材料科學(xué)基礎(chǔ)第五章材料的相結(jié)構(gòu)及相圖

材料科學(xué)基礎(chǔ)第五章材料的相結(jié)構(gòu)及相圖第1頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五

第一節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)第二節(jié)二元相圖及其類型第三節(jié)復(fù)雜相圖分析第四節(jié)相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)第五節(jié)三元系相圖及其類型第2頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五合金：根據(jù)性能要求，選用兩種或兩種以上金屬元素或金屬與非金屬元素，經(jīng)熔煉或燒結(jié)等方法形成具有金屬性能的材料稱為合金。例如：Fe-C鋼鐵；Cu-Zn銅合金；Mg合金；Al合金；Ni基合金等。第3頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)相：是合金中具有同一聚集狀態(tài)，同一晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成部分。根據(jù)相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為兩大類：固溶體中間相第4頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五以合金中某一組元作為溶劑，其它組元為溶質(zhì)，所形成的與溶劑有相同晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)稍有變化的固相，稱為固溶體。1.固溶體第5頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五固溶體的類型按溶質(zhì)原子在溶劑晶體中所占位置間隙固溶體置換固溶體按固溶度的大小無限固溶體有限固溶體按溶質(zhì)原子與溶劑原子的相對(duì)分布情況有序固溶體無序固溶體第6頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（1）置換固溶體溶質(zhì)原子溶劑原子溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體第7頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五尺寸因素

溶質(zhì)原子半徑與溶劑原子半徑之差越大，一個(gè)溶質(zhì)原子引起的點(diǎn)陣畸變能就越大，溶質(zhì)原子能溶入溶劑中的數(shù)量就越少，固溶體的溶解度就越小。相反就越大。（1）置換固溶體溶質(zhì)與溶劑可以有限互溶也可以無限互溶，其溶解度與以下幾個(gè)因素有關(guān)：第8頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五尺寸因素

第9頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五晶體結(jié)構(gòu)因素

組元間晶體結(jié)構(gòu)相同時(shí)，固溶度一般都較大，而且有可能形成無限固溶體。若不同只能形成有限固溶體。第10頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五電負(fù)性差因素兩元素間電負(fù)性差越小，越易形成固溶體，且形成的固溶體的溶解度越大；隨兩元素間電負(fù)性差增大，固溶度減小。1）電負(fù)性差值ΔX<0.4~0.5時(shí)，有利于形成固溶體2）ΔX>0.4~0.5，傾向于形成穩(wěn)定的化合物第11頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五電子濃度因素電子濃度的定義是合金中各組成元素的價(jià)電子數(shù)總和與原子總數(shù)的比值，記作e/a。電子濃度有一極限，超過這一極限，固溶體就不穩(wěn)定，會(huì)形成新相。第12頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（2）間隙固溶體溶質(zhì)原子溶劑原子溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙所形成的固溶體，溶質(zhì)原子不占據(jù)晶格的正常位置。溶質(zhì)原子一般是半徑小于0.1mm的非金屬元素

例如：H（0.046nm）；O（0.061nm）；N（0.071nm）；C（0.077nm）；B（0.097nm）第13頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五無論是置換固溶體還是間隙固溶體，均能引起固溶體的硬度、強(qiáng)度升高。對(duì)置換式固溶體，溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大，溶質(zhì)原子的濃度越高，其強(qiáng)化效果就越大。由于溶質(zhì)原子的固溶而引起的強(qiáng)化效應(yīng)，稱為固溶強(qiáng)化。注意：第14頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五2.中間相兩組元間的相對(duì)尺寸差、電子濃度及電負(fù)性差都有一溶限，當(dāng)溶質(zhì)原子的加入量超過此溶限時(shí)便會(huì)形成一種新相，這種新相稱為中間相。中間相一般具有較高的熔點(diǎn)及硬度，可使合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性及熱腐蝕性提高。按中間相形成時(shí)起主要作用的因素分類：正常價(jià)化合物；電子化合物；尺寸因素化合物第15頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五符合原子價(jià)規(guī)則的化合物，在AmBn中，正離子的價(jià)電子數(shù)恰好使負(fù)離子具有穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)。(1)正常價(jià)化合物例如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、MgS、MnS等金屬元素與周期表中的ⅣA，ⅤA，ⅥA元素形成正常價(jià)化合物。有較高的硬度，脆性很大。第16頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五正常價(jià)化合物的分子式只有AB，A2B或AB2兩種。常見類型：(1)正常價(jià)化合物NaCl型（面心立方）CaF2型（面心立方）閃鋅礦型（立方ZnS）硫鋅礦型（六方ZnS）第17頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五正常價(jià)化合物其穩(wěn)定性與兩組元的電負(fù)性差值大小有關(guān)，電負(fù)性差值越大，穩(wěn)定性越高，愈接近離子鍵合，反之趨向于金屬鍵合。正常價(jià)化合物包括從離子鍵、共價(jià)鍵過渡到金屬鍵為主的一系列化合物，通常具有較高的強(qiáng)度和脆性，固溶度范圍極小，在相圖上為一條垂直線。(1)正常價(jià)化合物Mg—Si相圖Mg2Si第18頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五由ⅠB族或過渡金屬元素與ⅡB，ⅢB，ⅣB族元素形成的金屬化合物。不遵守化合價(jià)規(guī)律，晶格類型隨化合物電子濃度而變化。(2)電子化合物電子濃度為3/2時(shí)：呈體心立方結(jié)構(gòu)（b相）；電子濃度為21/13時(shí)：呈復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)（g相）；電子濃度為21/12時(shí)。呈密排六方結(jié)構(gòu)（e相）；第19頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五它們的形成主要是電子濃度起主導(dǎo)作用。也與尺寸因素及組元的電負(fù)性差有一定關(guān)系。溶點(diǎn)及硬度較高，脆性大。(2)電子化合物合金系 中間相 電子濃度e/a晶體結(jié)構(gòu) Cu-Zn系 β（CuZn）3/2體心立方

gCu5Zn8）21/13 復(fù)雜立方

ε（CuZn3） 7/4 密排六方 Cu-Al系 β（Cu3Al） 3/2體心立方

g（Cu32Al19） 21/13復(fù)雜立方

ε（Cu5Al3） 7/4 密排六方 Cu-Sn系 β（Cu5Sn） 3/2 體心立方

g（Cu31Sn8） 21/13 復(fù)雜立方

ε（Cu3Sn） 7/4 密排六方第20頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五這類中間相的形成主要受組元的相對(duì)尺寸所控制。尺寸差別越大，造成的晶格畸變就越大，畸變能也就越高。(3)尺寸因素化合物分類：間隙化合物；拉弗斯（Laves）相第21頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五間隙化合物由原子半徑較大的過渡族金屬元素和原子半徑較小的非金屬元素H，B，C，N，Si等形成的金屬間化合物間隙化合物通?？捎靡粋€(gè)化學(xué)式表示，并具有特定的結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)往往不同于純組元的結(jié)構(gòu)，而是取決于非金屬元素X與過渡族金屬元素M的原子半徑比。第22頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五間隙化合物當(dāng)原子半徑比小于0.59時(shí)，形成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的間隙化合物，并具有簡(jiǎn)單的化學(xué)式。如體心立方，面心立方，密排六方，簡(jiǎn)單立方當(dāng)原子半徑比大于0.59時(shí)，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的間隙化合物。如鋼中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。Fe3C稱為滲碳體，具有復(fù)雜的斜方晶格。當(dāng)原子半徑比等于0.23時(shí)，非金屬原子占據(jù)過渡族金屬結(jié)構(gòu)的四面體間隙；而當(dāng)原子半徑比在0.41和0.59之間時(shí)，非金屬原子占據(jù)過渡族金屬結(jié)構(gòu)則占據(jù)八面體間隙。第23頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五間隙化合物表5-3簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的間隙化合物成分范圍簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的間隙化合物雖然可以用化學(xué)式表示，但其化學(xué)成分可在一定范圍內(nèi)變化第24頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五間隙化合物表5-4鋼中常見的間隙化合物間隙化合物的鍵型不完全是金屬鍵，而大多數(shù)是不同程度的金屬鍵與共價(jià)鍵的混合與雜交?？梢姶祟惢衔镄纬蓵r(shí)，電負(fù)性因素也起了一定作用。第25頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五間隙化合物表5-5鋼中常見間隙化合物的硬度及熔點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的具有極高的硬度及熔點(diǎn)，是合金工具鋼和硬質(zhì)合金的重要組成相。第26頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五間隙化合物相同點(diǎn)：非金屬原子以間隙的方式進(jìn)入晶格。間隙化合物和間隙固溶體的異同點(diǎn)不同點(diǎn)：間隙化合物：間隙化合物中的金屬組元大多與自身原來的結(jié)構(gòu)類型不同間隙固溶體：間隙固溶體中的金屬組元仍保持自身的晶格結(jié)構(gòu)第27頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五拉弗斯（Laves）相當(dāng)組元間原子尺寸之差處于間隙化合物與電子化合物之間時(shí)，會(huì)形成拉弗斯相。拉弗斯相：借大小原子排列的配合而實(shí)現(xiàn)的密排結(jié)構(gòu)。通式AB2，A和B均為金屬原子A：大原子；B：小原子rA/rB的理論比值為1.225rA/rB的實(shí)際比值為1.05-1.068第28頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五拉弗斯（Laves）相Laves相三種類型MgCu2型

MgZn2型

MgNi2型第29頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五拉弗斯（Laves）相①M(fèi)gCu2型：立方晶系。每個(gè)晶胞有24個(gè)原子。Mg原子形成閃鋅礦型的結(jié)構(gòu)（8個(gè)）；Cu原子形成四面體(16個(gè))。每個(gè)鎂原子有4個(gè)近鄰鎂原子和12個(gè)近鄰銅原子；每個(gè)銅原子有6個(gè)近鄰的銅原子和6個(gè)近鄰的鎂原子。MgCu第30頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五拉弗斯（Laves）相②MgZn2型：六方晶系。Mg原子形成硫鋅礦結(jié)構(gòu)；Zn原子形成四面體。每個(gè)Mg原子有4個(gè)近鄰Mg原子和12個(gè)近鄰Zn原子。

每個(gè)Zn原子有6個(gè)近鄰Zn原子和6個(gè)近鄰Mg原子。第31頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五拉弗斯（Laves）相③MgNi2型：六方晶系。介于MgCu22之間的結(jié)構(gòu)。第32頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)二元相圖及其類型相圖(phasediagram)：是一種能夠描述給定材料系中材料（合金）成分、溫度（壓力）與其組織狀態(tài)之間關(guān)系的圖形。利用相圖可以：1可以了解各種成分材料（合金）的熔點(diǎn)和發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度；2用于研究材料（合金）的凝固過程和凝固后的組織；3是制定材料（合金）熔鑄、壓力加工、熱處理工藝的重要依據(jù)；4相圖是在平衡條件下測(cè)得的，也叫平衡狀態(tài)圖。第33頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)二元相圖及其類型平衡凝固過程(equilibriumsolidification)：指在極緩慢凝固過程中，每個(gè)階段都能達(dá)到平衡的結(jié)晶過程相律：描述材料在不同條件下相平衡狀態(tài)所遵循的法規(guī)，是理解、分析相圖十分重要的理論依據(jù)。注意：相圖和相律只在熱力學(xué)平衡條件下成立。相圖和相律不能反映各平衡相的結(jié)構(gòu)、分布狀態(tài)及具體形貌。第34頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五一、相圖的基本知識(shí)1.相圖的形式和種類：溫度-濃度圖（T-x）溫度-壓力-濃度圖（T-p-x）溫度-壓力圖（T-p）第35頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五單元系相圖：

T-p圖水的狀態(tài)示意圖PT水冰氣二元系相圖：

T-p-x圖，常固定壓強(qiáng)p，即T-x圖TAABXSL℃B%S+L第36頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五三元系相圖：

考慮5個(gè)變量（三種組元A、B、C，溫度T和壓力p）。常固定壓強(qiáng)p，即T-x（A、B、C）圖，三棱柱模型第37頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五2.相律（phaserule）：描述系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度之間關(guān)系的法則。Gibbs相律(Gibbsphaserule)：f=C-P+2f：自由度數(shù)目(thenumberofdegreesoffreedom)；C：給定材料的組元數(shù)(thenumberofcomponents)；P：共存的平衡相數(shù)(thenumberofequilibriumphases)；2：壓力、溫度自由度在恒壓條件下：f=C–P+1第38頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五Gibbs相律(Gibbsphaserule)的應(yīng)用：純金屬(puremetal)：C=1，P=2時(shí)，f=0；兩相共存時(shí)自由度為零（恒溫下轉(zhuǎn)變）

C=1，P=1時(shí)，f=1；單相時(shí)自由度為1（在一定的溫度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)變）二元系(binarysystem)：C=2，P=3時(shí)，f=0；只有三相共存時(shí)自由度為零（恒溫下轉(zhuǎn)變）

C=2，P=2時(shí)，f=1；

兩相共存時(shí)自由度為1（在一定的溫度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)變）第39頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五相律在相圖中的應(yīng)用C

P

f二元系2三元系3單相合金，成分和溫度都可變兩相平衡，成分、相對(duì)量和溫度等因素中只有一個(gè)獨(dú)立變量三相平衡，三相的成分、相對(duì)量及溫度都確定單相合金其中兩個(gè)組元的含量及溫度三個(gè)因素均可變兩相平衡，兩相的成分、數(shù)量及溫度中有兩個(gè)獨(dú)立變量三相平衡，所有變量中只有一個(gè)是獨(dú)立變量四相平衡所有因素都確定不變12312342103210含義第40頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五3.二元相圖建立：

二元系(binarysystem)由于合金有成分(composition)變化，所以其相圖（phasediagram）需用縱、橫兩個(gè)坐標(biāo)軸表示，縱軸表示溫度，橫軸表示成分。即T-x或T-w圖如果合金系由A、B兩組元組成，橫坐標(biāo)一端為組元A，而另一端為組元B，那么體系中任一成分合金都可以在橫坐標(biāo)上找到相應(yīng)的點(diǎn)。第41頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五二元合金相圖的成分有兩種表示方法：

質(zhì)量分?jǐn)?shù)(W)和摩爾分?jǐn)?shù)(x)。成分表示方法通常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)(W)表示，在沒有特別注明時(shí)，合金成分都是指質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。第42頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五質(zhì)量分?jǐn)?shù)(W)和摩爾分?jǐn)?shù)(x)可以進(jìn)行換算成分表示方法第43頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五相圖的建立有實(shí)驗(yàn)測(cè)定和理論計(jì)算兩種方法。

二元相圖的測(cè)定是根據(jù)各種成分材料的臨界點(diǎn)（criticalpoint）繪制。

(1)動(dòng)態(tài)法：熱分析法、膨脹法、電阻法

(2)靜態(tài)法：金相法、X-ray衍射分析法這些方法主要是利用合金在相結(jié)構(gòu)變化時(shí)，引起物理性能、力學(xué)性能及金相組織變化的特點(diǎn)來測(cè)定。臨界點(diǎn)是表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化的臨界相變點(diǎn)。測(cè)定材料臨界點(diǎn)有兩種方法類型：第44頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五Cu-Ni相圖測(cè)定以熱分析法為例說明如何測(cè)繪Cu-Ni相圖，其步驟如下：

1.

配制一系列不同成分的Cu-Ni合金。2.熔化均勻后測(cè)出所配合金及純Cu、純Ni的冷卻曲線。3.確定合金的凝固溫度。求出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)。

純Cu、純Ni的冷卻曲線上有一平臺(tái)，表示其在恒溫

下凝固。合金的冷卻曲線上沒有平臺(tái)，而為二次轉(zhuǎn)

折，溫度較高的折點(diǎn)表示凝固的開始溫度，而溫度

低的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)凝固的終結(jié)溫度。4.將各臨界點(diǎn)分別投到對(duì)應(yīng)的合金成分、溫度坐標(biāo)中，

連接各相同意義的臨界點(diǎn)(開始點(diǎn)或終了點(diǎn)）。每個(gè)

臨界點(diǎn)在二元相圖中對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)。5.填寫相區(qū)即得到Cu-Ni合金的二元相圖。第45頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五熱分析裝置示意圖溫度-時(shí)間記錄儀恒溫器（0℃）電爐電源熱電偶第46頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五熱分析法測(cè)繪Cu-Ni相圖冷卻曲線Cu-Ni相圖第47頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五熱分析法測(cè)繪Cu-Ni相圖冷卻曲線Cu-Ni相圖第48頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五二元相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)Cu-Ni相圖CuNi溫度點(diǎn)：其坐標(biāo)值反映一個(gè)給定合金的成分和溫度。根據(jù)點(diǎn)所在的相區(qū)，可以確定該合金在該溫度下所

處的狀態(tài)（有哪些相）。線：液相線：由凝固開始溫度連接起來的線。固相線：由凝固終了溫度連接起來的線。第49頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五二元相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)若三相共存、f=0，T和成分都不變，屬恒溫轉(zhuǎn)變。Cu-Ni相圖CuNi溫度相區(qū)：相圖中由相界線劃分出來的區(qū)域稱為相區(qū)（phaseregions），表明在此范圍內(nèi)存在的合金的平衡相類型和數(shù)目。在二元合金系中有單相區(qū)、兩相區(qū)、三相區(qū)。單相區(qū)內(nèi)：f=2，T和成分都可變。雙相區(qū)內(nèi)：f=1，T和成分只有一個(gè)可以獨(dú)立變化。L+SLS第50頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五杠桿定律根據(jù)相律，二元系兩相平衡共存時(shí)，f=c-p+1=1若T一定，則f=0，說明兩平衡相的成分也隨之而定。杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度時(shí)兩相的成分點(diǎn)，而支點(diǎn)為合金的成分點(diǎn)。ABab溫度LSL+So

第51頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五杠桿定律abQL×ao=

QS×bo或QL／QS

=bo/aoo

QLQSABab溫度LSL+So

第52頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五應(yīng)用：杠桿定律僅適應(yīng)于平衡相圖的兩相區(qū)(1)確定兩平衡相的成分(濃度)。(2)確定兩平衡相的相對(duì)量。杠桿定律第53頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五二、一元系相圖相律：f=c-p+2水的狀態(tài)示意圖PT水冰氣=1-p+2=3-p單相狀態(tài)時(shí)：f=2即溫度和壓力均可獨(dú)立變動(dòng)兩相狀態(tài)時(shí)：f=1即溫度或壓力只有一個(gè)可獨(dú)立變動(dòng)三相狀態(tài)時(shí)：f=0即溫度和壓力均固定不能變動(dòng)第54頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五gLSiO2相平衡圖第55頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化純鐵相圖Lg第56頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五三、二元系相圖1.勻晶相圖2.共晶相圖3.包晶相圖4.其他類型的二元系相圖第57頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五1.勻晶相圖勻晶反應(yīng)：由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的反應(yīng)。勻晶相圖：只發(fā)生勻晶反應(yīng)的相圖。特點(diǎn)：

兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限互溶。晶體結(jié)構(gòu)相同，原子半徑（離子半徑）相近

舉例：Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、Fe-Ni、

Cr-Mo、Fe-Cr等；第58頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五1.勻晶相圖給定成分的合金，在給定溫度下，處于平衡的兩個(gè)相的成分都已完全確定，不能任意的改變。此時(shí)兩相的成分（濃度）和相對(duì)含量都可以由杠桿定律確定。第59頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五ABTLSL+SABTLSL+SABTLSL+S1.勻晶相圖（1）勻晶相圖的三種類型組元在液、固態(tài)均無限互溶具有極大點(diǎn)具有極小點(diǎn)第60頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（2）固溶體的平衡結(jié)晶過程平衡結(jié)晶過程：在及其緩慢冷卻過程中，每個(gè)階段都能達(dá)到平衡的結(jié)晶過程。固溶體的結(jié)晶過程：形核和長(zhǎng)大過程。形核方式：均勻形核，非均勻形核。第61頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（2）固溶體的平衡結(jié)晶過程Cu-Ni勻晶相圖Cu-Ni合金冷卻曲線及結(jié)晶過程示意圖CuNiTLSL+S第62頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（2）固溶體的平衡結(jié)晶過程Cu-Ni勻晶相圖及平衡結(jié)晶過程溫度t1時(shí)：結(jié)晶開始。S相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，實(shí)際固相并未形成。溫度t2時(shí)：固相結(jié)晶出。溫度t3時(shí)：結(jié)晶結(jié)束。第63頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五固溶體與純金屬結(jié)晶的不同之處：（1）固溶體結(jié)晶是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成的，而純金屬結(jié)晶是在恒溫下完成的。（2）合金結(jié)晶過程中，結(jié)晶出的固相與共存液相的成分不同，這種結(jié)晶稱為選分結(jié)晶。而純金屬在結(jié)晶過程中，固相與液相的成分始終是相同的。第64頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（3）勻晶系的不平衡結(jié)晶工業(yè)生產(chǎn)中合金溶液澆注后的冷卻速度較快，在每一溫度下不能保持足夠的擴(kuò)散時(shí)間，使凝固過程偏離平衡條件，稱為非平衡結(jié)晶。非平衡結(jié)晶得到的組織稱為不平衡組織（non-equilibriummicrostructure）。第65頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（3）勻晶系的不平衡結(jié)晶第66頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（3）勻晶系的不平衡結(jié)晶1.固相、液相的平均成分變化偏離固相線、液相線，其偏離程度與冷速有關(guān)。冷速↑，偏離程度↑；冷速↓，偏離程度↓，越接近于平衡條件。但L/S界面濃度變化依然沿液固相線變化。液相線的偏離程度較固相線小。2.先結(jié)晶部分含有較多的高熔點(diǎn)組元(B)，后結(jié)晶部分含有較多的低熔點(diǎn)組元(A)。3.結(jié)晶的滯后性。非平衡結(jié)晶條件下，結(jié)晶完成的溫度低于平衡結(jié)晶時(shí)的溫度。第67頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（3）勻晶系的不平衡結(jié)晶

固溶體不平衡結(jié)晶時(shí)，由于先后從液體中結(jié)晶出來的固相成分不同，并因冷速較快而不能擴(kuò)散均勻,結(jié)果使每個(gè)晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分不均勻(先結(jié)晶部分含高熔點(diǎn)組元較多，后結(jié)晶部分含低熔點(diǎn)組元較多，在晶粒內(nèi)部存在著濃度差別)，這種現(xiàn)象稱為晶內(nèi)偏析。由于工業(yè)用合金固溶體通常以枝晶狀方式結(jié)晶，枝晶軸（干）含高熔點(diǎn)組元多，而枝晶間含低熔點(diǎn)的組元多，導(dǎo)致先結(jié)晶的枝干和后結(jié)晶的枝間成分不同，故亦稱枝晶偏析。第68頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（3）勻晶系的不平衡結(jié)晶晶內(nèi)偏析的影響：對(duì)合金的力學(xué)性能（mechanicalproperty）影響較大。容易導(dǎo)致合金塑性（plasticity）、韌性（toughness）下降；易引起晶間腐蝕（corrosion）；降低合金的抗蝕性能。第69頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五樹枝狀晶體生長(zhǎng)示意圖

第70頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五樹枝狀晶體生長(zhǎng)示意圖

第71頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五枝晶偏析第72頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五鋼錠中的樹枝狀晶體第73頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五高溫合金中的樹枝狀晶體第74頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五Ni-Ta-Mn-Cr合金的樹枝狀界面第75頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五枝晶偏析程度大小與鑄造時(shí)冷卻條件、原子的擴(kuò)散能力，相圖形狀有密切關(guān)系:(1)在其它條件不變時(shí)，V冷↑，晶內(nèi)偏析程度↑。(2)偏析元素的擴(kuò)散能力↓，相圖上液固相線間隔↑，形成枝晶偏析的傾向↑。枝晶偏析是不平衡冷卻產(chǎn)物，在熱力學(xué)上不穩(wěn)定，可通過均勻化退火(擴(kuò)散退火）來消除。均勻化退火(擴(kuò)散退火)：將鑄件加熱到低于固相線100～200℃的溫度，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間保溫，使偏析元素充分進(jìn)行擴(kuò)散，以達(dá)到成分均勻化的目的。第76頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五共晶轉(zhuǎn)變(eutecticreaction):某一成分的液相，在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成份不同的固相的轉(zhuǎn)變。所得到兩固相的混合物稱為共晶組織(eutecticstructure)。Le→α+β共晶相圖(eutecticphasediagram):具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖共晶溫度(eutectictemperature):發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度。共晶點(diǎn)(theeutecticpoint)或共晶成分:發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的液相成分點(diǎn)E。2.共晶相圖第77頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五液相線：αe、be固相線：αm、bn共晶相圖αebmnPbSnfg三個(gè)單相區(qū)：L、α、β三個(gè)兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β。三個(gè)兩相區(qū)的接觸線men為共晶反應(yīng)線，此線表示三相共存區(qū)mf為Sn在Pb中的固溶度曲線ng為Pb在Sn中的固溶度曲線e點(diǎn):共晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)Le→α+β恒溫進(jìn)行，三相成分固定不變第78頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五共晶相圖的特點(diǎn)：液態(tài)下兩組元能無限互溶，固態(tài)下只能部分互溶(形成有限固溶體或化合物)，甚至有時(shí)完全不溶，并具有共晶轉(zhuǎn)變。屬于二元共晶相圖的合金有：Pb－Sn、Pb－Sb、Al－Si、Al－Cu、Mg－Si、Al－Mg等。PbSnABLL+αL+βα+β第79頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五端(部)固溶體合金亞共晶合金過共晶合金共晶合金根據(jù)相變特點(diǎn)和組織特征共晶系合金分為四類：共晶相圖αebmnPbSnfgⅠⅡⅢⅣ第80頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五(1)端部固溶體合金:m點(diǎn)與f點(diǎn)之間的合金結(jié)晶過程Ⅰ：

L→L+α→α→α+βⅡ

勻晶反應(yīng)＋脫溶轉(zhuǎn)變(二次析出)室溫組織：α+βⅡ

共晶相圖αebmnPbSnfgⅠβⅡ:二次相（次生相）wβⅡ=(wx-wf)/(wg-wf)*100%第81頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五(1)端部固溶體合金Ⅰ的平衡結(jié)晶過程共晶相圖αebmnPbSnfgⅠ第82頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五端部固溶體合金Ⅰ的平衡結(jié)晶顯微組織500×第83頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五(2)亞共晶合金:m點(diǎn)與e點(diǎn)之間的合金結(jié)晶過程Ⅱ：L→L+α→L+α+（α+β）共→α+(α+β)共→α+βⅡ+(α+β)

共勻晶反應(yīng)＋共晶反應(yīng)＋脫溶轉(zhuǎn)變室溫組織:α+βⅡ+(α+β)共

共晶相圖αebmnPbSnfgⅡ在共晶轉(zhuǎn)變之前，從液態(tài)中先結(jié)晶出的固相叫先共晶相(初生相)。初生相α和液相L比例可用杠桿法則求出。wL=(wx-wm)/(we-wm)*100%wα=(we-wx)/(we-wm)*100%第84頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五亞共晶合金的平衡結(jié)晶的顯微組織(α+β)共

α+βⅡ第85頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五(3)

共晶合金（e點(diǎn)合金）共晶反應(yīng)Ⅲ：Le→α+β這一過程在恒溫下進(jìn)行，直至凝固結(jié)束。形成共晶體（α+β）。兩個(gè)相的相對(duì)量可用杠桿法則求得:α=en/mnβ=me/mn結(jié)晶過程：L→(α+β)共

共晶反應(yīng)室溫組織：(α+β)共

共晶相圖αebmnPbSnfgⅢ第86頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五

共晶合金的冷卻曲線及結(jié)晶過程第87頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五

共晶合金的平衡結(jié)晶的顯微組織(α+β)共

α

β

第88頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五共晶相圖αebmnPbSnfgⅣ(4)

過共晶合金（e點(diǎn)與n點(diǎn)之間合金）過共晶合金的凝固過程和組織特征與亞共晶合金相類似，只是初生相(先共晶相)為β而不是α。勻晶反應(yīng)＋共晶反應(yīng)＋脫溶轉(zhuǎn)變室溫組織：β+αⅡ+(α+β)

共結(jié)晶過程：L→L+β→L+β+(α+β)共→β+(α+β)共→β+αⅡ+(α+β)共第89頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五共晶系合金的非平衡凝固偽共晶（pseudo-eutectic）平衡結(jié)晶條件下，只有共晶成分的合金才能獲得完全的共晶組織。但在不平衡結(jié)晶條件下，成分在共晶點(diǎn)附近的合金也可能全部轉(zhuǎn)變成共晶組織。這種由非共晶成分合金所得到的共晶組織。第90頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五共晶系合金的非平衡凝固偽共晶（pseudo-eutectic）將兩液相線延長(zhǎng)形成陰影區(qū)。當(dāng)合金熔液快冷至由兩液相線延長(zhǎng)線所包圍的區(qū)域，過冷液相對(duì)于α相和β相均處于過飽和狀態(tài)，同時(shí)結(jié)晶出α相和β相，形成具有共晶組織特征的偽共晶組織。第91頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五共晶系合金的非平衡凝固偽共晶（pseudo-eutectic）第92頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五共晶系合金的非平衡凝固(2)不平衡共晶組織對(duì)于小于飽和溶解度的合金（a點(diǎn)以左，c點(diǎn)以右）在不平衡結(jié)晶時(shí)固相線下移，使其冷卻到共晶溫度時(shí)仍有少量液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而形成不平衡共晶組織。ac第93頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五共晶系合金的非平衡凝固(2)不平衡共晶組織ac

不平衡共晶組織通常分布在α晶界及枝晶間最后凝固部分，最后組織為樹枝狀固溶體及少量共晶體。在稍低于共晶溫度長(zhǎng)時(shí)間加熱保溫，可消除不平衡共晶組織及固溶體的枝晶偏析，得到均勻的單相固溶體。第94頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五(3)離異共晶當(dāng)合金中共晶組織(α+β)相對(duì)量較少，初生相(α)相對(duì)量很大時(shí),有時(shí)共晶組織中與初生相同的那一個(gè)相就會(huì)依附在初生相上形核長(zhǎng)大,把另一相推向最后凝固的晶界處,從而使共晶體兩組成相相間的組織特征消失，這種兩相分離的共晶組織稱為離異共晶。第95頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五3.包晶相圖有些合金當(dāng)凝固到一定溫度時(shí),已結(jié)晶出來的一定成分的固相與剩余液相(有確定成分)發(fā)生反應(yīng)生成另一種固相的恒溫轉(zhuǎn)變過程稱為包晶轉(zhuǎn)變。Lb+αd→βp三種類型包晶相圖示意圖第96頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五3.包晶相圖dpb線：水平線(dpb)為包晶轉(zhuǎn)變線，包晶線僅有dp為固相線，而pb為液相線，固溶度曲線。包晶轉(zhuǎn)變：Lb+αd→βp相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：L、α、β

雙相區(qū)：L+α、L+β、α+β

三相區(qū)：dpb線L+α+βwα=(wb-wp)/(wb-wd)wL=(wp-wd)/(wb-wd)第97頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（1）p點(diǎn)成分t1以上t1-tp開始

tp終了tp以下p1db結(jié)晶過程：L→L+α→β→β+αⅡ第98頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五t1以上t1-tp開始

tp終了tp以下（2）d-p點(diǎn)之間成分結(jié)晶過程：L→L+α→α+β→α+β+αⅡ+βⅡp1db第99頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（3）p-b點(diǎn)之間成分t1以上t1-tpt2以下開始

tp終了tp-t2結(jié)晶過程：L→L+α→L+β

→β→β+αⅡp1db23第100頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五包晶線與共晶線不同之處在于:共晶線men為固相線，線上的合金在共晶溫度全部凝固完畢，其組織為兩相混合物L(fēng)→α+β;包晶線,dp為固相線，pb為液相線。L+α→β

共晶相圖αebmnPbSnfgdpb包晶相圖第101頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五4.其他類型的二元系相圖（1）具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖

（2）具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖（3）具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖（4）具有共析轉(zhuǎn)變的相圖（5）具有包析轉(zhuǎn)變的相圖（6）具有中間相的相圖第102頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（1）具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖在某些合金結(jié)晶過程中，當(dāng)達(dá)到一定溫度會(huì)從一個(gè)固相分解為一個(gè)液相和另一個(gè)固相，即發(fā)生了固相的再熔現(xiàn)象，這種轉(zhuǎn)變稱為熔晶轉(zhuǎn)變(metatecticreaction)。即：δ→L+γ具有熔晶轉(zhuǎn)變的合金很少，如Fe－S、Cu－SbδL+γ第103頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（2）具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖合晶轉(zhuǎn)變（syntecticreaction）相圖特點(diǎn)：兩組元在液態(tài)下有限溶解，存在不熔合線，不熔合線以下為兩液相L1和L2。合晶轉(zhuǎn)變：在恒定溫度下，兩個(gè)成分不同的液相相互作用形成一個(gè)固相的轉(zhuǎn)變稱為合晶轉(zhuǎn)變。即L1+L2→γ具有合晶轉(zhuǎn)變的二元系：

Na－Zn、K-Zn等L1+L2

γ第104頁，共117頁，2023年，2月20日，星期五（3）具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖偏晶轉(zhuǎn)變（monotecticreaction）相圖特點(diǎn)：在一定的成分和溫度范圍內(nèi)，兩組元在液態(tài)下也只能有限溶解，存在兩種不同濃度的液相L1和L2。偏晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下從一個(gè)液相中同時(shí)分