第三章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶(相圖建立與勻晶相圖)2(25+8)-10-3

第三章二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶§3-1合金中的相§3-2合金的相結(jié)構(gòu)§3-3二元合金相圖的建立§3-4勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶§3-5共晶相圖及其合金的結(jié)晶§3-6包晶相圖及其合金的結(jié)晶§3-7其它類型的合金相圖§3-8二元相圖的分析及使用1§3-3二元合金相圖的建立相圖(phasediagram)：表示在平衡條件下合金的狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖解，又稱為平衡圖或狀態(tài)圖。（工具）合金系（alloysystem）：由給定的組元以不同比例配制成一系列成分不同的合金，這一系列合金就構(gòu)成一個(gè)合金系統(tǒng)。二（三、多）元系。一、二元相圖的表示方法確定合金狀態(tài)的因素成分溫度壓力一般為常壓表象點(diǎn)2二、二元相圖的測定方法建立相圖的方法：1）試驗(yàn)測定；2）理論計(jì)算熱分析法(1)配制一系列合金(2)測冷卻曲線(相變臨界點(diǎn))?(3)標(biāo)在溫度-成分坐標(biāo)系中(4)繪曲線（連接各相同意義的點(diǎn)）(5)標(biāo)定相區(qū)（寫出相的名稱）3二、二元相圖的測定方法(步驟)45（一）

相律及其應(yīng)用相律：表示平衡條件下，系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度數(shù)之間的關(guān)系。表達(dá)式：

F=C-P+2（壓力：不等）

F=C-P+1（壓力：常數(shù)）

C－組元數(shù)（component）；

P－相數(shù)（phase）；

F－自由度數(shù)（free）平衡系統(tǒng)的自由度數(shù)：平衡系統(tǒng)的獨(dú)立、可變的因素?cái)?shù)。（在保持合金系的相數(shù)不變的條件下，合金系中可改變的、影響合金狀態(tài)的內(nèi)部因素和外部因素的數(shù)目）（成分、溫度、壓力）三、相律及杠桿定律6（一）相律（F=C-P+1）及其應(yīng)用（1）確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)。

（自由度F=0時(shí)，共存的平衡相數(shù)具有最大值）

0＝1－P＋1→P=2（單元系）；

0＝2－P＋1→P=3（二元系）；

……（2）解釋純金屬與二元合金的結(jié)晶差別。純金屬結(jié)晶，液固兩相共存，P=2

，F(xiàn)=1-2+1＝0，恒溫二元合金結(jié)晶，P=2

，F(xiàn)=2-2+1＝1，一個(gè)因素可變（溫度）三、相律及杠桿定律7確定二元合金兩相共存時(shí)平衡相成分根據(jù)相律(P=2，F(xiàn)=2-2+1＝1)，自由度為1，若溫度一定，則平衡相成分隨之確定。確定兩相的相對(duì)含量。注意：只適用于兩相區(qū)；三點(diǎn)（一支點(diǎn)和兩端點(diǎn)）要選準(zhǔn)(二)杠桿定律⑴

確定兩平衡相的成分：設(shè)合金C的成分為x，過x（C）作垂線（稱為成分垂線）。wLw

現(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：L(液相)α(固相)L+α8wLw

CLC在成分垂線上相對(duì)溫度t作水平線，其與液固相線交點(diǎn)a、b所對(duì)應(yīng)的成分CL

、C

即分別為液相和固相的成分；與成分垂線的交點(diǎn)為o。C合金中的Ni含量=液相中的Ni+固相中的NiC⑵確定兩平衡相的相對(duì)重量設(shè)合金C的總重量為1，液相CL重量為wL

固相

重量為w

C9則由以上兩式可以得出上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律，其含義為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。

wLw

WαWLCLCC10在杠桿定律中，杠桿的支點(diǎn)是合金的成分，杠桿的端點(diǎn)是所求的兩個(gè)平衡相的成分。例（如圖）11二元合金相圖的一般幾何規(guī)律相律：F=3-P（F=C-P+1；C=2）1、P=1，F(xiàn)=2——位于相圖中的單相區(qū)（SinglePhaseRegion）任意一點(diǎn)的成分和溫度都可以獨(dú)立變化而不影響系統(tǒng)的狀態(tài)?？梢允侨我庑螤睢＃ê銐合?，最大F=2，成分、溫度均可變）2、P=2，F(xiàn)=1——位于相圖中的兩相區(qū)（TwoPhaseRegion）只有一個(gè)獨(dú)立變量，溫度一定成分一定，反之亦然。

一對(duì)代表兩平衡相的成分和溫度的共軛曲線組成。3、P=3，F(xiàn)=0——位于相圖中的三相區(qū)（ThreePhaseRegion）沒有獨(dú)立變量，溫度與每一相的成分均不能變。

形狀是一條等溫線。端點(diǎn)和中間點(diǎn)分別表示三個(gè)相的成分。

有兩種基本形式：共晶型（Eutectic-type）、包晶型（Peritectic-type）4、P>3，F(xiàn)<0——沒有意義。12ABL+ααLt1t2相圖→冷卻曲線？131415§3-4勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶

——以Cu-Ni合金為例進(jìn)行分析

Cu-Ni合金相圖勻晶轉(zhuǎn)變：由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的轉(zhuǎn)變。二元?jiǎng)蚓鄨D：具有勻晶轉(zhuǎn)變特征的相圖（兩組元在液態(tài)和固態(tài)下無限互溶的二元合金系所形成的相圖）。如Cu-Ni，F(xiàn)e-Cr,Au-Ag

幾乎所有相圖中都有勻晶轉(zhuǎn)變部分16一、相圖分析兩個(gè)點(diǎn)——Cu和Ni的熔點(diǎn)兩條線——上面是液相線，

下面是固相線。三個(gè)區(qū)——液相區(qū)L，

固相區(qū)，固液共存的兩相區(qū)（L+）。

LL+

17二、固溶體合金的平衡結(jié)晶過程純組元的結(jié)晶過程，屬于純金屬的結(jié)晶過程；固溶體合金結(jié)晶過程，以Ⅰ合金為例說明：平衡結(jié)晶——極緩慢的冷卻條件下進(jìn)行的結(jié)晶過程L1

α1t1L2

α2t2t4L4

α4……18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。隨溫度下降，固相數(shù)量增加，液相數(shù)量減少。同時(shí)，液相成分沿液相線變化，固成分沿固相線變化。L1

α1t1L2

α2t2t4L4

α4……19成分變化是通過原子擴(kuò)散完成的。當(dāng)合金冷卻到t4時(shí)，最后一滴L4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

4上來?？梢姡?、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。20相同點(diǎn)：基本過程：形核－長大；（1）熱力學(xué)條件：⊿T>0；（2）能量條件：能量起伏；（3）結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏。(2)固溶體合金的結(jié)晶在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，與純金屬結(jié)晶的比較異分結(jié)晶（選擇結(jié)晶）

：結(jié)晶出的晶體與液相成分不同的結(jié)晶不同點(diǎn):(1)合金結(jié)晶是異分結(jié)晶：需要成分起伏（濃度起伏）。(3)固溶體合金凝固時(shí)依賴于異類原子的互相擴(kuò)散同分結(jié)晶：結(jié)晶出的晶體成分與液相相同的結(jié)晶。純金屬的結(jié)晶屬于同分結(jié)晶。對(duì)應(yīng)每一溫度，只能結(jié)晶出一定數(shù)量的固相21固溶體合金凝固時(shí)，要發(fā)生溶質(zhì)的重新分布，重新分布的程度可用溶質(zhì)平衡分配系數(shù)（equilibriumdistributioncoefficient）k0表示。反映溶質(zhì)組元重新分布的強(qiáng)弱程度。平衡分配系數(shù)：在一定溫度，固液兩平衡相中溶質(zhì)濃度之比.

CαCLK0<1CαCLK0>122t1溫度的結(jié)晶過程C0k0C1k0C2C1C2Lα+Lt1t2溶質(zhì)濃度溫度A固溶體的平衡結(jié)晶C0→k0C1→排出溶質(zhì)→界面附近液相C1；遠(yuǎn)離界面的液相C0，造成濃度梯度擴(kuò)散→界面附近液相C1

→

C0'液相再次失去平衡，繼續(xù)長大直至成分達(dá)C1圖1溶質(zhì)濃度k0C1C0C1αL圖1圖2溶質(zhì)濃度k0C1C0'αL圖2溶質(zhì)濃度k0C1C0'C1αL圖3圖3圖4溶質(zhì)濃度k0C1C1αL圖4LC1?αk0C1t1為保持平衡界面移動(dòng),從而晶粒長大23t2溫度的結(jié)晶過程圖3最后通過晶粒長大，使固相達(dá)k0C2k0C2C2溶質(zhì)濃度αL圖3圖1k0C2C1溶質(zhì)濃度αLk0C1C2圖1C1<C2,造成濃度梯度k0C2C2溶質(zhì)濃度αL圖2界面前沿液相C2；遠(yuǎn)離界面的液相C1在t1溫度時(shí)形成的晶體的濃度為在t2溫度時(shí)形成的晶體的濃度為k0C2形成濃度梯度，破壞平衡→擴(kuò)散圖2C0k0C1k0C2C1C2Lα+Lt1t2溶質(zhì)濃度溫度A固溶體的平衡結(jié)晶24二、固溶體合金的平衡結(jié)晶過程平衡-不平衡-平衡-不平衡的辯證發(fā)展過程。固溶體晶核的形成（或原晶體的長大）造成相內(nèi)（液相或固相）的濃度梯度引起擴(kuò)散過程，破壞界面處的平衡晶體繼續(xù)長大，恢復(fù)界面處的平衡2526三、固溶體的不平衡結(jié)晶

——偏離平衡結(jié)晶條件的結(jié)晶L1L2L3L4α1α4’α3’α2’α4α3α2原因：冷速快（假設(shè)液相成分均勻、固相成分不均勻）。結(jié)晶過程特點(diǎn)：固相成分按平均成分線變化；不均勻結(jié)晶的溫度范圍增大。α1α1α1t1α1α1α1α2t2α1α1α1α2α3t3α4α4α4均勻化退火α2α4α1α1α1α3t4平均成分線成分偏析：晶內(nèi)偏析：一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。樹枝晶的枝干和枝間化學(xué)成分不均勻又稱枝晶偏析。平均成分線固相線：位置可變，隨冷速增大，偏離固相線的程度增大：位置固定L1L2L3L4α1α4’α3’α2’α4α3α2平均成分線（消除：擴(kuò)散退火，在低于固相線溫度長時(shí)間保溫。）

影響晶內(nèi)偏析的因素（1）相圖上液相線與固相線之間的水平距離偏析的最大程度k0<1,k0值越小，偏析越大k0>1,k0值越大，偏析越大（2）冷卻速度冷卻速度越大，其偏離程度越嚴(yán)重（3）原子的擴(kuò)散能力C0k0C1k0C2C1C2Lα+Lt1t2溶質(zhì)濃度溫度A固溶體的平衡結(jié)晶(1)非平衡結(jié)晶時(shí)，固、液相的平均成分與固、液相線有偏離。冷卻速度越快，其偏離程度越嚴(yán)重；冷卻速度越慢，偏離程度越小，越接近于平衡條件。液相線的偏離程度較固相線小。(2)

先結(jié)晶部分含高熔點(diǎn)組元多，后結(jié)晶部分含低熔點(diǎn)組元多。(3)

非平衡結(jié)晶的終結(jié)溫度低于平衡結(jié)晶的終止溫度。

非平衡結(jié)晶分析結(jié)論：L1L2L3L4α1α4’α3’α2’α4α3α2Lα溫度固液界面距離xt0t2

五、成分過冷及其對(duì)晶體生長形態(tài)的影響Lα溫度固液界面距離xt0t2Lα溫度固液界面距離xt0t2溫度距離xC0/k0C0k0C0固液界面Lα成分過冷：t0t2L+ααC0C0/k0溶質(zhì)濃度溫度C0k0C0C0固溶體合金結(jié)晶時(shí)由界面前沿液相中的成分差別引起的過冷;平衡結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差。隨X的增加界面前沿液相的濃度降低隨X的增加界面前沿液相的平衡結(jié)晶溫度升高過冷區(qū)域溫度梯度為正ΔT=T平衡-T實(shí)際（一）形成成分過冷的條件形成條件：距界面距離t1溫度G1G2G3t0溫度梯度與界面處的平衡結(jié)晶曲線恰好相切，是成分過冷的極限條件(G1)在正溫度梯度下，G（實(shí)際溫度梯度）越小，成分過冷越大。（二）成分過冷對(duì)生長形態(tài)的影響距界面距離t1溫度G1G2G3t0晶粒生長形態(tài)：平面狀－胞狀－樹枝狀G1G