《工程材料》合金的結(jié)晶

3.2.1二元合金相圖的建立名稱A金屬B金屬晶格類型bccbcc熔點(diǎn)高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%3.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶過程比純金屬復(fù)雜，常用相圖進(jìn)行分析.相圖是用來表示合金系中各合金在緩冷條件下結(jié)晶過程的簡明圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。合金系是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。組元是指組成合金的最簡單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素。但對于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組元,如Fe-C合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相圖L成分（wt%Ni）溫度（℃）CuNiCu-Ni合金相圖相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。根據(jù)組元數(shù),分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。Fe-C二元相圖三元相圖二元相圖的建立幾乎所有的相圖都是通過實(shí)驗(yàn)得到的，最常用的是熱分析法。熱分析法相圖的建立時(shí)間溫度90705030AB溫度A溫度B溫度abab:液相線ab

:固相線LL+SSL:液相區(qū)S:固相區(qū)L+S:液固共存區(qū)AB溫度TLTSTnbacABabLS溫度3.2.2二元合金相圖的基本類型（一）勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固態(tài)均無限互溶的二元合金系所形成的相圖。（如Cu-NiCu-AuAu-AgFe-Ni等）a、b：純組元A、B的熔點(diǎn)液相線：acb固相線：adb兩個(gè)單相區(qū)：L、α一個(gè)兩相區(qū)：L+α1、相圖分析銅-鎳合金勻晶相圖CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+純銅熔點(diǎn)純鎳熔點(diǎn)液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)銅鎳合金相圖相區(qū)分析

相圖分析(點(diǎn)、線、區(qū))

兩點(diǎn)：純組元的熔點(diǎn)兩線：L,S相線三區(qū)：L,α,L+α。2、平衡結(jié)晶過程分析相圖由兩條線構(gòu)成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個(gè)相區(qū)，液相線以上為液相區(qū)L，固相線以下為固溶體區(qū)，兩條線之間為兩相共存的兩相區(qū)（L+）。

LL+成分（wt%Ni）溫度（℃）CuNi液相線固相線合金的結(jié)晶過程除純組元外，其它成分合金結(jié)晶過程相似，以Ⅰ合金為例說明。當(dāng)液態(tài)金屬自高溫冷卻到t1溫度時(shí)，開始結(jié)晶出成分為1的固溶體，其Ni含量高于合金平均成分LL+隨溫度下降，固溶體重量增加，液相重量減少。同時(shí)，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)。勻晶反應(yīng)成分變化是通過原子擴(kuò)散完成的。當(dāng)合金冷卻到t3時(shí)，最后一滴L3成分的液體也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，此時(shí)

固溶體的成分又變回到合金成分3上來。液固相線不僅是相區(qū)分界線,也是結(jié)晶時(shí)兩相的成分變化線；勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變。

杠桿定律處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量?，F(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：①確定兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為x，過x做成分垂線。在成分垂線相當(dāng)于溫度t

的o點(diǎn)作水平線，其與液固相線交點(diǎn)a、b所對應(yīng)的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。12t則

QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程組得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的長度。②確定兩平衡相的相對重量設(shè)合金的重量為1，液相重量為QL，固相重量為Q。因此兩相的相對重量百分比為：兩相的重量比為：上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比。在杠桿定律中，杠桿的支點(diǎn)是合金的成分，杠桿的端點(diǎn)是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相區(qū)。例（如圖）合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻條件下才能得到成分均勻的固溶體。但實(shí)際冷速較快，結(jié)晶時(shí)固相中的原子來不及擴(kuò)散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點(diǎn)元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點(diǎn)元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。

枝晶偏析在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析。不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析會影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長時(shí)間保溫，以使原子充分?jǐn)U散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴(kuò)散退火。Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織平衡組織枝晶偏析組織2、二元共晶相圖當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶,并發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱作共晶相圖。以Pb-Sn相圖為例進(jìn)行分析。Pb-Sn合金相圖成分（wt%Sn）溫度（℃）PbSn共晶反應(yīng)⑴相圖分析①相：相圖中有L、、三種相,是溶質(zhì)Sn在

Pb中的固溶體，是溶質(zhì)Pb在Sn中的固溶體。②相區(qū)：相圖中有三個(gè)單相區(qū)：L、、；三個(gè)兩相區(qū)：

L+、L+、+；一個(gè)三相區(qū)：即水平線CED。AB④固溶線:溶解度點(diǎn)的連線稱固溶線。相圖中的CF、DG線分別為Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶線。固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。③液固相線：液相線AEB，固相線ACEDB。A、B分別為Pb、Sn的熔點(diǎn)。AB在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變稱作共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。。

⑤共晶線：水平線CED叫做共晶線。在共晶線對應(yīng)的溫度下（183

℃），E點(diǎn)成分的合金同時(shí)結(jié)晶出C點(diǎn)成分的固溶體和D點(diǎn)成分的固溶體，形成這兩個(gè)相的機(jī)械混合物：LE

?(C+D)AB共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機(jī)械混合物稱共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點(diǎn)稱共晶點(diǎn)。Pb-Sn共晶組織共晶體長大示意圖Sn原子擴(kuò)散Pb原子擴(kuò)散具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點(diǎn)以左的合金稱亞共晶合金，位于共

晶點(diǎn)以右的合金稱過共晶合金。凡具有共晶線成分的合金液體冷卻到共晶溫度時(shí)都將發(fā)生共晶反應(yīng)。L+CDAB共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機(jī)械混合物稱共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點(diǎn)稱共晶點(diǎn)。Pb-Sn共晶組織共晶體長大示意圖Sn原子擴(kuò)散Pb原子擴(kuò)散⑵合金的結(jié)晶過程①含Sn量小于C點(diǎn)合金(Ⅰ合金)的結(jié)晶過程在3點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出單相固溶體，這種直接從液相中結(jié)晶出的固相稱一次相或初生相。.2溫度降到3點(diǎn)以下，固溶體被Sn過飽和，由于晶格不穩(wěn)，開始析出（相變過程也稱析出）新相—相。由已有固相析出的新固相稱二次相或次生相。形成二次相的過程稱二次析出,是固態(tài)相變的一種。H由于二次相析出溫度較低，一般十分細(xì)小。室溫下Ⅱ的相對重量百分比為：由析出的二次用Ⅱ

表示。隨溫度下降，

和

相的成分分別沿CF線和DG線變化，Ⅱ的重量增加。Ⅰ合金室溫組織為

+Ⅱ

。成分大于D點(diǎn)合金結(jié)晶過程與Ⅰ合金相似，室溫組織為

+

Ⅱ

。ABCDEFG②共晶合金(Ⅱ合金)的結(jié)晶過程液態(tài)合金冷卻到E點(diǎn)時(shí)同時(shí)被Pb和Sn飽和,發(fā)生共晶反應(yīng)：LE?(C+D)

。19.2wt%Sn溫度,℃1’析出過程中兩相相間形核、互相促進(jìn)、共同長大，因而共晶組織較細(xì)，呈片、棒、點(diǎn)球等形狀。共晶組織形態(tài)

層片狀(Al-CuAl2定向凝固)條棒狀(Sb-MnSb橫截面)螺旋狀（Zn-Mg）Pb-Sn共晶組織共晶組織形態(tài)針狀共晶樹枝狀共晶放射狀共晶螺旋狀共晶在共晶轉(zhuǎn)變過程中，L、

、三相共存,三個(gè)相的量在不斷變化，但它們各自成分是固定的。共晶組織中的相稱共晶相.共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，和相的相對重量百分比為：E(61.9)D(97.5)C(19.2)共晶結(jié)束后，隨溫度下降，和的成分分別沿CF線和DG線變化，并從共晶

中析出Ⅱ

，從共晶中析出Ⅱ

，由于共晶組織細(xì)，Ⅱ與共晶結(jié)合，

Ⅱ與共晶

結(jié)合，共晶合金的室溫組織仍為(+)共晶體。室溫下兩相的相對重量百分比是多少？Pb-Sn共晶合金組織③亞共晶合金(Ⅲ合金)的結(jié)晶過程合金液體在2點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變。冷卻到2點(diǎn)，固相成分變化到C點(diǎn)，液相成分變化到E點(diǎn),

此時(shí)兩相的相對重量為：在2點(diǎn)，具有E點(diǎn)成分的剩余液體發(fā)生共晶反應(yīng)：

L?(+)

，轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織，共晶體的重量與轉(zhuǎn)變前的液相重量相等,即QE=QL反應(yīng)結(jié)束后，在共晶溫度下、

兩相的相對重量百分比為：溫度繼續(xù)下降，將從一次

和共晶

中析出Ⅱ，從共晶

中析出Ⅱ。其室溫組織為Ⅰ+(+)+Ⅱ。亞共晶合金的結(jié)晶過程如何求室溫下三種組織組成物的相對重量？④過共晶合金結(jié)晶過程與亞共晶合金相似，不同的是一次相為

,二次相為Ⅱ室溫組織為Ⅰ+(+)+Ⅱ。Pb-Sn合金的結(jié)晶過程共晶白口鑄鐵結(jié)晶亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶⑶組織組成物在相圖上的標(biāo)注組織組成物是指組成合金顯微組織的獨(dú)立部分。Ⅰ和Ⅰ,Ⅱ和Ⅱ,共晶體(+)都是組織組成物。相與相之間的差別主要在結(jié)構(gòu)和成分上。組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上。如Ⅰ

、Ⅱ和共晶的結(jié)構(gòu)成分相同，屬同一個(gè)相，但它們的形態(tài)不同，分屬不同的組織組成物。將組織組成物標(biāo)注在相圖中，可使所標(biāo)注的組織與顯微鏡下觀察到的組織一致。Pb-Sn亞共晶組織組織組成物在相圖上的標(biāo)注3、二元共析相圖

高溫形成的固溶體，在冷卻至某一溫度時(shí)，固溶體又將發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成兩種成分一定且不相同的新的固相。這種相圖稱為二元共析相圖。共析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，由成分一定的固相同時(shí)析出兩種成分一定且不相同的新固相的轉(zhuǎn)變，稱為共析轉(zhuǎn)變（或共析反應(yīng)）。cd+e恒溫共析反應(yīng)共析相圖與共晶相圖相似，對應(yīng)的有共析線(PSK線)、共析點(diǎn)(S點(diǎn))、共析溫度、共析成分、共析合金(共析成分合金)、亞共析合金(共析線上共析點(diǎn)以左的合金)、過共析合金(共析線上共析點(diǎn)以右的合金)。鐵碳合金相圖共析鋼結(jié)晶LL＋+時(shí)間溫度LL(+)1231233’共析轉(zhuǎn)變示意圖共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析體（鐵碳合金中的共析體稱珠光體），也是兩相的機(jī)械混合物（鐵素體+滲碳體)。與共晶反應(yīng)不同的是，共析反應(yīng)的母相是固相，而不是液相。另外，由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過冷度大，因而共析組織比共晶組織細(xì)。珠光體二元相圖的分析步驟實(shí)際二元相圖往往比較復(fù)雜，可按下列步驟進(jìn)行分析。⒈分清相圖中包括哪些基本類型相圖⒉確定相區(qū)⑴相區(qū)接觸法則相鄰兩個(gè)相區(qū)的相數(shù)差為1⑵單相區(qū)的確定①液相線以上為液相區(qū)；Fe-Fe3C相圖②

靠純組元的封閉區(qū)是以該組元為基單相固溶體區(qū)；③

相圖中的垂線可能是穩(wěn)定化合物（單相區(qū)），也可能是相區(qū)分界線；④

相圖中部出現(xiàn)的成分可變的單相區(qū)是以化合物為基的單相固溶體區(qū)；⑤

相圖中每一條水平線必定與三個(gè)單相區(qū)點(diǎn)接觸。Cu-Zn相圖+⑶兩相區(qū)的確定：兩個(gè)單相區(qū)之間夾有一個(gè)兩相

區(qū)，該兩相區(qū)的相由兩相鄰單相區(qū)的相組成。⑷三相區(qū)的確定：二元相圖中的水平線是三相區(qū)，其三個(gè)相由與該三相區(qū)點(diǎn)