第三章 二元相图和合金的凝固

第三章二元相图和合金的凝固第1页，课件共80页，创作于2023年2月22§3.1二元相图的建立一、相图的表示方法对二元合金来说，通常用横坐标表示成分，纵坐标表示温度。坐标平面上的任一点称为表象点，表示合金的成分和温度第2页，课件共80页，创作于2023年2月33二、相图的建立通过实验测定：先配制一系列成分不同的合金，然后测定这些合金的相变临界点，最后把这些点标在温度—成分坐标图上，把各相同意义的点连结成线，这些线就在坐标图上划分出一些区域，即相区，将各相区所存在的相的名称标出，相图的建立工作即告完成。测定临界点方法：热分析法、膨胀法、电阻法、x射线结构分析法等。热分析法测定二元合金相图：1）配制一系列不同成分的合金，测出从液态到室温的冷却曲线。2）将临界点标在温度—成分坐标图中，再将相同意义的点连接起来。3）标注相区。第3页，课件共80页，创作于2023年2月44液相线：表示合金结晶开始的温度或加热过程中熔化终了的温度；固相线：表示合金结晶终了的温度或在加热过程中开始熔化的温度单相固溶体用α表示。α+L第4页，课件共80页，创作于2023年2月55三、相律及杠杆定律（分析相图的两个重要依据）相律：说明合金在平衡结晶过程中温度和相成分的变化；杠杆定律：定量给出结晶过程中两相相对量的变化，最后形成的组织中两相的相对量以及组织的相对量。1、相律及其应用相律：表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系。当系统的压力为常数时：f=c-p+1f为自由度数，c为组元数，p为相数自由度数：结晶过程中保持相数不变的平衡条件下，影响状态的内、外部因素中可以独立发生变动的数目。温度和成分第5页，课件共80页，创作于2023年2月66纯金属自由度数最多1个（成分固定）；二元合金自由度数最多2个（成分的独立变量只有一个）；三元合金自由度数最多3个（成分的独立变量有两个）；应用：（1）、确定系统中可能存在的最多平衡相数

f最小为0，即f=c-p+1=0→p=c+1纯金属中最多相数为2，二元合金中最多相数为3，依次类推（2）、解释纯金属与二元合金的差别纯金属（c=1）结晶时两相平衡（p=2）→f=0，恒温二元合金（c=2）两相平衡（p=2）→f=1，一个变量，反应在一个温度范围内进行；三相平衡（p=3）→f=0，恒温、成分固定，相图中是一条恒温线第6页，课件共80页，创作于2023年2月772、杠杆定律定量确定两相共存状态下两相的相对量，以Cu-Ni合金为例：在T1温度下，成分x的合金处于L+α两相共存状态，设液相的量为，固相量为，合金总量为：Ni在合金中的总量等于在L和α两相中的量之和：图3.3杠杆定理的说明第7页，课件共80页，创作于2023年2月88以合金成分o为支点以L相成分a为支点以α相成分b为支点aobaobaob在二元系合金中，杠杆定律只适用于两相平衡区第8页，课件共80页，创作于2023年2月99例题：有一成分为0.5B的合金，平衡结晶到某一温度时，液相中含有0.4B，固相中含有0.8B，此时固、液相各占多少分数？第9页，课件共80页，创作于2023年2月1010§3.2二元匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图：两组元在液态、固态都无限溶解，形成固溶体。例如：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、Mo-W等匀晶转变：合金结晶时都是从液相中结晶出单相固溶体。一、相图分析以Cu-Ni相图为例：液相线固相线相区第10页，课件共80页，创作于2023年2月1111二、固溶体合金的平衡结晶过程以Cu-0.3Ni为例Cu-0.3Ni合金的冷却曲线第11页，课件共80页，创作于2023年2月1212固溶体的平衡结晶过程与纯金属相同点：液态合金成分：宏观平均成分，微观角度，微小原子集团偏离平均成分，成分、大小、位置变化不定①形核的结构条件要满足结构起伏、能量起伏和成分起伏三个。②热力学条件：ΔT↑rK↓，ΔGK↓，固相与母相成分越接近，N↑，晶粒↓③形核方式④匀晶合金在室温下的组织为单相固溶体图3.6固溶体合金平衡结晶时组织变化示意图第12页，课件共80页，创作于2023年2月1313固溶体的平衡结晶过程与纯金属不同点：①异分结晶（选择结晶）：结晶出的晶体与母相的化学成分不同。同分结晶：纯金属结晶晶体与母相的化学成分完全一样。异分结晶→溶质原子重新分配平衡分配系数：一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比，即假定液相线和固相线为直线，则为常数。c↑→相线↓，<1，↓ΔC↑c↑→相线↑，>1，↑ΔC↑

反映重新分配的强烈程度第13页，课件共80页，创作于2023年2月1414②结晶需要一定的温度范围温度范围内的每一温度下只能结晶出一定数量的固相Cu-0.3Ni合金的冷却曲线第14页，课件共80页，创作于2023年2月1515结晶过程中，溶质原子重新分配一直在进行原子扩散合金成分C0温度T1，液相成分C1，固相成分k0C1温度T2，液相成分C2，固相成分k0C2C0温度LaL+aC1C2k0C1k0C2T1T2浓度梯度图3.8固溶体合金的平衡结晶溶质浓度第15页，课件共80页，创作于2023年2月1616温度T1的结晶过程:界面区域浓度梯度→原子扩散→C1↓C0´（非平衡X）晶体长大→C1平衡重新建立→浓度梯度→原子扩散→进一步长大→重复进行C0温度LaL+aC1C2k0C1k0C2T1T2aLk0C1C0C1溶质浓度aLk0C1C0’溶质浓度aLk0C1C1溶质浓度C0’aLk0C1C1溶质浓度（a）（b）（c）（d）第16页，课件共80页，创作于2023年2月1717温度T2的结晶过程:界面区域浓度梯度→原子扩散→C改变（非平衡X）晶体长大→平衡重新建立→浓度梯度→原子扩散→进一步长大→重复进行aLk0C2C2溶质浓度caLk0C2C1溶质浓度C2k0C1aLk0C2溶质浓度C2bC0温度LaL+aC1C2k0C1k0C2T1T2aT3第17页，课件共80页，创作于2023年2月1818固溶体的平衡结晶过程：固相成核相内浓度梯度相内扩散界面浓度不平衡晶体长大重新建立平衡固溶体的平衡结晶过程原子的扩散过程液相和固相均匀一致原子的扩散进行完全缓慢冷却冷却速度大相内成分不均匀偏离平衡结晶条件（不平衡结晶）第18页，课件共80页，创作于2023年2月1919三、固溶体合金的不平衡结晶条件：液相完全均匀化，而固相内却来不及进行扩散。平衡：t1:t2:t3:不平衡t1:t2:t3:t4:固相平均成分线↑←冷却速度↑图3.11匀晶系合金的不平衡结晶第19页，课件共80页，创作于2023年2月2020晶内偏析：晶粒内部化学成分不均匀的现象。（枝晶偏析）图3.12固溶体在不平衡结晶时的组织变化示意图第20页，课件共80页，创作于2023年2月2121影响晶内偏析的因素：

1）分配系数k0

当k0

1时，k0值越小，则偏析越大；当k0

1时，k0越大，偏析也越大。

2）溶质原子的扩散能力

结晶的温度较高，溶质原子扩散能力大，则偏析程度较小；反之，则偏析程度较大。

3）冷却速度

冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。（一般情况）小铸件冷却速度极快，过冷度很大，到t3才开始结晶成分均匀严重的晶内偏析→机械性能↓，抗蚀能力↓消除晶内偏析：扩散退火或均匀退火。高温，长时间保温，缓冷第21页，课件共80页，创作于2023年2月2222四、区域偏析和区域提纯1、区域偏析（宏观偏析）：大范围内化学成分不均匀的现象液相扩散、对流、搅拌，成分均匀，固相无扩散为例：图3.15区域偏析的形成过程第22页，课件共80页，创作于2023年2月2323液相只有扩散，成分不均匀，固相无扩散为例：第23页，课件共80页，创作于2023年2月24241）水平直线a：平衡结晶，相内溶质原子充分混合。2）曲线c：不平衡结晶，固相中无扩散，液相中除了扩散之外，没有对流或搅拌，即液相中的溶质原子混合很差3）曲线b：不平衡结晶，固相中无扩散，液相成分可以借助扩散、对流或搅拌等完全均匀化。4）曲线d：介于b与c情况之间。第24页，课件共80页，创作于2023年2月25252、区域提纯依据区域偏析原理可以提纯金属。将杂质富集的末端切去，然后再熔化，再顺序凝固，金属的纯度就可不断地得以提高。区域熔炼技术（区域提纯）熔化区↓，效果↑k0↓，效果↑搅拌↑，效果↑第25页，课件共80页，创作于2023年2月2626五、成分过冷及其对晶体成长形状的影响固溶体结晶→呈树枝状生长，还有的呈胞状生长←成分过冷1、形成成分过冷的条件及其影响因素第26页，课件共80页，创作于2023年2月2727形成成分过冷临界条件：G：实际温度梯度，R：结晶速度，m：液相线斜率，D：液相中溶质的扩散系数，k0：分配系数。形成成分过冷的条件影响成分过冷的因素：G，R，C01）对于同种合金：温度梯度G↓，成分过冷↑。2）对于不同的合金：k0

1时k0↓，k0

1时，k0↑，液相线越陡,D↓，成分过冷↑。第27页，课件共80页，创作于2023年2月28282、成分过冷对晶体成长形状的影响1）在温度梯度G1下，界面呈平面状生长。2）在温度梯度下G2，界面呈胞状生长。3）在温度梯度G3下，晶体以树枝状的方式长大。第28页，课件共80页，创作于2023年2月2929第29页，课件共80页，创作于2023年2月3030§3.2二元共晶相图及其合金的结晶二元共晶相图：两组元在液态时相互无限互溶，在固态时有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图。例如：Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi等，Fe-C、Al-Mg有共晶部分。共晶转变：某一定化学成分的合金在一定温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程。共晶反应：共晶组织由两相混合组成，即α+ß第30页，课件共80页，创作于2023年2月3131一、相图分析液相线固相线溶解度曲线共晶反应线共晶点共晶温度共晶合金亚共晶合金过共晶合金相区：单相区双相区三相共存区第31页，课件共80页，创作于2023年2月3232二、典型合金的平衡结晶过程及组织1、成分小于M点的合金以Pb-0.1Sn为例（合金I）第32页，课件共80页，创作于2023年2月3333T>1，L1—2，L+α2—3，α3—4，α+脱溶（二次结晶）次生相（二次相）成分在F和M之间的合金，α和的相对含量：第33页，课件共80页，创作于2023年2月3434第34页，课件共80页，创作于2023年2月3535组织黑色基体为α相白色颗粒为第35页，课件共80页，创作于2023年2月36362、共晶合金（合金II）w（Sn）=61.9%第36页，课件共80页，创作于2023年2月3737TE：<TE:α++ß+（

α+ß

）和的含量：TE第37页，课件共80页，创作于2023年2月3838第38页，课件共80页，创作于2023年2月3939组织：呈层片状交替分布，黑色为α相，白色为ß相共晶组织（α+ß）第39页，课件共80页，创作于2023年2月4040共晶组织的形成：结晶过程形核领先相以α为例→界面富锡→ß析出→界面富铅长大两相交替形核和长大，构成共晶组织.α片与α片，ß片与ß片分别互相联系，不需要反复形核，可能一“搭桥”方式形成。第40页，课件共80页，创作于2023年2月4141第41页，课件共80页，创作于2023年2月4242影响共晶组织形态的因素：两个组成相的本质是其形态的决定性因素。金属-金属型：大多为层片状或棒状金属-非金属型：表现为针片状或骨骼状等。第42页，课件共80页，创作于2023年2月43433、亚共晶合金成分在ME之间（合金Шw（Sn）=50%）第43页，课件共80页，创作于2023年2月4444>1：L;1—2：L+α；2（TE）：两相的成分分别达到M点和E点两相的质量分数：共晶反应前α初晶又称先共晶相（α

先）。TE:α

先+α+ß<2:(α

先+）+（α+ß）TE第44页，课件共80页，创作于2023年2月4545第45页，课件共80页，创作于2023年2月4646暗黑色树枝状晶为先共晶α相，其中的白色颗粒为析出的黑白相间分布的为共晶组织第46页，课件共80页，创作于2023年2月47474、过共晶合金成分在EN之间（合金Ⅳw（Sn）=70%）第47页，课件共80页，创作于2023年2月4848>1:L;1—2：L+ß；2:ß先+α+ß<2:(ß先+）+（α+ß）TE第48页，课件共80页，创作于2023年2月4949亮白色树枝状晶为先共晶ß相，其中的黑色颗粒为析出的黑白相间分布的为共晶组织第49页，课件共80页，创作于2023年2月5050小结：1）F-G点间合金：

+，相的大小、数量和分布状况发生很大变化；F-M点间合金：

+

II；N-G点间合金：

+

II。2）M-E点间亚共晶合金：

+

II+共晶组织（

+

）；E点共晶合金：共晶组织（

+

）；E-N点间过共晶合金：

+

II+共晶组织（

+

）3）、

、

II、

II及（

+

）在显微组织中均能清楚地区分开，是组成显微组织的独立部分，称之为组织组成物。从相的本质看，它们都是由

和

两相所组成，所以

、

两相称为合金的相组成物。第50页，课件共80页，创作于2023年2月5151第51页，课件共80页，创作于2023年2月5252合金组织组成物与相组成物的相对含量都可以用杠杆定律来计算例如：含锡量为30％的亚共晶合金在183℃共晶转变结束后，先共晶

相和共晶组织(

+

)的含量分别为？相组成物

相和

相的含量分别为？第52页，课件共80页，创作于2023年2月5353三、不平衡结晶及组织冷却速度快→扩散不充分→偏离平衡状态1、伪共晶由非共晶成分的合金经不平衡结晶得到共晶组织.伪共晶区：形成全部共晶组织的成分和温度范围。当液态合金过冷到两条液相线的延长线所包围的影线区时，就可得到共晶组织理论伪共晶区第53页，课件共80页，创作于2023年2月5454实际伪共晶区：①对称地扩大：金属-金属型共晶②歪斜地扩大：金属-非金属型共晶伪共晶区的形状两相单独生长的长大速度与过冷度的关系。差别不大→对称扩大；差别很大（一个相的长大速度随过冷度的增加下降很快→生长被抑制）→偏向该相一边

晶体结构界面性质第54页，课件共80页，创作于2023年2月5555Al-Si合金：共晶合金→快冷→亚共晶组织第55页，课件共80页，创作于2023年2月56562、离异共晶在先共晶相数量较多而共晶组织甚少的情况下，有时共晶组织中与先共晶相相同的那一相，会依附于先共晶相上生长，剩下的另一相则单独存在于晶界处，从而使共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。平衡结晶（Ⅰ）：越靠近M（或N点）→离异共晶↑不平衡结晶（Ⅱ）：M点以左或N点以右第56页，课件共80页，创作于2023年2月5757离异共晶组织具有不良影响不平衡结晶产生的，经均匀化退火后可变为平衡态的固溶体组织。第57页，课件共80页，创作于2023年2月58§3.4包晶相图及其合金的结晶包晶相图:两组元在液态相互无限互溶、在固态相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合全系相图。例如：Pt-Ag、Sn-Sb、Cu-Sn、Cu-Zn等。包晶转变（包晶反应）：在一定温度下，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转变过程。58TD第58页，课件共80页，创作于2023年2月59一、相图分析液相线固相线溶解度曲线包晶反应线包晶点包晶温度相区：单相区双相区三相共存区59第59页，课件共80页，创作于2023年2月60二、典型合金的平衡结晶过程及组织1、w（Ag）=42.4%的Pt-Ag合金（合金Ⅰ）成分为D点>1:L1-D:L+αTD<TD:ß+次生相TD第60页，课件共80页，创作于2023年2月61第61页，课件共80页，创作于2023年2月622、成分在P-D之间点的Pt-Ag合金（合金Ⅱ）>1:L1-2:L+αTD反应结束，α过剩<2:

+

+

II+

IITD第62页，课件共80页，创作于2023年2月63第63页，课件共80页，创作于2023年2月643、成分在D-C之间点的Pt-Ag合金（合金Ⅲ）>1:L1-2:L+αTD反应结束，L过剩2-3：L→ß3-4:ß<4:

+

IITD第64页，课件共80页，创作于2023年2月65第65页，课件共80页，创作于2023年2月66设wAg20%的合金II进行包晶转变时，L和的相对含量？包晶转变过程中需要多少？包晶转变生成多少？剩余多少？第66页，课件共80页，创作于2023年2月67三、不平衡结晶过程及组织包晶转变十分缓慢，在实际生产条件下，冷却速度快，包晶转变将被抑制，剩余的液体在低于包晶转变温度下，直接转变为

相。这样一来，在平衡转变时本来不存在的

相就被保留下来，同时

相的成分也很不均匀。包晶偏析：由于包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不均匀现象。温度足够高，扩散足够快，包晶反应有可能彻底完成。不平衡组织：①本来不存在的

相就被保留下来②P点左侧的合金，在不平衡条件下，发生包晶反应，形成不应出现的

相消除不平衡组织：长时间扩散退火第67页，课件共80页，创作于2023年2月68四、包晶转变的实际应用包晶转变的两个显著特点：1）包晶转变的形成相依附在初晶相上形成；2）包晶转变的不完全性。应用：1）在轴承合金中的应用；2）包晶转变的细化晶粒作用。第68页，课件共80页，创作于2023年2月69§3.5其他类型的二元合金相图一、组元间形成化合物的相图1、形成稳定化合物的相图第69页，课件共80页，创作于2023年2月702、形成不稳定化合物的二元相图第70页，课件共80页，创作于2023年2月71二、具有固态转变的二元合金相图1、共析转变：一定成分的固相，在一定温度下分解为另外两个一定成分的固相的转变过程。P+a+Fe3CIII第71页，课件共80页，创作于2023年2月722、包析转变：在一定温度下，两个一定成分的固相相互作用，形成另一个一定成分的固相的过程。第72页，课件共80页，创作于2023年2月73§3.7铸锭的组织与缺陷一、铸锭三晶区的形成表层细晶区、中间柱状晶区、心部等轴晶区图2-34铸锭组织示意图1-细晶区2-柱状晶区3-等轴晶区第73页，课件共80页，创作于2023年2月741、细晶区：表层细晶区的形核数目取决于下列因素：型壁的形核能力型壁所能达到的过冷度的大小：铸型的表面温度、热传导能力和浇注温度等。2、柱状晶区型壁温度升高，结晶前沿过冷度很小，不能形核，利于长大；垂直于型壁方向散热最快，生长沿散热的反方向；生长速度，一次晶轴