材料科学基础第05章-二元相图

第五章二元相图，相图知识二元均相图和凝固二元共晶相图的固溶体复杂二元相图的分析方法二元封装相图铁碳平衡相图，第一节相图知识，1。相图，相：一种物质的任何同质成分，只要其成分、结构和界面与其他部分相同，就称为相。相图：相图也称为状态图。它是一个几何图形，代表系统的组成、外部环境以及组成相和相之间的平衡关系。它是研究物质组织变化规律的重要参考工具。外部环境主要是温度和压力，例如物理学中已经介绍过的纯水和纯铁的相图。相图，相图知识，二元相图：当有两个组件时，组件也是变量，但是一个组件的内容是独立的，另一个组件是其余的。为了在二维平面上表示它，通常在常压下只考虑温度和两个变量的组成。水平坐标用线段表示组件，垂直坐标表示温度。平面被此时处于平衡状态的相分开。(图)相图的使用：根据材料成分和温度预测平衡相；当材料成分不变且温度变化时，其他平衡相的变化规律；估计平衡相的数量。预测材料的结构和性能。相图与冷却曲线的关系：在第一部分，相图有一定的成分。在冷却过程中，不同相的热容量是不同的。如果系统具有相同的散热能力，温度随时间变化的斜率(冷却)曲线将会不同。曲线的转折点对应于某些相开始出现或完全变小时的温度。利用这一特性，可以从测得的冷却曲线绘制相图。第二节二元均相图和固溶体的凝固。相图形式，这两种成分可以无限混溶于液体和固体。例如，对应于由铜-镍和银-金形成的二元合金的相图是二元均匀相图。相图的构成：相图由两条曲线分成三个区域。左端点和右端点分别是部件的熔点。上面的曲线称为液相线，液相线上方是液相的单相区，通常用L表示；下面的曲线称为固相线，固相线下是固溶体的单相区，通常用表示。两条曲线之间是一个双相区，用L 表示。在第二部分，二元均相晶体相图和固溶体凝固，如图所示，合金x在温度T1下将长时间以两相共存，然后两相的组成和数量将保持不变。穿过X点的液相线和固相线在点A和C处水平相交。热力学证明，点A和C处的组分分别是平衡的液体和固体组分，而M1和M分别是两相的量，这可以从物质的永生化中推导出来：一般用总量的百分比的相对值来表示。如果把线段axc看作一个杠杆，那么它们满足杠杆力的平衡原理，所以称之为杠杆定律。理解和运用杠杆定律直观方便。适用于所有两相平衡。(3)固溶材料的结构在冷却时发生变化，第二段为二元均相晶体相图，固溶凝固，当液体冷却到1点以上时，凝固开始于1点，固相组分在1-2之间，对应固相线，温度下降，液体量减少，固体量增加， 成分沿液相线和固相线变化到2点，液体量为0，固体成分恢复到合金的原始成分，凝固在2点以下完成固体冷却，没有组织变化，过程：(3)固溶体材料冷却时结构发生变化。 在第二部分，二元同质晶体然而，固体中原子的迁移比结晶过程慢(原子的迁移是一个扩散过程，将在后面详细讨论)。可以看出，完全达到平衡凝固比较困难，需要相当长的时间，一般的冷却凝固不能达到平衡状态。当冷却速度较快时，凝固是非平衡凝固。从相图可以看出，在略低于起始凝固温度t1的温度下开始沉淀的固体的组成为1，在温度t2下生长在晶体表面上的组成为2。由于扩散速度跟不上，在达到与表面相同的温度之前，核心的组成将冷却到下一个温度t3，因此沉淀固体的组成在外部不一致，平均组成偏离固相线。当达到平衡线和固相线相交处的温度tf时，仍然存在液相。继续冷却到较低的温度。当固体的平均成分回到合金成分时，液体消失，凝固过程结束。4.固溶体材料的非平衡冷却。第二节二元均相图和固溶体的凝固。非平衡凝固的特点是：凝固过程中，液相和固相的组成偏离了液固相线；(2)凝固过程只能在较低的温度下完成；(3)生成的固体成分不均匀。随着冷却速度的增加，这些差异变得更加明显。结果：生成的固体成分不均匀且更易分离。在快速冷却过程中，连续结晶在晶粒中的晶体的成分是不同的，因此称为晶粒内偏析。金属晶体通常以枝晶的形式生长。偏析的分布表明不同层次的枝晶成分不同，因此这种偏析也称为枝晶偏析。晶体内偏析的程度是由以下事实决定的：在相图中，液固相线彼此相距越远，组成元素原子的迁移能力越低(扩散系数越小)，并且冷却速率越大，将导致越严重的晶体内偏析。消除偏析的方法：前两个原因是不变的，但不采用缓慢冷却，因为缓慢冷却会使晶粒变大，最高和最低组分之间的距离更难消除，但是快速冷却，细化晶粒，会导致晶体内偏析，即宏观均匀性和微观差异，再加热到稍低于固化后的熔点的温度，保温一段时间，允许原子在此时扩散和迁移以达到均匀性，这种方法称为均匀化退火。(5)固溶体中的溶质分布，第2节二元均相图和固溶体的凝固。由于固溶凝固过程中析出固体的成分不同于液体，在凝固过程中不能达到平衡，所以凝固后溶质分布不均匀。当然，这种不均衡有时会带来有益的利用。下面只讨论几个特殊情况。对于图中所示相图的一部分，温度t下的平衡液固相组成比称为平衡分配系数。(5)固溶体中的溶质分布，第2节二元均相图和固溶体的凝固。如果存在长度为L的棒状固化体，则假定固化过程为一端散热，并且液体中原子的扩散和对流可以实现均匀的组成，而固体中的缓慢迁移在固化后基本不变。当合金成分为C0时，开始析出的固体成分为k0C0，变化趋势如图所示。经过凝固距离x后，凝固过程中溶质的变化如下：例1:定向凝固过程中溶质的分布规律；实施例5:固溶体中的溶质分布；实施例2:第2节中二元均相晶体相图和固溶体的固化；实例6:区域熔化；例6:结构过冷；第2节二元均相晶体相图和固溶体的凝固。阳性以下远处液体的成分仍然是C0。当组分b的扩散量和固体排放平衡时，沉淀固体的组成也是C0。此时的成分分布如图b . 6所示。结构过冷，第2节二元均相图和固溶体的凝固，结构过冷现象：对于摄影图像，液体的初始凝固温度随液体成分的变化而变化。图3显示了它的分布曲线t1(x)。如果G2是实际温度，比较表明，在界面前部的一小块液体中，虽然温度高于界面处的温度，但存在一定程度的过冷，由于成分不均匀，称之为“结构过冷”。在固溶体的凝固过程中，由于沉淀固体的成分与原始液体的成分之间存在一定的差异，一些成分不能均匀地排入液体中。这种由对应于组分偏差的不同凝固温度引起的额外过冷被称为结构过冷。第二节二元均相图和固溶体的凝固，结构过冷对凝固过程的影响。由于不同固溶体对应的相图形式不同，不同组分的扩散性不同，凝固过程中的实际温度分布也不同，成分过冷的影响必然不同，凝固组织也不同。实际温度梯度大，凝固过程中不存在组织过冷现象。构成过冷区较小，界面处的不平衡生长凸起始终处于领先状态，但该凸起在构成过冷区之外既不会消失也不会发展，凸起与底部的微小成分有一定差异并发展成细胞组织。第二节二元均相图和固溶体的凝固，成分过冷对凝固过程的影响，中间区域的成分过冷可能产生多种从胞状到枝状的过渡结构。如果结构过冷面积特别大，则所获得的结构过冷度也非常大。如果达到成核所需的过冷度，新的晶核可能在结构过冷区形成。新晶核的生长阻碍了原始晶粒的生长，并阻碍了柱状晶体的生长。结构过冷区域越大，凸起发展越长，在凸起上再生新的凸起可以产生枝晶。在第三部分，二元共晶相图，即相图形式中，两种组分在液态下是无限混溶的，而在固态下是有限的。当一种成分溶解在另一种成分中时，凝固温度下降，发生共晶转变。如铅锡、银铜等。相图组成：tAE和tBE是两个液相线，与TAE和TBE对应的tAC和tBD是两个固相线；CG和DH固溶体、的溶解度随温度变化。CED是一条水平共晶线。相图分为三个单相区L、；三个两相区L ，L+， 和一个三相区L ，即CED是共晶线。2、共晶的形成，第三节二元共晶相图，过程中，高于TE温度只是液体冷却到略低于TE温度，根据分析L 相区应与液体C相区分开，而根据分析L 相区应与液体D相区分开。如果和按一定的比例分离出来，最终液体的组成不会改变，两个固相会同时连续分离出来，即共结晶，所以这叫做共晶转变，直到液体完全消失，结晶过程完成，产生两个固相的混合物，称为共晶。低于TE温度只是固体的冷却，成分是e点合金的凝固，形成二次和共晶晶体，第三段二元共晶相图，成核特征，以及在一定过冷度下的交替成核。尽管由于两种固溶体的组成和结构不同，两种固相都可以从液体中成核2、共晶的形成，第三节二元共晶相图，生长特征，共同生长时，两相长大排出相应的溶质成分，排出的溶质会阻碍自己的生长，但当两相同时生长时，从一相排出的成分正是另一相需要生长的成分，所以两相的生长过程会相互促进，最后两相一起长大。因为两个固相的组成是固定的，所以综合组成应该与液体的组成相同，并且它们的数量反映在它们的厚度的相对比率中。2、共晶的形成，第三节二元共晶相图，组织特征，当两个固相都是金属强相时，共晶一般生长成层状。当两相的相对数量比相差很大时，在界面能的作用下，少量的相会收缩成条状和棒状，当它们较少时，甚至会收缩成纤维甚至点(球)。当一个相或两个相都具有很强的非金属性质时，它们表现出很强的各向异性，在不同的方向上有不同的生长速率和特定的角度关系。同时，生长过程中所需的动态过冷也是不同的。通常，一个阶段在增长中起主导作用，并决定两个阶段的分布。共晶的形态也是独特的。此时，常见的形态有针状、肋状、蜘蛛网状、螺旋状等。2、共晶形成，3、二元共晶相图，2、共晶形成，3、二元共晶相图，2、共晶形成，3、二元共晶相图，3、典型合金凝固，3、二元共晶相图，1。合金IV(成分接近e点)，特性是，液体中的和同时具备沉淀条件，可以沉淀。因为和沉淀过程在组成上可以互补和促进，所以它们一起沉淀。凝固过程可以在恒温下完成。最后，获得两相交替的混合组织。结论：合金(e点附近的成分)的L -转变发生在t e温度，得到的两种交替分布的结构称为共晶。3.典型合金的凝固，第3节二元共晶相图，2。合金(银间成分)LL 的转变过程与固溶体完全相同，最终结构为单相固溶体。3。合金(气相色谱之间的成分)LL在到达气相色谱线之前处于固溶体中，在气相色谱线以下，相中的溶剂B组分的量是过饱和的，相将从其中析出。一般来说，从固体中沉淀出来的相在内部呈点状分布。值得指出的是，当的含量较小时，它往往首先出现在的晶界上。此外，固体沉淀很难转变原子迁移和成核。当过饱和很小时，这种沉淀通常不会发生。典型合金的凝固，第3节二元共晶相图，4。合金iii(成分介于CE之间)LL 初始(L )(初始II) ( )在达到te温度之前共转化为固溶体，而剩余的液体在TE温度下转化为共晶成分e(合金iv)。3。典型合金的凝固，3。二元共晶相图，室温平衡相，室温结构组成，4。共晶合金的非平衡凝固。二元共晶相图，1。冷却速度快，共晶快速形成和转变，共晶中两相的片层间距较小(相对比例保持不变)；非共晶部分的转变和固溶体的非平衡转变。当在共晶点附近具有非共晶成分的合金被快速冷却时，少量的初生相被冷却到共晶温度以下而没有沉淀，并且共晶转变直接发生以获得所有共晶结构，这被称为伪共晶。它们的形态与共晶没有明显的区别，只是内部两相的数量比不易察觉。(4)共晶合金非平衡凝固，(3)二元共晶相图，(3)亚(过共晶)成分合金快速冷却过程中固溶体沉淀和伪共晶转变，表明(1)初生晶体晶粒细化；(2)在初生相有颗粒内偏析(可能是枝晶偏析)；(3)共晶细化，m这种不应该有共晶的材料被称为非平衡共晶，因为它的冷却速度和非平衡转变过快。非平衡共晶的数量随着冷却速度的增加而增加，但总量相对较小，一般出现在几个晶粒的结合处。(4)共晶合金非平衡凝固，(3)二元共晶相图，(5)分离共晶当在C点附近凝固形成的共晶数量小时，有时共晶晶体的同一初生相附着在初生相上，而另一相被挤压到初生相的晶界上而单独存在。这种没有共晶形态的共晶被称为离异共晶。它可以在平衡凝固过程中发生，而非平衡共晶有时以分离共晶的形式出现。在第四部分，二元包晶相图，即相图形式中，两组元素在液态下无限混溶，在固态下有限溶解，包晶转变发生。相图的组成：ac和bc是两个液相线，它们对应的ad和bp是两个固相线；df和pg固溶体和的溶解度随温度变化。Dpc是