材料第2章之2合金的結(jié)晶

第2章金屬材料組織與性能的控制之2.2.1二元合金的結(jié)晶2/3/20231北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院一、相圖為了對(duì)廣泛使用的合金進(jìn)行熔鑄、鍛壓和熱處理，必須首先了解它們的熔點(diǎn)和固態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，并弄清楚它們的凝固過程及凝固后的相和組織結(jié)構(gòu)。

相圖是描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間的關(guān)系的一種圖解，又稱為狀態(tài)圖或平衡圖。利用相圖，我們可以了解各種成分的材料在不同溫度、壓力下的相組成，多種相的成分與相對(duì)量及組織的變化規(guī)律等。因此，掌握和了解相圖的基本知識(shí)和分析方法，對(duì)制定材料熱加工工藝、分析和檢測(cè)材料的性能以及研究開發(fā)新材料等都有重要作用和指導(dǎo)意義。2/3/20232北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院二、二元合金相圖（常壓）2/3/20233北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院相圖的建立一般采用熱分析法，其基本思路是先配制一系列不同成分的給定合金，繪制它們各自的冷卻曲線，然后由冷卻曲線上的臨界點(diǎn)繪制相圖。100%Ni溫度℃

時(shí)間Cu20406080NiNi%TNiTCu80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni100%Cu（a）（b）Cu-Ni合金相圖的測(cè)繪（a）冷卻曲線（b）Cu-Ni相圖相圖的建立2/3/20234北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院相圖的建立Ⅰ：純銅100%CuⅡ：75%Cu+25%Ni

Ⅲ：50%Cu+50%NiⅣ：25%Cu+75%Ni

Ⅴ：純Ni100%Ni

2/3/20235北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院四大反應(yīng)和一大定律2/3/20236北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

從液相中不斷結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。

二組元在液態(tài)、固態(tài)時(shí)均能無限互溶的二元合金相圖就是勻晶相圖。這樣的二元合金系稱為勻晶系。屬于勻晶系的合金系有Cu-Ni、鈮Nb-Ti、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni、Mo-W等。幾乎所有二元合金相圖都包含有勻晶轉(zhuǎn)變部分，因此掌握這一類相圖是學(xué)習(xí)二元合金相圖的基礎(chǔ)。1、勻晶反應(yīng)及相圖2/3/20237北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（1）相圖分析

A1083℃B1452℃LL+α溫度CuNiNi%

Cu-Ni合金相圖液相線固相線α從液相中不斷結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。2/3/20238北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（2）固溶體合金的平衡結(jié)晶過程及特點(diǎn)

IA1083℃B1452℃L1L2L3L4

α4

α3

α2LαL+α溫度CuXLX0XαNi%Ni時(shí)間（a）（b）圖3-4Cu-Ni合金相圖

L

Lα

α

α1t1t2t3、3t4a.形核、長(zhǎng)大，樹枝狀長(zhǎng)大b.變溫過程c.兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定，兩相成分確定d.兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定，兩相相對(duì)量一定2/3/20239北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2/3/202310北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（3）杠桿定律2/3/202311北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院杠桿定律的證明證明：

Q合金

×b%=QL

×a%+Qa

×c%又因?yàn)椋篞合金=QL+Qa

所以：（QL+Qa）×b%=QL×a%+Qa

×c%2/3/202312北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院合金中液相和固相所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：2/3/202313北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院偏析在結(jié)晶過程中隨著固相的不斷形成，其成分也在不斷的變化，這種變化是通過原子的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的。若原子能夠進(jìn)行充分的擴(kuò)散，固溶體將發(fā)生平衡結(jié)晶；若原子不能夠進(jìn)行充分的擴(kuò)散，固溶體將發(fā)生非平衡結(jié)晶。由此可見，固溶體在結(jié)晶時(shí)，溶質(zhì)和溶劑原子必然要發(fā)生重新分配。固溶體不平衡結(jié)晶所形成的枝晶偏析是指一個(gè)晶粒內(nèi)部成分的不均勻現(xiàn)象；而固溶體的在結(jié)晶時(shí)，沿一定方向結(jié)晶過程中，在一個(gè)較大區(qū)域范圍內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)成分差異，這稱為宏觀偏析。

（4）偏析與區(qū)域提純2/3/202314北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院冷速快→原子擴(kuò)散不充分→成分不均。擴(kuò)散退火消除2/3/202315北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2、共晶反應(yīng)及相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶時(shí)存在的一種結(jié)晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變的合金系構(gòu)成共晶相圖，Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu等。2/3/202316北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（1）相圖分析1三個(gè)單相區(qū)：L、α、β（α、β是有限固溶體）三個(gè)雙相區(qū)：L+α

、L+β

、α+β2/3/202317北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（1）相圖分析2共晶點(diǎn)：d點(diǎn)，共晶成分的合金冷卻到此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度（共晶溫度），共同結(jié)晶出αc、βe

，即：2/3/202318北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（1）相圖分析3液相線：adb固相線：acdeb

共晶反應(yīng)線：cde溶解度線：cf，egf2/3/202319北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（2）典型合金的結(jié)晶過程合金I：

相組成物：α,βII

αβII2/3/202320北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院液態(tài)合金冷卻到1點(diǎn)溫度以后,發(fā)生勻晶結(jié)晶過程,至2點(diǎn)溫度合金完全結(jié)晶成α固溶體,隨后的冷卻(2～3點(diǎn)間的溫度),α相不變。從3點(diǎn)溫度開始,由于Sn在α中的溶解度沿cf線降低,從α中析出βII,到室溫時(shí)α中Sn含量逐漸變?yōu)閒點(diǎn)。最后合金得到的組織為α+βII。其組成相是f點(diǎn)成分的α相和g點(diǎn)成分的β相。

2/3/202321北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院合金II：βαII2/3/202322北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院合金從液態(tài)冷卻到1點(diǎn)溫度后,發(fā)生共晶反應(yīng)：L→(α+β)

,經(jīng)一定時(shí)間到1’時(shí)反應(yīng)結(jié)束,全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿w(α+β)。從共晶溫度冷卻至室溫時(shí),共晶體中的α和β均發(fā)生二次結(jié)晶,從α中析出二次β,從β中析出二次α。α的成分由c點(diǎn)變f點(diǎn),β的成分由e點(diǎn)變?yōu)間點(diǎn),兩種相的相對(duì)重量依杠桿定律變化。由于析出的二次β和二次α

都相應(yīng)地同β和α相連在一起,共晶體的形態(tài)和成分不發(fā)生變化。合金的室溫組織全部為共晶體,即只含一種組織組成物;其組成相仍為α和β相。

2/3/202323北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院共晶合金組織的形態(tài)

2/3/202324北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院3、包晶反應(yīng)及相圖一個(gè)一定成分的液相與一個(gè)一定成分的固相在恒溫下生成另一固相的轉(zhuǎn)變稱為包晶轉(zhuǎn)變。兩組元液態(tài)時(shí)能相互無限溶解，固態(tài)時(shí)有限互溶，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖稱為包晶相圖。具有這種相圖的典型合金有Pt-Ag、Sn-Sb銻、Cu-Sn、Cu-Zn等合金系。

2/3/202325北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院Pt-Ag合金相圖中存在三種相:

（1）Pt與Ag形成的液溶體L相;

（2）Ag溶于Pt中的有限固溶體α相;（3）Pt溶于Ag中的有限固溶體β相。e點(diǎn)為包晶點(diǎn),e點(diǎn)成分的合金冷卻到e點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度(包晶溫度)時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)：L+α→β

發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)三相共存,它們的成分確定,反應(yīng)在恒溫下平衡地進(jìn)行。水平線ced為包晶反應(yīng)線。

2/3/202326北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院18001600140012001000800600400溫度℃Pt20406080Ag圖3－32Pt-Ag合金相圖LβαL+αα+βL+βb(961.93℃)da(1772℃)1186℃ec42.410.566.3fgⅠⅡⅢ2/3/202327北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院合金冷卻到1點(diǎn)溫度以下時(shí)結(jié)晶出α固溶體,α相成分沿ac線變化,L相成分沿ad線變化。合金剛冷到2點(diǎn)溫度而尚未發(fā)生包晶反應(yīng)前,由c點(diǎn)成分的α相與d點(diǎn)成分的L相組成。此兩相在e點(diǎn)溫度時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng),L相包圍α

相而形成β。反應(yīng)結(jié)束后,L相與α相正好全部反應(yīng)耗盡,形成e點(diǎn)成分的β固溶體。溫度繼續(xù)下降,從β中析出二次α。最后室溫組織為β+二次