第四章 41 二元匀晶相图用.ppt

1、1,第四章 相图,相图：描述系统中相的状态与温度、成分之间关系的图解。 根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对含量、成分及温度变化时可能发生的相转变。 仅在热力学平衡条件下成立，不能确定结构、分布状态和具体形貌。,第 四 章 相 图,2,4.1 相图的基本知识,1 相律 （1）相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。 （2）表达式：f=c-p+2; 压力一定时，f=c-p+1。 f：自由度数； c：组元数； p：平衡相数。 自由度指系统中在保持平衡相数不变的条件下独立可变因素（温度、成分等）的数目。 （3）应用 可确定系统中可能存在的最多平衡相

2、数。如单元系2个，二元系3个。 可以解释纯金属与二元合金的结晶差别：纯金属结晶恒温进行，二元合金变温进行。,第 四 章 相 图 第 一 节 基 本 知 识,3,4.1 相图的基本知识,第 四 章 相 图 第 一 节 基 本 知 识,2 相图的表示与建立 （1）状态与成分表示法 状态表示：温度成分坐标系。 坐标系中的点表象点。 成分表示：质量分数或摩尔分数。,4,4.1 相图的基本知识,第 四 章 相 图 第 一 节 基 本 知 识,（2）相图的建立 方法：实验法（热分析、膨胀法、电阻法、金相法、X射线结构分析）和计算法。 热分析法测绘Cu-Ni 相图的过程：配制合金-测冷却曲线-确定转变温度-

3、填入坐标-绘出曲线。,5,第 四 章 相 图 第 一 节 基 本 知 识,（2）相图的建立 热分析法测绘Cu-Ni相图的过程：,4.1 相图的基本知识,6,3 杠杆定律 （1）确定平衡相成分。 （2）确定平衡相的相对含量。 （3）适用于计算二元合金系中任何两平衡相的相 对含量。,第 四 章 相 图 第 一 节 基 本 知 识,4.1 相图的基本知识,7,4.1 相图的基本知识,3 杠杆定律,第 四 章 相 图 第 一 节 基 本 知 识,8,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2 二元匀晶相图,本节内容及要求： （1）掌握匀晶相图的特点及分析方法； （2）掌握匀晶系合金的平衡凝固过程

4、及组织； （3）了解匀晶系合金的非平衡凝固及组织。,9,4.2 二元匀晶相图,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2.1 相图分析 （1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。 （2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。 （3）特点：两组元在液态和固态都无限互溶。 （4）相图分析 两点：纯组元的熔点； 两线：L, S相线； 三区：L, , L+。 属匀晶转变的相图： 金属：Cu-Ni,Au-Ag,Au-Pt 陶瓷：NiO-CoO,CoO-MgO, NiO-MgO,L,10,4.2 二元匀晶相图,4.2.2 固溶体合金的平衡结晶 （1）平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。 （

5、2）平衡结晶过程分析,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,11,4.2 二元匀晶相图,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,4.2.2 固溶体合金的平衡结晶,（2）平衡结晶过程分析,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,12,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2 二元匀晶相图,4.2.2 固溶体的平衡结晶 （3）与纯金属结晶的比较 相同点： 基本过程：形核长大； 热力学条件：T0； 能

6、量条件：能量起伏； 结构条件：结构起伏。 不同点： 合金结晶是选分结晶：需成分起伏。 合金在一个温度范围内结晶（相律分析）；纯金 属在恒温下结晶。,13,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2 二元匀晶相图,4.2.3 固溶体的不平衡结晶与微观偏析 （1）原因:冷速快。 （2）结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化（每一时刻符合相图）；结晶的温度范围增大；组织多为树枝状。,14,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a tradem

7、ark used herein under license.,4.2 二元匀晶相图,4.2.3 固溶体的不平衡结晶与微观偏析,15,4.2.3 固溶体的不平衡结晶与微观偏析 （3）成分偏析： 晶内偏析(枝晶偏析)：一个晶粒内部化学成分不均匀现象(树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。) （消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。）,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2 二元匀晶相图,16,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2.4 固溶体的不平衡结晶与宏观偏析 宏观偏析：在一定区域范围内，由于结晶先后不同而出现的成分差异。 原因：由于结晶过程中液相与固相内溶质原子的

8、重新分布造成的。 后果：将对合金材料的质量造成影响。如：造成产品各部位性能不均匀。,4.2 二元匀晶相图,17,4.2.4 固溶体的不平衡结晶与宏观偏析 稳态凝固：从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界层 扩散出去速度的凝固过程。 溶质平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。 k0= CS / CL,4.2 二元匀晶相图,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,18,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2 二元匀晶相图,平衡凝固：冷却速度无限慢，每一时刻固相内溶质完全混合、液相内溶质完全混合的过程a; 正常凝固：不考虑固相内部的原子扩散，仅讨论液体中由于扩散、对流

9、、或进行搅拌所造成的溶质混合现象的凝固过程。 正常凝固过程中溶质分布的三种情况： 1）冷却速度缓慢有扩散和对流固相不混合、液相完全混合b; 2）冷却速度很快仅有扩散固相不混合、液相完全不混合c； 3）冷却速度较快部分扩散和对流固相不混合、液相部分混合d。,19,正常凝固过程中溶质分布的三种情况：,4.2 二元匀晶相图,20,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2 二元匀晶相图,4.2.4 固溶体的不平衡结晶与宏观偏析 区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）,21,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2 二元匀晶相图,4.2.5 成分过冷与固溶体的组织 （1）热温过冷：液体过冷度

10、完全取决于液体中实际温度的分布。纯金属结晶时的过冷（结晶过程中熔点不变）。 （2）成分过冷：由于结晶过程中液相成分变化而导致熔点变化，从而形成的过冷。合金结晶时存在，由液体中的成分变化及液体中的实际温度分布共同决定。,22,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2 二元匀晶相图,成分过冷的形成： 界面溶质浓度从高到低 熔点从低到高,23,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2 二元匀晶相图,4.2.5 成分过冷与固溶体的组织 2 成分过冷的控制,成分过冷形成的条件和影响因素：,合金固有参数： m(液相线斜率), k0; 实验可控参数： G(温度梯度), R(结晶速度)。,24,4.2.5 成分过冷与固溶体的组织 3 成分过冷对固溶体生长形态及组织的影响（正温度梯度下） G越小，成分过冷越大生长形态：平面状胞状树枝状。,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2 二元匀晶相图,25,4.2.5 成分过冷与固溶体的组织,第 四 章 相 图 第 二 节 匀晶相图,4.2 二