、膨脹試驗(yàn)、X射線分析等。這些方法都是以合金相變時(shí)發(fā)生某些物理變化為基礎(chǔ)而選定的。這里重點(diǎn)介紹熱分析法建立相圖。合金凝固時(shí)釋放凝固潛熱，用熱分析法可以方便地測定合金的凝固溫度。建立二元合金相圖的具體步驟如下：①首先配制一系列不同成分的同一合金系。②將合金熔化后，分別測出它們的冷卻曲線。③根據(jù)冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定各合金的狀態(tài)變化溫度。④將上述數(shù)據(jù)引入以溫度(℃)為縱軸、成分(質(zhì)量百分比為單位)為橫軸的坐標(biāo)平面中。2.2合金的結(jié)晶測定時(shí)所配制的合金數(shù)目越多、所用金屬純度越高、測溫精度越高、冷卻速度越慢(0.5℃/min~1.5℃/min)，則所測得的相圖越精確。如圖2.8所示是用熱分析法建立的Cu-Ni合金的相圖過程示例。圖2.8用熱分析法建立Cu-Ni相圖2.2合金的結(jié)晶圖2.8(a)給出純Cu、Ni的含量分別為wNi30%、wNi50%、wNi70%的合金及純Ni的冷卻曲線?？梢?，純Cu和純Ni的冷卻曲線都有一水平階段，表示其結(jié)晶的臨界點(diǎn)，其他三種合金的冷卻曲線都沒有水平階段，但有兩次轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對應(yīng)的溫度代表兩個(gè)臨界點(diǎn)，表明這些合金都是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶，溫度較高的臨界點(diǎn)是開始結(jié)晶溫度，稱上臨界點(diǎn)，溫度較低的臨界點(diǎn)是結(jié)晶終了溫度，稱為下臨界點(diǎn)。將上述的臨界點(diǎn)標(biāo)在溫度—成分坐標(biāo)圖中，再將相應(yīng)的臨界點(diǎn)連接起來，就得到圖2.8(b)所示的Cu-Ni相圖。其上臨界點(diǎn)的連接線稱為液相線，表示合金在緩慢冷卻過程中開始結(jié)晶(或在加熱過程中熔化終了)的溫度；下臨界點(diǎn)的連線稱為固相線，表示合金在冷卻過程中結(jié)晶終了(或在加熱時(shí)開始熔化)的溫度。這兩條曲線把Cu-Ni合金相圖分成三個(gè)相區(qū)，液相線以上區(qū)域表明所有合金均為液相，用符號L表示。固相線以下的區(qū)域表明所有合金均為固相，用符號表示。液、固相線之間的區(qū)域是液相與固相兩相平衡共存的區(qū)域，以L+表示。

2.相律及杠桿定律

2.2合金的結(jié)晶

(1)相律。相律是表示在平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和相數(shù)之間的關(guān)系，是系統(tǒng)平衡條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式，是檢驗(yàn)、分析和使用相圖的重要工具，所測定的相圖是否正確，要用相律檢驗(yàn)。在研究和使用相圖時(shí)，也要用到相律。相律可用式(2-4)表示：

f=c－p＋2 (2-4)

當(dāng)系統(tǒng)的壓力為常數(shù)時(shí)，則為

f=c－p＋1 (2-5)式中，c——系統(tǒng)的組元數(shù)；

p——平衡條件下系統(tǒng)中的相數(shù)；

f

——自由度數(shù)。所謂自由度是指在保持合金系中相的數(shù)目不變的條件下，合金系中可以獨(dú)立改變的影響合金狀態(tài)因素的數(shù)目，自由度f

不能為負(fù)數(shù)。影響合金狀態(tài)的因素有合金的成分、溫度和壓力。當(dāng)壓力不變時(shí)，則合金的狀態(tài)由成分和溫度兩個(gè)因素確定。2.2合金的結(jié)晶

p=c＋2 (2-6)

壓力恒定時(shí)：p=c＋1(2-7)

式(2-7)表明，在壓力給定的條件下，系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的最多平衡相數(shù)比組元數(shù)多

1，例如：一元系c=1，p=2，即最多可以兩相共存。二元系c=2，p=3，最多可以三相平衡共存，等待。利用相律可以說明純金屬或合金結(jié)晶時(shí)的某些差別，例如純金屬結(jié)晶時(shí)存在液體與固體兩相，即p=2，由相律可得出f

=1－2＋1=0。因此，純金屬在結(jié)晶時(shí)溫度不能改變，只能在恒溫下進(jìn)行，在冷卻曲線上表現(xiàn)為水平線段；二元合金在結(jié)晶時(shí)，如果是固、液兩相平衡共存，則f

=2－2＋1=1，有一個(gè)自由度數(shù)，即有一個(gè)可以改變的影響因素，因而可以在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。如果在二元合金結(jié)晶時(shí)出現(xiàn)三相平衡共存，則f

=2－3＋1=0，因而這種轉(zhuǎn)變只能在恒溫下進(jìn)行。

(2)杠桿定律。合金在結(jié)晶過程中，各相的成分及其相對含量都在不斷地發(fā)生變化。利用相圖及杠桿定律，不但能夠確定任一成分的合金在任一溫度下處于平衡時(shí)的兩相的成分，而且可以確定兩相的相對含量。2.2合金的結(jié)晶如圖2.9所示，在Cu-Ni合金中，要想確定含Ni量為C%的合金I在結(jié)晶過程中冷卻到溫度T1后，其組織由哪兩個(gè)相組成以及各相的成分，可以通過T1作一水平線段arb,arb線與液相線(液相區(qū))相交于a點(diǎn)，與固相線(固相區(qū))相交于b點(diǎn)，也就是表示合金I在溫度T1時(shí)是由液相L與固相(固溶體)所組成，液相L的成分是含Ni量為CL%，固溶體的成分是含Ni量為%。圖2.9杠桿定律的證明及力學(xué)比喻2.2合金的結(jié)晶設(shè)合金I的總質(zhì)量為1，在溫度T1時(shí)液相的質(zhì)量為QL，固溶體的質(zhì)量為，則有：

+=1 (2-8)

另外，合金I中所含的Ni的質(zhì)量應(yīng)該等于液相中Ni的質(zhì)量與固溶體中Ni的質(zhì)量的和。即

·＋·=1×C (2-9)由式(2-8)、式(2-9)可以得到：

(2-10)

(2-11)或 (2-12)這個(gè)式子與力學(xué)中的杠桿定律非常相似，所以也稱為杠桿定律。如圖2.9(b)中，如將r看作是支點(diǎn)，假定杠桿arb的兩端分別懸掛質(zhì)量及，則杠桿的平衡條件就是：

(2-13)

.ar=.rb

2.2合金的結(jié)晶即

(2-14)應(yīng)當(dāng)注意，杠桿定律只能用于處于平衡狀態(tài)的兩相區(qū)，對相的類型不作限制。

2.2合金的結(jié)晶2.2.2勻晶相圖

1.相圖分析兩組元在液態(tài)、固態(tài)均無限互溶，冷卻時(shí)發(fā)生勻晶反應(yīng)(結(jié)晶)的合金系，構(gòu)成勻晶相圖。具有這類相圖的二元合金系主要有：Cu-Ni、Au-Ag、Pt-Rh、Fe-Cr、Cr-Mo、Fe-Ni等。這類合金結(jié)晶時(shí)，都是從液相結(jié)晶出單相的固溶體，這種結(jié)晶過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。下面以Cu-Ni二元合金相圖為例進(jìn)行分析。如圖2.10(a)所示的Cu-Ni二元合金相圖，該相圖上面一條是液相線，下面一條是固相線，液相線和固相線把相圖分成三個(gè)區(qū)域，即液相區(qū)L、固相區(qū)以及液固兩相區(qū)L+。2.2合金的結(jié)晶

2.合金的平衡結(jié)晶過程平衡結(jié)晶是指合金在極其緩慢冷卻條件下進(jìn)行結(jié)晶的過程。如圖2.10所示Cu-Ni合金的冷卻曲線及結(jié)晶過程示意圖，在1點(diǎn)溫度以上，合金為液相L，緩慢冷卻到1～2溫度之間，發(fā)生勻晶反應(yīng)(結(jié)晶)，從液相中逐漸結(jié)晶出固溶體，2點(diǎn)溫度以下，合金全部結(jié)晶為固溶體，其他合金系結(jié)晶過程與此類似。圖2.10Cu-Ni合金相圖及冷卻曲線示意圖2.2合金的結(jié)晶與純金屬一樣，固溶體從液相中結(jié)晶的過程，也包括形核和長大的過程，固溶體結(jié)晶是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，即是一個(gè)變溫結(jié)晶過程。在兩相區(qū)，溫度一定時(shí)，兩相成分是確定的，確定成分的方法是：過指定溫度T1作水平線，分別交液相線和固相線于a1點(diǎn)和c1點(diǎn)，則a1點(diǎn)和c1點(diǎn)在成分軸上的投影即為液相L和固相的成分。隨著溫度的降低，液相成分隨液相線變化，固相成分隨固相線變化。在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時(shí)，兩相的質(zhì)量比是一定的，如T1時(shí)，利用杠桿定律可得兩相的質(zhì)量比的表達(dá)式：

(2-15)式中，QL為液相L的質(zhì)量，為固相的質(zhì)量，b1c1、a1b1為線段長度，可用其成分坐標(biāo)上的數(shù)字來度量。

3.枝晶偏析在實(shí)際鑄造生產(chǎn)中，由于冷速較快，固溶體合金發(fā)生不平衡結(jié)晶，得到不均勻的樹枝狀組織，先結(jié)晶出的樹枝晶的晶軸含有較多的高熔點(diǎn)組元，而后結(jié)晶出來的分枝及其枝間空隙則含有較多的低熔點(diǎn)組元。這種樹枝狀晶體中成分不均勻現(xiàn)象稱為枝晶偏析，又稱為晶內(nèi)偏析。2.2合金的結(jié)晶枝晶偏析會使晶粒內(nèi)部的性能不一致，從而使合金的機(jī)械性能降低，特別是其塑性和韌性降低。枝晶偏析也會導(dǎo)致合金化學(xué)性能的不均勻，使其耐蝕性能降低。在生產(chǎn)上一般采用擴(kuò)散退火或均勻化退火的方法來消除枝晶偏析，即將鑄件加熱到低于固相線以下100℃～200℃的溫度，進(jìn)行長時(shí)間的保溫，使偏析元素進(jìn)行充分的擴(kuò)散，以達(dá)到均勻化的目的。鑄錠經(jīng)過熱軋或熱鍛后，也可以使其枝晶偏析程度有所減輕。2.2合金的結(jié)晶2.2.3二元共晶相圖兩組元在液態(tài)無限溶解，在固態(tài)有限溶解，且冷卻過程中發(fā)生共晶反應(yīng)的相圖，稱為共晶相圖。這類合金有Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等。下面以Pb-Sn二元共晶相圖為例分析其結(jié)晶過程。

1.相圖分析

Pb-Sn合金相圖(見圖2.11)中，Pb與Sn形成的液相L，Sn溶于Pb中形成的有限固溶體SS相，Pb溶于Sn中形成的有限固溶體相。A和B分別為組元Pb和Sn的熔點(diǎn)，C、D點(diǎn)分別是Sn在固溶體中的最大溶解度點(diǎn)和Pb在固溶體中的最大溶解度點(diǎn)，而CF及DG則代表兩固溶體及的溶解度曲線。2.2合金的結(jié)晶AEB為液相線，ACEDB為固相線，相圖中有三個(gè)單相區(qū)(L、、)；三個(gè)雙相區(qū)(L+、L＋、＋)；一條L＋＋的三相共存線(水平線CED)，E點(diǎn)是共晶點(diǎn)，表示此點(diǎn)成分的合金冷卻到此點(diǎn)所對應(yīng)的溫度時(shí)，共同結(jié)晶出C點(diǎn)成分的相和D點(diǎn)成分的相：

(2-16)

這種具有一定成分的液體(LE)在一定溫度(共晶溫度)下同時(shí)結(jié)晶出兩種固體(

的反應(yīng)叫做共晶反應(yīng)，所生成的產(chǎn)物稱共晶體或共晶組織。共晶體的顯微組織特征是兩相交替分布，其形態(tài)與合金的特性及冷卻速度有關(guān)，一般為片層狀，或樹枝狀，或針狀。

2.典型合金的平衡結(jié)晶過程

(1)合金I。合金I為共晶合金，其結(jié)晶過程如圖2.12所示。合金從液態(tài)冷卻到1點(diǎn)溫度后，發(fā)生共晶反應(yīng)，經(jīng)過一定時(shí)間到1‘

時(shí)，反應(yīng)結(jié)束，液相全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿w(

。從共晶溫度冷卻到室溫，共晶體中的和均發(fā)生二次結(jié)晶，從中析出，從中析出。的成分由C點(diǎn)變?yōu)镕點(diǎn)，的成2.2合金的結(jié)晶分由C點(diǎn)變?yōu)镕點(diǎn)，的成分由D點(diǎn)變?yōu)镚點(diǎn)。由于析出的和都相應(yīng)地與和相連在一起，共晶體的成分和形態(tài)不變，合金的室溫組織全部為共晶體，即只含有一種組織組成物，而其組成相為和。圖2.11Pb-Sn二元共晶相圖圖2.12共晶合金冷卻曲線及組織轉(zhuǎn)變示意圖2.2合金的結(jié)晶

(2)合金II。合金II為亞共晶合金，其結(jié)晶過程如圖2.13所示。合金冷卻到1溫度以后，開始結(jié)晶出固溶體，稱為初生固溶體。從1點(diǎn)到2點(diǎn)溫度的冷卻過程中，固溶體逐漸增多，液相逐漸減少，相的成分沿AC變化，液相成分沿AE變化。這一階段的轉(zhuǎn)變屬于勻晶轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度降至2點(diǎn)溫度尚未發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，相和剩余液相的成分分別到達(dá)C點(diǎn)和E點(diǎn)，此時(shí)用杠桿定律可以求出兩相的相對含量：

(2-17) (2-18)圖2.13亞共晶合金結(jié)晶過程示意圖2.2合金的結(jié)晶在溫度為TE、成分為E點(diǎn)的液相便發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，初生相不變。經(jīng)過一段時(shí)間到2‘時(shí)，剩余液相全部形成共晶組織(

，此時(shí)組織為＋

(

。從共晶溫度繼續(xù)往下冷卻時(shí)，將從相中析出，從相中析出。室溫組織為初生＋＋(

，顯微組織如圖2.14所示，圖中暗黑色樹枝狀晶是先共晶相，之中的白色顆粒是，黑白相間分布的是共晶組織。此時(shí)合金的相組成為和，它們的相對含量為

(2-19) (2-20)(3)合金III。合金III為過共晶，其平衡結(jié)晶過程與亞共晶合金相似，也包括勻晶反應(yīng)、共晶轉(zhuǎn)變和二次結(jié)晶階段，所不同的是先共晶相不是而是，二次結(jié)晶過程為從中析出。所以室溫組織為＋＋(＋)，其組織示意圖如圖2.15所示，圖中白色卵形部分為初晶，其余為共晶組織。2.2合金的結(jié)晶圖2.14亞共晶組織示意圖圖2.15過共晶組織示意圖(4)合金Ⅳ。合金Ⅳ的平衡結(jié)晶過程如圖2.16所示。2.2合金的結(jié)晶圖2.16合金Ⅳ的結(jié)晶過程示意圖液態(tài)合金冷卻到1點(diǎn)溫度以后，發(fā)生勻晶結(jié)晶過程，至2點(diǎn)溫度合金完全結(jié)晶成固溶體，從2～3溫度之間，相不變，從3點(diǎn)溫度開始，由于Sn在中的溶解度降低，從中析出，到室溫時(shí)中Sn含量逐漸變?yōu)?點(diǎn)。最后合金得到的組織為＋，兩相的相對含量為2.2合金的結(jié)晶

(2-21) (2-22)2.2合金的結(jié)晶2.2.4二元包晶相圖兩組元在液態(tài)相互無限互溶，在固態(tài)有限互溶，結(jié)晶過程發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖，稱為包晶相圖。具有包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系有Sn-Sb、Pt-Ag、Cu-Sn、Cu-Zn等。下面以Pt-Ag相圖為例分析包晶轉(zhuǎn)變過程。

1.相圖分析

Pt-Ag二元合金相圖如圖2.17所示。圖中存在三種相：Pt與Ag形成的液相L，Ag溶于Pt中的有限固溶體，Pt溶于Ag中的有限固溶體。ACB為液相線，APDB為固相線，PE及DF分別是溶解度曲線，水平線是包晶轉(zhuǎn)變線，D點(diǎn)是包晶點(diǎn)，所有成分在P和C之間的合金在此溫度都將發(fā)生三相平衡的包晶轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變的反應(yīng)式為

(2-23)2.2合金的結(jié)晶這種由一種液相與一種固相在恒溫下相互作用而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固相的反應(yīng)叫做包晶反應(yīng)或包晶轉(zhuǎn)變。發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)，三相共存。根據(jù)相律，在包晶轉(zhuǎn)變時(shí)，其自由度f

=2－3＋1=0，即三個(gè)相的成分不變，且轉(zhuǎn)變在恒溫下進(jìn)行。圖2.17Pt-Ag合金相圖2.2合金的結(jié)晶

2.典型合金的平衡結(jié)晶過程(1)合金I。合金I的平衡結(jié)晶過程如圖2.18所示。

圖2.18合金I的平衡結(jié)晶過程當(dāng)合金自液態(tài)緩慢冷卻到與液相線相交的

1

點(diǎn)時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出相，隨著溫度的降低，相的量不斷增多，液相的量則不斷減少，固溶體的成分沿固相線AP變化，L相成分沿液相線AC變化。當(dāng)溫度剛剛降低TD(1186℃)時(shí)，相與L相的相對量可由杠桿定律算出：

(2-24)

(2-25)2.2合金的結(jié)晶在溫度TD下，液相L和固相發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變結(jié)束后，L和相全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w。溫度繼續(xù)降低，從中析出，室溫組織為＋。包晶轉(zhuǎn)變也需要一定的過冷度，當(dāng)溫度降低到略低于包晶溫度(TD)時(shí)，開始從液相中析出固溶體，固溶體將在原有的初生固溶體的表面形核及長大，在固溶體的表面形成一層固溶體的外殼。此時(shí)，固溶體的成分相當(dāng)于P點(diǎn)，固溶體的成分相當(dāng)于D點(diǎn)，而液相的成分則相當(dāng)于C點(diǎn)。由相圖2.17可知，固溶體中的Ag含量比液相低但比固溶體高，其中含Pt量則比固溶體低而比液相高。由于在各相的界面上存在著濃度梯度，因此，液相中的Ag原子將不斷地由液相向固溶體擴(kuò)散。這樣，最初形成的固溶體向外將不斷地消耗液相而向液相中生長，同時(shí)，也不斷地消耗固溶體而向內(nèi)生長，直至最后將液相和固溶體全部消耗完為止。

(2)合金II。合金II的平衡結(jié)晶過程如圖2.19所示。圖2.19合金II的平衡結(jié)晶過程示意圖2.2合金的結(jié)晶當(dāng)合金由液態(tài)緩慢冷卻到與液相線相交的1點(diǎn)時(shí)，開始從液體中結(jié)晶出固溶體，在1～2點(diǎn)之間，隨著溫度的降低，固溶體的量不斷增加，液相的量不斷減少，固溶體的成分沿AP線變化，液相成分沿AC線變化。當(dāng)溫度剛好降低到TD點(diǎn)時(shí)，固溶體與液相L的相對含量為

(2-26) (2-27)

在TD溫度以下時(shí)，固溶體與液相共同作用發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，形成固溶體。由于合金II在TD溫度時(shí)，其中固溶體的相對量較多，因此，包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，合金中除了新形成的固溶體外，還有剩余的固溶體。由于隨著溫度的降低，Ag在固溶體中的溶解度沿PE線減小，Pt在固溶體中的溶解度沿DF線減小，因此，當(dāng)合金繼續(xù)冷卻時(shí)，將不斷從固溶體中析出，從固溶體中析出，合金II冷卻到室溫時(shí)的組織為＋＋＋。(3)合金III。合金III的平衡結(jié)晶過程如圖2.20所示。2.2合金的結(jié)晶圖2.20合金Ⅲ的平衡結(jié)晶過程示意圖合金由液態(tài)緩慢冷卻到與液相線相交的1點(diǎn)時(shí)開始結(jié)晶出固溶體，在1～2點(diǎn)之間，隨著溫度的降低，固溶體的量不斷增加，當(dāng)溫度降到TD時(shí)后，固溶體與液相L共同作用，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，形成固溶體。這些轉(zhuǎn)變與合金II類似，但由杠桿定律可算出，合金III在包晶轉(zhuǎn)變完以后，除了新形成的固溶體外，還有剩余的液相存在。當(dāng)合金的溫度繼續(xù)降低，剩余的液相將繼續(xù)結(jié)晶出固溶體。在2～3點(diǎn)之間，隨著溫度的降低，固溶體的量不斷增加，當(dāng)溫度降低到3點(diǎn)時(shí)，合金全部結(jié)晶為固溶體。在3～4點(diǎn)溫度之間，合金組織不發(fā)生變化，為單相固溶體。當(dāng)溫度降低到4點(diǎn)后，與固溶體的溶解度線DF相交，將從固溶體中析出II。室溫組織為＋I(xiàn)I。2.2合金的結(jié)晶上述分析的是包晶轉(zhuǎn)變線(PDC線)范圍內(nèi)的三種不同典型合金的平衡結(jié)晶過程。其中成分在PD之間的平衡合金結(jié)晶過程與合金II類似，成分在DC之間的合金平衡結(jié)晶過程與合金III類似，至于含Ag量小于P點(diǎn)及大于C點(diǎn)的合金，其平衡結(jié)晶過程與勻晶相圖類似。在合金結(jié)晶過程中，如果冷速較快，包晶反應(yīng)時(shí)原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，則生成的固溶體會發(fā)生較大的成分偏析，原固溶體中Pt含量較高，而液相區(qū)Pt含量較低。這種由于包晶轉(zhuǎn)變不能充分進(jìn)行而產(chǎn)生化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為包晶偏析。在生產(chǎn)中，可以采用在結(jié)晶后進(jìn)行長時(shí)間擴(kuò)散退火，使原子得以充分?jǐn)U散來減少或消除包晶偏析。2.2合金的結(jié)晶2.2.5其他常用的二元合金相圖簡介

1.形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖所謂穩(wěn)定化合物，就是指具有一定熔點(diǎn)，在熔點(diǎn)以下不發(fā)生分解的化合物。在分析這類相圖時(shí)，將穩(wěn)定化合物看成一個(gè)獨(dú)立的組元，并將整個(gè)相圖分成幾個(gè)相區(qū)。Mg-Si相圖就是這類相圖的一個(gè)典型，如圖2.21所示。Mg和Si形成穩(wěn)定化合物Mg2Si，如果把Mg2Si看作一個(gè)組元，則可以把Mg-Si相圖看成是由Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si兩個(gè)共晶相圖來分析。2.2合金的結(jié)晶圖2.21Mg-Si合金相圖

2.具有共析轉(zhuǎn)變的相圖在有些合金系中，液態(tài)合金在完全形成固溶體后，繼續(xù)冷卻時(shí)，在一定溫度下，將由一定成分的固相分解為一定成分的兩相混合物，稱之為共析轉(zhuǎn)變。在相圖上，與液態(tài)結(jié)晶時(shí)的共晶轉(zhuǎn)變類似，都是由一個(gè)相分解為兩個(gè)相的三相恒溫轉(zhuǎn)變。如圖2.22所示的Al-Cu相圖所示，在565℃時(shí)，由單相的中同時(shí)析出和兩相。2.2合金的結(jié)晶圖2.22Al-Cu合金相圖2.2合金的結(jié)晶2.3結(jié)晶理論的應(yīng)用實(shí)例液態(tài)純金屬和合金的結(jié)晶都是形核和長大的過程，根據(jù)晶體形核和長大的機(jī)制及其規(guī)律，控制其結(jié)晶過程，就可以獲得特殊組織和性能的材料，從而滿足工業(yè)上對不同性能材料的要求。以下具體介紹結(jié)晶理論在單晶制備及區(qū)域熔煉中的應(yīng)用。

2.3.1單晶制備單晶體是電子和激光技術(shù)中必須使用的重要材料，在金屬的研究中也常常用到單晶體。單晶體制備的基本原理是設(shè)法使液體結(jié)晶時(shí)只有一個(gè)晶核形成并長大，它可以是事先制備好的籽晶，也可以是液體中形成的晶核。在單晶體的制備過程中，嚴(yán)格防止形成多余的晶核。這就要求材料有很高的純度，以免發(fā)生非均勻形核，還要保證凝固過程中不能達(dá)到過冷度。單晶可用下面兩種方法制取。

1.垂直提拉法這種方法廣泛用于制取電子工業(yè)中所需的單晶硅，原理如圖2.23(a)所示。先將坩堝中的材料熔化，并使其溫度略高于材料的熔點(diǎn)，將籽晶夾在籽晶桿上，然后使籽晶桿下降與熔體接觸，坩堝溫度下降的時(shí)候，向上提拉籽晶桿同時(shí)不斷旋轉(zhuǎn)。這樣晶核以籽晶為核心不斷長大，形成單晶體。全部操作是在真空或有惰性氣體保護(hù)的環(huán)境中進(jìn)行的。2.3結(jié)晶理論的應(yīng)用實(shí)例

2.尖晶形核法其原理如圖2.23(b)所示，其特點(diǎn)是先將材料熔化，然后使尖底形的坩堝緩慢退出爐子，并使尖端首先冷卻，控制冷卻條件，就可以在尖端只形成一個(gè)晶核，這個(gè)晶核在坩堝出爐過程中不斷長大，形成單晶體。圖2.23單晶制備原理圖2.3結(jié)晶理論的應(yīng)用實(shí)例2.3.2區(qū)域熔煉利用合金鑄造凝固時(shí)溶質(zhì)重新分布的規(guī)律，開發(fā)了一種區(qū)域熔煉的金屬提純技術(shù)。區(qū)域熔煉法可以制取純度非常高的晶體。區(qū)域熔煉法是利用勻晶結(jié)晶的選分結(jié)晶原理進(jìn)行的。它不是把材料的棒料全部熔化，而是將棒料從一端順序的進(jìn)行局部熔化。例如應(yīng)用感應(yīng)圈使合金棒加熱熔化一段并從左端逐步向右端移動(dòng)，凝固過程也隨之進(jìn)行。當(dāng)熔化區(qū)走完一遍，溶質(zhì)雜質(zhì)逐步向右遷移，使左端高熔點(diǎn)組元純度提高。經(jīng)過多次重復(fù)，棒左端高熔點(diǎn)組元純度即可達(dá)到預(yù)期結(jié)果，如圖2.24所示。圖2.24區(qū)域熔煉示意圖2.3結(jié)晶理論的應(yīng)用實(shí)例2.4二元相圖的應(yīng)用前面已經(jīng)述及，在常壓下，相圖是材料狀態(tài)與成分、溫度之間關(guān)系的圖解。所以，相圖反映了不同材料結(jié)晶的特點(diǎn)；相圖還