第三章二元合金的相结构与结晶(相图建立与匀晶相图)2(25+8)-10-3

1、1第三章第三章 二元合金的二元合金的相相结构与结晶结构与结晶3-1 合金中的相3-2 合金的相结构3-3 二元合金相图的建立3-4 匀晶相图及固溶体的结晶3-5 共晶相图及其合金的结晶3-6 包晶相图及其合金的结晶3-7 其它类型的合金相图3-8 二元相图的分析及使用23-3 3-3 二元合金相图的建立二元合金相图的建立表示在平衡条件下合金的状态与温度、表示在平衡条件下合金的状态与温度、成分之间关系的图解，又称为平衡图或状态图成分之间关系的图解，又称为平衡图或状态图。（工具）。（工具）由给定的组元以不同比例配制成一系由给定的组元以不同比例配制成一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系

2、统。二列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系统。二（ 三、多）元系。三、多）元系。确定合金状确定合金状态的因素态的因素一般为常压一般为常压表象点表象点3建立相图的方法建立相图的方法：1 1）试验测定；试验测定；2）理论计算）理论计算热热 分分 析析 法法(1)配制一系列合金配制一系列合金(2)测冷却曲线测冷却曲线(相变临界点相变临界点)?(3)标在温度标在温度-成分坐标系中成分坐标系中(4)绘曲线（连接各相同意义的点）绘曲线（连接各相同意义的点）(5)标定相区（写出相的名称）标定相区（写出相的名称）456（一）（一） 相律相律及其应用及其应用相律相律：表示表示平衡条件下，系统的组元数、

3、相数和自由度数之间的关系平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。表达式表达式： F=C-P+2 （压力：不等）（压力：不等） F=C-P+1 （压力：常数）（压力：常数） C C组元数（组元数（component）； P P相数（相数（phase）； F F自由度数（自由度数（free）平衡系统的自由度数平衡系统的自由度数：平衡系统的独立、可变的因素数平衡系统的独立、可变的因素数。（在保持合金系的相数不变的条件下，合金系中可改变的、影在保持合金系的相数不变的条件下，合金系中可改变的、影响合金状态的内部因素和外部因素的数目）响合金状态的内部因素和外部因素的数目）（成分、温度、压力）（

4、成分、温度、压力）7（一）（一） 相律（相律（ F=C-P+1 ）及其）及其应用应用（1 1）确定系统中可能存在的最多平衡相数。）确定系统中可能存在的最多平衡相数。 （自由度（自由度F=0时，共存的平衡相数具有最大值）时，共存的平衡相数具有最大值） 01P1P=2（单元系）；（单元系）； 02P1P=3（二元系）；（二元系）； （2 2）解释纯金属与二元合金的结晶差别。）解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属结晶，液固两相共存，纯金属结晶，液固两相共存， P=2 ，F=1 1- -2 2+1+10 0，恒温，恒温二元合金结晶，二元合金结晶， P=2 ，F=2 2- -2 2+1+11 1，一个

5、因素可变（温度），一个因素可变（温度）8确定二元合金两相共存时平衡相成分确定二元合金两相共存时平衡相成分n根据相律根据相律( (P=2，F=2 2- -2 2+1+11 1) )，自由度为，自由度为1 1，若温度一定，则平衡相成，若温度一定，则平衡相成分随之确定。分随之确定。确定两相的相对含量。确定两相的相对含量。注意注意：只适用于两相区；三点（一支点和两端点）要选准：只适用于两相区；三点（一支点和两端点）要选准( (二二) ) 杠杆定律杠杆定律 确定两平衡相的成分：确定两平衡相的成分：设设合金合金C的成分为的成分为x，过，过x（C）作垂线（称为成分垂线）。作垂线（称为成分垂线）。w wL L

6、w w 现以现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律合金为例推导杠杆定律：L(液相液相)(固相固相)L+9w wL Lw w CLCn在成分垂线上相对温度在成分垂线上相对温度t t 作水作水平线，其与液固相线交点平线，其与液固相线交点a a、b b所对应的成分所对应的成分CL 、C 即分别即分别为液相和固相的成分；与成分为液相和固相的成分；与成分垂线的交点为垂线的交点为o o。C合金中的合金中的Ni含量含量=液相中的液相中的Ni+固相中的固相中的NiC1WWLCWCWCLL 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量设合金设合金C C的总重量为的总重量为1 1， 液相液相CL重量为重量为w wL

7、L 固相固相 重量为重量为w w C10则则由以上两式可以得出由以上两式可以得出 LLCCCCaoobww11LLLwww Cw CC CwwL)(%100abobwL%100abaow上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律杠杆定律，其含义为，其含义为合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比的成分线段之比。 w wL Lw w WWLCLCC11n在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的

8、两个平衡相的成分。点是所求的两个平衡相的成分。%5 .61%10045. 058. 045. 053. 0 Q%5 .38%10045. 058. 053. 058. 0 LQ例例（如图）（如图）12二元合金相图的一般几何规律二元合金相图的一般几何规律相律：相律：F=3-P（ F=C-P+1 ；C=2）1、P=1，F=2 位于相图中的位于相图中的单相区单相区（Single Phase Region） 任意一点的成分和温度都可以独立变化而不影响系统的状态。任意一点的成分和温度都可以独立变化而不影响系统的状态。 可以是任意形状。可以是任意形状。 （恒压下，最大（恒压下，最大F=2，成分、温度均可变

9、），成分、温度均可变）2、 P=2，F=1 位于相图中的位于相图中的两相区两相区（Two Phase Region） 只有一个独立变量，温度一定成分一定，反之亦然。只有一个独立变量，温度一定成分一定，反之亦然。 一对代表两平衡相的成分和温度的共轭曲线组成。一对代表两平衡相的成分和温度的共轭曲线组成。3、 P=3，F=0 位于相图中的位于相图中的三相区三相区（Three Phase Region） 没有独立变量，温度与每一相的成分均不能变。没有独立变量，温度与每一相的成分均不能变。 形状是一条等温线。端点和中间点分别表示三个相的成分。形状是一条等温线。端点和中间点分别表示三个相的成分。 有两种基

10、本形式：共晶型（有两种基本形式：共晶型（Eutectic-type）、包晶型（）、包晶型（Peritectic-type）4、 P3，F0T0；（2 2）能量条件：能量起伏；）能量条件：能量起伏；（3 3）结构条件：结构起伏。）结构条件：结构起伏。(2)固溶体固溶体合金的结晶在一定温度范围内进行，合金的结晶在一定温度范围内进行，与纯金属结晶的比较与纯金属结晶的比较异分结晶（选择结晶异分结晶（选择结晶 ） ：结晶出的晶体与液相成结晶出的晶体与液相成分不同的结晶分不同的结晶不同点不同点: (1)合金结晶是异分结晶：需要成分起伏（浓度起伏）。合金结晶是异分结晶：需要成分起伏（浓度起伏）。(3)固溶体

11、合金凝固时依赖于固溶体合金凝固时依赖于异类原子的互相扩散异类原子的互相扩散同分结晶：同分结晶：结晶出的晶体成分与液相相同的结晶。结晶出的晶体成分与液相相同的结晶。纯金属的结晶属于同分结晶纯金属的结晶属于同分结晶。对应每一温度，只能结晶出一定数量的固相对应每一温度，只能结晶出一定数量的固相22 平衡分配系数平衡分配系数CCL LK010 0L LC Ck =k =C C23t t1 1温度的结晶过程温度的结晶过程C0k0C1k0C2C1C2L+ Lt1t2溶质浓度溶质浓度温度温度A固溶体的平衡结晶固溶体的平衡结晶C0k k0 0C C1 1 排出溶质排出溶质界面附近液相界面附近液相C C1 1；

12、远离界面的液相远离界面的液相C C0 0，造成浓度梯度，造成浓度梯度扩散扩散界面附近液相界面附近液相C C1 1 C C0 0液相再次失去平衡，继续长大直至成分达液相再次失去平衡，继续长大直至成分达C1图图1溶质浓度溶质浓度k0C1C0C1L图图1图图2溶质浓度溶质浓度k0C1C0L图图2溶质浓度溶质浓度k0C1C0C1L图图3图图3图图4溶质浓度溶质浓度k0C1C1L图图4L LC1k0C1t1为保持平衡界面移为保持平衡界面移动动, ,从而晶粒长大从而晶粒长大0 0L LC Ck =k =C C24t t2 2温度的结晶过程温度的结晶过程图图3最后通过晶粒长大，使固相达最后通过晶粒长大，使固

13、相达k0C2k0C2C2溶质浓度溶质浓度L图图3图图12022C10212 L c , ck Ctk cc液相液相k0C2C1溶质浓度溶质浓度Lk0C1C2图图1C1C2,造成浓度梯度造成浓度梯度k0C2C2溶质浓度溶质浓度L图图2界面前沿液相界面前沿液相C2；远离界面的液相；远离界面的液相C1在在t1温度时形成的晶体的浓度为温度时形成的晶体的浓度为 在在t2温度时形成的晶体的浓度为温度时形成的晶体的浓度为k0C2形成浓度梯度，破坏平衡形成浓度梯度，破坏平衡扩散扩散图图210CK0 0L LC Ck =k =C CC0k0C1k0C2C1C2L+ Lt1t2溶质浓度溶质浓度温度温度A固溶体的平

14、衡结晶固溶体的平衡结晶25二、固溶体合金的平衡结晶过程二、固溶体合金的平衡结晶过程平衡平衡-不平衡不平衡-平衡平衡-不平衡的辩证发展过程。不平衡的辩证发展过程。固溶体晶核的形成（或原晶体的长大）固溶体晶核的形成（或原晶体的长大）造成相内（液相或固相）的浓度梯度造成相内（液相或固相）的浓度梯度引起扩散过程，破坏界面处的平衡引起扩散过程，破坏界面处的平衡晶体继续长大，恢复界面处的平衡晶体继续长大，恢复界面处的平衡26三、固溶体的不平衡结晶三、固溶体的不平衡结晶 偏离平衡结晶条件的结晶偏离平衡结晶条件的结晶L1L2L3L41432432 原因：冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均匀）。原因：冷速快

15、（假设液相成分均匀、固相成分不均匀）。 结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化；不均匀结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化；不均匀 结晶的温度范围增大。结晶的温度范围增大。1 11 11 1t11 11 11 12 2t21 11 11 12 23 3t34 44 44 4均匀化退火均匀化退火2 24 41 11 11 13 3t4平均成分线平均成分线 成分偏析成分偏析：晶内偏析晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。树枝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又称晶的枝干和枝间化学成分不均匀又称枝晶偏析枝晶偏析。平均成分线平均成分线固相线固相线：位置可变，随冷速增

16、大，偏离固相线的程度增大位置可变，随冷速增大，偏离固相线的程度增大：位置固定位置固定L1L2L3L41432432平均成分线平均成分线（消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温（消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温 影响晶内偏析的因素影响晶内偏析的因素（1 1）相图上液相线与固相线之间的水平距离相图上液相线与固相线之间的水平距离 偏析的最大程度偏析的最大程度 k k0 01, k1, k1, k0 0值越大，偏析越大值越大，偏析越大（2 2）冷却速度冷却速度 冷却速度越大，其偏离程度越严重冷却速度越大，其偏离程度越严重（3 3）原子的扩散能力原子的扩散能力)1 (0000010KCCK

17、CCCC0k0C1k0C2C1C2L+ Lt1t2溶质浓度溶质浓度温度温度A固溶体的平衡结晶固溶体的平衡结晶0 0L LC Ck =k =C C(1)(1)非平衡结晶时，固、液相的平均成分与固、液相线有偏离。非平衡结晶时，固、液相的平均成分与固、液相线有偏离。冷却速度越快，其偏离程度越严重；冷却速度越快，其偏离程度越严重；冷却速度越慢，偏离程度越小，越接近于平衡条件。冷却速度越慢，偏离程度越小，越接近于平衡条件。液相线的偏离程度较固相线小。液相线的偏离程度较固相线小。(2)(2) 先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多。先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多。 (3)(

18、3) 非平衡结晶的终结温度低于平衡结晶的终止温度。非平衡结晶的终结温度低于平衡结晶的终止温度。 非平衡结晶分析结论：非平衡结晶分析结论：L1L2L3L41432432L L温度固液界面距离xt t0 0t t2 2 五、成分过冷及其对晶体生长形态的影响五、成分过冷及其对晶体生长形态的影响L L温度固液界面距离xt t0 0t t2 2L L温度固液界面距离xt t0 0t t2 2温度距离xC C0 0/k/k0 0C C0 0k k0 0C C0 0固液界面L L成分过冷成分过冷：t t0 0t t2 2L+L+C C0 0C C0 0/k/k0 0溶质浓度溶质浓度温度温度C C0 0k k

19、0 0C C0 0C C0 0固溶体合金结晶时由界面前沿液相中的成分差别引起的过冷固溶体合金结晶时由界面前沿液相中的成分差别引起的过冷; ;平衡结晶温度与实际结晶温度之差。平衡结晶温度与实际结晶温度之差。随随X X的增加界的增加界面前沿液相的面前沿液相的浓度降低浓度降低随随X X的增加界面的增加界面前沿液相的平衡前沿液相的平衡结晶温度升高结晶温度升高过冷区域过冷区域温度梯度为正温度梯度为正 T=T平衡平衡-T实际实际（一）形成成分过冷的条件形成成分过冷的条件 形成条件形成条件0001 GRDmC KKGmCoRDK0实际温度梯度 结晶速度 溶质的扩散系数 液相线斜率 合金的成分平衡分配系数距界面距离t t1 1温度G G1 1G G2 2G