材料科學(xué)基礎(chǔ) 課件 第三章 二元合金的結(jié)晶

第三章二元合金的結(jié)晶§3.1二元合金相圖的建立§3.2勻晶相圖及固溶體合金的結(jié)晶

§3.3共晶相圖及其合金的結(jié)晶§3.4包晶相圖及其合金的結(jié)晶§3.5其它類型的二元合金相圖§3.6二元相圖的分析和使用§3.7鑄錠的宏觀組織與缺陷1圖3-1

二元合金相圖的坐標(biāo)合金或相的狀態(tài)點(diǎn)§3.1二元合金相圖的建立2液相線：冷卻時(shí)合金結(jié)晶開始的溫度或加熱時(shí)熔化終了的溫度。固相線：冷卻時(shí)合金結(jié)晶終了的溫度或加熱時(shí)熔化開始的溫度。3吉布斯相律：F=C?P+2F（DegreesofFreedom）——平衡條件下系統(tǒng)的自由度數(shù)，或者說是維持系統(tǒng)原有相數(shù)不變，可自由變化的獨(dú)立變量（即溫度、壓力或平衡相的成分）的數(shù)目。C（Components）——系統(tǒng)的組元數(shù)，通常是合金元素或穩(wěn)定化合物的數(shù)目。P（Phases）——平衡條件下系統(tǒng)的相數(shù)。45圖3-3

杠桿定律的證明6§3.2勻晶相圖及固溶體合金的結(jié)晶

圖3-4Cu-Ni相圖異分結(jié)晶：固溶體合金結(jié)晶時(shí)結(jié)晶出的固相成分與液相的成分不同，這種結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同的結(jié)晶稱為異分結(jié)晶或選擇結(jié)晶。

因此，固溶體合金結(jié)晶時(shí)除了要求過冷、結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏，還要求成分起伏。7溶質(zhì)平衡分配系數(shù)k0值為一常數(shù)，其大小反映了溶質(zhì)組元重新分配的強(qiáng)弱程度。

8圖3-5

溶質(zhì)平衡分配系數(shù)固溶體合金平衡結(jié)晶時(shí)需要一定的溫度范圍：

1、一定溫度下，合金熔體只能結(jié)晶出一定數(shù)量的固相。

2、一定溫度下，晶核的形成和長(zhǎng)大使固液界面的兩相成分滿足平衡條件

液相或固相內(nèi)的濃度梯度，引起原子擴(kuò)散破壞了相界面處的平衡晶體必須長(zhǎng)大以恢復(fù)平衡。910圖3-6固溶體合金的平衡結(jié)晶過程11圖3-7

固溶體合金在溫度t1時(shí)的結(jié)晶過程12圖3-8

固溶體合金在溫度t2時(shí)的結(jié)晶過程枝晶偏析：非平衡結(jié)晶時(shí)，在一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。

1314圖3-9

固溶體合金的不平衡結(jié)晶過程圖3-10Cu-Ni合金的鑄態(tài)組織與微區(qū)分析圖3-11經(jīng)擴(kuò)散退火后Cu-Ni合金的組織與微區(qū)分析15區(qū)域偏析：非平衡結(jié)晶時(shí)，晶體中大范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。

1617L圖3-12

固溶體合金單向平衡結(jié)晶時(shí)的溶質(zhì)分布L圖3-13

固溶體合金形成區(qū)域偏析的結(jié)晶過程固液界面滿足相平衡固相內(nèi)無擴(kuò)散、液相內(nèi)充分?jǐn)U散18L圖3-14

固溶體合金液相中擴(kuò)散不充分的單向結(jié)晶過程固相內(nèi)無擴(kuò)散、液相內(nèi)擴(kuò)散不充分穩(wěn)定態(tài)凝固1920圖3-15成分過冷：非平衡結(jié)晶時(shí)，由于固液界面前沿液相的溶質(zhì)濃度變化，引起理論結(jié)晶溫度的變化而產(chǎn)生的過冷。

21G圖3-16k0<1合金固液界面前沿液體產(chǎn)生成分過冷示意圖穩(wěn)定態(tài)凝固22圖3-17Al-Cu合金的三種晶粒組織G1G2G323胞狀偏析：非平衡結(jié)晶時(shí)，在胞狀組織（亞結(jié)構(gòu)）的交界面上存在溶質(zhì)的富集（k0<1）或貧乏（k0﹥1）。24圖3-18

Pb-98%Sn合金

Pb-62%Sn合金相是指合金中具有相同凝聚狀態(tài)、相同晶體結(jié)構(gòu)、同一化學(xué)成分，并有界面相互分開的均勻一致的組成部分。25相與顯微組織的關(guān)系相是合金顯微組織中的一部分，或者說顯微組織是由相組成的。

數(shù)量、大小、形態(tài)、分布變化

顯微組織變化合金性能變化結(jié)構(gòu)、性能不變

相顯微組織定義為合金中相的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布。26§3.3共晶相圖及其合金的結(jié)晶27圖3-19Pb-Sn合金相圖二元共晶反應(yīng)/共晶轉(zhuǎn)變：二元合金平衡結(jié)晶時(shí)，在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分一定的固相。

脫溶/二次結(jié)晶：由固溶體中析出另一個(gè)固相的過程。二次結(jié)晶析出的固相稱為二次相，可以是固溶體，也可以是金屬化合物。

2829圖3-20wSn=10%的Pb-Sn合金顯微組織3031圖3-21Pb–Sn共晶合金的顯微組織32圖3-22層片狀共晶組織的形核與生長(zhǎng)示意圖33圖3-23各種形態(tài)的共晶組織3435圖3-24wSn=50%的Pb–Sn合金的顯微組織相組成物是指組成合金的各個(gè)相。組織組成物是指組成合金的各個(gè)顯微組織，是在金相顯微鏡下具有一定（金相）組織特征的各個(gè)獨(dú)立的組成部分。3637圖3-25wSn=85%的Sn–Pb合金的顯微組織圖3-26過共晶Pb–Sb合金的顯微組織38偽共晶組織定義非共晶成分的合金在快速冷卻條件下結(jié)晶得到100%共晶組織。形成條件：接近共晶成分的合金快速冷卻到偽共晶區(qū)。產(chǎn)物：形態(tài)與共晶組織相同，但成分有差別。性能：強(qiáng)度增加。39圖3-27偽共晶組織示意圖40圖3-28兩類偽共晶區(qū)相圖41圖3-29Al-Si合金系的偽共晶區(qū)圖3-30鑄造Al-Si共晶合金經(jīng)變質(zhì)處理后的顯微組織42離異共晶1、定義：兩相分離的共晶組織。2、形成條件：平衡條件或非平衡條件下，與共晶成分差別較大的合金結(jié)晶時(shí)，在先共晶相較多而共晶組織甚少的情況下，共晶組織中與先共晶相相同的一相依附于先共晶相上生長(zhǎng)，另一相則分布于晶界或枝間。3、性能：不利。43圖3-31可能產(chǎn)生離異共晶示意圖圖3-322%Pb+98%Sn合金的離異共晶44二元包晶反應(yīng)/包晶轉(zhuǎn)變：二元合金平衡結(jié)晶時(shí)，在一定溫度下，由一定成分的液相與一定成分的固相作用，形成另一個(gè)成分一定的固相。

§3.4包晶相圖及其合金的結(jié)晶4546圖3-33Pt-Ag合金相圖包晶偏析：某些合金的包晶轉(zhuǎn)變溫度較低，包晶轉(zhuǎn)變不能充分進(jìn)行而產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。

4748圖3-34適合用作軸承合金的成分范圍§3.5其它類型的二元合金相圖49圖3-35Fe-B相圖50圖3-36Sn-Sb合金相圖5152圖3-3753圖3-38鑄錠的宏觀組織通常