材料科學(xué)基礎(chǔ)

1、第七章 二元系相圖及其合金的凝固制作人: 08020702217.3.3包晶相圖及其合金凝固1.包晶相圖2.包晶合金的凝固及其平衡組織3.包晶合金的非平衡凝固7.3.4溶混間隙相圖與調(diào)幅分解2One.包晶相圖組成包晶相圖的兩組元，在液態(tài)可無(wú)限互溶，而在固態(tài)只能部分互溶。在二元相圖中，包晶轉(zhuǎn)變就是已結(jié)晶的固相與剩余液相反應(yīng)形成另一固相的恒溫轉(zhuǎn)變。具有包晶轉(zhuǎn)變的二元合金有Fe-C，Cu-Zn，Ag-Sn，Ag-Pt等。包晶轉(zhuǎn)變定義：3圖7.30所示的Pt-Ag相圖是具有包晶轉(zhuǎn)變相圖中的典型代表圖中ACB是液相線(xiàn)，AD，PB是固相線(xiàn)，DE是Ag在Pt為基的固溶體的溶解度曲線(xiàn)，PF是Pt在Ag為基的固

2、溶體的溶解度曲線(xiàn)。水平線(xiàn)DPC是包晶轉(zhuǎn)變線(xiàn)，成分在DC范圍內(nèi)的合金在該溫度都將發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變： LC+D P包晶反應(yīng)是恒溫轉(zhuǎn)變，圖中P點(diǎn)稱(chēng)為包晶點(diǎn)4TWO.包晶合金的凝固及其平衡組織.w（Ag）為42.4%的Pt-Ag合金（合金）由圖7.30可知，合金自高溫液態(tài)冷至t1溫度時(shí)與液相線(xiàn)相交，開(kāi)始結(jié)晶出初生相。在繼續(xù)冷卻的過(guò)程中，固相量逐漸增多，液相量不斷減少，相和液相的成分分別沿固相線(xiàn)AD和液相線(xiàn)AC變化。當(dāng)溫度降至包晶反應(yīng)溫度1186時(shí)，合金中初生相的成分達(dá)到D點(diǎn)，液相成分達(dá)到C點(diǎn)。開(kāi)始反應(yīng)時(shí)的兩相得相對(duì)含量由杠桿法則求得W（L）=DP/DC100%=包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，液相和相反應(yīng)正好全部轉(zhuǎn)變成固

3、體。隨著溫度繼續(xù)下降，由于Pt在相中的溶解度隨溫度的降低而沿PF線(xiàn)減小，因此將不斷從固溶體中析出。于是該合金的室溫平衡組織為+，凝固過(guò)程如圖7.31所示。5在大多數(shù)情況下，由包晶反應(yīng)所形成的相傾向于依附相得表面形核，以降低形核功，并消耗液相和相而生長(zhǎng)。當(dāng)相被新生的相包圍以后，相就不能直接與液相接觸。由圖7.30可知，液相中的Ag含量較相高，而相得Ag含量又比相高，因此，液相中Ag原子不斷通過(guò)相向相擴(kuò)撒，這一過(guò)程示于圖7.32中。這樣，相同時(shí)向液相和相方向生長(zhǎng)，直至把液相和相全部吞食為止。由于相是包圍初生相，并使之與液相隔開(kāi)的形式下生長(zhǎng)的，故稱(chēng)之為包晶反應(yīng)。也有少數(shù)情況，比如-間表面能很大，或過(guò)

4、冷度較大，相可能不依賴(lài)初生相形核，而是在液相中直接形核，并在生長(zhǎng)過(guò)程中，液相三者始終相互接觸，以至通過(guò)和液相的直接反應(yīng)來(lái)生成相。顯然，這種方式的包晶反應(yīng)速度比上述方式快得多。6b.42.4%w（Ag） 66.3%的Pt-Ag合金（合金）室溫平衡組織為:+合金緩慢冷至包晶轉(zhuǎn)變前的結(jié)晶過(guò)程與上述包晶成分合金相同，由于合金中的液相的相對(duì)量大于包晶轉(zhuǎn)變所需的相對(duì)量，所以包晶轉(zhuǎn)變后，剩余的液相在繼續(xù)冷卻過(guò)程中，將按勻晶轉(zhuǎn)變的方式繼續(xù)結(jié)晶出相，其相對(duì)成分沿CB液相線(xiàn)變化，而相的成分沿PB線(xiàn)變化，直至t3溫度全部凝固結(jié)束，相成分為原合金成分。在t3至t4溫度之間，單相無(wú)任何變化。在t4溫度以下，隨著溫度下降

5、，將從相中不斷析出。7c.10.5%w（Ag） 42.4%的pt-Ag合金（合金）室溫平衡組織為：+ + 合金在包晶反應(yīng)前的結(jié)晶情況與上述情況相似。包晶轉(zhuǎn)變前合金中的相的相對(duì)量大于包晶反應(yīng)所需的量，所以在包晶反應(yīng)后，除了新形成的相外，還有剩余的相存在。包晶溫度下，相中將析出，相中析出。8THERE.包晶合金的非平衡凝固如前所述，包晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物相包圍著初生相，使液相與相隔開(kāi)，阻止了液相和相中的原子之間直接地相互擴(kuò)撒，而必須通過(guò)相，這就導(dǎo)致了包晶轉(zhuǎn)變的速度往往是極緩慢的，顯然，影響包晶轉(zhuǎn)變能否繼續(xù)完成的主要矛盾是所形成新相內(nèi)的擴(kuò)散速度。實(shí)際生產(chǎn)中的冷速較快，包晶反應(yīng)所依賴(lài)的固體中原子擴(kuò)散往往不能充

6、分進(jìn)行，導(dǎo)致包晶反應(yīng)的不完全性，即在低于包晶溫度下，將同時(shí)存在參與轉(zhuǎn)變的液相和相，其中液相在繼續(xù)冷卻過(guò)程中可以直接結(jié)晶出相或參與其他反應(yīng)，而相仍保留在相得芯部，形成包晶反應(yīng)的非平衡組織。9w（Cu）為35%的Sn-Cu合金冷卻到415時(shí)發(fā)生L+的包晶轉(zhuǎn)變，如圖7.35（a）所示，剩余的液相冷卻227又發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，所以最終的平衡組織為+（+Sn）。而實(shí)際的非平衡組織（見(jiàn)圖7.35（b）卻保留相當(dāng)數(shù)量的初生相（灰色），包圍它的是相（白色），而外面則是黑色的共晶組織。10另外，某些原來(lái)不發(fā)生包晶反應(yīng)的合金，如圖7.36中的合金，在快冷條件下，由于初生相凝固時(shí)存在枝晶偏析而使剩余的液相和相發(fā)生包晶反

7、應(yīng)，所以出現(xiàn)了某些平衡狀態(tài)下不應(yīng)出現(xiàn)的相應(yīng)該指出，上述包晶反應(yīng)不完全性主要與新相包圍相的生長(zhǎng)方式有關(guān)。因此，當(dāng)某些合金（如Al-Mn）的包晶相單獨(dú)在液相中形核和長(zhǎng)大時(shí)，其包晶轉(zhuǎn)變可迅速完成。包晶反應(yīng)的不完全特性，特別容易在那些包晶轉(zhuǎn)變溫度較低或原子擴(kuò)散速率小的合金中出項(xiàng)。 與非平衡共晶組織一樣，包晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的非平衡組織可以通過(guò)擴(kuò)散退火消除。117.3.4 溶混間隙相圖與調(diào)幅分解在不少的二元合金相圖中有溶混間隙（miscibility gap），如Cu-Pb，Cu-Ni，Cu-Mn和二元陶瓷合金中的Ni-CoO，SiO2-Al2O3等。圖7.10（f）中的溶混間隙顯示了兩種液相不相混溶性。溶混間隙也可出現(xiàn)在某一單相固溶區(qū)內(nèi)，表示該單相固溶區(qū)在溶混間隙內(nèi)將分解為成為不同而結(jié)構(gòu)相同的二相。總之，溶混間隙轉(zhuǎn)變可寫(xiě)成LL1+L2，或1+2，后者在轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀?，其轉(zhuǎn)變方式可有兩種：一種是通常的形核長(zhǎng)大方式，需要克服形核能壘；另一種是通過(guò)沒(méi)有形核階段的不穩(wěn)定分解，稱(chēng)為調(diào)幅分解（spinodal decomposition）。12在相圖熱力學(xué)一節(jié)中，已說(shuō)明了組元相互作用參數(shù)的物理意義，其中當(dāng)0，表示A，B組元傾向于分別聚集，形成偏聚狀態(tài)。在0時(shí)的自由能-成分曲線(xiàn)中有兩個(gè)極小值和兩個(gè)拐點(diǎn)。在兩個(gè)拐點(diǎn)之間的成分范圍內(nèi)，d2G/dx20，即G為正值。任意小的成分起伏（ x），都使體系自由能增高，這表