材料第2章之2合金的结晶

第2章金属材料组织与性能的控制之2.2.1二元合金的结晶2/3/20231北京邮电大学自动化学院一、相图为了对广泛使用的合金进行熔铸、锻压和热处理，必须首先了解它们的熔点和固态转变温度，并弄清楚它们的凝固过程及凝固后的相和组织结构。

相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间的关系的一种图解，又称为状态图或平衡图。利用相图，我们可以了解各种成分的材料在不同温度、压力下的相组成，多种相的成分与相对量及组织的变化规律等。因此，掌握和了解相图的基本知识和分析方法，对制定材料热加工工艺、分析和检测材料的性能以及研究开发新材料等都有重要作用和指导意义。2/3/20232北京邮电大学自动化学院二、二元合金相图（常压）2/3/20233北京邮电大学自动化学院相图的建立一般采用热分析法，其基本思路是先配制一系列不同成分的给定合金，绘制它们各自的冷却曲线，然后由冷却曲线上的临界点绘制相图。100%Ni温度℃

时间Cu20406080NiNi%TNiTCu80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni100%Cu（a）（b）Cu-Ni合金相图的测绘（a）冷却曲线（b）Cu-Ni相图相图的建立2/3/20234北京邮电大学自动化学院相图的建立Ⅰ：纯铜100%CuⅡ：75%Cu+25%Ni

Ⅲ：50%Cu+50%NiⅣ：25%Cu+75%Ni

Ⅴ：纯Ni100%Ni

2/3/20235北京邮电大学自动化学院四大反应和一大定律2/3/20236北京邮电大学自动化学院

从液相中不断结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。

二组元在液态、固态时均能无限互溶的二元合金相图就是匀晶相图。这样的二元合金系称为匀晶系。属于匀晶系的合金系有Cu-Ni、铌Nb-Ti、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni、Mo-W等。几乎所有二元合金相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类相图是学习二元合金相图的基础。1、匀晶反应及相图2/3/20237北京邮电大学自动化学院（1）相图分析

A1083℃B1452℃LL+α温度CuNiNi%

Cu-Ni合金相图液相线固相线α从液相中不断结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。2/3/20238北京邮电大学自动化学院（2）固溶体合金的平衡结晶过程及特点

IA1083℃B1452℃L1L2L3L4

α4

α3

α2LαL+α温度CuXLX0XαNi%Ni时间（a）（b）图3-4Cu-Ni合金相图

L

Lα

α

α1t1t2t3、3t4a.形核、长大，树枝状长大b.变温过程c.两相区内，温度一定，两相成分确定d.两相区内，温度一定，两相相对量一定2/3/20239北京邮电大学自动化学院2/3/202310北京邮电大学自动化学院（3）杠杆定律2/3/202311北京邮电大学自动化学院杠杆定律的证明证明：

Q合金

×b%=QL

×a%+Qa

×c%又因为：Q合金=QL+Qa

所以：（QL+Qa）×b%=QL×a%+Qa

×c%2/3/202312北京邮电大学自动化学院合金中液相和固相所占的质量分数：2/3/202313北京邮电大学自动化学院偏析在结晶过程中随着固相的不断形成，其成分也在不断的变化，这种变化是通过原子的扩散实现的。若原子能够进行充分的扩散，固溶体将发生平衡结晶；若原子不能够进行充分的扩散，固溶体将发生非平衡结晶。由此可见，固溶体在结晶时，溶质和溶剂原子必然要发生重新分配。固溶体不平衡结晶所形成的枝晶偏析是指一个晶粒内部成分的不均匀现象；而固溶体的在结晶时，沿一定方向结晶过程中，在一个较大区域范围内也会出现成分差异，这称为宏观偏析。

（4）偏析与区域提纯2/3/202314北京邮电大学自动化学院冷速快→原子扩散不充分→成分不均。扩散退火消除2/3/202315北京邮电大学自动化学院2、共晶反应及相图两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶时存在的一种结晶转变。共晶转变的合金系构成共晶相图，Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu等。2/3/202316北京邮电大学自动化学院（1）相图分析1三个单相区：L、α、β（α、β是有限固溶体）三个双相区：L+α

、L+β

、α+β2/3/202317北京邮电大学自动化学院（1）相图分析2共晶点：d点，共晶成分的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度），共同结晶出αc、βe

，即：2/3/202318北京邮电大学自动化学院（1）相图分析3液相线：adb固相线：acdeb

共晶反应线：cde溶解度线：cf，egf2/3/202319北京邮电大学自动化学院（2）典型合金的结晶过程合金I：

相组成物：α,βII

αβII2/3/202320北京邮电大学自动化学院液态合金冷却到1点温度以后,发生匀晶结晶过程,至2点温度合金完全结晶成α固溶体,随后的冷却(2～3点间的温度),α相不变。从3点温度开始,由于Sn在α中的溶解度沿cf线降低,从α中析出βII,到室温时α中Sn含量逐渐变为f点。最后合金得到的组织为α+βII。其组成相是f点成分的α相和g点成分的β相。

2/3/202321北京邮电大学自动化学院合金II：βαII2/3/202322北京邮电大学自动化学院合金从液态冷却到1点温度后,发生共晶反应：L→(α+β)

,经一定时间到1’时反应结束,全部转变为共晶体(α+β)。从共晶温度冷却至室温时,共晶体中的α和β均发生二次结晶,从α中析出二次β,从β中析出二次α。α的成分由c点变f点,β的成分由e点变为g点,两种相的相对重量依杠杆定律变化。由于析出的二次β和二次α

都相应地同β和α相连在一起,共晶体的形态和成分不发生变化。合金的室温组织全部为共晶体,即只含一种组织组成物;其组成相仍为α和β相。

2/3/202323北京邮电大学自动化学院共晶合金组织的形态

2/3/202324北京邮电大学自动化学院3、包晶反应及相图一个一定成分的液相与一个一定成分的固相在恒温下生成另一固相的转变称为包晶转变。两组元液态时能相互无限溶解，固态时有限互溶，并发生包晶转变的二元合金系相图称为包晶相图。具有这种相图的典型合金有Pt-Ag、Sn-Sb锑、Cu-Sn、Cu-Zn等合金系。

2/3/202325北京邮电大学自动化学院Pt-Ag合金相图中存在三种相:

（1）Pt与Ag形成的液溶体L相;

（2）Ag溶于Pt中的有限固溶体α相;（3）Pt溶于Ag中的有限固溶体β相。e点为包晶点,e点成分的合金冷却到e点所对应的温度(包晶温度)时发生包晶反应：L+α→β

发生包晶反应时三相共存,它们的成分确定,反应在恒温下平衡地进行。水平线ced为包晶反应线。

2/3/202326北京邮电大学自动化学院18001600140012001000800600400温度℃Pt20406080Ag图3－32Pt-Ag合金相图LβαL+αα+βL+βb(961.93℃)da(1772℃)1186℃ec42.410.566.3fgⅠⅡⅢ2/3/202327北京邮电大学自动化学院合金冷却到1点温度以下时结晶出α固溶体,α相成分沿ac线变化,L相成分沿ad线变化。合金刚冷到2点温度而尚未发生包晶反应前,由c点成分的α相与d点成分的L相组成。此两相在e点温度时发生包晶反应,L相包围α

相而形成β。反应结束后,L相与α相正好全部反应耗尽,形成e点成分的β固溶体。温度继续下降,从β中析出二次α。最后室温组织为β+二次