材料科學(xué)導(dǎo)論-第七章相圖

1、1重點(diǎn)內(nèi)容：重點(diǎn)內(nèi)容：二元相圖的表示與建立；二元相圖的表示與建立；相律、杠桿原理及其應(yīng)用；相律、杠桿原理及其應(yīng)用；勻晶系相圖；勻晶系相圖；共晶系相圖；共晶系相圖；1) 1) 包晶系相圖。包晶系相圖。第第7 7章章 相圖相圖 2材料的性能材料的性能組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)相種類種類數(shù)量數(shù)量尺寸尺寸形狀形狀分布分布3 相圖相圖又叫狀態(tài)圖或平衡圖，是研究合金的一種重要工具。又叫狀態(tài)圖或平衡圖，是研究合金的一種重要工具。常見的相圖是系統(tǒng)在常見的相圖是系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下平衡狀態(tài)下的的相組成與溫度及成分相組成與溫度及成分之間之間關(guān)系的一種圖形。關(guān)系的一種圖形。 這里這里相組成相組成包括相的數(shù)目、成分及相對含量。包括

2、相的數(shù)目、成分及相對含量。學(xué)習(xí)相圖的好處學(xué)習(xí)相圖的好處1. 1.預(yù)測不同成分合金熔化與凝固溫度；預(yù)測不同成分合金熔化與凝固溫度；2. 2.合金可能有的固態(tài)相變與其他轉(zhuǎn)變；合金可能有的固態(tài)相變與其他轉(zhuǎn)變；3. 3.預(yù)測合金的某些性能。預(yù)測合金的某些性能。 例：可以根據(jù)相圖確定合金的例：可以根據(jù)相圖確定合金的熔煉溫度和澆鑄溫度熔煉溫度和澆鑄溫度，確定，確定熱加工溫度范圍熱加工溫度范圍，預(yù)期進(jìn)行，預(yù)期進(jìn)行熱處理的可能性和確定熱處理規(guī)熱處理的可能性和確定熱處理規(guī)范。范。47.1 7.1 二元相圖的表示和建立二元相圖的表示和建立1 1、相、相 (Phase)(Phase) 在一個(gè)系統(tǒng)中，在一個(gè)系統(tǒng)中，成

3、分、結(jié)構(gòu)相同，性能一致的均勻的成分、結(jié)構(gòu)相同，性能一致的均勻的組成部分組成部分叫做相，不同相之間有明顯的叫做相，不同相之間有明顯的界面界面分開分開, ,該該界面稱為界面稱為相界面相界面。 一一. .基本概念基本概念例例1 1、恒定大氣壓下，、恒定大氣壓下，0 0 的冰水混合物。的冰水混合物。 條件：氣壓一定，恒溫。條件：氣壓一定，恒溫。 相相1: 1:冰冰 相相2: 2:水水 界面明顯界面明顯5例例2 2、含、含20%20%銻的鉛銻合金顯微圖片。銻的鉛銻合金顯微圖片。 圖中白色塊狀物為圖中白色塊狀物為初生（初生（SbSb）相）相，就是以，就是以SbSb為溶劑，為溶劑，PtPt為溶質(zhì)的固溶體。為

4、溶質(zhì)的固溶體。圖圖7.1 7.1 含含20%20%銻的鉛銻合金顯微圖片銻的鉛銻合金顯微圖片62 2、 組元組元 (Component)(Component) 組元通常是指系統(tǒng)中每一個(gè)可以單獨(dú)分離出來，并能獨(dú)立組元通常是指系統(tǒng)中每一個(gè)可以單獨(dú)分離出來，并能獨(dú)立存在的化學(xué)純物質(zhì)，在一個(gè)給定的系統(tǒng)中，組元就是構(gòu)成系存在的化學(xué)純物質(zhì)，在一個(gè)給定的系統(tǒng)中，組元就是構(gòu)成系統(tǒng)的各種統(tǒng)的各種化學(xué)元素化學(xué)元素或或化合物化合物。 按組元數(shù)目，將系統(tǒng)分為：按組元數(shù)目，將系統(tǒng)分為：一元系一元系二元系二元系三元系三元系化學(xué)元素：化學(xué)元素：Cu, Ni, Fe等等化合物：化合物：NiO, CoO, MgO, CaO, A

5、l2O3， SiO2等等73 3、相平衡、相平衡 在某一溫度下，系統(tǒng)中各個(gè)相經(jīng)過很長時(shí)間也不互在某一溫度下，系統(tǒng)中各個(gè)相經(jīng)過很長時(shí)間也不互相轉(zhuǎn)變，處于平衡狀態(tài)，這種平衡稱為相轉(zhuǎn)變，處于平衡狀態(tài)，這種平衡稱為相平衡。各組元在各相中的化學(xué)勢相同。各組元在各相中的化學(xué)勢相同。AB熱力學(xué)動(dòng)態(tài)平衡熱力學(xué)動(dòng)態(tài)平衡8二、二元相圖的表示與建立二、二元相圖的表示與建立1 1、二元相圖表示、二元相圖表示圖圖7.27.2 CuNiCuNi合金相圖合金相圖9 二元相圖采用兩個(gè)坐標(biāo)二元相圖采用兩個(gè)坐標(biāo)軸軸, ,縱坐標(biāo)縱坐標(biāo)用來表示溫度用來表示溫度, ,橫坐標(biāo)橫坐標(biāo)用來表示成分。令用來表示成分。令A(yù) A和和B B代表合金

6、的兩個(gè)組元代表合金的兩個(gè)組元, ,則橫坐標(biāo)的一端代表純組則橫坐標(biāo)的一端代表純組元元A,A,另一端代表純組元另一端代表純組元B,B,任何一個(gè)由任何一個(gè)由A,BA,B二組元組二組元組成的合金成的合金, ,其成分都可以其成分都可以在橫坐標(biāo)上找到相應(yīng)的一在橫坐標(biāo)上找到相應(yīng)的一點(diǎn)。點(diǎn)。 合金的成分可以用合金的成分可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)或原子百分?jǐn)?shù)表示。一般情或原子百分?jǐn)?shù)表示。一般情況下況下, ,如果沒有特別的注明如果沒有特別的注明, ,都是指都是指質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。10BAABABLLL+L+L+L+L+L圖圖7.3 7.3 三個(gè)不同類型的二元相圖三個(gè)不同類型的二元相圖 相圖中有一系列曲線有時(shí)還有水平線

7、段相圖中有一系列曲線有時(shí)還有水平線段, ,這些線把相圖分這些線把相圖分成若干個(gè)不同的相區(qū)成若干個(gè)不同的相區(qū), ,圖圖7.37.3給出了三個(gè)不同類型的二元相圖給出了三個(gè)不同類型的二元相圖. . 一定成分的合金一定成分的合金加熱或冷卻加熱或冷卻時(shí)時(shí), ,在相圖上的表示就是對應(yīng)在相圖上的表示就是對應(yīng)于該合金的成分點(diǎn)平行于溫度軸上下移動(dòng)于該合金的成分點(diǎn)平行于溫度軸上下移動(dòng), ,若與相圖上的某若與相圖上的某一條線相遇一條線相遇, ,則交點(diǎn)所對應(yīng)的溫度就是該合金從一種相組成則交點(diǎn)所對應(yīng)的溫度就是該合金從一種相組成狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相組成狀態(tài)的溫度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相組成狀態(tài)的溫度, ,又稱又稱臨界點(diǎn)。臨界點(diǎn)。

8、臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)因此因此, ,相圖的建立過程也就是合金臨界點(diǎn)的測定過程。相圖的建立過程也就是合金臨界點(diǎn)的測定過程。112 2 相圖的建立相圖的建立方法：實(shí)驗(yàn)法和計(jì)算法。方法：實(shí)驗(yàn)法和計(jì)算法。過程：配制合金測冷卻曲線確定轉(zhuǎn)變溫度過程：配制合金測冷卻曲線確定轉(zhuǎn)變溫度 填入坐標(biāo)繪出曲線。填入坐標(biāo)繪出曲線。相圖結(jié)構(gòu)相圖結(jié)構(gòu)( (勻晶勻晶) )：兩點(diǎn)、兩線、三區(qū)。：兩點(diǎn)、兩線、三區(qū)。Cuw圖圖7.4 7.4 相圖的建立相圖的建立12說明：說明： 當(dāng)合金的相組成狀態(tài)因溫度改變而發(fā)生變化，合金某些當(dāng)合金的相組成狀態(tài)因溫度改變而發(fā)生變化，合金某些性質(zhì)的變化或多或少帶點(diǎn)性質(zhì)的變化或多或少帶點(diǎn)突變性突變性，這樣就可以

9、通過測量合，這樣就可以通過測量合金的性質(zhì)來確定其金的性質(zhì)來確定其臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)。1 1、目前測定臨界點(diǎn)方法有熱分析、差熱分析、金相分析、目前測定臨界點(diǎn)方法有熱分析、差熱分析、金相分析、X X射線、電阻、熱膨脹、磁性、力學(xué)性能等；射線、電阻、熱膨脹、磁性、力學(xué)性能等； 不論那種合金系，各種方法配合使用，以充分利用每種不論那種合金系，各種方法配合使用，以充分利用每種方法的特點(diǎn)。方法的特點(diǎn)。2 2、相圖也可以根據(jù)合金熱力學(xué)原理及有關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)相圖也可以根據(jù)合金熱力學(xué)原理及有關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算出，對于比較簡單的相圖，有時(shí)計(jì)算還比較精確。算出，對于比較簡單的相圖，有時(shí)計(jì)算還比較精確。 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展

10、，相圖計(jì)算不斷取得新的進(jìn)展，但由隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，相圖計(jì)算不斷取得新的進(jìn)展，但由于合金中原子相互作用比較復(fù)雜，目前還不能于合金中原子相互作用比較復(fù)雜，目前還不能普遍的精確普遍的精確計(jì)算計(jì)算出相圖，特別是相平衡比較復(fù)雜的相圖，但是用來預(yù)出相圖，特別是相平衡比較復(fù)雜的相圖，但是用來預(yù)測未知的多元相圖，可以大大減輕實(shí)驗(yàn)工作量。測未知的多元相圖，可以大大減輕實(shí)驗(yàn)工作量。137.2 7.2 相律、杠桿定律及其應(yīng)用相律、杠桿定律及其應(yīng)用 相律能定量的表示出系統(tǒng)的相律能定量的表示出系統(tǒng)的自由度數(shù)自由度數(shù)與與組元數(shù)組元數(shù)和和相數(shù)相數(shù)之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 系統(tǒng)的自由度數(shù)是指系統(tǒng)的自由度數(shù)是指系統(tǒng)本身的可變變

11、量系統(tǒng)本身的可變變量，即，即 溫度、溫度、壓力和相的成分。壓力和相的成分。 一一. .相律相律F=C-P+2說明：說明：1 1、F F為自由度數(shù)，為自由度數(shù)，C C為組元數(shù)，為組元數(shù)，P P為相數(shù)，為相數(shù)，2 2代表溫度和代表溫度和壓力可變；壓力可變； 2 2、若為恒壓，則、若為恒壓，則F=C-P+1。14例例1 1、圖圖7.57.5為鐵的單組元系統(tǒng)相圖，它能夠告訴我們鐵的為鐵的單組元系統(tǒng)相圖，它能夠告訴我們鐵的狀態(tài)和溫度及壓力之間的關(guān)系。狀態(tài)和溫度及壓力之間的關(guān)系。圖圖7.5 7.5 鐵的相圖鐵的相圖OAOA、OBOB、OCOC把圖分成把圖分成3 3個(gè)個(gè)區(qū)域區(qū)域：1 1、在、在AOBAOB以

12、左為體心立方以左為體心立方晶格晶格 FeFe；2 2、在、在AOCAOC以上為面心立方以上為面心立方晶格晶格 FeFe；3 3、在、在BOCBOC以右為密排六方以右為密排六方的的 FeFe。練習(xí)：練習(xí)：1 1、在、在AOBAOB區(qū)域，區(qū)域，F(xiàn)=2F=2；2 2、在、在AOAO線上，兩相平衡線上，兩相平衡F=1F=1；3 3、在、在O O點(diǎn)，三相平衡，點(diǎn)，三相平衡，F(xiàn)=0F=0。15例例2 2 金屬及合金的加工處理過程通常都在大氣壓力下進(jìn)行，金屬及合金的加工處理過程通常都在大氣壓力下進(jìn)行，壓力不再是系統(tǒng)中的變量，因此系統(tǒng)的可變因素?cái)?shù)應(yīng)當(dāng)減壓力不再是系統(tǒng)中的變量，因此系統(tǒng)的可變因素?cái)?shù)應(yīng)當(dāng)減去一個(gè)，

13、去一個(gè)， 即即F=C-P+1F=C-P+1 當(dāng)純金屬系統(tǒng)處于單相（固相或液相）時(shí)，系統(tǒng)的自由當(dāng)純金屬系統(tǒng)處于單相（固相或液相）時(shí)，系統(tǒng)的自由度數(shù)度數(shù) F=1 F=1，那溫度可以在一定范圍內(nèi)任意變動(dòng)而仍保持為，那溫度可以在一定范圍內(nèi)任意變動(dòng)而仍保持為固相固相( (或液相），或液相）， 當(dāng)金屬開始熔化（或凝固）處于固液兩相平衡時(shí)，系當(dāng)金屬開始熔化（或凝固）處于固液兩相平衡時(shí)，系統(tǒng)的自由度數(shù)統(tǒng)的自由度數(shù)F=0F=0，即溫度必須保持不變。這說明純金屬，即溫度必須保持不變。這說明純金屬的熔化的熔化( (或凝固）是在恒溫下進(jìn)行的。或凝固）是在恒溫下進(jìn)行的。 16二二. .杠桿定律杠桿定律 設(shè)合金設(shè)合金m

14、m在溫度在溫度T T1 1時(shí)處于（時(shí)處于（ + + ）兩相平衡，）兩相平衡， 和和 兩兩相成分分別在相成分分別在a a，b b兩點(diǎn)。具體數(shù)據(jù)如下：兩點(diǎn)。具體數(shù)據(jù)如下：abmww圖圖7.6 7.6 杠桿定律的推導(dǎo)杠桿定律的推導(dǎo)1.合金總質(zhì)量為合金總質(zhì)量為MM，含，含B B組元百分含量組元百分含量 ；2. 2. 相質(zhì)量為相質(zhì)量為 ，占總質(zhì)，占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)量的百分?jǐn)?shù) ，含，含B B組元組元百分含量百分含量 ；3. 3. 相質(zhì)量為相質(zhì)量為 ，占總質(zhì)，占總質(zhì)量的百分含量量的百分含量 ，B B組元組元百分含量百分含量 。wwmTMbTwMaTwM111MwMwM（總質(zhì)量守恒）（總質(zhì)量守恒）（B B組元質(zhì)

15、量守恒）組元質(zhì)量守恒）mT1a1Tb1TMM17即即1wwmTbTwaTw111得出得出,abmbw ,aabmw ,mambwwabmww說明：說明：（1 1）mbmbT T1 1b bT T1 1m m， ma maT T1 1m m T T1 1a a， ab abT T1 1b b T T1 1a a ，其實(shí)就是其實(shí)就是B B組元百分含量之差；組元百分含量之差；（2 2）abab長度類比于力學(xué)上第一類杠桿的杠桿長度，合金的長度類比于力學(xué)上第一類杠桿的杠桿長度，合金的成分點(diǎn)可作為杠桿支點(diǎn)，兩個(gè)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可看成分別集成分點(diǎn)可作為杠桿支點(diǎn)，兩個(gè)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可看成分別集中在各自的成分點(diǎn)，當(dāng)杠

16、桿達(dá)到平衡，即得出杠桿原理。中在各自的成分點(diǎn)，當(dāng)杠桿達(dá)到平衡，即得出杠桿原理。杠桿原理杠桿原理187.3 7.3 勻晶系相圖勻晶系相圖 勻晶系是指合金二組元在固態(tài)及液態(tài)均能完全互溶的勻晶系是指合金二組元在固態(tài)及液態(tài)均能完全互溶的系統(tǒng)。鎳銅系就是一個(gè)實(shí)例。系統(tǒng)。鎳銅系就是一個(gè)實(shí)例。無限互溶條件：兩者的晶體結(jié)構(gòu)相同無限互溶條件：兩者的晶體結(jié)構(gòu)相同 原子尺寸相近，尺寸差小于原子尺寸相近，尺寸差小于15% 兩者有相同的原子價(jià)和相似的電負(fù)性兩者有相同的原子價(jià)和相似的電負(fù)性一一. .相圖概述相圖概述相圖結(jié)構(gòu)相圖結(jié)構(gòu)(勻晶勻晶)：兩點(diǎn)、兩線、三區(qū)。：兩點(diǎn)、兩線、三區(qū)。1920二二. .固溶體的固溶體的“平衡

17、平衡”凝固過程凝固過程 現(xiàn)在來分析圖現(xiàn)在來分析圖7.77.7中含中含50%50%銅的合金自液相非常緩慢冷卻時(shí)的凝固過銅的合金自液相非常緩慢冷卻時(shí)的凝固過程。并假定固、液相平衡。程。并假定固、液相平衡。圖圖7.7 7.7 固溶體的固溶體的“平衡平衡”凝固過程凝固過程凝固過程：凝固過程：（1 1）高溫）高溫T T1 1，從液相要凝固出，從液相要凝固出成分為成分為x x1 1固相，它的含鎳量比原液固相，它的含鎳量比原液相要高；隨著溫度的降低，凝固過相要高；隨著溫度的降低，凝固過程不斷進(jìn)行。液相及固相成分分別程不斷進(jìn)行。液相及固相成分分別沿著液相線及固相線改變；沿著液相線及固相線改變；（2 2）到）到

18、T T2 2時(shí)，液相成分在時(shí)，液相成分在x x3 3，固相，固相成分在成分在x x2 2。這里所指的固相是合金。這里所指的固相是合金中所有的固相，而在溫度在中所有的固相，而在溫度在T T1 1到到T T2 2之間凝固的固相，其含鎳量在之間凝固的固相，其含鎳量在x x1 1到到x x2 2之間；之間；（3 3）當(dāng)溫度接近）當(dāng)溫度接近T T3 3，合金中只剩下，合金中只剩下很少的液相，其成分接近很少的液相，其成分接近x x4 4; ;（4 4）當(dāng)溫度到達(dá)）當(dāng)溫度到達(dá)T3T3時(shí)，所有固相成分都在時(shí)，所有固相成分都在50%Cu50%Cu處。處。21 從以上分析可以看出從以上分析可以看出， 固溶體合金在

19、整個(gè)凝固過程中，由液相固溶體合金在整個(gè)凝固過程中，由液相凝固出與它自身成分不同的固相，而且液相和固相的成分還不斷地凝固出與它自身成分不同的固相，而且液相和固相的成分還不斷地分別沿液相線分別沿液相線bdfbdf和固相線和固相線aceace變化；變化； 液相和固相的成分變化是通過擴(kuò)散進(jìn)行的液相和固相的成分變化是通過擴(kuò)散進(jìn)行的( (有時(shí)液相中還有有時(shí)液相中還有對流對流的的作用），而固相中的擴(kuò)散要比液相中的擴(kuò)散慢幾個(gè)數(shù)量級，因此，作用），而固相中的擴(kuò)散要比液相中的擴(kuò)散慢幾個(gè)數(shù)量級，因此，如果按照上述方式進(jìn)行擴(kuò)散，即使合金的數(shù)量不多，擴(kuò)散也要很長如果按照上述方式進(jìn)行擴(kuò)散，即使合金的數(shù)量不多，擴(kuò)散也要很長

20、的時(shí)間才能完成。的時(shí)間才能完成。圖圖7.7 7.7 固溶體的固溶體的“平衡平衡”凝固過程凝固過程22三三. .固溶體的不平衡凝固過程固溶體的不平衡凝固過程 在實(shí)際生產(chǎn)中，即使在實(shí)驗(yàn)室中，也不能使合金隨時(shí)達(dá)到平衡。在實(shí)際生產(chǎn)中，即使在實(shí)驗(yàn)室中，也不能使合金隨時(shí)達(dá)到平衡。 假定在凝固過程中，通過擴(kuò)散與對流的作用，液相的成分保持均勻，假定在凝固過程中，通過擴(kuò)散與對流的作用，液相的成分保持均勻，而而固相中的擴(kuò)散可忽略不計(jì)固相中的擴(kuò)散可忽略不計(jì)。圖圖7.7 7.7 固溶體的不平衡固溶體的不平衡凝固過程凝固過程凝固過程：凝固過程：（1 1）當(dāng)溫度冷卻到）當(dāng)溫度冷卻到T T2 2時(shí)，已凝固的時(shí)，已凝固的固相

21、，其成分在固相，其成分在a a，c c之間，因此固之間，因此固相中平均成分應(yīng)在相中平均成分應(yīng)在a a，c c之間的某一之間的某一點(diǎn)點(diǎn)c c，液相成分改變到，液相成分改變到d d點(diǎn)；點(diǎn)；（2 2）當(dāng)合金的溫度冷卻到）當(dāng)合金的溫度冷卻到T T3 3時(shí)，時(shí)，固固相的平均成分在相的平均成分在e，即尚未達(dá)到，即尚未達(dá)到50%銅；銅；（3 3）當(dāng)溫度降低到）當(dāng)溫度降低到T T4 4，固相的平均固相的平均成分到達(dá)成分到達(dá)50%（即（即g點(diǎn)），凝固過點(diǎn)），凝固過程才結(jié)束，圖中虛線程才結(jié)束，圖中虛線ac，e，g代表代表固相平均成分變化的軌跡。固相平均成分變化的軌跡。 固溶體的不平衡固溶體的不平衡凝固過程，使合金

22、的凝固過程，使合金的凝固終了溫度降低凝固終了溫度降低，而且固，而且固相的成分是不均勻的，相的成分是不均勻的，先凝固的部分先凝固的部分含高熔點(diǎn)的組元較多。含高熔點(diǎn)的組元較多。23四四. .晶內(nèi)偏析與擴(kuò)散退火晶內(nèi)偏析與擴(kuò)散退火1. 1.晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析 合金凝固一般先以枝晶的形式長大，枝晶的主干合金凝固一般先以枝晶的形式長大，枝晶的主干( (即先凝固部分）含高熔點(diǎn)組即先凝固部分）含高熔點(diǎn)組元較多，而枝晶分枝的間隙部分（即后凝固部分）含低熔點(diǎn)組元較多，元較多，而枝晶分枝的間隙部分（即后凝固部分）含低熔點(diǎn)組元較多，這種在一這種在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象，叫做枝晶偏析個(gè)枝晶范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象，

23、叫做枝晶偏析。由于一個(gè)枝晶相當(dāng)于一個(gè)晶粒，。由于一個(gè)枝晶相當(dāng)于一個(gè)晶粒，所以枝晶偏析又叫做所以枝晶偏析又叫做晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析。 枝晶偏析程度的大小與相圖的形狀有密切的關(guān)系，固相線與液相線的水平距枝晶偏析程度的大小與相圖的形狀有密切的關(guān)系，固相線與液相線的水平距離及垂直距離愈大，合金凝固時(shí)固、液二相的成分變化就愈大，枝晶偏析就愈離及垂直距離愈大，合金凝固時(shí)固、液二相的成分變化就愈大，枝晶偏析就愈顯著。顯著。2. 2.擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火（1 1）枝晶缺陷：具有枝晶偏析的鑄錠或鑄件，通常強(qiáng)度不高，也比較脆，它的）枝晶缺陷：具有枝晶偏析的鑄錠或鑄件，通常強(qiáng)度不高，也比較脆，它的機(jī)械性能和物理性能也不均勻

24、。枝晶偏析組織還容易引起晶內(nèi)腐蝕，降低合金的機(jī)械性能和物理性能也不均勻。枝晶偏析組織還容易引起晶內(nèi)腐蝕，降低合金的抗腐蝕性；枝晶偏析組織對于變形加工也是很不利的。因此，鑄錠和大多數(shù)鑄件抗腐蝕性；枝晶偏析組織對于變形加工也是很不利的。因此，鑄錠和大多數(shù)鑄件是不希望有枝晶偏折的。是不希望有枝晶偏折的。（2 2）為了消除枝晶偏忻，需要進(jìn)行專門的熱處理，即在相當(dāng)高的溫度下長時(shí)間）為了消除枝晶偏忻，需要進(jìn)行專門的熱處理，即在相當(dāng)高的溫度下長時(shí)間加熱。這種熱處理叫做加熱。這種熱處理叫做擴(kuò)散退火或均勻化擴(kuò)散退火或均勻化。對于大多數(shù)合金，溫度每降低。對于大多數(shù)合金，溫度每降低5050，擴(kuò)散速率大約要減慢擴(kuò)散速

25、率大約要減慢%，因此擴(kuò)散退火的溫度應(yīng)盡可能地高，但是應(yīng)低于實(shí)際凝，因此擴(kuò)散退火的溫度應(yīng)盡可能地高，但是應(yīng)低于實(shí)際凝固終了溫度，否則合金將部分溶化（又稱過燒）而使鑄錠或鑄件報(bào)廢。固終了溫度，否則合金將部分溶化（又稱過燒）而使鑄錠或鑄件報(bào)廢。 鑄錠經(jīng)過均勻化處理后，塑性會有明顯的提高，為隨后的變形加工提供了有利鑄錠經(jīng)過均勻化處理后，塑性會有明顯的提高，為隨后的變形加工提供了有利的條件。的條件。24圖圖7.8 Ni-70%Cu7.8 Ni-70%Cu合晶的顯微組織合晶的顯微組織b b）均勻化后）均勻化后a a）鑄造后）鑄造后 此時(shí)合金的顯微組織由均勻的固溶體晶粒組成，看起來和純金屬的此時(shí)合金的顯微組

26、織由均勻的固溶體晶粒組成，看起來和純金屬的組織一樣，圖中的黑色小顆粒為氧化物。組織一樣，圖中的黑色小顆粒為氧化物。25五五. .具有極小點(diǎn)的勻晶系相圖具有極小點(diǎn)的勻晶系相圖 在勻晶系相圖中，在高熔點(diǎn)組元中加入低熔點(diǎn)組元，將使臺金的開始在勻晶系相圖中，在高熔點(diǎn)組元中加入低熔點(diǎn)組元，將使臺金的開始凝固溫度降低，而在低熔點(diǎn)組元中加入高熔點(diǎn)組元，將使合金的開始凝固溫度降低，而在低熔點(diǎn)組元中加入高熔點(diǎn)組元，將使合金的開始凝固溫度升高凝固溫度升高。 但是在有些情況下，無論在哪一種組元中加入另一種組元都將使合金的開始但是在有些情況下，無論在哪一種組元中加入另一種組元都將使合金的開始凝固溫度降低。這樣在相圖上

27、將出現(xiàn)極小點(diǎn)，凝固溫度降低。這樣在相圖上將出現(xiàn)極小點(diǎn)，圖圖7.9 7.9 金金- -鎳相圖鎳相圖 圖中液相線和固相線都是圖中液相線和固相線都是連續(xù)的曲線并切于極小點(diǎn)。連續(xù)的曲線并切于極小點(diǎn)。成分對應(yīng)于極小點(diǎn)的合金在成分對應(yīng)于極小點(diǎn)的合金在其凝固過程中，固相的成分其凝固過程中，固相的成分始終與液相的成分一樣。因始終與液相的成分一樣。因此，恒。溫下進(jìn)行凝固，不此，恒。溫下進(jìn)行凝固，不會偏析會偏析26六六. .勻晶系中固溶體分解勻晶系中固溶體分解 有些勻晶系低于一定溫度后，二組元只能有限互溶，固溶體將分解成成分不有些勻晶系低于一定溫度后，二組元只能有限互溶，固溶體將分解成成分不同的兩個(gè)固溶體。同的兩

28、個(gè)固溶體。例：見圖例：見圖7.9金金鎳合金相圖下部有一條不互溶線。鎳合金相圖下部有一條不互溶線。圖圖7.9 7.9 金金- -鎳相圖鎳相圖 在此線范圍內(nèi)為在此線范圍內(nèi)為 + + 兩兩相區(qū)。相區(qū)。12277.4 7.4 共晶系相圖共晶系相圖 絕大多數(shù)二元合金絕大多數(shù)二元合金在固態(tài)不能完全互溶在固態(tài)不能完全互溶，而是有限互溶而是有限互溶，其中有共，其中有共晶轉(zhuǎn)變的相圖是二元相圖中最基本的一種。晶轉(zhuǎn)變的相圖是二元相圖中最基本的一種。 兩組元的混合物使合金的熔點(diǎn)比各組元低，兩組元的混合物使合金的熔點(diǎn)比各組元低， 液相線從兩端純組元向液相線從兩端純組元向中間凹下中間凹下, ,兩條液相線的交點(diǎn)所對應(yīng)的溫度

29、稱為共晶溫度。兩條液相線的交點(diǎn)所對應(yīng)的溫度稱為共晶溫度。28簡單共晶相圖LA+BABL+AL+BwB%兩組元完全不溶29典型二元共晶相圖有限互溶30相圖分析L+L+L+液相線液相線固相線固相線固溶線固溶線31固溶線固溶線固溶線 B原子溶入A基體中形成的固溶體 A原子溶入B基體中形成的固溶體固溶線，固溶度曲線：反映不同溫度時(shí)的溶解度變化。32L+L+L+共晶轉(zhuǎn)變？33 共晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶過程 Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu合金具有共晶相圖。 Pb-Sn合金相圖中有三個(gè)單相區(qū): L：Pb與Sn形成的液溶體 ：Sn溶于Pb中的有限固溶體 ：Pb溶于Sn中的有限固溶體 三個(gè)雙相區(qū)：L+、L+、+

30、 一條L+三相共存線(水平線cde )。 這種相圖稱共晶相圖。Pb-Sn合金相圖 d點(diǎn)為共晶點(diǎn), 表示d點(diǎn)成分(共晶成分)的液相合金冷卻到d點(diǎn)溫度(共晶溫度)時(shí), 共同結(jié)晶出c點(diǎn)成分的相和e 點(diǎn)成分的 相。 Ld(c+e) 共晶反應(yīng)：一種液相在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)，生成的兩相混合物叫共晶體。 發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)三相共存, 三相各自成分確定, 恒溫進(jìn)行。 34 Pb-Sn合金相圖 水平線cde為共晶反應(yīng)線, 成分在ce之間的合金平衡結(jié)晶時(shí)都會發(fā)生共晶反應(yīng)。 cf 線為Sn在Pb中的溶解度線(相的固溶線)。Sn含量大于f點(diǎn)的合金從高溫冷卻到室溫時(shí), 從相中析出相，叫二次：II。 eg線為Pb

31、在Sn中溶解度線。Sn含量小g點(diǎn)的合金, 冷卻過程中同樣發(fā)生二次結(jié)晶, 析出二次。35 1. 合金I的平衡結(jié)晶過程 合金室溫組織為+II 。 其組成相是：f點(diǎn)成分的相 g點(diǎn)成分的相。 運(yùn)用杠桿定律, 兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：36 組織組成物可以是單相, 或是兩相混合物。組織組成物 合金組織中那些具有確定本質(zhì), 一定形成機(jī)制的特殊形態(tài)的組成部分。 合金I的室溫組織為+II 組織由和II 二部分組成, 和II為組織組成物。 組織組成物和II 都為單相組成, 所以組織組成物、II的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與組成相、的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相等。37 2. 合金II(共晶合金)的結(jié)晶過程 合金的室溫組織：共晶體(+) 組織組成物：(+)

32、 組成相：和相共晶合金組織的形態(tài) 38 3. 合金(亞共晶合金)的結(jié)晶過程 合金室溫組織：初生+二次+(+) 組織組成物：、二次、(+) 組成相：、 組成相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：39 過共晶合金(合金)： 位于共晶點(diǎn)右邊, 成分在 de之間的合金。 練習(xí)：分析過共晶合金的結(jié)晶過程。 過共晶合金室溫組織為: 初生+二次+(+)40亞共晶合金組織 過共晶合金組織 亞共晶合金和過共晶合金組織初生+二次+(+) 初生+二次+(+)41t1E線和線和t1M線分別為（線分別為（Pb）的液相線和固相線；）的液相線和固相線；t2E線和線和t2N線分別為（線分別為（Sb）的液相線和固相線；）的液相線和固相線；Mm和和N

33、n分別為（分別為（Pb）和（）和（Sb）的固溶度線；）的固溶度線；MEN水平直線為共晶線。水平直線為共晶線。mt1：純鉛熔點(diǎn)：純鉛熔點(diǎn) t2：純銻熔點(diǎn)：純銻熔點(diǎn)圖圖7.10 7.10 鉛鉛- - 6%銻相圖銻相圖 Sbw分析實(shí)例分析實(shí)例42具體分析鉛具體分析鉛6%銻合金凝固過程。銻合金凝固過程。凝固過程：凝固過程：1.合金自液相區(qū)緩慢冷卻到液相線上的合金自液相區(qū)緩慢冷卻到液相線上的a點(diǎn)，就要開始凝固出成分在固相點(diǎn)，就要開始凝固出成分在固相線上線上b點(diǎn)的（點(diǎn)的（Pb）相；）相；2.溫度繼續(xù)降低，凝固過程不斷進(jìn)行，這時(shí)液相和（溫度繼續(xù)降低，凝固過程不斷進(jìn)行，這時(shí)液相和（Pb）相的成分將分）相的成分

34、將分別沿著液相線和固相線進(jìn)行；別沿著液相線和固相線進(jìn)行；3.當(dāng)合金溫度到達(dá)當(dāng)合金溫度到達(dá)251.2時(shí)，液相成分改變到時(shí)，液相成分改變到E點(diǎn)（點(diǎn)（11.2%Sb），（），（Pb）相成分改變到相成分改變到M點(diǎn)（點(diǎn)（3.5%Pb），此時(shí)，），此時(shí)，E點(diǎn)是兩條液相線的交點(diǎn)，這時(shí)點(diǎn)是兩條液相線的交點(diǎn)，這時(shí)液相不但要凝固出（液相不但要凝固出（Pb）相，還要凝固出（）相，還要凝固出（Sb）相。）相。 共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變：即從液相同時(shí)凝固出成分不同的（：即從液相同時(shí)凝固出成分不同的（Pb）相和（）相和（Sb）相兩）相兩個(gè)相，這種轉(zhuǎn)變叫做共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。個(gè)相，這種轉(zhuǎn)變叫做共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。 說明：說明：（1

35、）共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，）共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，L、（、（Pb）、（）、（Sb）三相平衡，溫度不變，且）三相平衡，溫度不變，且F=0；（2）各相成分均應(yīng)保持不變；）各相成分均應(yīng)保持不變；（3）轉(zhuǎn)變完成之后，液相消失，合金凝固完畢。）轉(zhuǎn)變完成之后，液相消失，合金凝固完畢。NMtESbPbLE)()( 434.溫度繼續(xù)降低，（溫度繼續(xù)降低，（Pb）相和（）相和（Sb）相將沿著各自的固溶度線）相將沿著各自的固溶度線Mm和和Nn線改變，處于平衡的（線改變，處于平衡的（Pb）相和（）相和（Sb）相的成分均為定值。）相的成分均為定值。 注意：注意：在通常冷卻條件下，由于固溶體中的在通常冷卻條件下，由于固溶體中的擴(kuò)散過程比較緩

36、慢擴(kuò)散過程比較緩慢，固，固溶體中溶解度很難完全按照相圖上的固溶度線改變，有時(shí)甚至不變。因此，溶體中溶解度很難完全按照相圖上的固溶度線改變，有時(shí)甚至不變。因此，當(dāng)固溶體的當(dāng)固溶體的固溶度不大且隨溫度的變化也不大時(shí)固溶度不大且隨溫度的變化也不大時(shí)，一般不考慮過飽和固溶，一般不考慮過飽和固溶體的分解問題。體的分解問題。討論：討論：1、共晶合金共晶合金：成分恰好在成分恰好在E點(diǎn)的合金，當(dāng)溫度到達(dá)點(diǎn)的合金，當(dāng)溫度到達(dá)E點(diǎn)，就直接進(jìn)行共晶點(diǎn)，就直接進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變。這一成分的合金就叫做共晶合金，轉(zhuǎn)變。這一成分的合金就叫做共晶合金，E點(diǎn)叫做共晶點(diǎn)。點(diǎn)叫做共晶點(diǎn)。2、亞共晶合金亞共晶合金：通常把通常把共晶點(diǎn)以左共

37、晶點(diǎn)以左并有共晶轉(zhuǎn)變的合金叫作亞共晶合金；并有共晶轉(zhuǎn)變的合金叫作亞共晶合金； 亞共晶合金亞共晶合金：通常把通常把共晶點(diǎn)以右共晶點(diǎn)以右并有共晶轉(zhuǎn)變的合金叫作亞共晶合金。并有共晶轉(zhuǎn)變的合金叫作亞共晶合金。 “亞亞”和和“過過”只是相對的稱法。只是相對的稱法。44二二. .亞共晶、共晶及過共晶合金顯微組織的特點(diǎn)亞共晶、共晶及過共晶合金顯微組織的特點(diǎn)圖圖7.10 7.10 鉛鉛- - 6%銻相圖銻相圖 Sbw 由鉛銻相圖可以看出，亞共晶、共晶及過共晶合金凝固過均處于（由鉛銻相圖可以看出，亞共晶、共晶及過共晶合金凝固過均處于（Pb）+（Sb)兩相區(qū)內(nèi)，只是兩個(gè)相的相對含量不一樣而已。但是這三種合金的顯微

38、兩相區(qū)內(nèi)，只是兩個(gè)相的相對含量不一樣而已。但是這三種合金的顯微組織卻有很大的區(qū)別，這是由合金的凝固過程的特點(diǎn)所造成的。組織卻有很大的區(qū)別，這是由合金的凝固過程的特點(diǎn)所造成的。45初生相初生相：亞共晶及過共晶合金凝固時(shí)，都是由液相先凝固出一個(gè)：亞共晶及過共晶合金凝固時(shí)，都是由液相先凝固出一個(gè)固相，這個(gè)相就叫初生相。固相，這個(gè)相就叫初生相。圖圖7.11 7.11 鉛銻合金的顯微組織（鉛銻合金的顯微組織（130130） （a）6%Sb （b）11.2%Sb （c）20%Sb 例：例：1） 6%Sb 的合金中，黑色的枝晶是初生（的合金中，黑色的枝晶是初生（Pb），枝晶間細(xì)小的兩相混），枝晶間細(xì)小的兩相

39、混合物是（合物是（Pb）+（Sb）共晶體，其中（）共晶體，其中（Pb）是黑色，（）是黑色，（Sb）是白色。）是白色。 計(jì)算合金中共晶體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。計(jì)算合金中共晶體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2） 11.2%Sb 的合金顯微組織全部是共晶體。的合金顯微組織全部是共晶體。 計(jì)算共晶體中（計(jì)算共晶體中（Pb）和（）和（Sb）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比。）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比。3） 20%Sb 的合金顯微組織，這是一個(gè)過共晶合金，白色塊狀物為初生（的合金顯微組織，這是一個(gè)過共晶合金，白色塊狀物為初生（Sb）相，其余為共晶體。相，其余為共晶體。 計(jì)算初生（計(jì)算初生（Sb）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。46三三. .不平衡凝固時(shí)出現(xiàn)的共晶體不平衡

40、凝固時(shí)出現(xiàn)的共晶體 有些情況下，根據(jù)相圖應(yīng)當(dāng)完全凝固為固溶體的合金中卻出現(xiàn)了共晶有些情況下，根據(jù)相圖應(yīng)當(dāng)完全凝固為固溶體的合金中卻出現(xiàn)了共晶體，鋁銅系合金就是一個(gè)例子。體，鋁銅系合金就是一個(gè)例子。圖圖7.12 鋁銅相圖的一角鋁銅相圖的一角在平衡狀態(tài)下，含銅量小于在平衡狀態(tài)下，含銅量小于5.65%的合金完的合金完全凝固后，均可得到均勻的單相固溶體組織。全凝固后，均可得到均勻的單相固溶體組織。但在通常的冷凝條件下，固相中的擴(kuò)散遠(yuǎn)不但在通常的冷凝條件下，固相中的擴(kuò)散遠(yuǎn)不能進(jìn)行完全，例如含能進(jìn)行完全，例如含4%銅的合金冷凝時(shí)，固銅的合金冷凝時(shí)，固相的平均成分只能沿固相線以左的虛線變化，相的平均成分只能

41、沿固相線以左的虛線變化，到了共晶反應(yīng)溫度到了共晶反應(yīng)溫度548時(shí)，固相的平均成分尚時(shí)，固相的平均成分尚未達(dá)到未達(dá)到4%銅，而液相成分已達(dá)到共晶點(diǎn)（銅，而液相成分已達(dá)到共晶點(diǎn)（33.2%銅）。因此，這部分液體將轉(zhuǎn)變成共晶體（銅）。因此，這部分液體將轉(zhuǎn)變成共晶體（Al）+（ 為以中間相為以中間相CuAl2為基的固溶體）為基的固溶體）47圖圖7.13 鋁鋁4%Cu合金的顯微組織（合金的顯微組織（100） （a）快冷凝固后）快冷凝固后 （b）均勻化后快冷）均勻化后快冷 圖圖7.13（a）中為除了）中為除了Al-4%Cu合金冷凝后的顯微組織，除了初生（合金冷凝后的顯微組織，除了初生（Al）相具有典型的枝晶偏析組織外，還有分布在枝晶軸間的共晶體。相具有典型的枝晶偏析組織外，還有分布在枝晶軸間的共晶體。