第七章 二元相图及合金的凝固

1、本章主要内容本章主要内容 有关相图的基本知识有关相图的基本知识 二元匀晶相图二元匀晶相图 二元共晶相图二元共晶相图 二元包晶相图二元包晶相图 相图与性能关系相图与性能关系 Fe-CFe-C合金相图合金相图 二元合金凝固理论二元合金凝固理论 7. 1有关相图的基本知识有关相图的基本知识本节主要讲授内容：本节主要讲授内容：4)相律相律1)相图的测定方法相图的测定方法2)相图的基本类型相图的基本类型3)相图的组成相图的组成1、相图的测定方法、相图的测定方法实际金属材料相图的建立主要依靠实验的方法；实际金属材料相图的建立主要依靠实验的方法；常用的有两常用的有两类基本方法：类基本方法：动态垂直截线法动态

2、垂直截线法和静态水平截线法。和静态水平截线法。 相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质转变的相变点。测定材料临界点的方法有：质结构状态发生本质转变的相变点。测定材料临界点的方法有：热分析法、膨胀法、电阻法、金相法、热分析法、膨胀法、电阻法、金相法、X X射线法、结构分析、射线法、结构分析、硬度法、磁性法等。硬度法、磁性法等。1）动态垂直截线法）动态垂直截线法2 、相图的基本类型、相图的基本类型3 、相图的组成、相图的组成每一个相图一般都包括以下部分。每一个相图一般都包括以下部分。(1)组元组元2)相界线相界线: (

3、3)(3)相区相区; ;4)组织区组织区4 、相律、相律相律：表示在平衡条件下，系统的自由度数（相律：表示在平衡条件下，系统的自由度数（f f）、）、组元数（组元数（c c）和平衡相数（和平衡相数（p p）之间的关系，其数学表达式为：之间的关系，其数学表达式为：f = c p + 2f = c p + 2f -f -指不影响体系平衡状态的独立可变参数的数目指不影响体系平衡状态的独立可变参数的数目. .2-2-指温度和压力指温度和压力 压力一般可以认为是常量。压力一般可以认为是常量。 相律可写为：相律可写为：f = c p + 1f = c p + 1 7.2二元匀晶相图二元匀晶相图本节主要讲授

4、内容：本节主要讲授内容：1) 相图分析相图分析3 3)平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析2) 杠杆定律杠杆定律4)4)固溶体结晶温度及规律固溶体结晶温度及规律5)5)非平衡结晶非平衡结晶 二二组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并形成固组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并形成固溶体的二元合金系所形成的相图，称为二元匀晶相图。溶体的二元合金系所形成的相图，称为二元匀晶相图。 在结晶过程中都是从液相中结晶出单相的固溶体，这种结在结晶过程中都是从液相中结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。晶过程称为匀晶转变。1、相图分析、相图分析 Cu-Ni相图相图 组元为组元为 Cu Cu 和和 Ni N

5、i 点：点：A A、B B分别为分别为CuCu、NiNi熔点。熔点。线：线：AaBAaB为液相线。为液相线。AbBAbB为固相线。为固相线。区：区：L L、L+L+、2、杠杆定律、杠杆定律 合金成分为合金成分为C，总重量为总重量为W。在在T温度时，由液温度时，由液相和固相组成相和固相组成, 液相的成分为液相的成分为CL ，重量为重量为WL，固相成份为固相成份为C ，重量为重量为W。 则则 W=WL+W （1） WLCL+WC =WC （2）由（由（1）、（）、（2）可得：）可得： WL/W =(C -C) / (C- CL) 故故 WL/W =rb / ar 上式还可换写成：上式还可换写成：W

6、L/W =rb / ab杠杆定律： WL/W =rb / ar注意：杠杆定律适用于平衡结晶时的两相区。3 3、平衡结晶过程分析、平衡结晶过程分析 Cu-30Ni 合金的冷却曲线合金的冷却曲线 以含以含 Ni30% 的的 Cu-Ni 合金为例，来分析合金的平衡结晶过程。合金为例，来分析合金的平衡结晶过程。011223冷却过程中的组织变化冷却过程中的组织变化 1)固溶体合金凝固时析出的固相成分与原液相成份不同，固溶体合金凝固时析出的固相成分与原液相成份不同，需成份起伏。需成份起伏。 2)固溶体合金凝固时依赖于异类原子的互相扩散固溶体合金凝固时依赖于异类原子的互相扩散。4 4、固溶体结晶温度及规律、

7、固溶体结晶温度及规律5 5、固溶体不平衡结晶、固溶体不平衡结晶 非平衡态凝固，先结晶的部分与后结晶的部分成分不非平衡态凝固，先结晶的部分与后结晶的部分成分不同同。这种：一个晶粒内或一个枝晶间化学成分不同的现象，这种：一个晶粒内或一个枝晶间化学成分不同的现象，叫晶内偏析或枝晶偏析。叫晶内偏析或枝晶偏析。各晶粒之间化学成分不均匀的现象叫晶间偏析。各晶粒之间化学成分不均匀的现象叫晶间偏析。偏析的大小取决于：偏析的大小取决于：液相线与固相线间的水平距离液相线与固相线间的水平距离( (成分间距成分间距)，先后成，先后成分结晶的差别分结晶的差别，偏析严重。，偏析严重。溶质原子的扩散能力溶质原子的扩散能力，

8、偏析，偏析。冷却速度冷却速度，偏析，偏析。消除方法：扩散退火（在固相线以下较高温度经过长时间消除方法：扩散退火（在固相线以下较高温度经过长时间的保温，使原子扩散充分，使之转变为平衡组织）。的保温，使原子扩散充分，使之转变为平衡组织）。 7.3二元共晶相图二元共晶相图本节主要讲授内容：本节主要讲授内容：1) 相图分析相图分析2 2)平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析3)3)共晶系合金的不平衡结晶共晶系合金的不平衡结晶 二组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并有共晶二组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并有共晶转变的二元相图，称为二元共晶相图。转变的二元相图，称为二元共晶相图。1、相图分析、相图分析

9、Pb-Sn二元相图二元相图 线：线： AOB AOB： 液相线；液相线； ACODB ACODB：固相线；固相线； CE CE： Sn Sn在在PbPb中的固溶度曲线；中的固溶度曲线； DFDF： Pb Pb在在SnSn中的固溶度曲线；中的固溶度曲线； COD COD水平线：共晶线。此线上的合金均发生共晶反应：水平线：共晶线。此线上的合金均发生共晶反应：LO C + + D这种由固定成分的这种由固定成分的L L中同时结晶出两种成分、结构均不同的固中同时结晶出两种成分、结构均不同的固相反应。称为共晶反应。相反应。称为共晶反应。相区：相区： 单相区：单相区：L L、 ：是是SnSn溶于溶于PbPb

10、的有限固溶体。的有限固溶体。 ：是是PbPb溶于溶于SnSn的有限固溶体。的有限固溶体。 两相区：两相区：L+L+、L+L+、+ 三相区三相区: : L+ L+ 2 2、平衡结晶过程分析、平衡结晶过程分析 1) )合金合金(10%Sn)组织为 +II 合金的室温平衡组织合金的室温平衡组织 2) )合金合金（40%Sn）亚共晶合金亚共晶合金室温组织为室温组织为初初+(E+F)。初初为先共晶相，为先共晶相，为为由先共晶相产生的次生相，由先共晶相产生的次生相，(E+F)为共晶混和物。为共晶混和物。合金合金的显微组织的显微组织 3) )合金合金（61.9%Sn）共晶合金共晶合金共晶组织为黑白相间的混和

11、物，黑、白组织分别为组成共晶体的共晶组织为黑白相间的混和物，黑、白组织分别为组成共晶体的两个相。两个相。合金合金的显微组织的显微组织 4)合金合金（80%Sn）过共晶合金过共晶合金(作业作业)冷却过程中的组织变化冷却过程中的组织变化组织组成物：在结晶的各个阶段中形成的有清晰轮廓的独立组组织组成物：在结晶的各个阶段中形成的有清晰轮廓的独立组成部分，在显微组织中能清楚的区别开；成部分，在显微组织中能清楚的区别开；相组成物：组成显微组织的基本相相组成物：组成显微组织的基本相1）伪共晶伪共晶(quasi-eutectic) 由非共晶成分所得到的全部共晶组织称为伪共晶3 3、共晶系合金的不平衡结晶共晶系

12、合金的不平衡结晶 2）不平衡共晶不平衡共晶共晶系合金的不平衡凝固共晶系合金的不平衡凝固3 3）离异共晶）离异共晶是一种被分离开来的共晶组成。可以在平衡条件下获得，也可一种被分离开来的共晶组成。可以在平衡条件下获得，也可以在非平衡条件下获得。以在非平衡条件下获得。 7.4二元包晶相图二元包晶相图本节主要讲授内容：本节主要讲授内容：1) 相图分析相图分析2 2)平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析3)3)包晶系合金的不平衡结晶包晶系合金的不平衡结晶 二组元在液态无限溶解，固态下有限溶解，并发生包二组元在液态无限溶解，固态下有限溶解，并发生包晶反应的相图叫二元包晶相图。晶反应的相图叫二元包晶相图。1、相

13、图分析、相图分析Pt-Ag二元相图二元相图 线：线： ACB ACB： 液相线；液相线； AEDB AEDB： 固相线；固相线； PE PE： Ag Ag在在PtPt中的固溶度曲线；中的固溶度曲线； DQDQ： Pt Pt在在AgAg中的固溶度曲线；中的固溶度曲线； EDC EDC水平线：包晶线。此线上的合金均发生包晶反应：水平线：包晶线。此线上的合金均发生包晶反应：L LC C + + E E D D 这种在一定的这种在一定的T T下，由一定成分的固相与一定成分的液相作下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的反应的转变叫包晶反应。用，形成另一个一定成分的固相的反应

14、的转变叫包晶反应。相区：单相区：相区：单相区： L L、 ：AgAg溶于溶于PtPt中的中的有限有限固溶体。固溶体。 ：PtPt溶于溶于AgAg中的中的有限有限固溶体。固溶体。 两相区：两相区：L+L+、L+L+、+。 三相区三相区: : L+L+2 2、平衡结晶过程分析、平衡结晶过程分析1）合金合金（包晶合金）组织（包晶合金）组织 +IIII2) 2) IIII合金合金 组织：组织：+II+II3)III合金合金 组织：组织：+II+II3 3、包晶系合金的不平衡结晶包晶系合金的不平衡结晶 成分为成分为 DC 范围的合金，范围的合金，在非平衡冷却条件下，由于包晶在非平衡冷却条件下，由于包晶转

15、变不完全，使得包围在转变不完全，使得包围在 相中的相中的 相在包晶转变后仍有相在包晶转变后仍有残留，通常把这种组织称为核心（或包心）组织。残留，通常把这种组织称为核心（或包心）组织。这种由于包晶转变的不完全性而产生的组织变化与成分偏析这种由于包晶转变的不完全性而产生的组织变化与成分偏析的现象，称为包晶偏析。的现象，称为包晶偏析。 7.5相图与合金性能的关系相图与合金性能的关系本节主要讲授内容：本节主要讲授内容：1) 相图与使用性能关系相图与使用性能关系2 2) 相图与工艺性能关系相图与工艺性能关系1、相图与使用性能关系相图与使用性能关系。1 1）单相固溶体合金）单相固溶体合金随着溶质含量的增加

16、，材料的强度、硬度增加，塑性、韧性随着溶质含量的增加，材料的强度、硬度增加，塑性、韧性下降，导电性能下降。下降，导电性能下降。2 2）两相混合物）两相混合物 形成两相混合物的合金，性能是两组成相性能的平均值形成两相混合物的合金，性能是两组成相性能的平均值（性能与成分呈线性变化）。共晶成分的合金强度、硬度达（性能与成分呈线性变化）。共晶成分的合金强度、硬度达到最大值。到最大值。2 2、相图与工艺性能关系相图与工艺性能关系相图与合金铸造性能之间的关系相图与合金铸造性能之间的关系1）单相固溶体合金）单相固溶体合金流动性：差流动性：差缩孔：分散缩孔多，集中缩孔少。缩孔：分散缩孔多，集中缩孔少。加工性：

17、强度低，塑性好，变形均匀，压力加工性能好。加工性：强度低，塑性好，变形均匀，压力加工性能好。 2）两相混合物时）两相混合物时 流动性好、枝晶偏析最小不易形成疏松，而易行成集中缩孔合流动性好、枝晶偏析最小不易形成疏松，而易行成集中缩孔合金致密，铸造性能好。加工性差。金致密，铸造性能好。加工性差。 7.6 Fe-C合金相图合金相图本节主要讲授内容：本节主要讲授内容：1) Fe-C合金中的合金中的组元和合金相组元和合金相2 2) Fe-Fe3C合金相图分析合金相图分析3)3)铁碳合金分类铁碳合金分类4)典型合金的结晶过程分析及组织典型合金的结晶过程分析及组织5)相组成物及组织组成物计算相组成物及组织

18、组成物计算6)含碳量对组织及性能的影响含碳量对组织及性能的影响 Fe-CFe-C双重相图双重相图1、Fe-C合金中的合金中的组元和合金相组元和合金相（1 1）纯铁：）纯铁： 熔点熔点153815381 1）组元组元（2 2）渗碳体渗碳体： 是铁与碳形成的间隙化合物，含碳量为是铁与碳形成的间隙化合物，含碳量为6.69%6.69%，熔点，熔点12271227。（1 1）液相（）液相（L L）（2 2）相相（3 3）相：相：（4 4）相：相：（5 5）FeFe3 3C C相相2 2）基本相基本相2 2、 Fe-Fe3C合金相图分合金相图分析析1 1）点：）点：五个单相区：七个双相区：五个单相区：七个

19、双相区：3 3）线：线：2 2）区：）区：ABCD ABCD 液相线液相线AHJECF AHJECF 固相线。固相线。三条水平线。三条水平线。HJB HJB 、ECF ECF 、PSKPSK三条析出线三条析出线 CDCD、ESES、PQPQGSGS线线3 3、铁碳合金分类铁碳合金分类1 1）工业纯铁：）工业纯铁： C0.0218%C0.0218%的的FeFeC C合金。合金。2 2）碳钢：）碳钢： 0.0218% 0.0218% C 2.11% C 2.11% 的的FeFeC C合金。合金。 共析钢共析钢 0.77% 0.77% 亚共析钢亚共析钢 0.0218 0.02180.77%0.77%

20、 过共析钢过共析钢 0.77 0.772.11%.2.11%. 3 3）白口铸铁：）白口铸铁： 2.11% 2.11% C 6.69%C 6.69%的的FeFeC C合金。合金。 亚共晶白口铁亚共晶白口铁 2.11 2.114.3%4.3% 共晶白口铁共晶白口铁 4.3% 4.3% 过共晶白口铁过共晶白口铁 4.3 4.36.696.694、典型合金的结晶过程分析及组织典型合金的结晶过程分析及组织典型铁碳合金平衡结晶过程分析图典型铁碳合金平衡结晶过程分析图1 1）含碳含碳0.01%0.01%的铁碳（工业纯铁）的铁碳（工业纯铁）工业纯铁的平衡组织工业纯铁的平衡组织 2 2）含碳）含碳0.77%0

21、.77%的铁碳合金（共析钢）的铁碳合金（共析钢）室温室温 P P 组织，组织， 和和 FeFe3 3C C 呈层片状。呈层片状。 3 3）含碳含碳0.4%0.4%的铁碳合金（亚共析钢）的铁碳合金（亚共析钢） 含碳含碳0.40%的碳钢结晶过程示意的碳钢结晶过程示意室温平衡组织组成物都是珠光体和先共析铁素体。室温平衡组织组成物都是珠光体和先共析铁素体。4 4）含碳）含碳1.2%1.2%的铁碳合金（过共析钢）的铁碳合金（过共析钢） 含碳含碳1.2%的碳钢结晶过程示意的碳钢结晶过程示意组织是珠光体和二次渗碳体组织是珠光体和二次渗碳体含碳量含碳量1.0%, 1.0%1.0%，二次渗碳体呈现出连续的网状，

22、将严重，二次渗碳体呈现出连续的网状，将严重损害钢的塑性和韧性损害钢的塑性和韧性5 5）含碳）含碳4.3%4.3%的铁碳合金（共晶白口铸铁）的铁碳合金（共晶白口铸铁） 1以上以上 12 2以下以下 含碳含碳4.3%的共晶白口铸铁的结晶过程示意的共晶白口铸铁的结晶过程示意共晶白口铸铁的室温组织共晶白口铸铁的室温组织 （白色基体是共晶渗碳体，黑色颗粒为珠光体（白色基体是共晶渗碳体，黑色颗粒为珠光体）6 6）含碳）含碳3 3.0.0% %的铁碳合金（的铁碳合金（亚共亚共晶白口铸铁）晶白口铸铁） 含碳含碳3.0%的亚共晶白口铁结晶过程示意的亚共晶白口铁结晶过程示意 亚共晶白口铸铁室温组织（黑色树枝状为珠

23、光体，其余为莱氏体）亚共晶白口铸铁室温组织（黑色树枝状为珠光体，其余为莱氏体）合金室温平衡组织为：合金室温平衡组织为： LdLd FeFe3 3C CP P。7 7）含碳含碳5.0%5.0%的铁碳合金（过共晶白口铸铁）的铁碳合金（过共晶白口铸铁）含碳含碳5.0%的过共晶白口铸铁结晶过程示意的过共晶白口铸铁结晶过程示意 过共晶白口铸铁室温组织过共晶白口铸铁室温组织(白色的为一次渗碳体，其余为莱氏体白色的为一次渗碳体，其余为莱氏体)5、相组成物及组织组成物计算相组成物及组织组成物计算6、含碳量对组织及性能的影响含碳量对组织及性能的影响1 1）对对平衡平衡组织的影响组织的影响铁碳合金成分与组织的影响

24、铁碳合金成分与组织的影响 7. 7二元合金的凝固理论和合金铸锭的组织与缺陷二元合金的凝固理论和合金铸锭的组织与缺陷本节主要讲授内容：本节主要讲授内容：1)固溶体的凝固理论固溶体的凝固理论2)合金铸锭的组织与缺陷合金铸锭的组织与缺陷1、固溶体的凝固理论固溶体的凝固理论1 1）正常凝固正常凝固由于二元合金中第二组元的加入，溶质原子要在液、固两相由于二元合金中第二组元的加入，溶质原子要在液、固两相中发生重新分布，重新分布的程度用平衡分布系数中发生重新分布，重新分布的程度用平衡分布系数k k0 0表示。表示。k k0 0 =w =ws s/w/wl l 即平衡凝固时固相的质量分数与液相质量分数之即平衡

25、凝固时固相的质量分数与液相质量分数之比。比。讨论：讨论：k k0 01 1 1 表示随溶质表示随溶质，合金凝固，合金凝固T T开始和开始和T T终结终结 k k0 01 1 表示合金凝固时重新分布的溶质成分与原合金表示合金凝固时重新分布的溶质成分与原合金成分接近，即重新分布的程度越小。成分接近，即重新分布的程度越小。两个两个k k0 0情况情况 ( (a)ka)k0 01 (b)k11长度为长度为L L的圆棒形锭子（的圆棒形锭子（a a）和平衡冷却示意图（和平衡冷却示意图（b)b)平衡凝固：平衡凝固： 固相成分是均匀的，沿固相线变化。固相成分是均匀的，沿固相线变化。 凝固终结时，固相成分凝固终

26、结时，固相成分w ws s等于原合金成分等于原合金成分w w0 0。非平衡凝固：固相成分随凝固距离非平衡凝固：固相成分随凝固距离x x而变化。其变化规律而变化。其变化规律为：为：称为正常凝固方程。式中称为正常凝固方程。式中 s s ：固相的质量浓度。固相的质量浓度。 o o ：原合金的质量浓度原合金的质量浓度 k ko o ：平衡分配系数。平衡分配系数。 x x ： 已经凝固距离已经凝固距离 L L ：锭长锭长 固溶体经正常凝固后，整个锭子的质量浓度分布见图，固溶体经正常凝固后，整个锭子的质量浓度分布见图，它符合一般铸锭中浓度分布，因此称为正常凝固。它符合一般铸锭中浓度分布，因此称为正常凝固。

27、 质量浓度由锭表面向中心逐渐增加的不均匀分布称为正质量浓度由锭表面向中心逐渐增加的不均匀分布称为正偏析，用扩散退火也难消除。偏析，用扩散退火也难消除。 2 2)区域熔炼区域熔炼 正常凝固是将质量浓度为正常凝固是将质量浓度为o o的固溶体合金，整体融化的固溶体合金，整体融化定向凝固。定向凝固。 区域熔炼是将质量浓度为区域熔炼是将质量浓度为o o的固溶体合金，局部融化的固溶体合金，局部融化局部凝固局部凝固.3）合金凝固中的成分过冷）合金凝固中的成分过冷成分过冷的形成成分过冷的形成成分过冷：固溶体合金凝固时，在固液界面处形成溶质的浓成分过冷：固溶体合金凝固时，在固液界面处形成溶质的浓度梯度而产生的过

28、冷。这种由于度梯度而产生的过冷。这种由于L中成分变化而引起的过冷中成分变化而引起的过冷叫成分过冷。见图叫成分过冷。见图ko1合金成分过冷示意图。合金成分过冷示意图。 ko1合金成分过冷示意图合金成分过冷示意图成分过冷对晶体生长形态的影响成分过冷对晶体生长形态的影响 （1） L-界面前沿没有成分过冷，晶体呈平面生长。界面前沿没有成分过冷，晶体呈平面生长。 （2） L-界面前沿有叫小的成分过冷，晶体呈胞状生长。界面前沿有叫小的成分过冷，晶体呈胞状生长。（3） L-界面前沿有较大的成分过冷时，呈枝状生长。界面前沿有较大的成分过冷时，呈枝状生长。图图 温度梯度对成分过冷的影响。温度梯度对成分过冷的影响。2、合金的铸锭组织和缺陷合金的铸锭组织和缺陷