第三章-二元相圖和合金的凝固課件

11§3.1二元相圖的建立一、相圖的表示方法對二元合金來說，通常用橫坐標表示成分，縱坐標表示溫度。坐標平面上的任一點稱為表象點，表示合金的成分和溫度11§3.1二元相圖的建立一、相圖的表示方法122二、相圖的建立通過實驗測定：先配制一系列成分不同的合金，然后測定這些合金的相變臨界點，最后把這些點標在溫度—成分坐標圖上，把各相同意義的點連結(jié)成線，這些線就在坐標圖上劃分出一些區(qū)域，即相區(qū)，將各相區(qū)所存在的相的名稱標出，相圖的建立工作即告完成。測定臨界點方法：熱分析法、膨脹法、電阻法、x射線結(jié)構(gòu)分析法等。熱分析法測定二元合金相圖：1）配制一系列不同成分的合金，測出從液態(tài)到室溫的冷卻曲線。2）將臨界點標在溫度—成分坐標圖中，再將相同意義的點連接起來。3）標注相區(qū)。22二、相圖的建立233液相線：表示合金結(jié)晶開始的溫度或加熱過程中熔化終了的溫度；固相線：表示合金結(jié)晶終了的溫度或在加熱過程中開始熔化的溫度單相固溶體用α表示。α+L33液相線：表示合金結(jié)晶開始的溫度或加熱過程中熔化終了的溫度344三、相律及杠桿定律（分析相圖的兩個重要依據(jù)）相律：說明合金在平衡結(jié)晶過程中溫度和相成分的變化；杠桿定律：定量給出結(jié)晶過程中兩相相對量的變化，最后形成的組織中兩相的相對量以及組織的相對量。1、相律及其應(yīng)用相律：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。當(dāng)系統(tǒng)的壓力為常數(shù)時：f=c-p+1f為自由度數(shù)，c為組元數(shù)，p為相數(shù)自由度數(shù)：結(jié)晶過程中保持相數(shù)不變的平衡條件下，影響狀態(tài)的內(nèi)、外部因素中可以獨立發(fā)生變動的數(shù)目。溫度和成分44三、相律及杠桿定律（分析相圖的兩個重要依據(jù)）455純金屬自由度數(shù)最多1個（成分固定）；二元合金自由度數(shù)最多2個（成分的獨立變量只有一個）；三元合金自由度數(shù)最多3個（成分的獨立變量有兩個）；應(yīng)用：（1）、確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)

f最小為0，即f=c-p+1=0→p=c+1純金屬中最多相數(shù)為2，二元合金中最多相數(shù)為3，依次類推（2）、解釋純金屬與二元合金的差別純金屬（c=1）結(jié)晶時兩相平衡（p=2）→f=0，恒溫二元合金（c=2）兩相平衡（p=2）→f=1，一個變量，反應(yīng)在一個溫度范圍內(nèi)進行；三相平衡（p=3）→f=0，恒溫、成分固定，相圖中是一條恒溫線55純金屬自由度數(shù)最多1個（成分固定）；5662、杠桿定律定量確定兩相共存狀態(tài)下兩相的相對量，以Cu-Ni合金為例：在T1溫度下，成分x的合金處于L+α兩相共存狀態(tài)，設(shè)液相的量為，固相量為，合金總量為：Ni在合金中的總量等于在L和α兩相中的量之和：圖3.3杠桿定理的說明662、杠桿定律圖3.3杠桿定理的說明677以合金成分o為支點以L相成分a為支點以α相成分b為支點aobaobaob在二元系合金中，杠桿定律只適用于兩相平衡區(qū)77以合金成分o為支點以L相成分a為支點以α相成分b為支點a788例題：有一成分為0.5B的合金，平衡結(jié)晶到某一溫度時，液相中含有0.4B，固相中含有0.8B，此時固、液相各占多少分數(shù)？88例題：有一成分為0.5B的合金，平衡結(jié)晶到某一溫度時，液899§3.2二元勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固態(tài)都無限溶解，形成固溶體。例如：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、Mo-W等勻晶轉(zhuǎn)變：合金結(jié)晶時都是從液相中結(jié)晶出單相固溶體。一、相圖分析以Cu-Ni相圖為例：液相線固相線相區(qū)99§3.2二元勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶勻晶相圖：兩組元在液91010二、固溶體合金的平衡結(jié)晶過程以Cu-0.3Ni為例Cu-0.3Ni合金的冷卻曲線1010二、固溶體合金的平衡結(jié)晶過程Cu-0.3Ni合金的冷101111固溶體的平衡結(jié)晶過程與純金屬相同點：液態(tài)合金成分：宏觀平均成分，微觀角度，微小原子集團偏離平均成分，成分、大小、位置變化不定①形核的結(jié)構(gòu)條件要滿足結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏和成分起伏三個。②熱力學(xué)條件：ΔT↑rK↓，ΔGK↓，固相與母相成分越接近，N↑，晶粒↓③形核方式④勻晶合金在室溫下的組織為單相固溶體圖3.6固溶體合金平衡結(jié)晶時組織變化示意圖1111固溶體的平衡結(jié)晶過程與純金屬相同點：圖3.6固溶體111212固溶體的平衡結(jié)晶過程與純金屬不同點：①異分結(jié)晶（選擇結(jié)晶）：結(jié)晶出的晶體與母相的化學(xué)成分不同。同分結(jié)晶：純金屬結(jié)晶晶體與母相的化學(xué)成分完全一樣。異分結(jié)晶→溶質(zhì)原子重新分配平衡分配系數(shù)：一定溫度下，固液兩平衡相中溶質(zhì)濃度之比，即假定液相線和固相線為直線，則為常數(shù)。c↑→相線↓，<1，↓ΔC↑c↑→相線↑，>1，↑ΔC↑反映重新分配的強烈程度1212固溶體的平衡結(jié)晶過程與純金屬不同點：121313②結(jié)晶需要一定的溫度范圍溫度范圍內(nèi)的每一溫度下只能結(jié)晶出一定數(shù)量的固相Cu-0.3Ni合金的冷卻曲線1313②結(jié)晶需要一定的溫度范圍Cu-0.3Ni合金的冷卻曲131414結(jié)晶過程中，溶質(zhì)原子重新分配一直在進行原子擴散合金成分C0溫度T1，液相成分C1，固相成分k0C1溫度T2，液相成分C2，固相成分k0C2C0溫度LaL+aC1C2k0C1k0C2T1T2濃度梯度圖3.8固溶體合金的平衡結(jié)晶溶質(zhì)濃度1414結(jié)晶過程中，溶質(zhì)原子重新分配一直在進行原子擴141515溫度T1的結(jié)晶過程:界面區(qū)域濃度梯度→原子擴散→C1↓C0′（非平衡X）晶體長大→C1平衡重新建立→濃度梯度→原子擴散→進一步長大→重復(fù)進行C0溫度LaL+aC1C2k0C1k0C2T1T2aLk0C1C0C1溶質(zhì)濃度aLk0C1C0’溶質(zhì)濃度aLk0C1C1溶質(zhì)濃度C0’aLk0C1C1溶質(zhì)濃度（a）（b）（c）（d）1515溫度T1的結(jié)晶過程:C0溫LaL+aC1C2k0C1151616溫度T2的結(jié)晶過程:界面區(qū)域濃度梯度→原子擴散→C改變（非平衡X）晶體長大→平衡重新建立→濃度梯度→原子擴散→進一步長大→重復(fù)進行aLk0C2C2溶質(zhì)濃度caLk0C2C1溶質(zhì)濃度C2k0C1aLk0C2溶質(zhì)濃度C2bC0溫度LaL+aC1C2k0C1k0C2T1T2aT31616溫度T2的結(jié)晶過程:aLk0C2C2溶質(zhì)濃度caLk161717固溶體的平衡結(jié)晶過程：固相成核相內(nèi)濃度梯度相內(nèi)擴散界面濃度不平衡晶體長大重新建立平衡固溶體的平衡結(jié)晶過程原子的擴散過程液相和固相均勻一致原子的擴散進行完全緩慢冷卻冷卻速度大相內(nèi)成分不均勻偏離平衡結(jié)晶條件（不平衡結(jié)晶）1717固溶體的平衡結(jié)晶過程：171818三、固溶體合金的不平衡結(jié)晶條件：液相完全均勻化，而固相內(nèi)卻來不及進行擴散。平衡：t1:t2:t3:不平衡t1:t2:t3:t4:固相平均成分線↑←冷卻速度↑圖3.11勻晶系合金的不平衡結(jié)晶1818三、固溶體合金的不平衡結(jié)晶圖3.11勻晶系合金的不181919晶內(nèi)偏析：晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。（枝晶偏析）圖3.12固溶體在不平衡結(jié)晶時的組織變化示意圖1919晶內(nèi)偏析：晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。（枝晶偏析）192020影響晶內(nèi)偏析的因素：1）分配系數(shù)k0

當(dāng)k01時，k0值越小，則偏析越大；當(dāng)k01時，k0越大，偏析也越大。

2）溶質(zhì)原子的擴散能力

結(jié)晶的溫度較高，溶質(zhì)原子擴散能力大，則偏析程度較??；反之，則偏析程度較大。

3）冷卻速度

冷卻速度越大，晶內(nèi)偏析程度越嚴重。（一般情況）小鑄件冷卻速度極快，過冷度很大，到t3才開始結(jié)晶成分均勻嚴重的晶內(nèi)偏析→機械性能↓，抗蝕能力↓消除晶內(nèi)偏析：擴散退火或均勻退火。高溫，長時間保溫，緩冷2020影響晶內(nèi)偏析的因素：202121四、區(qū)域偏析和區(qū)域提純1、區(qū)域偏析（宏觀偏析）：大范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象液相擴散、對流、攪拌，成分均勻，固相無擴散為例：圖3.15區(qū)域偏析的形成過程2121四、區(qū)域偏析和區(qū)域提純圖3.15區(qū)域偏析的形成過212222液相只有擴散，成分不均勻，固相無擴散為例：2222液相只有擴散，成分不均勻，固相無擴散為例：2223231）水平直線a：平衡結(jié)晶，相內(nèi)溶質(zhì)原子充分混合。2）曲線c：不平衡結(jié)晶，固相中無擴散，液相中除了擴散之外，沒有對流或攪拌，即液相中的溶質(zhì)原子混合很差3）曲線b：不平衡結(jié)晶，固相中無擴散，液相成分可以借助擴散、對流或攪拌等完全均勻化。4）曲線d：介于b與c情況之間。23231）水平直線a：平衡結(jié)晶，相2324242、區(qū)域提純依據(jù)區(qū)域偏析原理可以提純金屬。將雜質(zhì)富集的末端切去，然后再熔化，再順序凝固，金屬的純度就可不斷地得以提高。區(qū)域熔煉技術(shù)（區(qū)域提純）熔化區(qū)↓，效果↑k0↓，效果↑攪拌↑，效果↑24242、區(qū)域提純?nèi)刍瘏^(qū)↓，效果↑242525五、成分過冷及其對晶體成長形狀的影響固溶體結(jié)晶→呈樹枝狀生長，還有的呈胞狀生長←成分過冷1、形成成分過冷的條件及其影響因素2525五、成分過冷及其對晶體成長形狀的影響252626形成成分過冷臨界條件：G：實際溫度梯度，R：結(jié)晶速度，m：液相線斜率，D：液相中溶質(zhì)的擴散系數(shù)，k0：分配系數(shù)。形成成分過冷的條件影響成分過冷的因素：G，R，C01）對于同種合金：溫度梯度G↓，成分過冷↑。2）對于不同的合金：k01時k0↓，k01時，k0↑，液相線越陡,D↓，成分過冷↑。2626形成成分過冷臨界條件：2627272、成分過冷對晶體成長形狀的影響1）在溫度梯度G1下，界面呈平面狀生長。2）在溫度梯度下G2，界面呈胞狀生長。3）在溫度梯度G3下，晶體以樹枝狀的方式長大。27272、成分過冷對晶體成長形狀的影響2728282828282929§3.2二元共晶相圖及其合金的結(jié)晶二元共晶相圖：兩組元在液態(tài)時相互無限互溶，在固態(tài)時有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相圖。例如：Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi等，F(xiàn)e-C、Al-Mg有共晶部分。共晶轉(zhuǎn)變：某一定化學(xué)成分的合金在一定溫度下，同時由液相中結(jié)晶出兩種不同成分和不同晶體結(jié)構(gòu)的固相的過程。共晶反應(yīng)：共晶組織由兩相混合組成，即α+?2929§3.2二元共晶相圖及其合金的結(jié)晶二元共晶相圖：兩293030一、相圖分析液相線固相線溶解度曲線共晶反應(yīng)線共晶點共晶溫度共晶合金亞共晶合金過共晶合金相區(qū)：單相區(qū)雙相區(qū)三相共存區(qū)3030一、相圖分析303131二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織1、成分小于M點的合金以Pb-0.1Sn為例（合金I）3131二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織313232T>1，L1—2，L+α2—3，α3—4，α+脫溶（二次結(jié)晶）次生相（二次相）成分在F和M之間的合金，α和的相對含量：32323233333333333434組織黑色基體為α相白色顆粒為3434組織3435352、共晶合金（合金II）w（Sn）=61.9%35352、共晶合金（合金II）w（Sn）=61.9%353636TE：<TE:α++?+（

α+?

）和的含量：TE3636TE3637373737373838組織：呈層片狀交替分布，黑色為α相，白色為?相共晶組織（α+?）3838組織：呈層片狀交替分布，黑色為α相，白色為?相383939共晶組織的形成：結(jié)晶過程形核領(lǐng)先相以α為例→界面富錫→?析出→界面富鉛長大兩相交替形核和長大，構(gòu)成共晶組織.α片與α片，?片與?片分別互相聯(lián)系，不需要反復(fù)形核，可能一“搭橋”方式形成。3939共晶組織的形成：3940404040404141影響共晶組織形態(tài)的因素：兩個組成相的本質(zhì)是其形態(tài)的決定性因素。金屬-金屬型：大多為層片狀或棒狀金屬-非金屬型：表現(xiàn)為針片狀或骨骼狀等。4141影響共晶組織形態(tài)的因素：兩個組成相的本質(zhì)是其形態(tài)的決4142423、亞共晶合金成分在ME之間（合金Шw（Sn）=50%）42423、亞共晶合金成分在ME之間（合金Шw（Sn）=5424343>1：L;1—2：L+α；2（TE）：兩相的成分分別達到M點和E點兩相的質(zhì)量分數(shù)：共晶反應(yīng)前α初晶又稱先共晶相（α

先）。TE:α

先+α+?<2:(α

先+）+（α+?）TE4343>1：L;1—2：L+α；2（TE）：兩相的成分分4344444444444545暗黑色樹枝狀晶為先共晶α相，其中的白色顆粒為析出的黑白相間分布的為共晶組織4545暗黑色樹枝狀晶為先共晶α相，其中的白色顆粒為析出的4546464、過共晶合金成分在EN之間（合金Ⅳw（Sn）=70%）46464、過共晶合金成分在EN之間（合金Ⅳw（Sn）=7464747>1:L;1—2：L+?；2:?先+α+?<2:(?先+）+（α+?）TE4747>1:L;1—2：L+?；2:474848亮白色樹枝狀晶為先共晶?相，其中的黑色顆粒為析出的黑白相間分布的為共晶組織4848亮白色樹枝狀晶為先共晶?相，其中的黑色顆粒為析出的484949小結(jié)：1）F-G點間合金：+，相的大小、數(shù)量和分布狀況發(fā)生很大變化；F-M點間合金：+II；N-G點間合金：+II。2）M-E點間亞共晶合金：+II+共晶組織（+）；E點共晶合金：共晶組織（+）；E-N點間過共晶合金：+II+共晶組織（+）3）、、II、II及（+）在顯微組織中均能清楚地區(qū)分開，是組成顯微組織的獨立部分，稱之為組織組成物。從相的本質(zhì)看，它們都是由和兩相所組成，所以、兩相稱為合金的相組成物。4949小結(jié)：4950505050505151合金組織組成物與相組成物的相對含量都可以用杠桿定律來計算例如：含錫量為30％的亞共晶合金在183℃共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，先共晶相和共晶組織(+)的含量分別為？相組成物相和相的含量分別為？5151合金組織組成物與相組成物的相對含量都可以用杠桿定律來515252三、不平衡結(jié)晶及組織冷卻速度快→擴散不充分→偏離平衡狀態(tài)1、偽共晶由非共晶成分的合金經(jīng)不平衡結(jié)晶得到共晶組織.偽共晶區(qū)：形成全部共晶組織的成分和溫度范圍。當(dāng)液態(tài)合金過冷到兩條液相線的延長線所包圍的影線區(qū)時，就可得到共晶組織理論偽共晶區(qū)5252三、不平衡結(jié)晶及組織525353實際偽共晶區(qū)：①對稱地擴大：金屬-金屬型共晶②歪斜地擴大：金屬-非金屬型共晶偽共晶區(qū)的形狀兩相單獨生長的長大速度與過冷度的關(guān)系。差別不大→對稱擴大；差別很大（一個相的長大速度隨過冷度的增加下降很快→生長被抑制）→偏向該相一邊

晶體結(jié)構(gòu)界面性質(zhì)5353實際偽共晶區(qū)：①對稱地擴大：金屬-金屬型共晶晶體結(jié)構(gòu)535454Al-Si合金：共晶合金→快冷→亞共晶組織5454Al-Si合金：5455552、離異共晶在先共晶相數(shù)量較多而共晶組織甚少的情況下，有時共晶組織中與先共晶相相同的那一相，會依附于先共晶相上生長，剩下的另一相則單獨存在于晶界處，從而使共晶組織的特征消失，這種兩相分離的共晶稱為離異共晶。平衡結(jié)晶（Ⅰ）：越靠近M（或N點）→離異共晶↑不平衡結(jié)晶（Ⅱ）：M點以左或N點以右55552、離異共晶在先共晶相數(shù)量較多而共晶組織甚少的情況下555656離異共晶組織具有不良影響不平衡結(jié)晶產(chǎn)生的，經(jīng)均勻化退火后可變?yōu)槠胶鈶B(tài)的固溶體組織。5656離異共晶組織5657§3.4包晶相圖及其合金的結(jié)晶包晶相圖:兩組元在液態(tài)相互無限互溶、在固態(tài)相互有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合全系相圖。例如：Pt-Ag、Sn-Sb、Cu-Sn、Cu-Zn等。包晶轉(zhuǎn)變（包晶反應(yīng)）：在一定溫度下，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。57TD57§3.4包晶相圖及其合金的結(jié)晶包晶相圖:兩組元在液態(tài)相5758一、相圖分析液相線固相線溶解度曲線包晶反應(yīng)線包晶點包晶溫度相區(qū)：單相區(qū)雙相區(qū)三相共存區(qū)5858一、相圖分析585859二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織1、w（Ag）=42.4%的Pt-Ag合金（合金Ⅰ）成分為D點>1:L1-D:L+αTD<TD:?+次生相TD59二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織TD59606060612、成分在P-D之間點的Pt-Ag合金（合金Ⅱ）>1:L1-2:L+αTD反應(yīng)結(jié)束，α過剩<2:++II+IITD612、成分在P-D之間點的Pt-Ag合金（合金Ⅱ）TD61626262633、成分在D-C之間點的Pt-Ag合金（合金Ⅲ）>1:L1-2:L+αTD反應(yīng)結(jié)束，L過剩2-3：L→?3-4:?<4:+IITD633、成分在D-C之間點的Pt-Ag合金（合金Ⅲ）TD6364646465設(shè)wAg20%的合金II進行包晶轉(zhuǎn)變時，L和的相對含量？包晶轉(zhuǎn)變過程中需要多少？包晶轉(zhuǎn)變生成多少？剩余多少？65設(shè)wAg20%的合金II6566三、不平衡結(jié)晶過程及組織包晶轉(zhuǎn)變十分緩慢，在實際生產(chǎn)條件下，冷卻速度快，包晶轉(zhuǎn)變將被抑制，剩余的液體在低于包晶轉(zhuǎn)變溫度下，直接轉(zhuǎn)變?yōu)橄唷＿@樣一來，在平衡轉(zhuǎn)變時本來不存在的相就被保留下來，同時相的成分也很不均勻。包晶偏析：由于包晶轉(zhuǎn)變不能充分進行而產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。溫度足夠高，擴散足夠快，包晶反應(yīng)有可能徹底完成。不平衡組織：①本來不存在的相就被保留下來②P點左側(cè)的合金，在不平衡條件下，發(fā)生包晶反應(yīng)，形成不應(yīng)出現(xiàn)的相消除不平衡組織：長時間擴散退火66三、不平衡結(jié)晶過程及組織6667四、包晶轉(zhuǎn)變的實際應(yīng)用包晶轉(zhuǎn)變的兩個顯著特點：1）包晶轉(zhuǎn)變的形成相依附在初晶相上形成；2）包晶轉(zhuǎn)變的不完全性。應(yīng)用：1）在軸承合金中的應(yīng)用；2）包晶轉(zhuǎn)變的細化晶粒作用。67四、包晶轉(zhuǎn)變的實際應(yīng)用6768§3.5其他類型的二元合金相圖一、組元間形成化合物的相圖1、形成穩(wěn)定化合物的相圖68§3.5其他類型的二元合金相圖一、組元間形成化合物的相68692、形成不穩(wěn)定化合物的二元相圖692、形成不穩(wěn)定化合物的二元相圖6970二、具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元合金相圖1、共析轉(zhuǎn)變：一定成分的固相，在一定溫度下分解為另外兩個一定成分的固相的轉(zhuǎn)變過程。P+a+Fe3CIII70二、具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元合金相圖P+a+Fe3CIII70712、包析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，兩個一定成分的固相相互作用，形成另一個一定成分的固相的過程。712、包析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，兩個一定成分的固相相互作用，7172§3.7鑄錠的組織與缺陷一、鑄錠三晶區(qū)的形成表層細晶區(qū)、中間柱狀晶區(qū)、心部等軸晶區(qū)圖2-34鑄錠組織示意圖1-細晶區(qū)2-柱狀晶區(qū)3-等軸晶區(qū)72§3.7鑄錠的組織與缺陷一、鑄錠三晶區(qū)的形成圖2-3472731、細晶區(qū)：表層細晶區(qū)的形核數(shù)目取決于下列因素：型壁的形核能力型壁所能達到的過冷度的大小：鑄型的表面溫度、熱傳導(dǎo)能力和澆注溫度等。2、柱狀晶區(qū)型壁溫度升高，結(jié)晶前沿過冷度很小，不能形核，利于長大；垂直于型壁方向散熱最快，生長沿散熱的反方向；生長速度，一次晶軸最快，平行于散熱方向的一次晶軸最快鑄造織構(gòu)固相導(dǎo)熱性好，保持定向散熱，柱狀晶前沿沒有新形核的晶粒阻擋，形成穿晶組織。柱晶間界是雜質(zhì)、氣泡、縮孔較富集的地區(qū)，是鑄錠的脆弱結(jié)合面，簡稱弱面。731、細晶區(qū)：733、中心等軸晶區(qū)鑄錠中心有晶核殘片，結(jié)晶前沿成分過冷增大，重新形核。中心溫度均勻，生長方向一致，所以形成等軸晶。在等軸晶區(qū)中，各晶粒的取向不同，沒有方向性，沒有脆弱面，同時取向不同的晶粒彼此咬合，裂紋不易發(fā)展。顯微縮孔多，組織不致密。二、鑄錠組織的控制①有利于柱狀晶區(qū)發(fā)展的因素錠模的導(dǎo)熱能力要大高溫澆注、高速澆注高的熔化溫度②有利于等軸晶區(qū)發(fā)展的因素低溫、低速澆注降低熔化溫度變質(zhì)處理攪拌、振動3、中心等軸晶區(qū)①有利于柱狀晶區(qū)發(fā)展的因素錠模的導(dǎo)熱能力74三、鑄錠缺陷集中縮孔分散縮孔（縮松）②氣孔③夾雜物外來夾雜物內(nèi)生夾雜物①縮孔三、鑄錠缺陷集中縮孔分散縮孔（縮松）②氣孔③夾雜物757676本章小結(jié)相圖，相律，杠桿定律相圖的類型勻晶相圖：液態(tài)和固態(tài)下均無限溶解；共晶相圖：液態(tài)無限溶解，固態(tài)有限溶解，有共晶反應(yīng)；包晶相圖：液態(tài)無限溶解，固態(tài)有限溶解，有包晶反應(yīng)；圖形特點：勻晶共晶包晶LαLLαα??7676本章小結(jié)LαLLαα??76反應(yīng)特點：勻晶轉(zhuǎn)變：L→α共晶轉(zhuǎn)變：L→α+?包晶轉(zhuǎn)變：L+α

→?固溶體平衡結(jié)晶與純金屬結(jié)晶的共同點和不同點成分起伏異分結(jié)晶用相律說明固溶體結(jié)晶需要一定的溫度范圍固溶體的不平衡結(jié)晶→枝晶偏析，區(qū)域偏析（如何消除？）成分過冷脫溶TT反應(yīng)特點：TT77相圖的應(yīng)用和分析二元相圖，已知部分相區(qū)確定相鄰相區(qū)，確定雙相區(qū)和三相區(qū)的冷卻轉(zhuǎn)變類型和反應(yīng)式，分析合金冷卻時的相變過程及對應(yīng)的冷卻曲線。(勻晶、共晶、包晶)相圖中相和組織轉(zhuǎn)變過程，掌握利用杠桿定律計算平衡轉(zhuǎn)變時相組成和組織組成物的相對含量。共晶、包晶合金的非平衡冷卻時組織特點。相圖的應(yīng)用和分析78作業(yè)1、6、7、8、9、15、17作業(yè)798080§3.1二元相圖的建立一、相圖的表示方法對二元合金來說，通常用橫坐標表示成分，縱坐標表示溫度。坐標平面上的任一點稱為表象點，表示合金的成分和溫度11§3.1二元相圖的建立一、相圖的表示方法808181二、相圖的建立通過實驗測定：先配制一系列成分不同的合金，然后測定這些合金的相變臨界點，最后把這些點標在溫度—成分坐標圖上，把各相同意義的點連結(jié)成線，這些線就在坐標圖上劃分出一些區(qū)域，即相區(qū)，將各相區(qū)所存在的相的名稱標出，相圖的建立工作即告完成。測定臨界點方法：熱分析法、膨脹法、電阻法、x射線結(jié)構(gòu)分析法等。熱分析法測定二元合金相圖：1）配制一系列不同成分的合金，測出從液態(tài)到室溫的冷卻曲線。2）將臨界點標在溫度—成分坐標圖中，再將相同意義的點連接起來。3）標注相區(qū)。22二、相圖的建立818282液相線：表示合金結(jié)晶開始的溫度或加熱過程中熔化終了的溫度；固相線：表示合金結(jié)晶終了的溫度或在加熱過程中開始熔化的溫度單相固溶體用α表示。α+L33液相線：表示合金結(jié)晶開始的溫度或加熱過程中熔化終了的溫度828383三、相律及杠桿定律（分析相圖的兩個重要依據(jù)）相律：說明合金在平衡結(jié)晶過程中溫度和相成分的變化；杠桿定律：定量給出結(jié)晶過程中兩相相對量的變化，最后形成的組織中兩相的相對量以及組織的相對量。1、相律及其應(yīng)用相律：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。當(dāng)系統(tǒng)的壓力為常數(shù)時：f=c-p+1f為自由度數(shù)，c為組元數(shù)，p為相數(shù)自由度數(shù)：結(jié)晶過程中保持相數(shù)不變的平衡條件下，影響狀態(tài)的內(nèi)、外部因素中可以獨立發(fā)生變動的數(shù)目。溫度和成分44三、相律及杠桿定律（分析相圖的兩個重要依據(jù)）838484純金屬自由度數(shù)最多1個（成分固定）；二元合金自由度數(shù)最多2個（成分的獨立變量只有一個）；三元合金自由度數(shù)最多3個（成分的獨立變量有兩個）；應(yīng)用：（1）、確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)

f最小為0，即f=c-p+1=0→p=c+1純金屬中最多相數(shù)為2，二元合金中最多相數(shù)為3，依次類推（2）、解釋純金屬與二元合金的差別純金屬（c=1）結(jié)晶時兩相平衡（p=2）→f=0，恒溫二元合金（c=2）兩相平衡（p=2）→f=1，一個變量，反應(yīng)在一個溫度范圍內(nèi)進行；三相平衡（p=3）→f=0，恒溫、成分固定，相圖中是一條恒溫線55純金屬自由度數(shù)最多1個（成分固定）；8485852、杠桿定律定量確定兩相共存狀態(tài)下兩相的相對量，以Cu-Ni合金為例：在T1溫度下，成分x的合金處于L+α兩相共存狀態(tài)，設(shè)液相的量為，固相量為，合金總量為：Ni在合金中的總量等于在L和α兩相中的量之和：圖3.3杠桿定理的說明662、杠桿定律圖3.3杠桿定理的說明858686以合金成分o為支點以L相成分a為支點以α相成分b為支點aobaobaob在二元系合金中，杠桿定律只適用于兩相平衡區(qū)77以合金成分o為支點以L相成分a為支點以α相成分b為支點a868787例題：有一成分為0.5B的合金，平衡結(jié)晶到某一溫度時，液相中含有0.4B，固相中含有0.8B，此時固、液相各占多少分數(shù)？88例題：有一成分為0.5B的合金，平衡結(jié)晶到某一溫度時，液878888§3.2二元勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固態(tài)都無限溶解，形成固溶體。例如：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、Mo-W等勻晶轉(zhuǎn)變：合金結(jié)晶時都是從液相中結(jié)晶出單相固溶體。一、相圖分析以Cu-Ni相圖為例：液相線固相線相區(qū)99§3.2二元勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶勻晶相圖：兩組元在液888989二、固溶體合金的平衡結(jié)晶過程以Cu-0.3Ni為例Cu-0.3Ni合金的冷卻曲線1010二、固溶體合金的平衡結(jié)晶過程Cu-0.3Ni合金的冷899090固溶體的平衡結(jié)晶過程與純金屬相同點：液態(tài)合金成分：宏觀平均成分，微觀角度，微小原子集團偏離平均成分，成分、大小、位置變化不定①形核的結(jié)構(gòu)條件要滿足結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏和成分起伏三個。②熱力學(xué)條件：ΔT↑rK↓，ΔGK↓，固相與母相成分越接近，N↑，晶?！坌魏朔绞舰軇蚓Ш辖鹪谑覝叵碌慕M織為單相固溶體圖3.6固溶體合金平衡結(jié)晶時組織變化示意圖1111固溶體的平衡結(jié)晶過程與純金屬相同點：圖3.6固溶體909191固溶體的平衡結(jié)晶過程與純金屬不同點：①異分結(jié)晶（選擇結(jié)晶）：結(jié)晶出的晶體與母相的化學(xué)成分不同。同分結(jié)晶：純金屬結(jié)晶晶體與母相的化學(xué)成分完全一樣。異分結(jié)晶→溶質(zhì)原子重新分配平衡分配系數(shù)：一定溫度下，固液兩平衡相中溶質(zhì)濃度之比，即假定液相線和固相線為直線，則為常數(shù)。c↑→相線↓，<1，↓ΔC↑c↑→相線↑，>1，↑ΔC↑反映重新分配的強烈程度1212固溶體的平衡結(jié)晶過程與純金屬不同點：919292②結(jié)晶需要一定的溫度范圍溫度范圍內(nèi)的每一溫度下只能結(jié)晶出一定數(shù)量的固相Cu-0.3Ni合金的冷卻曲線1313②結(jié)晶需要一定的溫度范圍Cu-0.3Ni合金的冷卻曲929393結(jié)晶過程中，溶質(zhì)原子重新分配一直在進行原子擴散合金成分C0溫度T1，液相成分C1，固相成分k0C1溫度T2，液相成分C2，固相成分k0C2C0溫度LaL+aC1C2k0C1k0C2T1T2濃度梯度圖3.8固溶體合金的平衡結(jié)晶溶質(zhì)濃度1414結(jié)晶過程中，溶質(zhì)原子重新分配一直在進行原子擴939494溫度T1的結(jié)晶過程:界面區(qū)域濃度梯度→原子擴散→C1↓C0′（非平衡X）晶體長大→C1平衡重新建立→濃度梯度→原子擴散→進一步長大→重復(fù)進行C0溫度LaL+aC1C2k0C1k0C2T1T2aLk0C1C0C1溶質(zhì)濃度aLk0C1C0’溶質(zhì)濃度aLk0C1C1溶質(zhì)濃度C0’aLk0C1C1溶質(zhì)濃度（a）（b）（c）（d）1515溫度T1的結(jié)晶過程:C0溫LaL+aC1C2k0C1949595溫度T2的結(jié)晶過程:界面區(qū)域濃度梯度→原子擴散→C改變（非平衡X）晶體長大→平衡重新建立→濃度梯度→原子擴散→進一步長大→重復(fù)進行aLk0C2C2溶質(zhì)濃度caLk0C2C1溶質(zhì)濃度C2k0C1aLk0C2溶質(zhì)濃度C2bC0溫度LaL+aC1C2k0C1k0C2T1T2aT31616溫度T2的結(jié)晶過程:aLk0C2C2溶質(zhì)濃度caLk959696固溶體的平衡結(jié)晶過程：固相成核相內(nèi)濃度梯度相內(nèi)擴散界面濃度不平衡晶體長大重新建立平衡固溶體的平衡結(jié)晶過程原子的擴散過程液相和固相均勻一致原子的擴散進行完全緩慢冷卻冷卻速度大相內(nèi)成分不均勻偏離平衡結(jié)晶條件（不平衡結(jié)晶）1717固溶體的平衡結(jié)晶過程：969797三、固溶體合金的不平衡結(jié)晶條件：液相完全均勻化，而固相內(nèi)卻來不及進行擴散。平衡：t1:t2:t3:不平衡t1:t2:t3:t4:固相平均成分線↑←冷卻速度↑圖3.11勻晶系合金的不平衡結(jié)晶1818三、固溶體合金的不平衡結(jié)晶圖3.11勻晶系合金的不979898晶內(nèi)偏析：晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。（枝晶偏析）圖3.12固溶體在不平衡結(jié)晶時的組織變化示意圖1919晶內(nèi)偏析：晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。（枝晶偏析）989999影響晶內(nèi)偏析的因素：1）分配系數(shù)k0

當(dāng)k01時，k0值越小，則偏析越大；當(dāng)k01時，k0越大，偏析也越大。

2）溶質(zhì)原子的擴散能力

結(jié)晶的溫度較高，溶質(zhì)原子擴散能力大，則偏析程度較??；反之，則偏析程度較大。

3）冷卻速度

冷卻速度越大，晶內(nèi)偏析程度越嚴重。（一般情況）小鑄件冷卻速度極快，過冷度很大，到t3才開始結(jié)晶成分均勻嚴重的晶內(nèi)偏析→機械性能↓，抗蝕能力↓消除晶內(nèi)偏析：擴散退火或均勻退火。高溫，長時間保溫，緩冷2020影響晶內(nèi)偏析的因素：99100100四、區(qū)域偏析和區(qū)域提純1、區(qū)域偏析（宏觀偏析）：大范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象液相擴散、對流、攪拌，成分均勻，固相無擴散為例：圖3.15區(qū)域偏析的形成過程2121四、區(qū)域偏析和區(qū)域提純圖3.15區(qū)域偏析的形成過100101101液相只有擴散，成分不均勻，固相無擴散為例：2222液相只有擴散，成分不均勻，固相無擴散為例：1011021021）水平直線a：平衡結(jié)晶，相內(nèi)溶質(zhì)原子充分混合。2）曲線c：不平衡結(jié)晶，固相中無擴散，液相中除了擴散之外，沒有對流或攪拌，即液相中的溶質(zhì)原子混合很差3）曲線b：不平衡結(jié)晶，固相中無擴散，液相成分可以借助擴散、對流或攪拌等完全均勻化。4）曲線d：介于b與c情況之間。23231）水平直線a：平衡結(jié)晶，相1021031032、區(qū)域提純依據(jù)區(qū)域偏析原理可以提純金屬。將雜質(zhì)富集的末端切去，然后再熔化，再順序凝固，金屬的純度就可不斷地得以提高。區(qū)域熔煉技術(shù)（區(qū)域提純）熔化區(qū)↓，效果↑k0↓，效果↑攪拌↑，效果↑24242、區(qū)域提純?nèi)刍瘏^(qū)↓，效果↑103104104五、成分過冷及其對晶體成長形狀的影響固溶體結(jié)晶→呈樹枝狀生長，還有的呈胞狀生長←成分過冷1、形成成分過冷的條件及其影響因素2525五、成分過冷及其對晶體成長形狀的影響104105105形成成分過冷臨界條件：G：實際溫度梯度，R：結(jié)晶速度，m：液相線斜率，D：液相中溶質(zhì)的擴散系數(shù)，k0：分配系數(shù)。形成成分過冷的條件影響成分過冷的因素：G，R，C01）對于同種合金：溫度梯度G↓，成分過冷↑。2）對于不同的合金：k01時k0↓，k01時，k0↑，液相線越陡,D↓，成分過冷↑。2626形成成分過冷臨界條件：1051061062、成分過冷對晶體成長形狀的影響1）在溫度梯度G1下，界面呈平面狀生長。2）在溫度梯度下G2，界面呈胞狀生長。3）在溫度梯度G3下，晶體以樹枝狀的方式長大。27272、成分過冷對晶體成長形狀的影響1061071072828107108108§3.2二元共晶相圖及其合金的結(jié)晶二元共晶相圖：兩組元在液態(tài)時相互無限互溶，在固態(tài)時有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相圖。例如：Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi等，F(xiàn)e-C、Al-Mg有共晶部分。共晶轉(zhuǎn)變：某一定化學(xué)成分的合金在一定溫度下，同時由液相中結(jié)晶出兩種不同成分和不同晶體結(jié)構(gòu)的固相的過程。共晶反應(yīng)：共晶組織由兩相混合組成，即α+?2929§3.2二元共晶相圖及其合金的結(jié)晶二元共晶相圖：兩108109109一、相圖分析液相線固相線溶解度曲線共晶反應(yīng)線共晶點共晶溫度共晶合金亞共晶合金過共晶合金相區(qū)：單相區(qū)雙相區(qū)三相共存區(qū)3030一、相圖分析109110110二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織1、成分小于M點的合金以Pb-0.1Sn為例（合金I）3131二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織110111111T>1，L1—2，L+α2—3，α3—4，α+脫溶（二次結(jié)晶）次生相（二次相）成分在F和M之間的合金，α和的相對含量：32321111121123333112113113組織黑色基體為α相白色顆粒為3434組織1131141142、共晶合金（合金II）w（Sn）=61.9%35352、共晶合金（合金II）w（Sn）=61.9%114115115TE：<TE:α++?+（

α+?

）和的含量：TE3636TE1151161163737116117117組織：呈層片狀交替分布，黑色為α相，白色為?相共晶組織（α+?）3838組織：呈層片狀交替分布，黑色為α相，白色為?相117118118共晶組織的形成：結(jié)晶過程形核領(lǐng)先相以α為例→界面富錫→?析出→界面富鉛長大兩相交替形核和長大，構(gòu)成共晶組織.α片與α片，?片與?片分別互相聯(lián)系，不需要反復(fù)形核，可能一“搭橋”方式形成。3939共晶組織的形成：1181191194040119120120影響共晶組織形態(tài)的因素：兩個組成相的本質(zhì)是其形態(tài)的決定性因素。金屬-金屬型：大多為層片狀或棒狀金屬-非金屬型：表現(xiàn)為針片狀或骨骼狀等。4141影響共晶組織形態(tài)的因素：兩個組成相的本質(zhì)是其形態(tài)的決1201211213、亞共晶合金成分在ME之間（合金Шw（Sn）=50%）42423、亞共晶合金成分在ME之間（合金Шw（Sn）=5121122122>1：L;1—2：L+α；2（TE）：兩相的成分分別達到M點和E點兩相的質(zhì)量分數(shù)：共晶反應(yīng)前α初晶又稱先共晶相（α

先）。TE:α

先+α+?<2:(α

先+）+（α+?）TE4343>1：L;1—2：L+α；2（TE）：兩相的成分分1221231234444123124124暗黑色樹枝狀晶為先共晶α相，其中的白色顆粒為析出的黑白相間分布的為共晶組織4545暗黑色樹枝狀晶為先共晶α相，其中的白色顆粒為析出的1241251254、過共晶合金成分在EN之間（合金Ⅳw（Sn）=70%）46464、過共晶合金成分在EN之間（合金Ⅳw（Sn）=7125126126>1:L;1—2：L+?；2:?先+α+?<2:(?先+）+（α+?）TE4747>1:L;1—2：L+?；2:126127127亮白色樹枝狀晶為先共晶?相，其中的黑色顆粒為析出的黑白相間分布的為共晶組織4848亮白色樹枝狀晶為先共晶?相，其中的黑色顆粒為析出的127128128小結(jié)：1）F-G點間合金：+，相的大小、數(shù)量和分布狀況發(fā)生很大變化；F-M點間合金：+II；N-G點間合金：+II。2）M-E點間亞共晶合金：+II+共晶組織（+）；E點共晶合金：共晶組織（+）；E-N點間過共晶合金：+II+共晶組織（+）3）、、II、II及（+）在顯微組織中均能清楚地區(qū)分開，是組成顯微組織的獨立部分，稱之為組織組成物。從相的本質(zhì)看，它們都是由和兩相所組成，所以、兩相稱為合金的相組成物。4949小結(jié)：1281291295050129130130合金組織組成物與相組成物的相對含量都可以用杠桿定律來計算例如：含錫量為30％的亞共晶合金在183℃共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，先共晶相和共晶組織(+)的含量分別為？相組成物相和相的含量分別為？5151合金組織組成物與相組成物的相對含量都可以用杠桿定律來130131131三、不平衡結(jié)晶及組織冷卻速度快→擴散不充分→偏離平衡狀態(tài)1、偽共晶由非共晶成分的合金經(jīng)不平衡結(jié)晶得到共晶組織.偽共晶區(qū)：形成全部共晶組織的成分和溫度范圍。當(dāng)液態(tài)合金過冷到兩條液相線的延長線所包圍的影線區(qū)時，就可得到共晶組織理論偽共晶區(qū)5252三、不平衡結(jié)晶及組織131132132實際偽共晶區(qū)：①對稱地擴大：金屬-金屬型共晶②歪斜地擴大：金屬-非金屬型共晶偽共晶區(qū)的形狀兩相單獨生長的長大速度與過冷度的關(guān)系。差別不大→對稱擴大；差別很大（一個相的長大速度隨過冷度的增加下降很快→生長被抑制）→偏向該相一邊

晶體結(jié)構(gòu)界面性質(zhì)5353實際偽共晶區(qū)：①對稱地擴大：金屬-金屬型共晶晶體結(jié)構(gòu)132133133Al-Si合金：共晶合金→快冷→亞共晶組織5454Al-Si合金：1331341342、離異共晶在先共晶相數(shù)量較多而共晶組織甚少的情況下，有時共晶組織中與先共晶相相同的那一相，會依附于先共晶相上生長，剩下的另一相則單獨存在于晶界處，從而使共晶組織的特征消失，這種兩相分離的共晶稱為離異共晶。平衡結(jié)晶（Ⅰ）：越靠近M（或N點）→離異共晶↑不平衡結(jié)晶（Ⅱ）：M點以左或N點以右55552、離異共晶在先共晶相數(shù)量較多而共晶組織甚少的情況下134135135離異共晶組織具有不良影響不平衡結(jié)晶產(chǎn)生的，經(jīng)均勻化退火后可變?yōu)槠胶鈶B(tài)的固溶體組織。5656離異共晶組織135136§3.4包晶相圖及其合金的結(jié)晶包晶相圖:兩組元在液態(tài)相互無限互溶、在固態(tài)相互有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合全系相圖。例如：Pt-Ag、Sn-Sb、Cu-Sn、Cu-Zn等。包晶轉(zhuǎn)變（包晶反應(yīng)）：在一定溫度下，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。136TD57§3.4包晶相圖及其合金的結(jié)晶包晶相圖:兩組元在液態(tài)相136137一、相圖分析液相線固相線溶解度曲線包晶反應(yīng)線包晶點包晶溫度相區(qū)：單相區(qū)雙相區(qū)三相共存區(qū)13758一、相圖分析58137138二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織1、w（Ag）=42.4%的Pt-Ag合金（合金Ⅰ）成分為D點>1:L1-D:L+αTD<TD:?+次生相TD59二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織TD138139601391402、成分在P-D之間點的Pt-Ag合金（合金Ⅱ）>1:L1-2:L+αTD反應(yīng)結(jié)束，α過剩<2:++II+IITD612、成分在P-D之間點的Pt-Ag合金（合金Ⅱ）TD140141621411423、成分在D-C之間點的Pt-Ag合金（合金Ⅲ）>1:L1-2:L+αTD反應(yīng)結(jié)束，L過剩2-3：L→?3-4:?<4:+IITD633、成分在D-C之間點的Pt-Ag合金（合金Ⅲ）TD14214364143144設(shè)wAg20%的合金II進行包晶轉(zhuǎn)變時，L和的相對含量？