【正文】 形式長大 。 金屬晶體就是有這些晶粒組成 。 (四 )金屬結(jié)晶后的晶粒大小 晶粒的大小通常是指以晶粒度來表示。通過細(xì)化晶粒而使金屬材料力學(xué)性能提高的方法稱為 細(xì)晶強(qiáng)化 。 這就需要我們了解一些金屬結(jié)晶時影響晶粒大小的因素 。 單位面積內(nèi)的晶粒數(shù) Zs與成核率和長大率 G有如下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 Zs=√N(yùn)/G 顯然 ， 加大過冷度會使 Zs增加 ， 即增加過冷度會使結(jié)晶后的晶粒變小 。另外，對于大體積的鑄錠與鑄件提高冷速是困難的。如：向鋼中加 Ti、Zr、 B、 Al；向鑄鐵中加 St、 Ca等。 三、金屬鑄錠的鑄態(tài)組織及缺陷 在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬結(jié)晶主要涉及五個方面的應(yīng)用。 鑄錠是各種金屬材料成材的毛坯。其中 a圖是全部較細(xì)的 等軸晶粒 。所謂 等軸晶 是指晶粒在各方向上的尺寸相差較小的晶粒。 表層細(xì)晶區(qū)是由于模壁附近散熱速度快，并且散熱沒有突出的優(yōu)勢方向及模壁處兩種成核率都很高等結(jié)晶條件所造成的。垂直于模壁的方向顯出散熱優(yōu)勢，有利于晶粒逆著傳熱方向不斷地向液相區(qū)生長。柱狀晶區(qū)有明顯的各向異性。當(dāng)鑄錠接受塑性變形時此處也易開裂。 當(dāng)柱狀晶向液相中生長到一定深度后，垂直于模壁方向的散熱優(yōu)熱將不再明顯。又因剩余液體散熱慢，過冷度較?。a(chǎn)生的自發(fā)晶核數(shù)量有限，故晶粒長得較大 (但若有非自發(fā)晶核存在，晶粒不會長得很大 )。對于鋼錠來說，一般是希望等軸晶區(qū)愈大愈好。通常情況下，提高澆注溫度、加快冷卻速度或采用定向冷卻散熱方法，并減少液體中產(chǎn)生非自發(fā)晶核等條件則有利于柱狀晶區(qū)的形成和擴(kuò)展。但是，其結(jié)晶過程更復(fù)雜，得到的組織可以是單相或是多相，既可是純固溶體也可是化合物或兩相組成的機(jī)械混合物。因此，出現(xiàn)了用相圖這種形式來表述合金的結(jié)晶及冷卻的相變狀況。由于受到幾何表述的限制，雖然合金系中的組元可以是多個，但是，只能測畫出二元合金的二元相圖和三元合金的三元相圖，三元以上的合金通常是不能直接用相圖來表述。每一個具體成分合金都可以用熱分析法測定出它的冷卻曲線。在相圖上將各個交點(diǎn)標(biāo)出字符，將各個相區(qū)內(nèi)填上相應(yīng)的相或基本組織的代號就得到了一張完整的相圖了。如：勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖等等。 二、二元合金相圖基本類型及合金的結(jié)晶過程 (一 )勻晶相圖 —— 產(chǎn)生 單一 固溶體相的合金相圖 對于合金組元在液相和固相下均能無限互溶，結(jié)晶時只結(jié)晶出單相固溶體組織，這種合金系的相圖就是典型的勾晶相圖。 A?3?2?1B曲線是液相全部結(jié)晶結(jié)束的溫度線，稱為 固相線 ；在其線以下的區(qū)域合金系全部結(jié)晶成同一種均勻的固溶體相 ?，此區(qū)稱為固相區(qū)。在 Cu－ Ni合金系中，除純 Cu和純 Ni的結(jié)晶是純金屬的結(jié)晶，其結(jié)晶溫度是一個點(diǎn)之外，其它任一個合金的結(jié)晶都是在一個相應(yīng)的溫度區(qū)間內(nèi)完成結(jié)晶的。隨著溫度的不斷降低 ?相比例不斷增加，剩余液相的比例不斷減少直至到 t3溫度，液相 L全部結(jié)晶成以 ?相。而剩余液相的化學(xué)成分分別為 LL3點(diǎn)對應(yīng)的成分。并且 ?相的晶粒通常都是不規(guī)則的多面體狀，稱等軸晶粒。稱為 晶內(nèi)偏析 。對于有枝晶偏析的鑄錠和鑄件可采用在低于固相線 100?C～ 200?C的溫度下進(jìn)行較長時間的加熱，通過原子的相互擴(kuò)散而使成分趨于均勻，消除枝晶偏析。在給定的溫度下，作一條平行于橫軸的直線，與相應(yīng)的相線交點(diǎn)所對應(yīng)的化學(xué)成分就是相應(yīng)相的化學(xué)成分。 值得說明的是杠桿定律雖然是從勻晶相圖上的液固兩相區(qū)推導(dǎo)出來的，但它們可以適用于 任何 二元相圖的任何一個兩相區(qū)中相的相對質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的計算。 這些合金系的相圖都是比較典型的共晶相圖 。 Pb－ Sn相圖是以共晶型轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕Y(jié)晶方式的相圖 ， 在靠近組元兩端各有一個有限固溶的勻晶型結(jié)晶區(qū)域 。 Pb在 Sn中最大溶解度為 G點(diǎn) ，其鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù) WPb為 %。 共晶轉(zhuǎn)變的兩相機(jī)械混合物 ， 稱為 共晶體 ，是一種有固定化學(xué)成分 ( WSn=%)的基本組織 。C 時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變 。 GD是 β固溶體溶解度線 。在 Pb－ Sn合金系中， WSn=61%．是共晶合金； WSn ＜ 19%是固溶體合金； WSn ＞9%是 β固溶體合金； WSn ＞ 19%見是亞共晶合金； %＜ WSn %是過共晶合金。 當(dāng)冷到固溶線時 (S3)， 液相全部結(jié)晶成 ?固溶體 ， 這與前述的勻晶轉(zhuǎn)變是相同的 。 當(dāng)WSn ?2%(C點(diǎn) )時 ， β Ⅱ 的含量為零 。 (1)固溶體合金 N的結(jié)晶過程 當(dāng)合金成分為 M的合金冷卻到液相線 E點(diǎn)時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變 。 所以共晶合金的室溫組織可寫成 (?十 β)。這時剩余的液相將全部發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變成為共晶體。 當(dāng)溫度降到 183?C以下直至室溫時 ， 固溶體 α1按固溶體合金冷卻規(guī)律冷卻 。過共晶合金在室溫下的顯微組織是 β十 ?Ⅱ +(a十 β)。 如： Pb－ Sn合金中的亞共晶合金的組織組成物是 ?、 βⅡ 、 (?＋ β)。 在相圖中除按相組成物標(biāo)明相區(qū)外 ， 還可以用組織組成物來標(biāo)明各相區(qū) 。 在 Pb－ Sn合金系中 ， 共晶合金 、 亞 （ 或過 ） 共晶合金中均有相同相組成物 ? 、 β。 這種由于體積質(zhì)量的原因而引起的鑄件成分偏析稱為體積質(zhì)量偏析 。 合金成分不同 ， 結(jié)晶溫度區(qū)間 (液固相線間距離 )）也不同 ， 溫度區(qū)間愈大的合金 ， 固液兩相共存的時間也愈長 ， 得到上浮或下浮的時間也愈長 ， 體積質(zhì)量偏析也愈嚴(yán)重 。 我們不希望產(chǎn)生嚴(yán)重的體積質(zhì)量偏析 。 (三 )包晶相圖 —— 具有液固 兩 相共同 轉(zhuǎn)變成為 另一 固相的合金相圖 兩組元在液相無限互溶 ， 在固相下有限固溶 ， 并在合金結(jié)晶時以包晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞯暮辖鹣鄨D稱包晶相圖 。 下面以 Pt－ Ag合金為例介紹包晶相圖 ， 見 圖 3－12。 2．典型合金的結(jié)晶過程以合金 ?、 ??、 ???為例 合金 ?：這是具有包晶轉(zhuǎn)變成分的合金 。 并且 α相的銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿 AP線變化 （ Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加 ， 但始終低于合金 I的銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ） ， 而剩余的液相 Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿 AC線變化 （ Ag的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也逐漸增加 ， 高于合金 ?銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ） 。 合金 ?就轉(zhuǎn)變成單相固溶體 β。 合金 II：結(jié)晶冷卻過程見 圖 3－ 13b。也即在包晶轉(zhuǎn)變完了，仍有部分剩余的液相，這部分液相在 2～ 3點(diǎn)之間以勻晶轉(zhuǎn)變形式也結(jié)晶成 β相。 合金 III：結(jié)晶冷卻示意圖見 圖 3－ 13c。 則發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變 。 而且 α相被 β包圍著 。 見圖 3－ 13a中包晶轉(zhuǎn)變開始示意圖 。 這種較大直徑的原子通過固相的擴(kuò)散速度是較小的 。 包晶偏析可通過 擴(kuò)散退火 得到減輕或消除。 而更多的合金系其相圖是由多種基本相圖組合而成的復(fù)雜相圖。 第三節(jié) 合金的性能與相圖的關(guān)系 合金的性能取決于合金的化學(xué)成分和它的顯微組織 。 一、勻晶轉(zhuǎn)變成單相固溶體的合金系 固溶體合金的性能主要取決于組元的性質(zhì)及溶質(zhì)元素的濃度 。 但其所能達(dá)到的強(qiáng)度 、 硬度有限 。 從圖上可見隨著溶質(zhì)濃度的增加 ， 結(jié)晶的溫度區(qū)間也增加 （ 即液固相線距離增加 ） ， 枝晶偏析傾向增加 、 合金熔液流動性下降 、 集中縮孔減小而分散縮孔增加 。 其強(qiáng)度 、 硬度 、 電阻率等使用性能與化學(xué)成分的關(guān)系一般是直線變化 ， 見 圖 3－ 16。所以 ， 在通常的情況下鑄件都是盡量選用近于共晶成分的合金 。 可以制成粉末 。 例如：對鋼中的 Fe3C等化合物的形態(tài)和分布的控制與利用就是這個