材料第2章之2合金的結(jié)晶

1、2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院1第第2章章 金屬材料組織與性能的控制金屬材料組織與性能的控制之之2.2.1 二元合金的結(jié)晶二元合金的結(jié)晶2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院2一、相圖一、相圖 為了對廣泛使用的合金進行熔鑄、鍛壓和熱處為了對廣泛使用的合金進行熔鑄、鍛壓和熱處理，必須首先了解它們的熔點和固態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，并弄理，必須首先了解它們的熔點和固態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，并弄清楚它們的凝固過程及凝固后的相和組織結(jié)構(gòu)。清楚它們的凝固過程及凝固后的相和組織結(jié)構(gòu)。 相圖是描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之相圖是描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間的關(guān)系的一

2、種圖解，又稱為狀態(tài)圖或平衡圖。間的關(guān)系的一種圖解，又稱為狀態(tài)圖或平衡圖。利用利用相圖，我們可以了解各種成分的材料在不同溫度、壓相圖，我們可以了解各種成分的材料在不同溫度、壓力下的相組成，多種相的成分與相對量及組織的變化力下的相組成，多種相的成分與相對量及組織的變化規(guī)律等。因此，掌握和了解相圖的基本知識和分析方規(guī)律等。因此，掌握和了解相圖的基本知識和分析方法，對制定材料熱加工工藝、分析和檢測材料的性能法，對制定材料熱加工工藝、分析和檢測材料的性能以及研究開發(fā)新材料等都有重要作用和指導(dǎo)意義。以及研究開發(fā)新材料等都有重要作用和指導(dǎo)意義。2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院3

3、二、二元合金相圖（常壓）二、二元合金相圖（常壓）2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院4n相圖的建立一般采用相圖的建立一般采用熱分析法熱分析法，其基本思路是先配制一系列不，其基本思路是先配制一系列不同成分的給定合金，繪制它們各自的同成分的給定合金，繪制它們各自的冷卻曲線冷卻曲線，然后由冷卻曲，然后由冷卻曲線上的臨界點繪制相圖。線上的臨界點繪制相圖。100%Ni 溫度 時間Cu 20 40 60 80 Ni Ni %TNiTCu80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni100%Cu （a） （b）Cu-Ni合金相圖的測繪（a）冷卻曲線 （b）Cu-Ni相圖相圖的建立相圖的建

4、立 2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院5相圖的建立相圖的建立 ：純銅：純銅100%Cu ：75%Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：純：純Ni100%Ni 2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院6四大反應(yīng)四大反應(yīng)和和一大定律一大定律2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院7 從液相中不斷結(jié)晶出單相固溶體的過程稱從液相中不斷結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為為勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變。 二組元在液態(tài)、固態(tài)時均能無限互溶的二二組元在液態(tài)、固態(tài)時均能無限互溶的二元合金相圖就是元合金相圖就是勻晶相圖勻晶相圖。

5、這樣的二元合金系。這樣的二元合金系稱為稱為勻晶系勻晶系。屬于勻晶系的合金系有。屬于勻晶系的合金系有Cu-Ni、鈮、鈮Nb-Ti、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni、Mo-W等等。 幾乎所有二元合金相圖都包含有勻晶轉(zhuǎn)變幾乎所有二元合金相圖都包含有勻晶轉(zhuǎn)變部分，因此掌握這一類相圖是學(xué)習(xí)二元合金相部分，因此掌握這一類相圖是學(xué)習(xí)二元合金相圖的基礎(chǔ)。圖的基礎(chǔ)。1、勻晶反應(yīng)及相圖、勻晶反應(yīng)及相圖2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院8（1 1）相圖分析）相圖分析 A 1083 B 1452 LL+溫度 Cu Ni Ni % Cu-Ni合金相圖合金相圖液相線固相線從液相中從液相中不斷

6、結(jié)晶不斷結(jié)晶出單相固出單相固溶體的過溶體的過程稱為程稱為勻勻晶轉(zhuǎn)變晶轉(zhuǎn)變。2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院9（2 2）固溶體合金的平衡結(jié)晶過程及特點）固溶體合金的平衡結(jié)晶過程及特點 I A 1083 B 1452 L1 L2 L3 L4 4 3 2 LL+溫度 Cu XL X0 X Ni % Ni 時間 （a） （b）圖3-4 Cu-Ni合金相圖 L L 1t1t2t3、3t4a.形核、長大形核、長大 ，樹枝狀長大，樹枝狀長大 b.變溫過程變溫過程 c.兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定，兩相成分確定兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定，兩相成分確定 d.兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定，兩相相對量一兩相區(qū)內(nèi)，

7、溫度一定，兩相相對量一定定2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院102022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院11（3）杠桿定律）杠桿定律1 11 1LQbcQab2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院12杠桿定律的證明杠桿定律的證明 證明：證明： Q合金 b%=QL a%+Qa c%又因為：又因為：Q合金=QL+Qa 所以：所以：（QL+Qa ） b%=QL a%+Qa c%LQbcQab2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院131 11 1LQbcQab合金中液相和固相所占的質(zhì)量分數(shù)：1 11 1L

8、%LQbcQa c合金1 11 1%QabQa c合金2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院14n偏析偏析 在結(jié)晶過程中隨著固相的不斷形成，其成分也在不斷的變化，這在結(jié)晶過程中隨著固相的不斷形成，其成分也在不斷的變化，這種變化是通過原子的擴散實現(xiàn)的。若原子能夠進行充分的擴散，種變化是通過原子的擴散實現(xiàn)的。若原子能夠進行充分的擴散，固溶體將發(fā)生平衡結(jié)晶；若原子不能夠進行充分的擴散，固溶體固溶體將發(fā)生平衡結(jié)晶；若原子不能夠進行充分的擴散，固溶體將發(fā)生非平衡結(jié)晶。由此可見，固溶體在結(jié)晶時，溶質(zhì)和溶劑原將發(fā)生非平衡結(jié)晶。由此可見，固溶體在結(jié)晶時，溶質(zhì)和溶劑原子必然要發(fā)生重新分配

9、。固溶體不平衡結(jié)晶所形成的子必然要發(fā)生重新分配。固溶體不平衡結(jié)晶所形成的枝晶偏析枝晶偏析是是指一個晶粒內(nèi)部成分的不均勻現(xiàn)象；而固溶體的在結(jié)晶時，沿一指一個晶粒內(nèi)部成分的不均勻現(xiàn)象；而固溶體的在結(jié)晶時，沿一定方向結(jié)晶過程中，在一個較大區(qū)域范圍內(nèi)也會出現(xiàn)成分差異，定方向結(jié)晶過程中，在一個較大區(qū)域范圍內(nèi)也會出現(xiàn)成分差異，這稱為這稱為宏觀偏析宏觀偏析。 （4）偏析與區(qū)域提純）偏析與區(qū)域提純2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院15冷速快冷速快原子擴散不充分原子擴散不充分成分不均。成分不均。擴散退火消除擴散退火消除2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院16

10、2、共晶反應(yīng)及相圖、共晶反應(yīng)及相圖 兩組元在液態(tài)無限互溶液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶固態(tài)有限互溶時存在的一種結(jié)晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變的合金系構(gòu)成共晶相圖，Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu等。2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院17（1）相圖分析）相圖分析1 三個單相區(qū)三個單相區(qū)：L、（、是有限固溶體）是有限固溶體）三個雙相區(qū)三個雙相區(qū)：L+ 、L + 、 +2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院18（1）相圖分析）相圖分析2 共晶點共晶點：d點，點，共晶成分的合金冷卻到此點所對應(yīng)的溫度（共晶溫度），共共晶成分的合金冷卻到此點所對應(yīng)的溫度（共晶溫度）

11、，共同結(jié)晶出同結(jié)晶出c c、e e ，即：即：ceL2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院19（1）相圖分析）相圖分析3 液相線：液相線：adb 固相線：固相線：acdeb 共晶反應(yīng)線：共晶反應(yīng)線：cde 溶解度線：溶解度線：cf，egf2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院20（2）典型合金的結(jié)晶過程）典型合金的結(jié)晶過程 合金合金I： 相組成物：相組成物：,II II2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院21液態(tài)合金冷卻到液態(tài)合金冷卻到1點溫度以后點溫度以后, 發(fā)生勻晶結(jié)晶過程發(fā)生勻晶結(jié)晶過程, 至至2點溫度合金完全結(jié)晶

12、成點溫度合金完全結(jié)晶成 固溶體固溶體, 隨后的冷卻隨后的冷卻(23點間的溫度點間的溫度), 相不變。從相不變。從3點溫度開始點溫度開始, 由于由于Sn在在 中的溶解度沿中的溶解度沿 cf 線降低線降低, 從從 中析出中析出II, 到室溫時到室溫時 中中Sn含量逐漸變?yōu)楹恐饾u變?yōu)?f點。最后合金得到的組織為點。最后合金得到的組織為+ II 。其組成相是。其組成相是 f點成分的點成分的 相和相和 g點成分的點成分的 相。相。 2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院22合金合金II：cecefIIgIILL+()()II2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自

13、動化學(xué)院23合金從液態(tài)冷卻到合金從液態(tài)冷卻到1點溫度后點溫度后, 發(fā)生共晶反應(yīng)：發(fā)生共晶反應(yīng)：L (+) , 經(jīng)一定時間到經(jīng)一定時間到1時反應(yīng)結(jié)束時反應(yīng)結(jié)束, 全部全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿w轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿w (+) 。從共晶溫度冷卻至室溫時。從共晶溫度冷卻至室溫時, 共晶體中的共晶體中的 和和 均發(fā)生二次結(jié)晶均發(fā)生二次結(jié)晶, 從從 中中析出析出 二次二次, 從從 中析出二次中析出二次。 的成分由的成分由 c點變點變 f點點, 的成分由的成分由 e點變?yōu)辄c變?yōu)?g點點, 兩種相的相兩種相的相對重量依杠桿定律變化。由于析出的對重量依杠桿定律變化。由于析出的 二次二次 和和 二次二次 都相應(yīng)地同都相應(yīng)地同 和和

14、相連在一起相連在一起, 共晶體共晶體的形態(tài)和成分不發(fā)生變化。合金的室溫組織全部為共晶體的形態(tài)和成分不發(fā)生變化。合金的室溫組織全部為共晶體, 即只含一種組織組成物即只含一種組織組成物; 其組成相其組成相仍為仍為 和和 相。相。 2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院24共晶合金組織的形態(tài)共晶合金組織的形態(tài) 2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院253、包晶反應(yīng)及相圖、包晶反應(yīng)及相圖 一個一定成分的液相與一個一定成分的固相在一個一定成分的液相與一個一定成分的固相在恒溫下生成另一固相的轉(zhuǎn)變稱為恒溫下生成另一固相的轉(zhuǎn)變稱為包晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變。兩組元。兩組元

15、液態(tài)時能相互無限溶解，固態(tài)時有限互溶，并發(fā)生液態(tài)時能相互無限溶解，固態(tài)時有限互溶，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖稱為包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖稱為包晶相圖包晶相圖。具有這。具有這種相圖的典型合金有種相圖的典型合金有Pt-Ag、Sn-Sb銻、銻、Cu-Sn、Cu-Zn等合金系。等合金系。 2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院26 Pt-Ag合金相圖中存在三種相合金相圖中存在三種相: （1）Pt與與Ag形成的液溶體形成的液溶體L相相; （2）Ag溶于溶于Pt中的有限固溶體中的有限固溶體相相;（3）Pt溶于溶于Ag中的有限固溶體中的有限固溶體相。相。 e點為包晶點點為包晶點,

16、 e點點成分的合金冷卻到成分的合金冷卻到 e點所點所對應(yīng)的溫度對應(yīng)的溫度(包晶溫度包晶溫度)時時發(fā)生包晶反應(yīng)：發(fā)生包晶反應(yīng)： L+ 發(fā)生包晶反應(yīng)時三發(fā)生包晶反應(yīng)時三相共存相共存, 它們的成分確定它們的成分確定, 反應(yīng)在恒溫下平衡地進反應(yīng)在恒溫下平衡地進行。水平線行。水平線ced 為包晶為包晶反應(yīng)線。反應(yīng)線。 2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院2718001600140012001000 800 600 400溫度 Pt 20 40 60 80 Ag圖332 Pt-Ag合金相圖LL+L+b(961.93)da (1772) 1186 ec42.410.566.3fgL

17、cde2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院28合金冷卻到合金冷卻到1點溫度以下時結(jié)晶出點溫度以下時結(jié)晶出固溶體固溶體, 相成分沿相成分沿 ac線變化線變化, L相成分沿相成分沿ad 線變化。合金剛冷到線變化。合金剛冷到2點溫度而尚未發(fā)生包晶反應(yīng)前點溫度而尚未發(fā)生包晶反應(yīng)前, 由由 c點成分的點成分的相與相與d 點成點成分的分的L相組成。此兩相在相組成。此兩相在e 點溫度時發(fā)生包晶反應(yīng)點溫度時發(fā)生包晶反應(yīng),L 相包圍相包圍 相而形成相而形成。反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后結(jié)束后, L相與相與相正好全部反應(yīng)耗盡相正好全部反應(yīng)耗盡, 形成形成e 點成分的點成分的固溶體。溫度繼續(xù)下降固溶體。溫度繼續(xù)下降, 從從 中析出二次中析出二次。最后室溫組織為。最后室溫組織為+二次二次 。 2022-3-21北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院294、共析反應(yīng)及相圖、共析反應(yīng)及相圖d 點成分點成分(共析成分共析成分)的合金從液