工程材料及應(yīng)用(4)

1、工程材料及應(yīng)用工程材料及應(yīng)用Engineering Materials & Application（4）四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院School 0f Material Science & Engineering 0f Sichuan University曾光廷曾光廷 教授教授Professor Guang Ting Zeng第四章、二元合金第四章、二元合金 The Binary AlloyThe Binary Alloy合金合金 alloy -alloy -由兩種或兩種以上的金屬元素由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬性或金屬

2、元素和非金屬元素組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)質(zhì)的物質(zhì). .二元合金二元合金-由兩種組元組成的合金由兩種組元組成的合金. .金屬性質(zhì)：金屬性質(zhì)：熱脹冷縮，金屬光澤，正的電阻溫度系數(shù)等熱脹冷縮，金屬光澤，正的電阻溫度系數(shù)等組元組元 component-component-組成合金的最基本的、獨(dú)組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)立的物質(zhì). .如如Fe-CFe-C合金合金的的FeFe和和C C是組元是組元相相 phase - phase - 在金屬或合金中，凡化學(xué)成分、在金屬或合金中，凡化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的均晶體結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的均勻組成部分勻組成部分合金系合金系 al

3、loy system -alloy system -由兩個或兩個以上由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，這一系列合金就構(gòu)成一個合金系合金，這一系列合金就構(gòu)成一個合金系統(tǒng)統(tǒng) 第一節(jié)、合金的相結(jié)構(gòu)第一節(jié)、合金的相結(jié)構(gòu)The Phase Structure of AlloyThe Phase Structure of Alloy一、一、固溶體固溶體 Solid SolutionSolid Solution固溶體固溶體-合金在固態(tài)時，組元間會互相溶解，合金在固態(tài)時，組元間會互相溶解，形成一種組元在某一組元晶格中包含有其它形成一種組元在某一組

4、元晶格中包含有其它組元的新相，這種新相稱為固溶體組元的新相，這種新相稱為固溶體溶劑溶劑 solvent solvent -能保持晶格組元（一般把能保持晶格組元（一般把含量較高的組元稱為溶劑）含量較高的組元稱為溶劑）溶質(zhì)溶質(zhì) solutesolute - -失掉晶格的組元失掉晶格的組元固溶體的分類：置換固溶體的分類：置換固溶體固溶體; ;間隙間隙固溶體固溶體 固溶體中的晶格畸變固溶體中的晶格畸變固溶體的示意圖固溶體的示意圖（一）、置換固溶體（一）、置換固溶體 S Substitutionalubstitutional Solid Solution Solid Solution置換固溶體置換固溶體

5、-指溶質(zhì)原子位于溶劑晶格的某些指溶質(zhì)原子位于溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體. .、溶質(zhì)原子、溶質(zhì)原子在置換固溶體中的在置換固溶體中的作用：作用：1)1)、晶格畸變晶格畸變2 2、隨溶質(zhì)原子濃度增加，晶格畸變增大，強(qiáng)度、隨溶質(zhì)原子濃度增加，晶格畸變增大，強(qiáng)度和硬度升高和硬度升高. .圖圖4-1 4-1 置置換換固溶體的晶格結(jié)構(gòu)示意固溶體的晶格結(jié)構(gòu)示意圖圖固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化-溶質(zhì)原子使固溶體的強(qiáng)度和硬度溶質(zhì)原子使固溶體的強(qiáng)度和硬度升高的現(xiàn)象升高的現(xiàn)象. .固溶體的濃度固溶體的濃度-溶質(zhì)原子溶入固溶體中的量溶質(zhì)原子溶入固溶體中的量濃度用濃度用重量百分比重量百分比或或原子百分

6、比原子百分比表示表示. .溶解度溶解度 solubility -solubility -在一定的條件下，溶在一定的條件下，溶質(zhì)元素在固溶體中的質(zhì)元素在固溶體中的極限濃度極限濃度. .有限置換固溶體有限置換固溶體-溶質(zhì)原子在固溶體中的濃溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定限度，超過這個限度，就會生成化度有一定限度，超過這個限度，就會生成化合物或另一種固溶體合物或另一種固溶體. .無限置換固溶體無限置換固溶體-在任何溫度下，組元之間在任何溫度下，組元之間可以任意比例，互相溶解的固溶體可以任意比例，互相溶解的固溶體. .如如Cu-Ni . Fe-CrCu-Ni . Fe-Cr等合金等合金、決定固溶體溶解度

7、的因素：、決定固溶體溶解度的因素：1 1、晶格類型晶格類型晶格類型相同晶格類型相同溶質(zhì)原子可能連續(xù)不斷地置換溶劑原子溶質(zhì)原子可能連續(xù)不斷地置換溶劑原子一直到溶劑原子完全被溶質(zhì)原子所置換一直到溶劑原子完全被溶質(zhì)原子所置換. .晶格類型不同：晶格類型不同：只能形成有限固溶體只能形成有限固溶體. .2 2、組元原子直徑的相對大小、組元原子直徑的相對大小組元間原子直徑差別愈大組元間原子直徑差別愈大, ,則晶格的畸變愈大則晶格的畸變愈大, ,晶格的畸變能愈高晶格的畸變能愈高; ;畸變能達(dá)到一定程度后畸變能達(dá)到一定程度后, ,固溶體結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的固溶體結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的, ,再增加溶質(zhì)原子再增加溶質(zhì)原子, ,固溶

8、體中將析出新相固溶體中將析出新相; ;只有組元的原子直徑差別不大時只有組元的原子直徑差別不大時, ,才有可能形才有可能形成無限固溶體成無限固溶體; ;如果直徑差別較大如果直徑差別較大, ,則只能形成有限固溶體則只能形成有限固溶體, ,直徑差別愈大直徑差別愈大, ,其溶解度也愈小其溶解度也愈小. .3 3、電負(fù)性、電負(fù)性( (化學(xué)親和力化學(xué)親和力) )的差別的差別元素間電負(fù)性相近，有利于形成無限固溶體，元素間電負(fù)性相近，有利于形成無限固溶體，受其它因素影響，只能形成有限固溶體受其它因素影響，只能形成有限固溶體. .電負(fù)性相近電負(fù)性相近, ,其溶解度也愈大其溶解度也愈大. .4 4、電子濃度的影響

9、、電子濃度的影響 Influence of Electronic ConcentrationInfluence of Electronic Concentration電子濃度電子濃度-價電子數(shù)目與原子數(shù)目之比價電子數(shù)目與原子數(shù)目之比. . 溶質(zhì)原子溶入溶質(zhì)原子溶入, ,改變固溶體的電子濃度和電子改變固溶體的電子濃度和電子云的結(jié)構(gòu)云的結(jié)構(gòu)固溶體濃度增加固溶體濃度增加, ,電子濃度改變愈大電子濃度改變愈大, ,當(dāng)達(dá)到當(dāng)達(dá)到極限電子濃度時極限電子濃度時, ,固溶體不穩(wěn)定固溶體不穩(wěn)定, ,會析出新相會析出新相（二）、間隙固溶體（二）、間隙固溶體 Interstitial Solid SolutionI

10、nterstitial Solid Solution間隙固溶體間隙固溶體-溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙形成的固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙形成的固溶體形成間隙固溶體的條件：形成間隙固溶體的條件： 0.590.59形成置換形成置換固溶體的條件：固溶體的條件： 0.850.851 1 間隙固溶體在間隙固溶體在Fe-CFe-C合金中合金中: :有有FeFe和和Fe Fe 溶劑溶質(zhì)dd溶劑溶質(zhì)dd二、化合物二、化合物 CompoundCompound化合物化合物-合金結(jié)晶時，各組元相互作用生成合金結(jié)晶時，各組元相互作用生成一種晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元晶格形式的合一種晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元晶格形式的合金相

11、金相. .正常價化合物正常價化合物-指符合一般化合物的原子價指符合一般化合物的原子價規(guī)律的化合物規(guī)律的化合物, ,正常價化合物正常價化合物是由在周期表上是由在周期表上相距較遠(yuǎn)相距較遠(yuǎn). .電化學(xué)性相差較大的元素組成電化學(xué)性相差較大的元素組成. .（一）、正常價化合物（一）、正常價化合物Normal Valence CompoundNormal Valence Compound這類化合物符合化合物的原子價規(guī)律這類化合物符合化合物的原子價規(guī)律MgMg2 2SiSi Si - - (- 4 Si - - (- 4價價) Mg - -() Mg - -(2 2價價) ) MgMg2 2SnSn Si

12、- -( Si - -(4 4價價) Mg - -() Mg - -(2 2價價) )ZnSZnS S S - -( - -(2 2價價) Zn - -() Zn - -(2 2價價) )NaClNaCl ClCl - -( - -(1 1價價) Na - -() Na - -(1 1價價) )正常價化合物的特點(diǎn)：正常價化合物的特點(diǎn)：1 1、嚴(yán)格遵守化合價規(guī)律、嚴(yán)格遵守化合價規(guī)律2 2、化學(xué)成分固定，可用分子式表示、化學(xué)成分固定，可用分子式表示3 3、組元的原子呈有序分布、組元的原子呈有序分布4 4、組元間電化學(xué)性能相差愈大，鍵結(jié)合力愈、組元間電化學(xué)性能相差愈大，鍵結(jié)合力愈強(qiáng)，形成的化合物愈穩(wěn)

13、定強(qiáng)，形成的化合物愈穩(wěn)定5 5、硬度高，脆性大，一般應(yīng)用在陶瓷中、硬度高，脆性大，一般應(yīng)用在陶瓷中（二）、電子化合物（二）、電子化合物 Electron CompoundElectron Compound電子化合物電子化合物-是第一族或過渡族元素與第是第一族或過渡族元素與第至第至第族元素形成的化合物族元素形成的化合物, ,它們不遵循原子它們不遵循原子價規(guī)律價規(guī)律, ,但是有一定的電子濃度但是有一定的電子濃度. .電子濃度電子濃度-化合物的價電子數(shù)與原子數(shù)之比化合物的價電子數(shù)與原子數(shù)之比電子濃度電子濃度 電子化合物特點(diǎn)：電子化合物特點(diǎn)：1 1、不遵守化合價規(guī)律，而服從電子濃度規(guī)律、不遵守化合價規(guī)

14、律，而服從電子濃度規(guī)律ae原子數(shù)外層電子數(shù)合合 金金 相相 相相 相相 Cu-Zn Cu-Zn CuZnCuZnCuCu5 5ZnZn8 8 CuZn CuZn3 3 b.c.c b.c.c 復(fù)雜立方復(fù)雜立方 c.p.hc.p.h50%Zn 50%Zn 13.8%Zn 13.8%Zn 80%Zn80%Zn5252個原子個原子 組成組成 表表4-1 4-1 合金中常見的電子化合物及其結(jié)構(gòu)類型合金中常見的電子化合物及其結(jié)構(gòu)類型231321472 2、電子化合物可用化學(xué)式表示、電子化合物可用化學(xué)式表示但其成分通常不是一個固定值，但其成分通常不是一個固定值，而是在一個范圍內(nèi)變化而是在一個范圍內(nèi)變化.

15、.3 3、電子化合物主要以金屬鍵結(jié)合、電子化合物主要以金屬鍵結(jié)合具有明顯的金屬特性，不適宜做基體相具有明顯的金屬特性，不適宜做基體相電子化合物性能：電子化合物性能：熔點(diǎn)和硬度很高，塑性差熔點(diǎn)和硬度很高，塑性差 （三）、間隙化合物（三）、間隙化合物 Interstitial CompoundInterstitial Compound 間隙化合物間隙化合物-由過渡族金屬元素與原子半徑由過渡族金屬元素與原子半徑較小的較小的C.N.H.BC.N.H.B等非金屬元素形成的化合物等非金屬元素形成的化合物. .1 1、間隙相、間隙相 Interstitial PhaseInterstitial Phase間

16、隙相間隙相-當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值小于的比值小于0.590.59時，將形成具有簡單晶格的時，將形成具有簡單晶格的間隙化合物間隙化合物間隙相形成條件：間隙相形成條件： 0.590.59金屬非金屬dd間隙相結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：間隙相結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：金屬原子位于晶體點(diǎn)陣正常位置金屬原子位于晶體點(diǎn)陣正常位置非金屬原子位于晶體點(diǎn)陣的間隙位置非金屬原子位于晶體點(diǎn)陣的間隙位置. . 間隙相性能特點(diǎn)：間隙相性能特點(diǎn)：具有極高的硬度，熔點(diǎn)高（具有極高的硬度，熔點(diǎn)高（30003000左右）很左右）很脆脆, ,常用于高合金工具鋼及硬質(zhì)合金中常用于高合金工具鋼及硬質(zhì)合金中. .圖圖4-5

17、4-5 間隙相間隙相VCVC的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖圖4-64-6的的Fe3CFe3C晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)2.2.具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物 當(dāng)當(dāng) 0.590.59時時, ,則形成具有簡單晶格的間隙化合物則形成具有簡單晶格的間隙化合物. .FeFe3 3C(C(滲碳體滲碳體) ): :是鋼鐵中一種最重要的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的是鋼鐵中一種最重要的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙間隙化合物化合物, ,碳原子直徑與鐵原子直徑之比為碳原子直徑與鐵原子直徑之比為0.61.0.61.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn): :復(fù)雜斜方晶格復(fù)雜斜方晶格, ,鐵原子可以部分地被其他金屬鐵原子可以部分地被其他金屬原子所置換原子所置換, ,形成以

18、形成以滲碳體為基的固溶體滲碳體為基的固溶體. .金屬非金屬dd (Fe(Fe、Mn)Mn)3 3C C; ; (Fe(Fe、Cr)Cr)3 3C C 稱為稱為合金滲碳體合金滲碳體合金滲碳體合金滲碳體: :是金屬鍵結(jié)合是金屬鍵結(jié)合, ,很高的熔點(diǎn)和硬度很高的熔點(diǎn)和硬度, ,是高合金工具鋼的重要組成相是高合金工具鋼的重要組成相. .第二節(jié)、二元合金相圖第二節(jié)、二元合金相圖 The Binary Alloy Phase DiagramThe Binary Alloy Phase Diagram相圖相圖 diagram -diagram -是一種簡明的示意圖，它是一種簡明的示意圖，它清楚地表明了合金系

19、中各種相的平衡條件以清楚地表明了合金系中各種相的平衡條件以及相與相之間的關(guān)系及相與相之間的關(guān)系內(nèi)部條件：內(nèi)部條件： 指合金的化學(xué)成分指合金的化學(xué)成分化學(xué)成分：化學(xué)成分： 決定合金組元原子或分子之間的決定合金組元原子或分子之間的結(jié)合形式、性質(zhì)和大小結(jié)合形式、性質(zhì)和大小外部條件：外部條件： 指溫度和壓力指溫度和壓力溫度和壓力：溫度和壓力： 決定原子或分子熱運(yùn)動的強(qiáng)弱程度和相穩(wěn)定程度決定原子或分子熱運(yùn)動的強(qiáng)弱程度和相穩(wěn)定程度. . 小結(jié)：小結(jié)：控制合金的成分、溫度和壓力控制合金的成分、溫度和壓力, ,可以控制可以控制不同合金中的相或組織不同合金中的相或組織. .相圖中相是平衡相相圖中相是平衡相, ,

20、它不反映時間因素的影響它不反映時間因素的影響. .通常的相圖：通常的相圖：是在常壓下測定的是在常壓下測定的, ,不存在壓力的作用不存在壓力的作用. .1 1、組元、組元 ComponentComponent組元組元-組成合金的最簡單、最基本、能夠獨(dú)組成合金的最簡單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)立存在的物質(zhì). . 在大多數(shù)情況下：在大多數(shù)情況下：組元就是元素組元就是元素, ,不分解的穩(wěn)定化合物也可以作不分解的穩(wěn)定化合物也可以作為組元為組元. . FeFe3 3C C 就是就是組元組元. .2 2、合金系、合金系 Alloy SystemAlloy System合金系合金系-由給定組元配制成一系列成

21、分不同由給定組元配制成一系列成分不同的合金，這些合金組成一個合金系統(tǒng)的合金，這些合金組成一個合金系統(tǒng) 如：二元系、三元系、多元系如：二元系、三元系、多元系3 3、平衡（相平衡）、平衡（相平衡）Phase Equilibrium Phase Equilibrium 平衡（相平衡）平衡（相平衡）-在合金系中參與結(jié)晶或相在合金系中參與結(jié)晶或相變過程的各相之間的相對重量和相的濃度不變過程的各相之間的相對重量和相的濃度不再改變的狀態(tài)再改變的狀態(tài) 一、二元相圖的建立一、二元相圖的建立現(xiàn)在使用的合金相圖都是用實(shí)驗(yàn)方法測定的現(xiàn)在使用的合金相圖都是用實(shí)驗(yàn)方法測定的測定相圖的方法有：測定相圖的方法有：熱分析法熱分

22、析法 thermal analysisthermal analysis膨脹法膨脹法 dilatometrydilatometry method method電阻法電阻法 electrical resistivity methodelectrical resistivity method磁性測定法磁性測定法 magnafluxmagnaflux method method X X射線結(jié)構(gòu)分析法射線結(jié)構(gòu)分析法 X-ray diffraction X-ray diffraction methodmethod金相分析法金相分析法 metallographic methodmetallographic

23、method硬度測定法硬度測定法 hardness methodhardness method 熱分析法熱分析法繪制相圖方法繪制相圖方法: :實(shí)驗(yàn)測定一系列合金狀態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)測定一系列合金狀態(tài)變化的臨界點(diǎn)臨界點(diǎn), ,根據(jù)這些數(shù)據(jù)根據(jù)這些數(shù)據(jù), ,繪制出狀態(tài)圖中所有的繪制出狀態(tài)圖中所有的線條線條. .1 1、配制配制五五組成分不同的組成分不同的Cu-NiCu-Ni合金合金2 2、測出、測出五五組組成分的冷卻曲線成分的冷卻曲線3 3、找出、找出五組五組成分的臨界點(diǎn)成分的臨界點(diǎn)4 4、將各臨界點(diǎn)標(biāo)在以溫度為縱坐標(biāo)，以成分、將各臨界點(diǎn)標(biāo)在以溫度為縱坐標(biāo)，以成分為橫坐標(biāo)的圖，將同類臨界點(diǎn)連接起來，就為橫

24、坐標(biāo)的圖，將同類臨界點(diǎn)連接起來，就獲得獲得Cu-NiCu-Ni合金相圖合金相圖合金成分合金成分含量含量Ni%Ni% 0 0 25 25 50 50 75 75100100上臨界上臨界溫度溫度開始溫度開始溫度10831083 117511751260126014501450 14551455下臨界下臨界溫度溫度終了溫度終了溫度10831083 113011301195119512701270 14551455Cu-NiCu-Ni合金的成分和臨界點(diǎn)合金的成分和臨界點(diǎn)溫溫度度時間時間時間時間Cu255075NiNi，%10831455LL+圖圖4-7Cu-Ni4-7Cu-Ni的冷卻曲線及相圖的冷卻曲

25、線及相圖117512601340113011951270相圖建立示意圖相圖建立示意圖用熱分析法建立用熱分析法建立Cu-Ni相圖相圖a）冷卻曲線）冷卻曲線 b）相圖）相圖 Cu-Ni相圖相圖 Pb-SnPb-Sn合金相圖合金相圖二、勻晶相圖二、勻晶相圖 Solid Solution Type of Equilibrium DiagramSolid Solution Type of Equilibrium Diagram二元勻晶相圖二元勻晶相圖-兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶所構(gòu)成的相圖互溶所構(gòu)成的相圖 （一）、結(jié)晶過程（一）、結(jié)晶過程KKKK-設(shè)合金成分為設(shè)合金成分為K

26、 K, , A1BA1B線線-液相線液相線, ,表示各種成分合金開始結(jié)晶轉(zhuǎn)表示各種成分合金開始結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度或熔化終了溫度變溫度或熔化終了溫度. . 圖圖4-8 Cu-Ni4-8 Cu-Ni合金相圖及結(jié)晶過程合金相圖及結(jié)晶過程（二）、杠桿定理（二）、杠桿定理 Lever RuleLever Rule在在L L兩相區(qū)兩相區(qū),L,L相沿液相線變化相沿液相線變化, ,固相沿固相線變化固相沿固相線變化, ,在在t tx x（T T1 1）溫度時）溫度時, ,液相成分為液相成分為X X (a (a點(diǎn)點(diǎn)) )、固相成分為固相成分為X X (c(c點(diǎn)點(diǎn)) ) 圖圖4-9 4-9 杠桿定理的力學(xué)比喻杠桿定理的力

27、學(xué)比喻設(shè)：設(shè)：合金合金K K的總重量為的總重量為1 1合金含合金含NiNi量為量為K KL L液相的重量為液相的重量為Q QL L S S固相的重量為固相的重量為Q Q 已知：已知：合金中含合金中含NiNi量為量為K K液相中含液相中含NiNi量為量為X X 固相中含固相中含NiNi量為量為X XQL QX K X例方程：例方程： Q QL L Q Q 1 1 （重量方程式）（重量方程式） Q QL LQ QX X K K ( (成分方程式）成分方程式）解之得：解之得： Q QL L Q Q Q QL L Q Q XXKXXXXKXXXKXKXKLQQXKXK（三）、晶內(nèi)偏析（三）、晶內(nèi)偏析

28、SegrationSegration in Crystal in Crystal在在平衡冷卻平衡冷卻條件下：條件下：L L相沿液相線由相沿液相線由1 1向向4 4變化變化S S相沿固相線由相沿固相線由1 1向向4 4變化變化 結(jié)晶完了的結(jié)晶完了的相，都具有原合金相，都具有原合金K K的成分的成分而而L L、S S兩相之間的原子進(jìn)行了充分?jǐn)U散兩相之間的原子進(jìn)行了充分?jǐn)U散 圖圖4-10 Cu-Ni4-10 Cu-Ni合金鑄態(tài)組織示意圖合金鑄態(tài)組織示意圖對于某一個晶粒而言：對于某一個晶粒而言：先形成的固相心部含先形成的固相心部含NiNi高高, ,表層含表層含NiNi量低量低這就引起化學(xué)成分不均勻這就

29、引起化學(xué)成分不均勻. .晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析-晶體內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象晶體內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象. .枝晶偏析枝晶偏析-在一個晶粒內(nèi)化學(xué)成分分布不均在一個晶粒內(nèi)化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象勻的現(xiàn)象. .Cu-NiCu-Ni合金枝晶偏析示意圖合金枝晶偏析示意圖枝晶偏析產(chǎn)生的原因：枝晶偏析產(chǎn)生的原因：是偏離平衡條件結(jié)晶產(chǎn)生的結(jié)果是偏離平衡條件結(jié)晶產(chǎn)生的結(jié)果. .枝晶偏析產(chǎn)生的危害：枝晶偏析產(chǎn)生的危害：嚴(yán)重影響合金機(jī)械性能嚴(yán)重影響合金機(jī)械性能、抗腐蝕性抗腐蝕性、使塑性、使塑性、韌性降低韌性降低, , 對加工工藝性帶來不利的影響對加工工藝性帶來不利的影響. . 消除的措施：消除的措施：通過通過擴(kuò)散退火擴(kuò)散退

30、火或或均勻化退火均勻化退火來加以消除來加以消除, ,把鑄件加熱到把鑄件加熱到低于低于固相線固相線100100200200進(jìn)行較長進(jìn)行較長時間保溫時間保溫（12h12h15h),15h),使偏析元素充分?jǐn)U散使偏析元素充分?jǐn)U散, ,達(dá)達(dá)到成分均勻化的目的到成分均勻化的目的. . 三、共晶相圖三、共晶相圖 Diagram With EutecticDiagram With Eutectic共晶相圖共晶相圖-當(dāng)兩組元在液態(tài)時無限互溶，在當(dāng)兩組元在液態(tài)時無限互溶，在結(jié)晶時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的相圖結(jié)晶時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的相圖圖圖4-11 4-11 Pb-SnPb-Sn相圖相圖圖圖4-11

31、 4-11 Pb-SnPb-Sn相圖相圖( (一）、相圖分析一）、相圖分析AEBAEB - -為液相線為液相線AMENBAMENB-為固相線為固相線A A點(diǎn)點(diǎn) -為為PbPb的熔點(diǎn)的熔點(diǎn)B B點(diǎn)點(diǎn) -為為SnSn的熔點(diǎn)的熔點(diǎn)MFMF線線 -SnSn溶于溶于pbpb的溶解度曲線的溶解度曲線NGNG線線 -PbPb溶于溶于SnSn的溶解度曲線的溶解度曲線三個兩相區(qū)：三個兩相區(qū)： L L. L. L. . MENMEN線線-三相共存線三相共存線.L . .L . 相圖分為三個部分相圖分為三個部分: :AMFPbAMFPb部分部分; AEBNGFM; AEBNGFM部分部分 ;BGN;BGN部分部分勻

32、晶相圖勻晶相圖-AMFPbAMFPb部分，部分，BGNBGN部分部分簡單共晶相圖簡單共晶相圖-AEBGFM-AEBGFM部分部分MENMEN水平線，發(fā)生恒溫轉(zhuǎn)變，又稱共晶轉(zhuǎn)變水平線，發(fā)生恒溫轉(zhuǎn)變，又稱共晶轉(zhuǎn)變 Le Le M MN N 共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變-成分為成分為E E點(diǎn)的液相點(diǎn)的液相LeLe同時結(jié)晶出同時結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)都不相同的固相兩種成分和結(jié)構(gòu)都不相同的固相M MN N 這種轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變這種轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變. . E E點(diǎn)點(diǎn)-稱為共晶點(diǎn)稱為共晶點(diǎn). .E E點(diǎn)點(diǎn)-E-E點(diǎn)的合金為共晶合金點(diǎn)的合金為共晶合金MEME之間的合金之間的合金-亞共晶合金亞共晶合金ENEN之間的合金之間的

33、合金-過共晶合金過共晶合金E E點(diǎn)對應(yīng)的溫度點(diǎn)對應(yīng)的溫度-稱為共晶溫度稱為共晶溫度MENMEN線線-稱為共晶線稱為共晶線1.1.典型合金的結(jié)晶過程典型合金的結(jié)晶過程圖圖4-114-11所示的所示的合金合金( (共晶合金共晶合金) )合金冷至合金冷至1 1點(diǎn)時點(diǎn)時, ,開始結(jié)晶開始結(jié)晶, ,至至1 1時時, ,結(jié)晶完畢結(jié)晶完畢結(jié)晶在恒溫下進(jìn)行結(jié)晶在恒溫下進(jìn)行, ,在冷卻曲線上出現(xiàn)一個水平臺階在冷卻曲線上出現(xiàn)一個水平臺階 Le Le c d d 相從相從e e點(diǎn)溫度冷到室溫點(diǎn)溫度冷到室溫, , 相從相從e e點(diǎn)溫度冷到室溫點(diǎn)溫度冷到室溫, , 由于由于 和和 , ,數(shù)量少數(shù)量少 , , 與與和和沒

34、有什么區(qū)別沒有什么區(qū)別所以所以, ,在共晶線以下的組織仍然為在共晶線以下的組織仍然為: :圖圖4-11 4-11 Pb-SnPb-Sn相圖相圖共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變圖圖4-13 4-13 Pb-SnPb-Sn共晶共晶合金顯微組織示意圖合金顯微組織示意圖圖圖4-124-12合金合金的冷卻的冷卻曲線及結(jié)晶過程曲線及結(jié)晶過程共晶體長大共晶體長大示意圖示意圖 Sn原子原子 擴(kuò)散擴(kuò)散Pb原子原子 擴(kuò)散擴(kuò)散Pb-SnPb-Sn共晶組織共晶組織2.2.亞共晶和過該臺晶的結(jié)晶過程亞共晶和過該臺晶的結(jié)晶過程以圖以圖4-114-11合金合金為例為例( (亞共晶合金亞共晶合金) )當(dāng)液相冷到當(dāng)液相冷到1 1點(diǎn)時點(diǎn)時, ,

35、開始結(jié)晶出開始結(jié)晶出相相溫度降到溫度降到2 2點(diǎn)時點(diǎn)時, ,剩余液相進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變剩余液相進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變1 12 2點(diǎn)點(diǎn)-為為L L2 2 2 2點(diǎn)點(diǎn)-為為L L2 2點(diǎn)點(diǎn)-溫度結(jié)束時為溫度結(jié)束時為( () )2 2點(diǎn)以下點(diǎn)以下-從從( () ) 中析出中析出 ( ( ) ) ( () ) 圖圖4-15 4-15 Pb-SnPb-Sn亞共晶亞共晶合金的顯微組織示意圖合金的顯微組織示意圖圖圖4-14 4-14 合金合金的的冷卻曲線及結(jié)晶過程冷卻曲線及結(jié)晶過程10%10%SnSn有限固溶體合金的組織有限固溶體合金的組織由于由于共晶體共晶體( () )中析出的中析出的 和和 在在顯微鏡下顯微鏡下無法分辨

36、無法分辨只能觀察到從先共晶只能觀察到從先共晶固溶體中析出的固溶體中析出的 在室溫時在室溫時( (亞共晶合金亞共晶合金) )的組織為的組織為 ( () )次生次生 和初生和初生的區(qū)別的區(qū)別: :成分和結(jié)構(gòu)完全相同成分和結(jié)構(gòu)完全相同, ,但形貌不同但形貌不同由由L L相結(jié)晶出的相結(jié)晶出的初生初生, ,晶粒粗大晶粒粗大, ,多為樹枝狀多為樹枝狀或等軸晶?；虻容S晶粒次生次生 : :形成溫度較低形成溫度較低, ,原子擴(kuò)散較困難原子擴(kuò)散較困難, ,易于在晶界易于在晶界上形核上形核次生次生 大多在大多在相界面上或以小顆粒彌撒相界面上或以小顆粒彌撒分布在分布在相中相中次生次生 以小顆粒彌撒分布在以小顆粒彌撒分

37、布在相中相中, ,提高合提高合金的強(qiáng)度和硬度金的強(qiáng)度和硬度次生次生 為脆性相為脆性相, ,沿相界呈網(wǎng)狀分布沿相界呈網(wǎng)狀分布, ,使合使合金的塑性大大降低金的塑性大大降低合金最終組織合金最終組織: :亞共晶合金的組織亞共晶合金的組織( () ) 其顯微組織見圖其顯微組織見圖4-154-15圖中暗黑色樹枝狀為先共晶圖中暗黑色樹枝狀為先共晶固溶體固溶體黑白相間分布的為黑白相間分布的為( () )共晶體共晶體枝晶內(nèi)的白色顆粒為枝晶內(nèi)的白色顆粒為 同樣道理同樣道理, ,過共晶過共晶的最終組織為的最終組織為過共晶合金的組織過共晶合金的組織: :( () ) l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。

38、 l隨溫度下降，隨溫度下降， 和和 相的成分分別沿相的成分分別沿MFMF線和線和NGNG線變化，線變化， l 的重量增加。的重量增加。室溫下室溫下 的相對重量百分比為：的相對重量百分比為：%1004 FGFQ 圖圖4-144-14合金合金的冷卻曲線及結(jié)晶過程的冷卻曲線及結(jié)晶過程亞共晶合金的冷卻曲線及組織亞共晶合金的冷卻曲線及組織結(jié)論結(jié)論: :亞共晶合金的組織亞共晶合金的組織: :( () ) 共晶合金的組織共晶合金的組織: :過共晶合金的組織過共晶合金的組織: :( () ) 圖圖4-114-11合金合金為例為例1 1點(diǎn)點(diǎn)以上為以上為L L1 12 2點(diǎn)點(diǎn)-為為L L2 23 3點(diǎn)點(diǎn)為為-3

39、3點(diǎn)點(diǎn)以下以下, ,從從中析中析出次生相出次生相 3 34 4點(diǎn)點(diǎn): :合金與溶解合金與溶解度曲線相交度曲線相交, , 從從析出析出 最終組織最終組織為為 圖圖4-164-16合金合金的冷卻曲線及其結(jié)晶過程的冷卻曲線及其結(jié)晶過程和和 用杠桿定用杠桿定理計算相對量理計算相對量 100%100% 100%100% / /含錫量大于的含錫量大于的d d點(diǎn)合點(diǎn)合金的結(jié)晶過程金的結(jié)晶過程其分析方法與其分析方法與SnSn含含錫量小于錫量小于C C點(diǎn)的合金點(diǎn)的合金結(jié)晶過程相同結(jié)晶過程相同fg4fgf 4fgg4gfg4含錫量大于的含錫量大于的d d點(diǎn)合金的結(jié)晶過程點(diǎn)合金的結(jié)晶過程: :先結(jié)晶出初晶先結(jié)晶出初

40、晶,隨溫度降低隨溫度降低, ,最后從最后從中析出中析出 最終組織為最終組織為 杠桿定律算法相同杠桿定律算法相同組織組成物組織組成物-在顯微鏡下能清楚地區(qū)別一定在顯微鏡下能清楚地區(qū)別一定形態(tài)特征的組成部分形態(tài)特征的組成部分, ,該組成部分稱為組織組該組成部分稱為組織組成物成物如如. . .都是組織組成物都是組織組成物組織組成物在相圖上的標(biāo)注組織組成物在相圖上的標(biāo)注( (三三).).比重偏析比重偏析 Gravity SegregationGravity Segregation比重偏析比重偏析-因比重不同而造成化學(xué)成分不均因比重不同而造成化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象勻的現(xiàn)象合金在結(jié)晶時合金在結(jié)晶時, ,結(jié)晶

41、出來晶體的比重與剩余液結(jié)晶出來晶體的比重與剩余液相的比重相差較大相的比重相差較大, ,使這些晶體便會上浮或下使這些晶體便會上浮或下沉沉, ,從而導(dǎo)致鑄件上下部分的化學(xué)成分不一樣從而導(dǎo)致鑄件上下部分的化學(xué)成分不一樣. .亞共晶或過共晶體合金結(jié)晶時：亞共晶或過共晶體合金結(jié)晶時：初晶比重與液相比重差別較大，形成比重偏析初晶比重與液相比重差別較大，形成比重偏析比重偏析的危害：比重偏析的危害：使鑄件各部分的成分、組織和性能不同使鑄件各部分的成分、組織和性能不同消除比重偏析的方法：消除比重偏析的方法：1 1、加快冷卻，使偏析相來不及上浮或下沉、加快冷卻，使偏析相來不及上浮或下沉2 2、當(dāng)比重差別不大時，澆

42、注時加以攪拌、當(dāng)比重差別不大時，澆注時加以攪拌3 3、加入第三種元素，使其形成與液相比重相、加入第三種元素，使其形成與液相比重相近的化合物，先結(jié)晶成樹枝狀的骨架懸浮于近的化合物，先結(jié)晶成樹枝狀的骨架懸浮于液相中，阻止后結(jié)晶的偏析相上浮或下沉液相中，阻止后結(jié)晶的偏析相上浮或下沉四、包晶相圖四、包晶相圖 The The PeritecticPeritectic Diagram Diagram 包晶相圖包晶相圖-兩組元在液態(tài)下相互無限溶解，兩組元在液態(tài)下相互無限溶解，在固態(tài)下相互有限溶解，并發(fā)生包晶體轉(zhuǎn)變在固態(tài)下相互有限溶解，并發(fā)生包晶體轉(zhuǎn)變的相圖的相圖. .Pt-AgPt-Ag包晶相圖包晶相圖（一

43、）、相圖分析（一）、相圖分析aebaeb液相線液相線 acdbacdb固相線固相線 cfcf及及dgdg分別為分別為AgAg溶于和溶于和PtPt和溶于溶于和溶于溶于AgAg的溶解度曲線的溶解度曲線. .1 1、相圖中有三個相、相圖中有三個相 L . L . -為為AgAg溶于溶于PtPt的固溶體的固溶體;-;-為為PtPt溶于溶于AgAg的固溶體的固溶體2 2、相圖中有三個單相區(qū)：、相圖中有三個單相區(qū)： L .L . . 3 3、相圖中有三個兩相區(qū)：相圖中有三個兩相區(qū)： L L， L L， 4 4、三相共存水平線：、三相共存水平線：-cdecde在在cdecde水平線對應(yīng)的溫度下，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變

44、水平線對應(yīng)的溫度下，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變 cc L LC C d d 包晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變-在一定溫度下，由一定成分的在一定溫度下，由一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另一個一固相與一定成分的液相作用，形成另一個一定成分的固相的轉(zhuǎn)變過程定成分的固相的轉(zhuǎn)變過程 d d點(diǎn)點(diǎn) -稱為包晶點(diǎn)稱為包晶點(diǎn) d d點(diǎn)點(diǎn)對應(yīng)的溫度對應(yīng)的溫度 -稱為包晶溫度稱為包晶溫度cdecde線線 -稱為包晶線稱為包晶線（二）、典型合金的結(jié)晶過程（二）、典型合金的結(jié)晶過程1 1、合金、合金（成分垂線通過（成分垂線通過D D的結(jié)晶過程）的結(jié)晶過程）1).1).合金冷卻到合金冷卻到1 1點(diǎn)點(diǎn) 從液相中結(jié)晶出從液相中結(jié)晶出, , 2)

45、.2).當(dāng)?shù)疆?dāng)?shù)? 2點(diǎn)點(diǎn) d d點(diǎn)包晶溫度點(diǎn)包晶溫度,c,c點(diǎn)點(diǎn)與與LeLe發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變, ,形成成分形成成分相當(dāng)于相當(dāng)于d d點(diǎn)點(diǎn)固溶體固溶體3).3).從從d d點(diǎn)到室溫點(diǎn)到室溫 不斷從不斷從中析出中析出 4).4).合金最終組織合金最終組織: : 2 2、合金、合金（成分在（成分在c c與與d d之間的結(jié)晶過程）之間的結(jié)晶過程）1).1).冷至冷至1 1點(diǎn)點(diǎn), ,結(jié)晶出結(jié)晶出相相, ,為為L L2).2).冷到冷到2 22 2時發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變時發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變L L轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)? ,此時有剩余此時有剩余相相( (相當(dāng)于初生的相當(dāng)于初生的) )在在2 22 2溫度之間的組織為溫度之間的組織為2 2 點(diǎn)冷到室溫點(diǎn)冷到室溫: :從從和和相中析出相中析出 和和 合金最終組織合金最終組織: : 3 3、合金、合金（成分在（成分在d d與與e e之間的結(jié)晶過程）之間的結(jié)晶過程）1).1).冷卻到冷卻到1 1點(diǎn)