第三章合金的結(jié)構(gòu)與相圖

本章目的：1討論合金中的相概念及其類型；2介紹各種類型的基本二元相圖；3說明相圖與合金性能間的對應(yīng)關(guān)系第三章二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖1組元、相、組織、組織組成物等基本概念；2固溶體和化合物的本質(zhì)區(qū)別和性能特點；3掌握分析相圖的基本方法；4正確運用杠桿定律。

本章要求合金:

一種金屬元素與另一種或幾種其它元素，經(jīng)熔煉或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。Pb-Sn合金,鋼（Fe-C）,錫青銅(Cu-Sn(<14%)）§1合金的相結(jié)構(gòu)組元——組成合金最基本的、能獨立存在的物質(zhì)。

Fe-C合金：Fe(組元一)-Fe3C(組元二)合金系——由給定的組元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金系統(tǒng)。例：Fe-C:90%Fe-10%C、80%Fe-20%C、50%Fe-50%C、20%Fe-80%C根據(jù)組元數(shù)分為：

二元合金、三元合金、多元合金。什么是組元？、什么是合金系？合金相

——指合金中結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一，并有界面與其他部分分開的均勻組成部分。(phase)金屬或合金均由相構(gòu)成——單相合金、多相合金。

——用α、β、γ、δ、η、θ等表示什么是合金相？純鐵中的相：α-Fe；鋼中的相：鐵素體(α)＋滲碳體(Fe3C)；純鐵0.45%C鋼α相α相Fe3C相純鐵、鋼中的相

相結(jié)構(gòu)，實指合金的晶體結(jié)構(gòu)（一）固溶體

合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且晶格類型與組元之一相同的固相稱之為固溶體。（二）金屬化合物

定義：合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相稱之為金屬化合物。一、相的分類（一）固溶體1、固溶體的分類

**按溶質(zhì)原子在晶格中所占的位置分類

置換固溶體（1）置換固溶體—

溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點所形成的固溶體——代位固溶體

90％Cu-10％Ni合金二合金的相結(jié)構(gòu)例：C固溶于α－Fe中形成間隙固溶體┗鐵素體C固溶于γ－Fe中形成間隙固溶體┗奧氏體——

溶質(zhì)原子填入溶劑晶格的空隙位置所形成的固溶體。間隙固溶體（2）間隙固溶體（1）有限固溶體——溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定的限度，超過這個限度就不再溶解，這個限度稱為固溶度。

（2）無限固溶體——溶質(zhì)原子能以任意比例溶入溶劑，固溶度可達到100%。**按固溶度分類1．原子尺寸因素當溶劑、溶質(zhì)原子直徑尺寸相對差小于±15％時，有大的代位溶解度。2．電負性因素電負性：元素的原子獲得或吸引電子的相對傾向——可以用元素在元素周期表中的位置衡量——溶劑、溶質(zhì)的電負性差越小，代表彼此間化學親和力越小，不易形成化合物，則溶解度越大。3.晶體結(jié)構(gòu)因素溶劑、溶質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)類型相同時的固溶度往往大于不同晶體結(jié)構(gòu)類型時。影響置換固溶體固溶度的因素有哪些？4．電子濃度因素固溶體的電子濃度有一極限值，超過該極值固溶體不穩(wěn)定而易形成新相——溶質(zhì)在溶劑中的固溶度受電子濃度控制。體現(xiàn)在兩個方面：(1)原子價效應(yīng)——同一溶劑金屬，溶質(zhì)的原子價越高，溶解度越小。銅在鋅、鍺、砷(2、4、5價)中的最大固溶度依次為38.5%,11.8%,7%(at%)；(2)相對價效應(yīng)——高價溶質(zhì)溶入低價溶劑時的溶解度高于相反的情況。Cu為1價，Zn為2價，Cu在Zn中的最大固溶度為23.5%(at%)，Zn在Cu中最大固溶度達38.5%;——固溶體的電子溶度無論增大或減小都有一定限度，減少比增大更敏感地促進結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。當溶質(zhì)與溶劑的原子半徑之比小于0.59時，可能形成間隙固溶體。如小原子的碳(0.077nm)、氮(0.071nm)、另氧、氫、硼等非金屬原子。特點：a.同樣會引起點陣畸變；b.溶解度與原子大小和溶劑的晶格類型有關(guān)；F.C.C中>B.C.C中；c.間隙固溶體只能是有限固溶體。間隙固溶體形成條件

(1)保持著溶劑的晶格類型；(2)晶格發(fā)生畸變

3固溶體的結(jié)構(gòu)特點（1）固溶體強硬度高于組成它的純金屬，塑韌性低于組成它的純金屬;（2）物理性能方面，隨著溶質(zhì)原子的↑，固溶體的電阻率↑，電阻溫度系數(shù)↓，導熱性↓。4固溶體的性能

——固溶體中隨著溶質(zhì)原子的加入，強度、硬度升高，塑性、韌性降低的現(xiàn)象——金屬材料的主要強化手段或途徑之一

例如：南京長江大橋采用廉價的16Mn，其中含1.2%~1.6%Mn，抗拉強度較相同碳含量的普通碳素鋼提高60％；什么是固溶強化？

(1)

溶質(zhì)與溶劑原子相差越大，溶質(zhì)原子濃度越高，所引起的晶格畸變越大，固溶強化效果越大；(2)

間隙原子的強化效果比置換原子的大。因為間隙原子引起的點陣畸變大。（3）綜合機械性能好。適當控制溶質(zhì)含量，不僅可以顯著提高材料強硬度，而且材料的塑韌性不會明顯降低。**固溶強化的特點（1）結(jié)構(gòu)材料的基體相；（2）精密電阻、電熱材料等

材料種類σb(MPa)HBSΨ(%)純Cu2204470Cu+19%Ni單相固溶體3907050固溶體的應(yīng)用1正常價化合物形成條件——金屬元素與周期表中非金屬性較強的第Ⅳ、V、Ⅵ族元素所組成，服從原子價規(guī)律.結(jié)合鍵——金屬鍵與離子鍵、共價鍵。①組元之間的電負性差決定了結(jié)合鍵類型和穩(wěn)定性。電負性差越大越穩(wěn)定——離子鍵結(jié)合；電負性差越小越不穩(wěn)定——金屬鍵結(jié)合。②可用分子式表達，有AB、AB2(或A2B)、A3B2等類型。包括從離子鍵、共價鍵過渡到金屬鍵為主的一系列化合物。(二)、金屬化合物晶體結(jié)構(gòu)——通常對應(yīng)于同類分子式的離子化合物的晶體結(jié)構(gòu)類型。如：NaCl型、ZnS型、CaF2型應(yīng)用：——如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、MnS等，┗鋁合金強化相，┗鋼材夾雜物?！^高的硬度和脆性，有色金屬的強化相。(二)、金屬化合物形成條件——由第Ⅰ族或過渡族金屬元素與第Ⅱ至第Ⅴ族金屬元素形成的金屬化合物。①不遵守原子價規(guī)律，而是按照一定電子濃度的比形成的化合物。②可以用化學式表示，但成分可變，可看作是以化合物為基的固溶體。結(jié)合鍵——電子化合物中原子之間多為金屬鍵結(jié)合，是所有化合物中金屬性最強的。2電子化合物晶體結(jié)構(gòu)——取決于合金的電子濃度，

一定的電子濃度對應(yīng)一定的晶體結(jié)構(gòu)。例：電子濃度為3/2(21/14)時——體心立方晶格，β相電子濃度為21/13時——復雜立方晶格，稱為γ相電子濃度為7/4(21/12)時——密排六方晶格，ε相——有序化現(xiàn)象，又稱超結(jié)構(gòu)例如FeAl

(Al：36.5%～50％atm);

Fe3Al;

——有序化現(xiàn)象其它：Ni3Al;CuZn;CuAl——有序化又稱超結(jié)構(gòu)性能及應(yīng)用

——熔點和硬度都很高，脆性很大，但塑性很低，與其他金屬化合物一樣，不適于作為合金的基體相——有色金屬的強化相——間隙化合物主要受組元的原子尺寸因素控制，通常由過渡族金屬與原子甚小的非金屬元素H、N、C、B形成化合物。r非/r金<0.59時，形成簡單結(jié)構(gòu)的化合物——間隙相（H、N、C）r非/r金>0.59時，形成復雜晶體結(jié)構(gòu)的化合物——間隙化合物。（B、C）3間隙相和間隙化合物

(1)間隙相

形成條件——r非/r金<0.59時性能——極高的熔點和硬度，但很脆，通常具有明顯的金屬特性(金屬的光澤、較高的導電性、正的電阻溫度系數(shù))用途——硬質(zhì)合金和高硬度工模具的重要組織組成。例如——VC;TiC;W2C

結(jié)合鍵——共價鍵+金屬鍵晶體結(jié)構(gòu)——簡單面心立方、體心立方、簡單六方、密排六方四種晶格類型(2)間隙化合物合金鋼中常有M3C型(Fe3C、Mn3C)、M7C3型(Cr7C3)、M23C6型(Cr23C6)、M6C型(Fe3W3C、Fe4W2C)等，另——(Fe、Mn)3C；Fe3(C、N)等——合金滲碳體。形成條件——r非/r金>0.59時（B、C）結(jié)合鍵——共價鍵+金屬鍵晶體結(jié)構(gòu)——復雜性能——較高的熔點和硬度，但不如間隙相用途——鋼中的重要強化相。例如——Cr、Mn、Fe的碳化物Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C

解釋間隙固溶體和間隙相的含義，并加以比較。為什么固溶體的強度常比純金屬高?

共性：兩者中的合金組元都在間隙位置，本身尺寸很小。不同點：在晶體結(jié)構(gòu)上，間隙固溶體為固溶體，保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)，且溶解度很低；間隙相是金屬化合物，其晶體結(jié)構(gòu)與各組元的結(jié)構(gòu)均不同，且A、B原子數(shù)成比例。在結(jié)合鍵上，間隙固溶體主要為金屬鍵，而間隙相中主要為離子鍵和共價鍵，包含一定量金屬鍵。

性能上，間隙固溶體韌、塑性好；間隙相硬、塑性差。因合金中兩類原子尺寸不同，引起點陣畸變，阻礙位錯運動，造成固溶強化。

純金屬中溶入另一組元后(假設(shè)不產(chǎn)生新相)會帶來哪些微觀結(jié)構(gòu)上的變化?這些變化如何引起性能上的變化?

引起點陣畸變，點陣常數(shù)會改變；有時會產(chǎn)生局部偏聚或有序，甚至出現(xiàn)超結(jié)構(gòu)。在力學性能方面：產(chǎn)生固溶強化使強度提高，塑性降低；在物理性能方面：通常導電、導熱性下降，電阻一般增大，導電率、傳熱系數(shù)等下降。固溶體間隙固溶體置換固溶體有限固溶體無序固溶體有限固溶體無限固溶體無序固溶體有序固溶體小結(jié)金屬化合物正常價化合物電子化合物間隙化合物間隙相間隙式金屬化合物

給定的合金系究竟以什么狀態(tài)(相)存在，包含哪些相，這由內(nèi)、外因條件決定，外因是溫度和壓力，內(nèi)因則是化學成分?！孟鄨D來表示它們之間的關(guān)系。

幾個概念：

相圖:表示合金系中的狀態(tài)(相)與溫度，成分之間關(guān)系的圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖

相變：相與相之間的轉(zhuǎn)變；

§3二元合金相圖的建立

合金系統(tǒng)在一定的外界條件下(溫度、壓力)，經(jīng)歷任意長時間后，合金中各相的成分都是均勻、不變的，且各相的相對重量也不變，則各相處于平衡狀態(tài)，稱之為相平衡；這時的相稱為這種條件下的平衡相。如純鐵，在常壓下：1538℃以上——L為平衡相。在1538℃時——L和δ相兩相平衡狀態(tài)相平衡與平衡相

在常壓下，直角坐標系；合金成分；溫度；相狀態(tài)。一、二元相圖的表示方法成分線組元組元結(jié)晶或相變起始點結(jié)晶或相變終止點B點相狀態(tài):α單相Cu-Ni二元合金相圖LαL+αA點相狀態(tài):L+α兩相二、二元相圖的建立熱分析法；金相法；膨脹法；電阻法等。熱分析法三、相圖的計算Gibbs自由能和平衡相平衡關(guān)系的描述—相圖相平衡的條件：相圖描述的是熱力學平衡狀態(tài)，其基本任務(wù)是求出各個溫度下體系達到平衡后各相的平衡成分。依據(jù)熱力學原理，體系在恒溫恒壓下達到平衡的條件是：體系總摩爾吉布斯自由能G達最小：相平衡的判據(jù)：任一組元在各相中的化學勢均相等：固溶體的Gibbs自由能根據(jù)熱力學關(guān)系式：固溶體α的Gibbs自由能：相平衡的判據(jù)：任一組元在各相中的化學勢均相等。如何求化學勢？化學位（勢）：自由能曲線上固溶體成分點的切線在A、B軸上的截距。(1)公切線法則：多相平衡的成分范圍和平衡相的成分點，可以通過對多相的自由能曲線作公切線來求取獲得。切點成分就是給定溫度下的平衡成分，成分位于公切點之間的合金，處于多相平衡。原因：切點成分滿足同一組元在各相中化學位相等——多相平衡的條件。(2)公切線意義——代表了兩相合金的吉布斯自由能y1y2x0xxPE當X<x時：單相穩(wěn)定當X>x時：單相穩(wěn)定x<X<x時：

、兩相共存PE線的意義：從相中析出的驅(qū)動力。相圖的熱力學來源一、勻晶相圖

1定義：兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶的二元合金相圖。如Cu―Ni、Ag―Au、Cr―Mo等合金系2相圖分析3合金結(jié)晶過程4相律5二元相圖的杠桿定律§4典型相圖分析點：A-純Cu理論熔點;B-純Ni理論熔點線：AB-液相線;

AB-固相線；

區(qū)間：兩個單相區(qū)：L

相、α相一個兩相區(qū)：L+α相區(qū)α液相線

固相線

Cu―Ni二元相圖冷卻曲線勻晶轉(zhuǎn)變式：L→α

T>t1:L(100%)T=t1:L→α(開始)注：

L(100%)+α(0%)

T=t2:L→α注：L+α

T=t4:L→α(結(jié)束)注：L(0%)+α(100%)

T<t4:α(100%)k成分合金結(jié)晶過程分析單相區(qū):

實際座標點兩相區(qū):液(固)相成分在溫度水平線與液(固)相線的交點處相成分判定方法(1)表征了各成分合金的結(jié)晶起始(終止)溫度;(2)表征了各溫度下液固兩相達到平衡時液(固)相的成分液(固)相線的意義4相律（P73～74）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。數(shù)學表達式：f=c-p+2系統(tǒng)自由度系統(tǒng)組元數(shù)平衡相數(shù)恒壓條件下：f=c-p+1***二元合金系最多存在三相平衡***二元合金系相鄰相區(qū)的相數(shù)相差1証明:設(shè)液相質(zhì)量為WL，固相的質(zhì)量為Wα，則合金的總質(zhì)量為WL+Wα有:WLCL+WαCα=(WL+Wα)CWα(Cα-C)=WL(C-CL)arb5杠桿定律用于確定二元相圖中兩相區(qū)各相的相對含量

若將合金成分C的r點看做支點，將WL、Wα看做作用于a和b的力，則相當于力學中的杠桿定律——形象的比喻。Wα=(ar/ab)W0

WL=(rb/ab)W0

——杠桿定律只適用于二元相圖的兩相區(qū)arb與純金屬相比,

固溶體結(jié)晶特點：(1)

異分結(jié)晶

結(jié)晶出的晶體與母相化學成分不同，這種結(jié)晶稱為~或選擇結(jié)晶。(2)

結(jié)晶需要在一定的溫度范圍內(nèi)進行

6固溶體合金的結(jié)晶特點結(jié)論：（1）勻晶轉(zhuǎn)變式：L→α；（2）單相區(qū)相成分與合金原始成分一致，即坐標點成分；兩相區(qū)成分：液相成分在液相線上，固相成分在固相線上；（3）與純金屬不同，合金的結(jié)晶過程是在一定溫度范圍內(nèi)進行的，不同溫度下兩平衡相的成分不相同，量也不同，兩相的相對量可依據(jù)杠桿定律計算得出。固溶體合金凝固的必要條件熱力學條件—具有一定的過冷度結(jié)構(gòu)條件—結(jié)構(gòu)起伏形成晶胚能量起伏—克服由于界面增加導致的形核功成分起伏—完成新相形成所要求的成分變化平衡凝固：凝固過程中固相和液相始終保持平衡成分，即固相和液相的整體成分分別沿著固相線和液相線變化?！仨氃诜浅Ｂ睦鋮s速度下才能實現(xiàn)。

當冷卻速度稍大時，在每個溫度間隔的固相的成分不可能擴散均勻，即固相的整體成分不可能達到平衡成分——非平衡凝固。平衡凝固與非平衡凝固

7枝晶偏析注意：(1)固液界面上固相和液相的成分維持平衡成分;(2)固相中平均的成分偏離了平衡成分。冷卻速度越高，這種偏離越大。——同一溫度下，非平衡凝固的固相量比平衡凝固的固相量少；非平衡凝固完全凝固的溫度比平衡凝固完全凝固的溫度低。現(xiàn)象：枝晶內(nèi)部化學成分不均勻枝晶偏析在固溶體實際結(jié)晶中，冷卻過程非無限緩慢，固溶體中擴散不完全，導致開始結(jié)晶的枝晶內(nèi)部中心區(qū)域與邊部區(qū)域化學成分不均勻——稱之為枝晶偏析，也叫顯微偏析或晶內(nèi)偏析。什么是枝晶偏析（1）平衡分配系數(shù)k0k0=kα/kL

一定溫度下液固兩平衡相中的溶質(zhì)濃度之比值。k0>1k0<1影響晶內(nèi)偏析的因素k0<1時,k0越大偏析越小;k0>1時,k0越小偏析越小。——實質(zhì)是與液相線和固相線間的水平距離或成分間隔有關(guān)，間隔越小，偏析越小。

——晶內(nèi)偏析對合金的機械性能不利?？捎酶邷財U散退火(固相線下100~200℃)的方法減輕或消除——又稱均勻化退火（2）溶質(zhì)原子擴散能力：擴散能力大偏析?。?）冷卻速度：一般V小，偏析小但V過大時，因晶粒細小而成分均勻1定義：兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)時相互有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相圖稱為二元共晶相圖。Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi等合金系相圖都是二元共晶相圖。

共晶轉(zhuǎn)變式：L

（液）→α（固）+β（固）二二元共晶相圖2相圖分析EABCDFG相區(qū)：單相區(qū)：L、α、β兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β三相區(qū)：L+α+β共晶轉(zhuǎn)變式：LEαM+βN液相線:

AEB

；固相線:

ACEDB固溶體溶解度線：FC,GD共晶線：CED

水平線；共晶點：E

點3結(jié)晶過程分析(1)成分Ⅰ(共晶成分)結(jié)晶過程EABCDFGⅠ冷卻曲線結(jié)晶過程示意圖E:共晶點(包含共晶的成分與溫度)共晶轉(zhuǎn)變式：LE→αC+βDEABCDFGⅠLLLEαC+βDLE

αF+βG——實際轉(zhuǎn)變過程復雜注意：(1)共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(α+β)多相鄰間隔協(xié)同長大，稱為共晶體或共晶組織；αC→αF+βGβD→βG+αFαβαβ(2)共晶體中隨后析出的二次相多依附于原共晶體生長，故往往觀察不到。EABCDFGⅡ亞共晶成分：C~E亞共晶轉(zhuǎn)變式：L→αc+(αC+βD)α+LαC+LE

αC+(αC+βD)L成分ⅡαF+βG+(αF+βG)先共晶相共晶體(組織)βⅡ(2)成分Ⅱ(亞共晶成分)結(jié)晶過程EABCDFGⅢL+β(LE+

βD

)(αC+βD)+βDL成分Ⅲ(αF+βG)+βG過共晶成分：E~D過共晶轉(zhuǎn)變式：βD+(αC+βD)先共晶相共晶組織(3)成分Ⅲ(過共晶成分)結(jié)晶過程EABCDFG——成分Ⅳ為勻晶轉(zhuǎn)變(A-C;D-B)Ⅳ(4)成分Ⅳ(勻晶成分)結(jié)晶過程L→α(L

+α

)αF+βGL成分Ⅳαα→β其它形狀共晶相圖4合金的組織構(gòu)成EABCDFG亞共晶合金：α

+β成分在F~G之間的合金均由α+β相構(gòu)成；但不同合金中兩相的形成過程與形貌各不相同。共晶合金與過共晶合金呢？(α先共晶和α共晶)

(βⅡ和β共晶)各成分合金的組織構(gòu)成EABCDFGα先共晶+βⅡ+(α+β)共晶β先共晶+αⅡ+(α+β)共晶(α+β)共晶αⅠ+βⅡβⅠ+αⅡαⅠ共晶體(共晶組織)定義：

由共晶反應(yīng)形成的細密的兩相或多相機械混合物5共晶組織形態(tài)共晶組織形態(tài)層片狀棒狀針狀球狀螺旋狀蛛網(wǎng)狀放射狀Pb-Sn共晶合金Pb-Sn亞共晶合金Pb-Sn過共晶合金Pb-Sn合金的顯微組織共析轉(zhuǎn)變關(guān)系式γ→α＋β

——一個固相中同時析出兩個新的固相共析轉(zhuǎn)變穩(wěn)定化合物的相區(qū)呈直線如：Mg2SiFe3C6二元共晶中的不平衡結(jié)晶——偽共晶概念：由非共晶成分的合金凝固后得到的100%共晶組織稱為偽共晶組織。——非平衡凝固的條件下原因：兩個固相都具有過冷度，從熱力學考慮，兩個相可以同時結(jié)晶而獲得共晶(偽共晶)組織。影線區(qū)為共晶的共生區(qū)。合金的成分越接近共晶成分，就越容易得到偽共晶組織。形成條件：液態(tài)合金過冷到液相線延長包圍的區(qū)域。7離異共晶當先共晶相的相對量很大(即共晶體的相對量很小時)，在形成共晶時，共晶中不是先共晶相的那個相不易依附先共晶相形核，因而使先共晶相繼續(xù)發(fā)展，把本應(yīng)屬于共晶那部分也占去了，共晶中的另一相分布在先共晶相晶粒邊界上，從而失去共晶的形貌，這類組織稱為離異共晶組織。非平衡凝固成分線為什么在Al-2%Cu及Al-5%Cu合金晶界上發(fā)現(xiàn)有離異共晶組織？C0C1L+βL+αα+β三包晶相圖及其合金的結(jié)晶包晶反應(yīng)：L+→包晶反應(yīng)溫度為TP，CP成分點稱包晶點。在平衡凝固條件下，在CPC范圍的成分都可能發(fā)生包晶反應(yīng)。LβLL+→LβC0LLLC0——包晶轉(zhuǎn)變往往不完全，具有非平衡特性。LL四、固溶體凝固時的成分過冷及對晶體成長形態(tài)的影響固溶體凝固中，在k0<1，時：遠離界面的液相成分為合金的成分固相成分低于合金成分→排出溶質(zhì)原子界面前沿液相中溶質(zhì)原子濃度升高固液界面的前沿存在溶質(zhì)原子的再分布理論過冷度實際過冷度界面前沿溶質(zhì)原子濃度分布由溶質(zhì)分布決定的凝固溫度界面前沿實際溫度分布成分過冷的形成：純金屬凝固時，Tm不變，當T<Tm時引起過冷，液體的過冷度完全取決于實際溫度分布，這種過冷稱為熱過冷。由溶質(zhì)分布決定的凝固溫度成分過冷熱過冷界面前沿實際溫度分布成分過冷的概念合金凝固時，由于液相中溶質(zhì)分布發(fā)生變化(即液相成分變化)而改變了凝固溫度(具體由相圖中的液相線來確定)，將界面前沿液體中的實際溫度低于溶質(zhì)分布所決定的凝固溫度時產(chǎn)生的過冷，稱為成分過冷。成分為C0液相的凝固溫度原為正溫度梯度現(xiàn)為負溫度梯度

成分過冷程度取決于兩個因素：

一、液固界面前沿液體中的溶質(zhì)濃度分布，二、實際溫度分布。成分過冷對凝固前沿溫度梯度有影響。G1G2G3G：液固界面前沿液相中的實際溫度梯度當G≥G1時：——為正的溫度梯度G2時——存在小的成分過冷,結(jié)晶前沿存在很窄的負溫度梯度；G3時：——存在大的成分過冷,結(jié)晶前沿存在很寬的負溫度梯度成分過冷對凝固前沿溫度梯度的影響。成分過冷對晶體生長形態(tài)的影響：

純金屬凝固時須在負的溫度梯度下才得到樹枝狀組織。

固溶體凝固時在負的溫度梯度時，成分過冷使負的溫度梯度加大——樹枝晶固溶體凝固時在正的溫度梯度下，由于凝固界面液相中不可避免存在成分過冷，并隨著成分過冷度由小到大，其界面生長形態(tài)將從平直界面向胞狀和樹枝狀發(fā)展。

a.無成分過冷時，界面的微小凸起會立即消失，從而維持平面生長；b.窄成分過冷區(qū)間，界面微小凸起引起溶質(zhì)在凸起溝槽內(nèi)密集，進而使熔點下降，抑制凸起橫向生長速度并形成一些由低熔點溶質(zhì)匯集區(qū)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)狀溝槽，凸起前端受成分過冷區(qū)窄的限制，不能自由生長，最后發(fā)展為胞狀晶生長；c.成分過冷區(qū)較寬時，胞狀晶生長方向垂直于固-液界面，隨著界面前方的成分過冷區(qū)逐漸加寬，胞狀晶生成成柱狀枝晶；d.當成分過冷區(qū)很大時，固-液界面前方成分過冷的最大值大于熔體中非均質(zhì)生核大量生核的過冷度，在柱狀樹枝晶由外向內(nèi)生長的同時，界面前方這部分熔體將發(fā)生大量生核，形成方向各異、生長方向尺寸相近的等軸樹枝晶。成分過冷對界面形貌的影響四相圖與合金性能之間的關(guān)系（一）機械性能和物理性能固溶體強硬度較純金屬高純金屬導電性較固溶體高線性共晶成分附近性能突變（二）鑄造性能鑄造缺陷：

偏析、疏松、縮孔等——結(jié)晶的溫度范圍、成分范圍越大，偏析、縮孔等越嚴重。鑄造性能取決于結(jié)晶區(qū)間：液固相線之間距離越大(溫度和成分的間距)，鑄造性能越差。流動性好偏析傾向小減少分散縮孔→為集中縮孔偏析傾向——純金屬、共晶體鑄造性能最好（三）鍛造、壓力加工及切削加工性能單相固溶體的鍛造與壓力加工性能較佳，但切削加工性能不好；合金為兩相混合物時，切削加工性能較好，但鍛造與壓力加工性能較差?？傮w：單相固溶體不宜制作鑄件而適于承受壓力加工；鑄造材料應(yīng)當選用共晶體盡可能多的合金關(guān)于相構(gòu)成與組織構(gòu)成小結(jié)二元合金相圖相圖的熱力學原理—相律相圖的分析與使用二元合金的凝固過程分析固溶體的凝固共晶反應(yīng)包晶反應(yīng)平衡凝固過程杠桿定律非平衡凝固過程成分分布、組織形態(tài)第三章習題與思考題1解釋下列名詞：合金組元相組織2什么是固溶體？什么是金屬間化合物？二者在結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用上各有何不同？3什么是固溶強化？該強化方式有何特點？Mn和C在鋼中的強化效果哪個大？為什么？4有形狀相同的兩個Cu-Ni合金鑄件，一個含50％Ni，一個含10％Ni，鑄件自然冷卻后，哪一個鑄件的偏析嚴重？5為什么鑄造合金常選用共晶成分的合金？6討論：Pb-Sn合金相圖如下所示：(1)試標出各區(qū)域的組織；(2)指出組織中含最多和最少的成分；(3)指出組織中含共晶體（α＋β）最多和最少的成分，(4)指出最容易和最不容易產(chǎn)生枝晶偏析的成分；(5)含30％Sn的Pb-Sn合金在183℃剛結(jié)束共晶反應(yīng)時和室溫時，各具有何種相構(gòu)成與組織構(gòu)成？3根據(jù)右圖填出：水平線反應(yīng)式為

；

為有限固溶體；

為無限固溶體；固相線為

，固溶線為

。4看右圖，請寫出反應(yīng)式和相區(qū)：ABC

；DEF

；GHI

；①

；②

；③

；④

；⑤

；⑥

；例題1：計算Pb-30%Sn合金在平衡冷卻條件下室溫時的相構(gòu)成與組織構(gòu)成，以及共晶體中各相所占的比例。EABCDFG4相組成：α+βEABCDFG4(α+β)αⅠβⅡ組織構(gòu)成：αⅠ+βⅡ+(α+β)故實際：中共晶轉(zhuǎn)變剛結(jié)束時：

5Pb—Sn合金相圖如下圖所示。(1)試標出各區(qū)域的組織；(2)指出組織中含βⅡ最多和最少的成分；(3)指出組織中含共晶體(α+β)最多和最少的成分；(4)最容易和最不容易產(chǎn)生枝晶偏析的成分6知組元A(Tm=600℃)與組元B(Tm=500℃)在液態(tài)無限互溶；在固態(tài)300℃時A溶于B的最大溶解度為30％，室溫時為10％；但B不溶于A；在300℃時，含40％B的液態(tài)合金全部發(fā)生共晶反應(yīng)。請作出A－B合金相圖及填寫組織組成物的A－B合金相圖。ⅠⅠ7請根據(jù)所附二元共晶相圖分析解答下列問題：（1）分析合金I、II的平衡結(jié)晶過程，并繪出冷卻曲線；（2）說明室溫下I、II的相和組織是什么？并計算出相和組織的相對含量；（3）如果希望得到共晶組織和5%的β初的合金，求該合金的成分；（4）分析在快速冷卻條件下，I、II兩合金獲得的組織有何不同。(4)快速冷卻條件下:合金I:可能出現(xiàn)少量共晶組織，共晶體可能以離異共晶形式出現(xiàn)；合金II：初晶β的量少于平衡狀態(tài)，當冷卻速度足夠大，甚至初晶β消失而獲得全部偽共晶組織。7請根據(jù)所附二元共晶相圖分析解答下列問題：（1）分析合金I、II的平衡結(jié)晶過程，并繪出冷卻曲線；合金I：L相首先通過勻晶轉(zhuǎn)變逐漸析出α相，到達共晶溫度后液相全部消失，繼續(xù)降溫過程中由于α相中B組元溶解度的下降，從α相中析出二次β相，到達室溫時，獲得α相+βII，合金II：L相首先通過勻晶轉(zhuǎn)變逐漸析出β相，到達共晶溫度后除β相外尚有液相殘留，且液相滿足共晶成分點，故L相通過共晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)?α+β)共晶體，繼續(xù)降溫過程中β相不再發(fā)生變化，而共晶體中的α相會析出一定量β相，但不會影響共晶體形態(tài)；到達室溫時獲得：β先共晶+(α+β)共晶TτTτ8什么是固溶體?影響固溶度的因素有哪些?固溶體與其純?nèi)軇┙M元相比，其結(jié)構(gòu)、力學性能和物理性能發(fā)生了哪些變化?固溶體是溶質(zhì)原子以原子態(tài)溶入溶劑點陣中組成的單一均勻固體；溶劑的點陣類型被保留。影響固溶度的因素有：1．原子尺寸因素。當溶劑、溶質(zhì)原子直徑尺寸相對差小于±15％時，有大的代位溶解度。2．電負性因素。溶劑、溶質(zhì)的電負性差越小溶解度越大。3．電子濃度因素。固溶體的電子濃度有一極限值，超過該極值固溶體不穩(wěn)定而易形成新相，因此溶質(zhì)在溶劑中的固溶度受電子濃度控制。4.晶體結(jié)構(gòu)因素。溶劑、溶質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)類型相同時的固溶度往往大于不同晶體結(jié)構(gòu)類型時。固溶體的結(jié)構(gòu)變化：點陣畸變，點陣常數(shù)變化，偏聚及短程有序，甚至形成有序固溶體。在力學性能方面：產(chǎn)生固溶強化使強度提高，塑性降低；在物理性能方面：通常導電、導熱性下降，電阻一般增大，導電率、傳熱系數(shù)等下降。9從結(jié)構(gòu)、鍵性、性能等方面比較間隙固溶體和間隙相。純金屬中溶入另一組元后(假設(shè)不會產(chǎn)生新相)會帶來哪些微觀結(jié)構(gòu)上的變化?為什么固溶體的強度常比純金屬高?10相同過冷度下比較均勻形核與非均勻形核的臨界半徑、臨界形核功、臨界晶核體積，哪個大?合金凝固時的液／固界面前沿通常比純金屬液／固界面前沿更容易出現(xiàn)過冷?為什么?典型的金屬(如鐵)和典型的非金屬(如硅，石墨)在液相中單獨生長時的形貌差異是什么?

臨界半徑相同；臨界形核功是均勻形核時高；臨界晶核體積也是均勻形核時大。合金界面前沿會出現(xiàn)組成過冷，即界面前溶質(zhì)的富集改變了局部區(qū)域的熔點，所以更易出現(xiàn)過冷。因兩者分別是粗糙型(鐵)和光滑型界面(硅等)，前者是外形均勻的等軸晶或枝晶，后者為規(guī)則多邊形、有棱角的形狀。11列舉三種增加凝固過程中核心