第三章二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶(相圖建立與勻晶相圖)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結(jié)構(gòu)與結(jié)晶結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3-1 合金中的相3-2 合金的相結(jié)構(gòu)3-3 二元合金相圖的建立3-4 勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶3-5 共晶相圖及其合金的結(jié)晶3-6 包晶相圖及其合金的結(jié)晶3-7 其它類型的合金相圖3-8 二元相圖的分析及使用23-3 3-3 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立表示在平衡條件下合金的狀態(tài)與溫度、表示在平衡條件下合金的狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖解，又稱為平衡圖或狀態(tài)圖成分之間關(guān)系的圖解，又稱為平衡圖或狀態(tài)圖。（工具）。（工具）由給定的組元以不同比例配制成一系由給定的組元以不同比例配制成一系列成分不同的合金，這一系列合金就構(gòu)成一個合金系

2、統(tǒng)。二列成分不同的合金，這一系列合金就構(gòu)成一個合金系統(tǒng)。二（ 三、多）元系。三、多）元系。確定合金狀確定合金狀態(tài)的因素態(tài)的因素一般為常壓一般為常壓表象點表象點3建立相圖的方法建立相圖的方法：1 1）試驗測定；試驗測定；2）理論計算）理論計算熱熱 分分 析析 法法(1)配制一系列合金配制一系列合金(2)測冷卻曲線測冷卻曲線(相變臨界點相變臨界點)?(3)標(biāo)在溫度標(biāo)在溫度-成分坐標(biāo)系中成分坐標(biāo)系中(4)繪曲線（連接各相同意義的點）繪曲線（連接各相同意義的點）(5)標(biāo)定相區(qū)（寫出相的名稱）標(biāo)定相區(qū)（寫出相的名稱）456（一）（一） 相律相律及其應(yīng)用及其應(yīng)用相律相律：表示表示平衡條件下，系統(tǒng)的組元數(shù)、

3、相數(shù)和自由度數(shù)之間的關(guān)系平衡條件下，系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度數(shù)之間的關(guān)系。表達(dá)式表達(dá)式： F=C-P+2 （壓力：不等）（壓力：不等） F=C-P+1 （壓力：常數(shù)）（壓力：常數(shù)） C C組元數(shù)（組元數(shù)（component）； P P相數(shù)（相數(shù)（phase）； F F自由度數(shù)（自由度數(shù)（free）平衡系統(tǒng)的自由度數(shù)平衡系統(tǒng)的自由度數(shù)：平衡系統(tǒng)的獨立、可變的因素數(shù)平衡系統(tǒng)的獨立、可變的因素數(shù)。（在保持合金系的相數(shù)不變的條件下，合金系中可改變的、影在保持合金系的相數(shù)不變的條件下，合金系中可改變的、影響合金狀態(tài)的內(nèi)部因素和外部因素的數(shù)目）響合金狀態(tài)的內(nèi)部因素和外部因素的數(shù)目）（成分、溫度、壓力）（

4、成分、溫度、壓力）7（一）（一） 相律（相律（ F=C-P+1 ）及其）及其應(yīng)用應(yīng)用（1 1）確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)。）確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)。 （自由度（自由度F=0時，共存的平衡相數(shù)具有最大值）時，共存的平衡相數(shù)具有最大值） 01P1P=2（單元系）；（單元系）； 02P1P=3（二元系）；（二元系）； （2 2）解釋純金屬與二元合金的結(jié)晶差別。）解釋純金屬與二元合金的結(jié)晶差別。純金屬結(jié)晶，液固兩相共存，純金屬結(jié)晶，液固兩相共存， P=2 ，F(xiàn)=1 1- -2 2+1+10 0，恒溫，恒溫二元合金結(jié)晶，二元合金結(jié)晶， P=2 ，F(xiàn)=2 2- -2 2+1+11 1，一個

5、因素可變（溫度），一個因素可變（溫度）8確定二元合金兩相共存時平衡相成分確定二元合金兩相共存時平衡相成分根據(jù)相律根據(jù)相律( (P=2，F(xiàn)=2 2- -2 2+1+11 1) )，自由度為，自由度為1 1，若溫度一定，則平衡相成，若溫度一定，則平衡相成分隨之確定。分隨之確定。確定兩相的相對含量。確定兩相的相對含量。注意注意：只適用于兩相區(qū)；三點（一支點和兩端點）要選準(zhǔn)：只適用于兩相區(qū)；三點（一支點和兩端點）要選準(zhǔn)( (二二) ) 杠桿定律杠桿定律 確定兩平衡相的成分：確定兩平衡相的成分：設(shè)設(shè)合金合金C的成分為的成分為x，過，過x（C）作垂線（稱為成分垂線）。作垂線（稱為成分垂線）。w wL Lw

6、 w 現(xiàn)以現(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律合金為例推導(dǎo)杠桿定律：L(液相液相)(固相固相)L+9w wL Lw w CLCn在成分垂線上相對溫度在成分垂線上相對溫度t t 作水作水平線，其與液固相線交點平線，其與液固相線交點a a、b b所對應(yīng)的成分所對應(yīng)的成分CL 、C 即分別即分別為液相和固相的成分為液相和固相的成分；與成分；與成分垂線垂線的的交點為交點為o o。C合金合金中的中的Ni含量含量=液相中的液相中的Ni+固相中的固相中的NiC1WWLCWCWCLL 確定兩平衡相的相對重量確定兩平衡相的相對重量設(shè)合金設(shè)合金C C的總重量為的總重量為1 1， 液相液相CL重量為重量為w wL L

7、 固相固相 重量為重量為w w C10則則由以上兩式可以得出由以上兩式可以得出 LLCCCCaoobww11LLLwww Cw CC CwwL)(%100abobwL%100abaow上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律杠桿定律，其含義為，其含義為合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比的成分線段之比。 w wL Lw w WWLCLCC11n在杠桿定律中，杠桿的支點是合金的成分，杠桿的端在杠桿定律中，杠桿的支點是合金的成分，杠桿的端點是所求的兩

8、個平衡相的成分。點是所求的兩個平衡相的成分。%5 .61%10045. 058. 045. 053. 0 Q%5 .38%10045. 058. 053. 058. 0 LQ例例（如圖）（如圖）12二元合金相圖的一般幾何規(guī)律二元合金相圖的一般幾何規(guī)律相律：相律：F=3-P（ F=C-P+1 ；C=2）1、P=1，F(xiàn)=2 位于相圖中的位于相圖中的單相區(qū)單相區(qū)（Single Phase Region） 任意一點的成分和溫度都可以獨立變化而不影響系統(tǒng)的狀態(tài)。任意一點的成分和溫度都可以獨立變化而不影響系統(tǒng)的狀態(tài)。 可以是任意形狀?？梢允侨我庑螤?。 （恒壓下，最大（恒壓下，最大F=2，成分、溫度均可變）

9、，成分、溫度均可變）2、 P=2，F(xiàn)=1 位于相圖中的位于相圖中的兩相區(qū)兩相區(qū)（Two Phase Region） 只有一個獨立變量，溫度一定成分一定，反之亦然。只有一個獨立變量，溫度一定成分一定，反之亦然。 一對代表兩平衡相的成分和溫度的共軛曲線組成。一對代表兩平衡相的成分和溫度的共軛曲線組成。3、 P=3，F(xiàn)=0 位于相圖中的位于相圖中的三相區(qū)三相區(qū)（Three Phase Region） 沒有獨立變量，溫度與每一相的成分均不能變。沒有獨立變量，溫度與每一相的成分均不能變。 形狀是一條等溫線。端點和中間點分別表示三個相的成分。形狀是一條等溫線。端點和中間點分別表示三個相的成分。 有兩種基本

10、形式：共晶型（有兩種基本形式：共晶型（Eutectic-type）、包晶型（）、包晶型（Peritectic-type）4、 P3，F(xiàn)0T0；（2 2）能量條件：能量起伏；）能量條件：能量起伏；（3 3）結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏。）結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏。(2)固溶體固溶體合金的結(jié)晶在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，合金的結(jié)晶在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，與純金屬結(jié)晶的比較與純金屬結(jié)晶的比較異分結(jié)晶（選擇結(jié)晶異分結(jié)晶（選擇結(jié)晶 ） ：結(jié)晶出的晶體與液相成結(jié)晶出的晶體與液相成分不同的結(jié)晶分不同的結(jié)晶不同點不同點: (1)合金結(jié)晶是異分結(jié)晶：需要成分起伏（濃度起伏）。合金結(jié)晶是異分結(jié)晶：需要成分起伏（濃度起伏）。(3)固溶體合

11、金凝固時依賴于固溶體合金凝固時依賴于異類原子的互相擴(kuò)散異類原子的互相擴(kuò)散同分結(jié)晶：同分結(jié)晶：結(jié)晶出的晶體成分與液相相同的結(jié)晶。結(jié)晶出的晶體成分與液相相同的結(jié)晶。純金屬的結(jié)晶屬于同分結(jié)晶純金屬的結(jié)晶屬于同分結(jié)晶。對應(yīng)每一溫度，只能結(jié)晶出一定數(shù)量的固相對應(yīng)每一溫度，只能結(jié)晶出一定數(shù)量的固相22平衡分配系數(shù)平衡分配系數(shù)CCL LK010 0L LC Ck =k =C C23t t1 1溫度的結(jié)晶過程溫度的結(jié)晶過程C0k0C1k0C2C1C2L+ Lt1t2溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度溫度溫度A固溶體的平衡結(jié)晶固溶體的平衡結(jié)晶C0k k0 0C C1 1 排出溶質(zhì)排出溶質(zhì)界面附近液相界面附近液相C C1 1；遠(yuǎn)離

12、界面的液相遠(yuǎn)離界面的液相C C0 0，造成濃度梯度，造成濃度梯度擴(kuò)散擴(kuò)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，繼續(xù)長大直至成分達(dá)液相再次失去平衡，繼續(xù)長大直至成分達(dá)C1圖圖1溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度k0C1C0C1L圖圖1圖圖2溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度k0C1C0L圖圖2溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度k0C1C0C1L圖圖3圖圖3圖圖4溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度k0C1C1L圖圖4L LC1k0C1t1為保持平衡界面移為保持平衡界面移動動, ,從而晶粒長大從而晶粒長大0 0L LC Ck =k =C C24t t2 2溫度的結(jié)晶過程溫度的結(jié)晶過程圖圖3最后通過晶粒長大，使固相達(dá)最后通過晶粒長大，使固相達(dá)

13、k0C2k0C2C2溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度L圖圖3圖圖12022C10212 L c , ck Ctk cc液相液相k0C2C1溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度Lk0C1C2圖圖1C1C2,造成濃度梯度造成濃度梯度k0C2C2溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度L圖圖2界面前沿液相界面前沿液相C2；遠(yuǎn)離界面的液相；遠(yuǎn)離界面的液相C1在在t1溫度時形成的晶體的濃度為溫度時形成的晶體的濃度為 在在t2溫度時形成的晶體的濃度為溫度時形成的晶體的濃度為k0C2形成濃度梯度，破壞平衡形成濃度梯度，破壞平衡擴(kuò)散擴(kuò)散圖圖210CK0 0L LC Ck =k =C CC0k0C1k0C2C1C2L+ Lt1t2溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度溫度溫度A固溶體的平衡結(jié)

14、晶固溶體的平衡結(jié)晶25二、固溶體合金的平衡結(jié)晶過程二、固溶體合金的平衡結(jié)晶過程平衡平衡-不平衡不平衡-平衡平衡-不平衡的辯證發(fā)展過程。不平衡的辯證發(fā)展過程。固溶體晶核的形成（或原晶體的長大）固溶體晶核的形成（或原晶體的長大）造成相內(nèi)（液相或固相）的濃度梯度造成相內(nèi)（液相或固相）的濃度梯度引起擴(kuò)散過程，破壞界面處的平衡引起擴(kuò)散過程，破壞界面處的平衡晶體繼續(xù)長大，恢復(fù)界面處的平衡晶體繼續(xù)長大，恢復(fù)界面處的平衡26三三、固溶體的不平衡結(jié)晶固溶體的不平衡結(jié)晶 偏離平衡結(jié)晶條件的結(jié)晶偏離平衡結(jié)晶條件的結(jié)晶L1L2L3L41432432原因：冷速快（假設(shè)液相成分均勻、固相成分不均勻）。原因：冷速快（假設(shè)液

15、相成分均勻、固相成分不均勻）。結(jié)晶過程特點：固相成分按平均成分線變化；結(jié)晶過程特點：固相成分按平均成分線變化；不均勻不均勻結(jié)晶的溫度范圍增大結(jié)晶的溫度范圍增大。1 11 11 1t11 11 11 12 2t21 11 11 12 23 3t34 44 44 4均勻化退火均勻化退火2 24 41 11 11 13 3t4平均成分線平均成分線成分偏析成分偏析：晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析：一個晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。樹枝一個晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。樹枝晶的枝干和枝間化學(xué)成分不均勻又稱晶的枝干和枝間化學(xué)成分不均勻又稱枝晶偏析枝晶偏析。平均成分線平均成分線固相線固相線：位置可變，隨冷速增大，偏離固相線的

16、程度增大位置可變，隨冷速增大，偏離固相線的程度增大：位置固定位置固定L1L2L3L41432432平均成分線平均成分線（消除：擴(kuò)散退火，在低于固相線溫度長時間保溫（消除：擴(kuò)散退火，在低于固相線溫度長時間保溫 影響晶內(nèi)偏析的因素影響晶內(nèi)偏析的因素（1 1）相圖上液相線與固相線之間的水平距離相圖上液相線與固相線之間的水平距離 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）冷卻速度冷卻速度 冷卻速度越大，其偏離程度越嚴(yán)重冷卻速度越大，其偏離程度越嚴(yán)重（3 3）原子原子的擴(kuò)散能力的擴(kuò)散能力)1 (0000010KCCKCCCC0k0C1

17、k0C2C1C2L+ Lt1t2溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度溫度溫度A固溶體的平衡結(jié)晶固溶體的平衡結(jié)晶0 0L LC Ck =k =C C(1)(1)非平衡非平衡結(jié)晶時，結(jié)晶時，固、液相的平均成分與固、液相線有偏離。固、液相的平均成分與固、液相線有偏離。冷卻速度越快，其偏離程度越嚴(yán)重；冷卻速度越快，其偏離程度越嚴(yán)重；冷卻速度越慢，偏離程度越小，越接近于平衡條件。冷卻速度越慢，偏離程度越小，越接近于平衡條件。液相線的偏離程度較固相線小。液相線的偏離程度較固相線小。(2)(2) 先結(jié)晶部分含高熔點組元多，后結(jié)晶部分含低熔點組元多。先結(jié)晶部分含高熔點組元多，后結(jié)晶部分含低熔點組元多。 (3)(3) 非平衡結(jié)晶的

18、終結(jié)溫度低于平衡結(jié)晶的終止溫度。非平衡結(jié)晶的終結(jié)溫度低于平衡結(jié)晶的終止溫度。 非平衡結(jié)晶分析結(jié)論：非平衡結(jié)晶分析結(jié)論：L1L2L3L41432432L L溫度固液界面距離xt t0 0t t2 2 五五、成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響L L溫度固液界面距離xt t0 0t t2 2L L溫度固液界面距離xt t0 0t t2 2溫度距離xC C0 0/k/k0 0C C0 0k k0 0C C0 0固液界面L L成分過冷成分過冷：t t0 0t t2 2L+L+C C0 0C C0 0/k/k0 0溶質(zhì)濃度溶質(zhì)濃度溫度溫度C C0 0k k0 0C C0 0C

19、 C0 0固溶體合金結(jié)晶時由界面前沿液相中的成分差別引起的過冷固溶體合金結(jié)晶時由界面前沿液相中的成分差別引起的過冷; ;平衡結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差。平衡結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差。隨隨X X的增加界的增加界面前沿液相的面前沿液相的濃度降低濃度降低隨隨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結(jié)晶溫度升高結(jié)晶溫度升高過冷區(qū)域過冷區(qū)域溫度梯度為正溫度梯度為正 T=T平衡平衡-T實際實際（一）形成成分過冷的條件形成成分過冷的條件形成條件形成條件0001 GRDmC KKGmCoRDK0實際溫度梯度 結(jié)晶速度 溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù) 液相線斜率 合金的成分平衡分配系數(shù)距界面距離t t1 1溫度G G1 1G G2 2G