合工大考研材料專業(yè)課課件第四章

第四章

二元相圖

根據(jù)相圖可確定不同成分的材料在不同溫度下組成相的種類、各相的相對(duì)量、成分及溫度變化時(shí)可能發(fā)生的變化。僅在熱力學(xué)平衡條件下成立，不能確定結(jié)構(gòu)、分布狀態(tài)和具體形貌。

1第一節(jié)相圖的基本知識(shí)

1相律（1）相律：熱力學(xué)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。（2）表達(dá)式：f=c-p+2;壓力一定時(shí)，f=c-p+1。（3）應(yīng)用可確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)。如單元系2個(gè)，二元系3個(gè)。可以解釋純金屬與二元合金的結(jié)晶差別。純金屬結(jié)晶恒溫進(jìn)行，二元合金變溫進(jìn)行。

2第一節(jié)相圖的基本知識(shí)

2相圖的表示與建立（1）狀態(tài)與成分表示法狀態(tài)表示：溫度－成分坐標(biāo)系。坐標(biāo)系中的點(diǎn)－表象點(diǎn)。成分表示：質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)。3第一節(jié)相圖的基本知識(shí)

2相圖的表示與建立

（2）相圖的建立方法：實(shí)驗(yàn)法和計(jì)算法。過程：配制合金－測(cè)冷卻曲線－確定轉(zhuǎn)變溫度－填入坐標(biāo)－繪出曲線。相圖結(jié)構(gòu)(勻晶)：兩點(diǎn)、兩線、三區(qū)。4第一節(jié)相圖的基本知識(shí)

3杠桿定律-相含量的計(jì)算工具

（1）平衡相成分的確定（根據(jù)相律，若溫度一定，則自由度為0，平衡相成分隨之確定。）（2）數(shù)值確定：直接測(cè)量計(jì)算或投影到成分軸測(cè)量計(jì)算。（3）注意：只適用于兩相區(qū)；三點(diǎn)(支點(diǎn)和端點(diǎn))要選準(zhǔn)。5第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

1勻晶相同及其分析（1）勻晶轉(zhuǎn)變：由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的轉(zhuǎn)變。（2）勻晶相圖：具有勻晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。

(兩組元在液態(tài)和固態(tài)都無限互溶)

（3）相圖分析兩點(diǎn)：純組元的熔點(diǎn)；兩線：L,S相線；三區(qū)：L,α,L+α。6第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

2固溶體合金的平衡結(jié)晶（1）平衡結(jié)晶：每個(gè)時(shí)刻都能達(dá)到平衡的結(jié)晶過程。（2）平衡結(jié)晶過程分析①冷卻曲線：溫度－時(shí)間曲線；

?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.7第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

2固溶體合金的平衡結(jié)晶②相（組織）與相變（各溫區(qū)相的類型、相變反應(yīng)式，杠桿定律應(yīng)用。）；③組織示意圖；④成分均勻化：每時(shí)刻結(jié)晶出的固溶體的成分不同。

?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2h8第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

2固溶體合金的平衡結(jié)晶

（3）與純金屬結(jié)晶的比較①

相同點(diǎn)：基本過程：形核－長大；熱力學(xué)條件：⊿T>0；

能量條件：能量起伏；結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏。②不同點(diǎn)：合金在一個(gè)溫度范圍內(nèi)結(jié)晶（可能性：相律分析；必要性：成分均勻化。）合金結(jié)晶是選分結(jié)晶：需成分起伏。

9第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

3固溶體的不平衡結(jié)晶（1）原因:冷速快(假設(shè)液相成分均勻、固相成分不均勻)。（2）結(jié)晶過程特點(diǎn)：固相成分按平均成分線變化（但每一時(shí)刻符合相圖）；

結(jié)晶的溫度范圍增大；

組織多為樹枝狀。

10第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

3固溶體的不平衡結(jié)晶

?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.11第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

3固溶體的不平衡結(jié)晶（3）成分偏析：晶內(nèi)偏析：一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。枝晶偏析：樹枝晶的枝干和枝間化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。

（消除：擴(kuò)散退火，在低于固相線溫度長時(shí)間保溫。）

12第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

4穩(wěn)態(tài)凝固時(shí)的溶質(zhì)分布（1）穩(wěn)態(tài)凝固：從液固界面輸出溶質(zhì)速度等于溶質(zhì)從邊界層擴(kuò)散出去速度的凝固過程。（2）平衡分配系數(shù)：在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質(zhì)濃度的比值。k0=Cs/Cl

13第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

4穩(wěn)態(tài)凝固時(shí)的溶質(zhì)分布(3)溶質(zhì)分布冷卻速度無限慢→有擴(kuò)散和對(duì)流→液、固相內(nèi)溶質(zhì)完全混合（平衡凝固）－a;冷卻速度非常慢→有擴(kuò)散和對(duì)流→固相不混合、液相完全混合－b;冷卻速度很大→僅有擴(kuò)散→固相不混合、液相完全不混合－c；冷卻速度一般→部分?jǐn)U散和對(duì)流→固相不混合、液相部分混合－d。

14第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

4穩(wěn)態(tài)凝固時(shí)的溶質(zhì)分布(4)區(qū)域熔煉（上述溶質(zhì)分布規(guī)律的應(yīng)用）

15第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

5成分過冷及其對(duì)晶體生長形態(tài)的影響（1）成分過冷：由成分變化與實(shí)際溫度分布共同決定的過冷。（2）形成：界面溶質(zhì)濃度從高到低→液相線溫度從低到高。

（圖示：溶質(zhì)分布曲線→勻晶相圖→液相線溫度分布曲線→實(shí)際溫度分布曲線→成分過冷區(qū)。）16第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

5成分過冷及其對(duì)晶體生長形態(tài)的影響（3）成分過冷形成的條件和影響因素條件：G/R<mC0(1-k0)/Dk0

合金固有參數(shù)：m(液相線斜率),k0;

實(shí)驗(yàn)可控參數(shù)：G(溫度梯度),

R(凝固速度)。17第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

5成分過冷及其對(duì)晶體生長形態(tài)的影響

（4）成分過冷對(duì)生長形態(tài)的影響（正溫度梯度下）G越小，成分過冷越大－生長形態(tài)：平面狀－胞狀－樹枝狀。18第二節(jié)二元?jiǎng)蚓鄨D

5成分過冷及其對(duì)晶體生長形態(tài)的影響（4）成分過冷對(duì)生長形態(tài)的影響

4h19第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

共晶轉(zhuǎn)變：由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)一定成分固相的轉(zhuǎn)變。EutecticReaction

共晶相圖：具有共晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。（液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不溶，且發(fā)生共晶反應(yīng)。共晶組織：共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。（是兩相混合物）20第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

1相圖分析（相圖三要素）（1）點(diǎn)：純組元熔點(diǎn)；最大溶解度點(diǎn)；共晶點(diǎn)（是亞共晶、過共晶合金成分分界點(diǎn)）等。（2）線：結(jié)晶開始、結(jié)束線；溶解度曲線；共晶線等。（3）區(qū)：3個(gè)單相區(qū)；3個(gè)兩相區(qū)；1個(gè)三相區(qū)。21第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（1）Wsn<2％的合金凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.22第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（2）2％<Wsn<19％的合金①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②二次相（次生相）的生成：脫溶轉(zhuǎn)變（二次析出或二次再結(jié)晶）。③室溫組織（α＋βⅡ）及其相對(duì)量計(jì)算。(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.23(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（3）共晶合金①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②共晶線上兩相的相對(duì)量計(jì)算。③室溫組織（α＋β＋αⅡ＋βⅡ）及其相對(duì)量計(jì)算。(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.24第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（3）共晶合金(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.25第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（4）亞共晶合金①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②共晶線上兩相的相對(duì)量計(jì)算。③室溫組織（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相對(duì)量計(jì)算。

(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.26第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（4）亞共晶合金(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.27第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（5）組織組成物與組織圖組織組成物：組成材料的中各個(gè)不同本質(zhì)和形態(tài)的部分。組織圖：用組織組成物填寫的相圖。組織組成物相對(duì)量的計(jì)算：杠桿定律。

28第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

3不平衡結(jié)晶及其組織（1）偽共晶①偽共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶組織。②形成原因：不平衡結(jié)晶；合金成分位于共晶點(diǎn)附近。③不平衡組織由非共晶成分的合金得到的完全共晶組織。共晶成分的合金得到的亞、過共晶組織。（偽共晶區(qū)偏移）

29第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

3不平衡結(jié)晶及其組織

（2）不平衡共晶①

不平衡共晶：位于共晶線以外成分的合金發(fā)生共晶反應(yīng)而形成的組織。②原因：不平衡結(jié)晶。成分位于共晶線以外端點(diǎn)附件。

30第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

3不平衡結(jié)晶及其組織

（3）離異共晶①

離異共晶：兩相分離的共晶組織。②

形成原因平衡條件下，成分位于共晶線上兩端點(diǎn)附近。不平衡條件下，成分位于共晶線外兩端點(diǎn)附。③

消除：擴(kuò)散退火。

6h31第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

4共晶組織的形成（1）共晶體的形成成分互惠－交替形核片間搭橋－促進(jìn)生長

兩相交替分布（共晶組織）32第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

4共晶組織的形成

（2）共晶體的形態(tài)

粗糙－粗糙界面：層片狀（一般情況）、棒狀、纖維狀（一相數(shù)量明顯少于另一相）

第四章相圖第三節(jié)共晶相圖33第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

4共晶組織的形成

（2）共晶體的形態(tài)

粗糙－平滑界面：具有不規(guī)則或復(fù)雜組織形態(tài).（由于兩相微觀結(jié)構(gòu)不同）所需動(dòng)態(tài)過冷度不同，金屬相任意長大，另一相在其間隙長大?？傻玫角驙?、針狀、花朵狀、樹枝狀共晶體。非金屬相與液相成分差別大。形成較大成分過冷，率先長大，形成針狀、骨骼狀、螺旋狀、蜘蛛網(wǎng)狀的共晶體。34第三節(jié)二元共晶相圖及合金凝固

4共晶組織的形成

（3）初生晶的形態(tài)：金屬固溶體：粗糙界面－樹枝狀；非金屬相：平滑界面－規(guī)則多面體。35第四節(jié)二元包晶相圖及合金凝固

包晶轉(zhuǎn)變：由一個(gè)特定成分的固相和液相生成另一個(gè)特點(diǎn)成分固相的轉(zhuǎn)變。PeritecticReaction

包晶相圖：具有包晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。1相圖分析點(diǎn)、線、區(qū)。36第四節(jié)二元包晶相圖及合金凝固

2平衡結(jié)晶過程及其組織（1）包晶合金的結(jié)晶結(jié)晶過程：包晶線以下，L,α對(duì)β過飽和