【正文】 0。 平衡結晶過程相L、固溶體α相和β相，其中α相為Sn溶解于Pb中的固溶體，而β相是Pb溶解于Sn中的固溶體。各個單相區(qū)之間有三個兩相區(qū)，即L+α，L+β和α+β。圖中水平線MEN表示L十α+β三相共存區(qū)。在這一水平線所對應的溫度下，成分相當于E點的液相（LE）同時結晶出與M點對應的αM和與N點對應βN的兩個固相，形成兩個固相的混合物，這種轉(zhuǎn)變的反應式為：圖16 pbSn共晶相圖 LE〈═〉αM+βN。相圖中的MEN水平線稱為共晶線，E點叫共晶點，E點所對應的溫度叫共晶溫度，化學成分對應于共晶點的合金就叫共晶合金。而成分位于共晶點左邊或右邊的合金則分別稱為亞共晶和過共晶合金。(1)共晶合金的結晶過程 當共晶合金(合金Ⅱ)冷卻到溫度tE時，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變 LE〈═〉αM+βN ，這個轉(zhuǎn)變一直在共晶溫度tE下進行，直到液相完全消失為止。這時得到的組織為α和β兩個相的混合物，這種混合物稱共晶組織。α相和β相的含量可用杠桿定律求出：α相含量：ωα=(EN/MN)amp。8226。100。 β相含量：ωβ=(ME/MN)amp。8226。100繼續(xù)冷卻，共晶組織中的α相和β相都要發(fā)生成分變化，α相成分沿著MF線變化，β相成分沿NG線變化。由于溶解度變化，α相和β相分別析出次生相αⅡ和βⅡ，直到冷卻至室溫為止。因為這些次生相常與共晶組織中的同類相混在一起，所以在顯微鏡下難以分辨。(2)亞共晶合金的結晶過程 當亞共晶合金（如合金Ⅰ）冷卻到1時，液相便開始結晶出α固溶體。在1~2點溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的緩慢下降，α固溶體的數(shù)量不斷增加，其成分沿AM線變化，而液相數(shù)量不斷減少，其成分沿AE線變化，這一階段的轉(zhuǎn)變屬勻晶轉(zhuǎn)變。當溫度降至2時，α相的成分達到M點，而剩余液相的成分達到E點。在溫度tE，成分為E點的液相便發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：LE〈═〉αM+βN。這一轉(zhuǎn)變一直進行到剩余液相全部形成共晶組織為止。繼續(xù)冷卻，從α相和β相中分別析出次生相αⅡ和βⅡ。，直到室溫。(3)過共晶合金的結晶 過共晶合金(如合金Ⅲ)的結晶過程與亞共晶合金相似，所不同的是它先結晶的相不是α相而是β相。3． 包晶轉(zhuǎn)變 兩組元在液態(tài)時相互之間能無限互溶，在固態(tài)有限互溶并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖叫包晶相圖。圖17即為PtAg合金包晶相圖。所有成分在P與C之間范圍內(nèi)的合金在包晶轉(zhuǎn)變溫度下都會發(fā)生三相平衡的包晶反應，即一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另一個一定成分的固相的轉(zhuǎn)變過程，反應式為：Lc+αP〈═〉βD。相圖中的D點稱為包晶點，所對應的溫度(tD)稱為包晶溫度，PDC線稱包晶線。三、鑄錠的組織與缺陷在工業(yè)生產(chǎn)中，液態(tài)金屬往往是在鑄錠模或鑄型中冷卻凝固的，前者得到的物件叫鑄錠，后者得到的叫鑄件。 (一) 鑄錠三晶區(qū)的形成 圖17 PtAg包晶相圖鑄錠的宏觀組織通常由三個晶區(qū)所組成，即外表層的細晶區(qū)、中間的柱狀晶區(qū)和心部的等軸晶區(qū)，其示意圖如18所示。 1．外層細晶區(qū) 當液態(tài)金屬倒人鑄錠模后，金屬首先從模壁處開始結晶，這是因為溫度低的模壁有強烈的吸熱和散熱作用，使靠近模壁的一層薄膜液體產(chǎn)生極大的過冷，加上模壁可作非均勻形核的基底，因此，在此一薄層液體中立即產(chǎn)生大量的晶核，并同時向各個方向生長。由于晶核數(shù)量多，致使臨近的晶核很快彼此相遇，它們不能繼續(xù)生長，這樣便在靠近模壁處形成了一層很細的等軸晶區(qū)。細晶區(qū)的晶粒細小、致密，有很好的力學性能。2．柱狀晶區(qū) 柱狀晶區(qū)的晶粒粗大并且垂直于模壁。在表層細晶區(qū)形成的同時，一方面模壁的溫度由于被液態(tài)金屬加熱而迅速升高，另一方面由于金屬凝固后收縮，使細晶區(qū)和模壁脫開，形成一空氣層，使液體金屬的散熱變得困難。另外，細晶區(qū)形成時釋放出大量的結晶 潛熱，也使模壁溫度升高。模壁溫度升高導致液體金屬冷卻減慢，溫度梯度變小、此時，結晶主要靠細晶區(qū)近液相處的某些小晶粒的長大。同時，由于垂直于模壁方向散熱最快，晶體便沿其反向擇優(yōu)生長成柱狀晶，便形成柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)中晶粒之間的界面較平直，氣泡、縮孔很小，組織比較致密。在兩組柱狀晶相遇處會形成柱狀晶界，此處雜質(zhì)、氣泡、縮孔較富集，所以是鑄錠的薄弱結合面。壓力加工時，易沿這些地方產(chǎn)生裂紋或開裂。此外，由于柱狀晶的性能有方向性，對加工性能會有影響。4． 中心等軸晶區(qū) 隨看柱狀晶的發(fā)展，冷卻速度也逐漸減慢，溫度梯度趨于平緩，柱狀晶的長大速度也就越來越小。在柱狀晶的晶枝生長區(qū) 圖18 鑄錠的三晶區(qū)(即固、液兩相共存區(qū))的溶質(zhì)濃度增高，熔點下降，結晶潛熱的散發(fā)變得 1細晶區(qū)； 2柱狀晶區(qū)困難，使各晶枝變得細長、瘦弱，而且根部逐漸萎縮，甚至發(fā)生局部由于 3等軸晶區(qū)重熔而自動脫落的現(xiàn)象。但是由于在柱狀晶結晶長大過程中，鑄錠中部的液體中就已經(jīng)存在著大量的可作為晶核的碎枝殘片，會促使中部迅速形核和長大。此外，懸浮在這里的雜質(zhì)質(zhì)點，也可能成為新的結晶核心。所以，在柱狀晶長大到一定程度后，鑄錠中部也開始形核長大。由于中部液體的溫度大致是均勻的，所以每個晶粒在各個方向長大速度接近一致，因而形成等軸晶。當它們長大到與柱狀晶相遇時，全部液體也凝固完畢，最后形成中心等軸晶區(qū)。由于等軸晶區(qū)的各個晶粒在長大時彼此交叉，枝權間的搭接牢固，裂紋不易擴展，不存在明顯的弱脆界面。各晶粒取向不同，其性能無方向性。但由于等軸晶的樹枝狀晶體比較發(fā)達，分枝較多，因而組織不致密，顯微縮孔較多。由于顯微縮孔一般均未氧化，因而在熱加工時可以焊合，故對性能影響不大。（二）鑄錠缺陷鑄錠中存在的缺陷主要有縮孔、氣孔和偏析等。1．縮孔 縮孔是一種重要的鑄造缺陷，對性能影響很大，但它的出現(xiàn)又是不可避免的。多數(shù)金屬液態(tài)密度比固態(tài)時小，因此，結晶時發(fā)生體積收縮。金屬收縮后，原來填滿鑄型的液態(tài)金屬，凝固后就不能再填滿了。如果沒有液態(tài)金屬連續(xù)補充的話，就會出現(xiàn)收縮孔洞，叫縮孔?？s孔可分為集中縮孔和分散縮孔（疏松）兩類。2．氣孔 在液態(tài)金屬中總會或多或少地溶有一些氣體，而氣體在液態(tài)中的溶解度要比在固態(tài)中大得多。所以，當液體凝固時，其中所溶解的氣體將逐漸富集于結晶前沿的液體中，最后在固相和液相界面上形成氣泡，或稱氣孔。氣泡也可能由于液體金屬中的某些化學反應所產(chǎn)生的氣體所造成。3．偏析 偏析就是鋼錠中的化學成份和非金屬夾雜物的不均勻現(xiàn)象。鑄錠中的偏析包括金屬組元的偏析和各種雜質(zhì)的偏析。根據(jù)偏析的范圍，可分成區(qū)域（宏觀）偏析、晶內(nèi)偏析和晶間偏析。(1) 區(qū)域偏析 是指鑄錠宏觀范圍內(nèi)的一部分與另一部分之間化學成分不均勻現(xiàn)象?！?鋼錠澆鑄時，由于凝固不是在鑄錠的整個截面上同時進行，同模壁接觸的外層先開始結晶，心部后結晶，導致先結晶的外層晶體富含高熔點組元，后結晶的心部晶體富集低熔點組元和非金屬雜質(zhì)，使整個鋼錠的截面成份不均勻，這種偏析叫做區(qū)域偏析。（2）顯微偏析 是指發(fā)生在一個或幾個晶粒范圍內(nèi)的化學成分不均勻現(xiàn)象。 固溶體在結晶過程中，由于固相和液相成份在不斷地改變，在同一個晶體內(nèi)先凝固的部分與后凝固的部分成份將會不同，先凝固的枝晶主干部分富含高熔點組元，而后凝固的分枝及枝間部分則富含低熔點組元。這種在同一晶粒范圍內(nèi)的成份不均勻現(xiàn)象稱為晶內(nèi)偏析。同樣先凝固的晶體與后凝固的晶體成份也會不同，先凝固的晶體富含高熔點組元，而后凝固的晶體則富含低熔點組元。這種晶體間的成份不均勻現(xiàn)象稱為晶間偏析。 對于高速鋼、Cr12型鋼等萊氏體鋼，鑄錠中含有大量的共晶碳化物。市售的鋼材多半是電爐冶煉，澆錠成形，開壞軋制成材的。而電爐冶煉再經(jīng)電渣重熔的小鑄錠，不經(jīng)開坯軋制，直接鍛造成形、退火后供應市場的模坯也日益增多。這種材料的組織中都含有大量的共晶碳化物(照片19)，直接用于機械加工和最終熱處理后服役的模具，在熱處理淬火時常發(fā)生淬火開裂，在模具使用時也常常發(fā)生早期脆裂。真空冶煉的Cr12鋼液，適當降低澆注溫度和鑄模溫度，加大冷卻速度，鑄錠也可以獲得較細密的鑄態(tài)組織(照片110)。 照片110 電爐冶煉再經(jīng)電渣重熔鑄錠組織 照片111 控制澆鑄工藝的真空冶煉鑄錠組織 第三節(jié) FeC（FeFe3C）相圖一、FeC（FeFe3C）相圖分析（一）相圖中的點、線、區(qū)的意義由于碳在鐵中的含量超過溶解度后剩余的碳可以有兩種形式存在，即以滲碳體Fe3C和石墨碳的形式存在，因此，F(xiàn)eC合金有兩種相圖，即FeC和FeFe3C相圖。在通常情況下，鐵碳合金是按FeFe3C系進行轉(zhuǎn)變的。圖111即為FeFe3C相圖。圖中各特性點的溫度、碳含量及意義見表11。應該注意，其特性點的符號是國際通用的，不能隨便變換。相圖中的ABCD為液相線，AHJECF是固相線，相圖中有五個單相區(qū)，它們是：ABCD以上—液相區(qū)（用符號L表示）AHNA—δ固溶體區(qū)（用符號δ表示）NJESGN—奧氏體區(qū)（用符號γ表示）GPQG—鐵素體區(qū)（用α或F表示）DFKZ滲碳體區(qū)（用Fe3C或Cm表示）相圖中有七個兩相區(qū)，它們是：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+α、γ+Fe3C、α+Fe3C。FeFe3C相圖上有三條水平線，即HJB包晶轉(zhuǎn)變線，ECF共晶轉(zhuǎn)變線，PSK共析轉(zhuǎn)變線。 此外，相圖上還有兩條磁性轉(zhuǎn)變線：MO線（770℃） 圖111 FeFe3C相圖為鐵素體的磁性轉(zhuǎn)變線，230℃虛線為滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變線。 表11 鐵碳合金相圖中的主要特性點符號 溫度(℃) ωc() 說 明 符號 溫度(℃) ωc() 說 明ACDEG 1538114812271148912 00 純鐵的熔點共晶點滲碳體的熔點碳在γFe中的最大溶解度αFe〈═〉γFe轉(zhuǎn)變溫度 JKMPS 1495727770727727 0 包晶點滲碳體的成分純鐵的磁性轉(zhuǎn)變點碳在αFe中的最大溶解度共析點 （二）相圖分析 1．包晶轉(zhuǎn)變（水平線HJB）在1495℃恒溫下，％，％的奧氏體，其反應式為： LB+δH〈═〉γJ 進行包晶反應時，奧氏體沿δ相與液相的界面成核，并向δ相和液相兩個方向長大，包晶反應終了時，δ相和液相同時耗盡變成單一的奧氏體相。％~％的鐵碳合金中。2．共晶轉(zhuǎn)變（水平線ECF）共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生在1148℃的恒溫中，％％的奧氏體和滲碳體（含碳量為ωc=6. 69％）所組成的混合物，稱為萊氏體，用Ld表示。其反應式為： Lc〈═〉γE +Fe3C在萊氏體中，滲碳體是連續(xù)分布的相，而奧氏體則呈顆粒狀分布在其上，由于滲碳體很脆，所以萊氏體的塑性是很差的，無實用價值。％~％的鐵碳合金都發(fā)生這個轉(zhuǎn)變。，3．共析轉(zhuǎn)變（水平線PSK）共析轉(zhuǎn)變發(fā)生在727℃恒溫下，％％的鐵素體和滲碳體所組成的混合物，稱為珠光體，用符號P表示。其反應式為： γs〈═〉αP+Fe3C 珠光體組織是片層狀的，其中的鐵素體體積大約是滲碳體的8倍，所以在金相顯微鏡下，較厚的片是鐵素體，較薄的片是滲碳體。所有含碳量超過ωc=％的鐵碳合金都發(fā)生這個轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變溫度常標為A1溫度。此外，F(xiàn)eFe3C相圖中還有三條重要的固態(tài)轉(zhuǎn)變線，它們是：(1) GS線 奧氏體中開始析出鐵素體或鐵素體全部溶人奧氏體的轉(zhuǎn)變線，常稱此溫度為A3溫度。(2) ES線 碳在奧氏體中的溶解度線，此溫度常稱為Acm溫度。低于此溫度時，奧氏體中仍將析出Fe3C，把它稱為二次Fe3C，記作Fe3CⅡ，以區(qū)別從液體中經(jīng)CD線直接析出的一次滲碳體（Fe3C I）。(3) PQ線。碳在鐵素體中的溶解度線，在727℃時，％，隨著溫度的降低，鐵素體中的溶碳量是逐漸減少的，在300℃以下，％。因此，鐵素體從727℃冷卻下來，也會析出滲碳體，稱為三次滲碳體，記作Fe3C Ⅲ。二、鐵碳合金的平衡結晶過程及組織通常按有無共晶轉(zhuǎn)變來區(qū)分碳鋼和鑄鐵，％的為碳鋼，％的為鑄鐵。％的為工業(yè)純鐵。按Fe Fe3C系結晶的鑄鐵，碳以Fe3C形式存在，斷口為白亮色，稱為白口鑄鐵。根據(jù)組織特征，可將鐵碳合金按含碳量劃分為七種類型： (1) 工業(yè)純鐵。％；(2) 共析鋼 ；(3) 亞共析鋼 ％~％；(4) 過共析鋼 ~％；(5) 共晶白口鐵 ％；‘(6) 亞共晶白口鐵 ~％；(7) 過共晶白口鐵 ~％?，F(xiàn)選幾種典型的合金來分析其平衡結晶過程和組織。所選取的合金成分在相圖上的位置見圖112。 圖112 鐵碳合金冷卻時的組織轉(zhuǎn)變過程（一