第03章 結(jié)晶相圖.ppt

1、第三章 材料的凝固與相圖,概述 純金屬的結(jié)晶 材料的相結(jié)構(gòu) 二元合金相圖,第一節(jié) 概述,一、凝固與結(jié)晶,引子：自然界的物質(zhì)通常都能夠以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)存在。并且在一定的條件下，它們可以發(fā)生互相轉(zhuǎn)變。,凝固：一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程的統(tǒng)稱。 結(jié)晶：晶體的形成形成過程。,凝結(jié)蒸發(fā) 凝固熔化 凝華升華,晶體的形成過程包括，原始相可以是氣體(凝華)、液態(tài)、非晶態(tài)的固體或從一種晶體轉(zhuǎn)變未另一種晶體。,意義：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多數(shù)用冶煉來方法生產(chǎn)出來，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過冷卻后才得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結(jié)構(gòu)與從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程有關(guān)，從而也影響材料的性能。,二、凝固狀

2、態(tài)的影響因素,第一節(jié) 概述,引子：固體狀態(tài)下原子的排列方式有無規(guī)則排列的非晶態(tài)，也可以成為規(guī)則排列的晶體。決定因素有三方面。,物質(zhì)的本質(zhì)：原子以那種方式結(jié)合使系統(tǒng)吉布斯自由能更低。溫度高時(shí)原子活動能力強(qiáng)排列紊亂能量低，而低溫下按特定方式排列結(jié)合能高可降低其總能量。這是熱力學(xué)的基本原則。 熔融液體的粘度：粘度表征流體中發(fā)生相對運(yùn)動的阻力，隨溫度降低，粘度不斷增加，在到達(dá)結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度前，粘度增加到能阻止在重力作用物質(zhì)發(fā)生流動時(shí)，即可以保持固定的形狀，這時(shí)物質(zhì)已經(jīng)凝固，不能發(fā)生結(jié)晶。例如玻璃、高分子材料。 熔融液體的冷卻速度：冷卻速度快，到達(dá)結(jié)晶溫度原子來不及重新排列就降到更低溫度，最終到室溫時(shí)難以

3、重組合成晶體，可以將無規(guī)則排列固定下來。金屬材料需要達(dá)到106/s才能獲得非晶態(tài)。,在一般生產(chǎn)過程的冷卻條件下，金屬材料凝固為晶體，這時(shí)的凝固過程也是結(jié)晶過程。,第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,一、結(jié)晶的能量條件,吉布斯自由能G和溫度T的曲線總是凹向下的下降形式，并且液體的曲線下降的趨勢更陡。兩曲線相交處的溫度Tm，當(dāng)溫度T= Tm時(shí)，液相和固相的自由能相等，處于平衡共存，所以稱Tm為臨界點(diǎn)，也就是理論凝固溫度。當(dāng)T Tm時(shí)，從固體向液體的轉(zhuǎn)變使吉布斯自由能下降，是自發(fā)過程，發(fā)生熔化過程。所以結(jié)晶過程的熱力學(xué)條件就是溫度在理論熔點(diǎn)以下。,二、結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件,第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,在一定的過冷度下，液體中

4、若出現(xiàn)一固態(tài)的晶體，該區(qū)域的能量將發(fā)生變化，一方面一定體積的液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，體積自由能會下降，另一方面增加了液固相界面，增加了表面自由能，因此總的吉布斯自由能變化量為：,原子的熱運(yùn)動可造成局部能量在不斷變化，其瞬間能量在平均值的上下波動，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)(原子排列)在變化，小范圍可瞬間為接近晶體的排列。小于臨界尺寸的(也稱為晶胚)下一步將減小到消失；大于臨界尺寸的進(jìn)一步長大時(shí)吉布斯自由能下降，可以不斷長大，這種可以長大的小晶體稱為晶核。,三、結(jié)晶時(shí)的過冷現(xiàn)象,第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,冷卻曲線：材料在冷卻過程中，由于存在熱容量，并且從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)還要放出結(jié)晶潛熱，利用熱分析裝置，處在較慢的固定的散熱方式

5、，并將溫度隨時(shí)間變化記錄下來，所得的曲線冷卻曲線，純金屬的冷卻曲線如圖示。,過冷現(xiàn)象：熔體材料冷卻到理論結(jié)晶溫度以下，并不是立即就形成晶體，材料處在應(yīng)該轉(zhuǎn)變的理論溫度以下，還保留原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為過冷。 過冷度：為了表述材料過冷的程度，將理論轉(zhuǎn)變溫度與實(shí)際所處在的溫度之差稱為過冷度 。 T = Tm T,四、結(jié)晶的一般過程,第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,溫度變化規(guī)律：,材料的熔體在熔點(diǎn)以上不斷散熱，溫度不斷下降，到理論結(jié)晶溫度并不是馬上變成固態(tài)的晶體，繼續(xù)降溫而出現(xiàn)過冷。過冷到某一程度開始結(jié)晶，放出結(jié)晶潛熱，可能會使其溫度回升。到略低于熔點(diǎn)的溫度時(shí)，放出的熱量和散熱可達(dá)到平衡，這時(shí)處于固定溫度，在

6、冷卻曲線上出現(xiàn)平臺。結(jié)晶過程完成，沒有潛熱的補(bǔ)充，溫度將重新不斷下降，直到室溫。,四、結(jié)晶的一般過程,第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,組織的變化：在一定的過冷度下，在液態(tài)的熔體內(nèi)首先有細(xì)小的晶體生成，這個過程稱為形核。隨后已形成的晶核不斷的長大，同時(shí)在未轉(zhuǎn)變的液體中伴隨新的核心的形成。生長過程到相鄰的晶體互相接觸，直到液體全部轉(zhuǎn)變完畢。每個成長的晶體就是一個晶粒，它們的接觸分界面就形成晶界。,五、形核,第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,自發(fā)形核：在一定的過冷度下，在液態(tài)的熔融原子自身的熱運(yùn)動瞬間造成有序結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界尺寸，可以長大的小晶體為晶核，這種在液體內(nèi)部自身出現(xiàn)的形核過程稱為自發(fā)形核。冷卻速度愈大，晶核的臨界尺

7、寸愈小，形核愈容易。,非自發(fā)形核：液態(tài)材料中往往存在某些固態(tài)懸浮微粒，在一定的過冷度下，液態(tài)的熔融原子依附在這些微粒表面形核，稱為非自發(fā)形核。由于利用原微粒與液體的界面能，形核比自發(fā)方式容易得多，如果微粒與形成的晶體的界面能愈低，作用愈明顯。它是實(shí)際工程材料凝固結(jié)晶中的主要形核方式。,形核率(N)：單位時(shí)間在單位母體（液體）的體積內(nèi)晶核的形成數(shù)目稱為形核率。無論是自發(fā)還是非自發(fā)形核，冷卻速度愈大，形核率愈高；同樣冷卻速度下，非自發(fā)形核的形核率比自發(fā)形核高得多，人為地向液體中加入有效的固體微粒（變質(zhì)處理）來提高形核率是工程中常用的方法。,六、晶核的長大,第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,長大條件：液/固界面

8、附近液體中的原子遷移到固態(tài)表面按固體的排列，實(shí)現(xiàn)了晶體的長大（反之為熔化）。長大的自發(fā)過程也要求一定的過冷度，不過比形核小的多。金屬材料要求的過冷度很小，僅0.010.05。,平面推進(jìn)的均勻長大：結(jié)晶潛熱通過固體散熱，快速長大部分散熱困難會放慢速度，緩慢長大部位散熱改善會提高速度，最終均勻生長。,有利環(huán)境優(yōu)先的樹枝狀長大：生長部位的前端因溫度（合金中可因成分）有利晶體的長大，快速生長部位更會，不平衡的發(fā)展會在快速生長部位產(chǎn)生分支，而形成樹枝狀的晶體。,六、晶核的長大,第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,關(guān)于樹枝晶：按樹枝方式生長的晶體稱為樹枝晶，先凝固的稱為主干，隨后是分支，再分支。值得指出的是：純凈的材料

9、結(jié)晶完畢見不到樹枝晶，但凝固過程中一般體積收縮，樹枝之間若得不到充分的液體補(bǔ)充，樹枝晶可保留下來；當(dāng)材料中含有雜質(zhì)，在結(jié)晶時(shí)固體中的雜質(zhì)比液體少，最后不同層次的分枝雜質(zhì)含量不相同，其組織中可見樹枝晶。,關(guān)于長大線速度：凝固過程中，晶體在不斷長大，界面在單位時(shí)間向前推移的垂直距離(Gdx/dt)稱為長大線速度。,關(guān)于晶體缺陷：生長中晶體分支受液體流動、溫差、重力等影響，同方向的分支可能出現(xiàn)小的角度差，互相結(jié)合時(shí)會留下位錯；樹枝之間若得不到充分的液體補(bǔ)充，出現(xiàn)縮孔、疏松和空位；此外還有氣孔 、夾雜物 、成分偏析 等宏觀缺陷。,七、晶粒大小的概念,第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,晶粒的尺寸指統(tǒng)計(jì)描述晶粒的大小

10、，各晶粒的大小和形狀并不全相同，這就是統(tǒng)計(jì)的含義，有多種來計(jì)量，例如單位體積內(nèi)的晶粒個數(shù)。在生產(chǎn)中用晶粒度，測定方法是在放大100倍下觀察和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行對比評級，18級(有更高的)，級別高的晶粒細(xì)。級別的定義為在放大100下，每平方英寸內(nèi)1個晶粒時(shí)為一級，數(shù)量增加 倍提高一級。用于計(jì)算的定量描述還用平均截線長來表示。,八、鑄件晶粒大小的控制,第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,決定晶粒尺寸的要素： 從液體凝固后，每個晶核生長成一個晶粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理論分析表明晶粒尺寸決定于N/G，即形核率高晶粒細(xì)小，而長大速度快，晶粒尺寸增大。,控制原理與方法：生產(chǎn)過程通常希望材料得到細(xì)小的尺寸，為此控制晶

11、粒尺寸的方法有：第一，降低澆注溫度和加快冷卻速度，如金屬模、或加快散熱，盡管形核率和長大速度都提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒將細(xì)化，可是快冷卻速度會增加零件的內(nèi)應(yīng)力有時(shí)甚至可能造成開裂，有時(shí)因生產(chǎn)環(huán)境和零件尺寸達(dá)不到快速冷卻。第二，加變質(zhì)劑即人為加入幫助形核的其它高熔點(diǎn)細(xì)粉末，如在銅中加少量鐵粉或鋁中加Al2O3粉等，以非均勻方式形核并阻礙長大。第三，鑄件凝固中用機(jī)械或超聲波震動等也可細(xì)化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高溫的材料，對這些因素進(jìn)行相反的操作。,九、凝固體的結(jié)構(gòu),第二節(jié) 純金屬的結(jié)晶,表層等軸細(xì)晶區(qū) 晶粒細(xì)小，取向隨機(jī)，尺寸等軸，因?yàn)闈茶T時(shí)錠模溫度低，大的過冷度加上模壁

12、和涂料幫助形核，大的形核率使與錠模接觸的表層得到等軸細(xì)晶區(qū)。,柱狀晶區(qū) 隨模具溫度的升高，只能隨錠模的散熱而降低溫度，形核困難，只有表層晶粒向內(nèi)生長，不同晶向的生長速度不一樣，那些較生長有利的部分晶粒同時(shí)向內(nèi)長大，掩蓋了大量的晶粒，形成了較粗且方向基本相同的長形晶粒區(qū)。,中心等軸晶區(qū) 凝固的進(jìn)行后期，四周散熱和液體的對流，中心的溫度達(dá)到均勻，降到凝固店以下后，表層晶粒的沉降、生長中碎斷晶枝的沖入可作為核心，且可向四周均勻生長，形成等軸晶。晶核數(shù)量的有限，該區(qū)間的晶粒通常較粗大。,力學(xué)性能 表層硬 柱狀區(qū)有方向形 中心疏松、多雜質(zhì),第三節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu),一、概念,合金：由兩種或兩種以上的元素組成

13、，其中至少有一種為金屬，組成具有金屬性的材料稱為合金。 組元：通常把組成材料的最簡單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元。組元大多數(shù)情況下是元素；在研究的范圍內(nèi)既不分解也不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定化合物也可成為組元。,相：凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的物質(zhì)均勻組成部分，稱之為相。在固態(tài)材料中，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性來分，可分為固溶體和化合物兩大類。,組織：人們用肉眼或借助某種工具（放大鏡、光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等）所觀察到的材料形貌。它決定于組成相的類型、形狀、大小、數(shù)量、分布等。 組織組成物：組織中形貌相同的組成部分。,二、固溶體,第三節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu),1. 固溶體：,當(dāng)材料由液

14、態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時(shí)，組成元素間會象溶液那樣互相溶解，形成一種在某種元素的晶格結(jié)構(gòu)中包含有其它元素原子的新相，稱為固溶體。與固溶體的晶格相同的組成元素稱為溶劑，在固溶體中一般都占有較大的含量；其它的組成元素稱為溶質(zhì)，其含量與溶劑相比為較少。固溶體即一些元素進(jìn)入某一組元的晶格中，不改變其晶體結(jié)構(gòu)，形成的均勻相。,溶質(zhì)原子溶入固溶體中的量稱為固溶體的濃度。在一定的條件下，溶質(zhì)元素在固溶體中的極限濃度叫做溶質(zhì)元素在固溶體中的溶解度。濃度或溶解度一般用溶質(zhì)元素所占的重量百分比來表示(%Wt)；有時(shí)也用溶質(zhì)元素所占的原子數(shù)量百分比來表示，這時(shí)也稱為摩爾濃度(%Wa)。,二、固溶體,第三節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu),2.

15、固溶體的分類,按溶質(zhì)原子在固溶體(溶劑)晶格中的位置不同可分為：,a) 置換固溶體 溶質(zhì)原子取代了部分溶劑晶格中某些節(jié)點(diǎn)上的溶劑原子而形成的固溶體。,在置換固溶體中，一般溶質(zhì)原子的溶解度有一定的限制，即形成有限固溶體。 溶質(zhì)元素與溶劑元素之間的化學(xué)性質(zhì)相近、原子尺寸相近、價(jià)電子數(shù)相近、晶體結(jié)構(gòu)相近時(shí)對應(yīng)的溶解度愈大。 當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)相同、并且原子尺寸差小于15%時(shí)，化學(xué)性質(zhì)較接近的有時(shí)可以出現(xiàn)無限互溶，構(gòu)成無限固溶體。這是把含量較高的組元稱為溶劑，含量較少的組元稱為溶質(zhì)。,二、固溶體,第三節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu),2. 固溶體的分類,b) 間隙固溶體 溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格的空隙中，不占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)位置。,間

16、隙固溶體都是有限溶解固溶體。 溶質(zhì)元素相對于溶劑元素，原子尺寸愈小則對應(yīng)的溶解度愈大。間隙固溶體的形成的基本條件D質(zhì)/D劑0.59。 在金屬材料中，通常是過渡族金屬元素為溶劑，小尺寸的C、N、H、O、B等元素為溶質(zhì)。,二、固溶體,第三節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu),3. 固溶體的性能特點(diǎn),由于固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑相同，固溶體的性能基本上與原溶劑的性能相近，換句話說，固溶體的性能主要決定于溶劑的性能，或在溶劑性能基礎(chǔ)上發(fā)生一些改變。 固溶體的性能與原溶劑性能的差別，或稱性能變化的大小，隨著溶質(zhì)的濃度(含量)的增加而加大。 以金屬元素為溶劑的固溶體，隨著溶質(zhì)的溶入，強(qiáng)度將提高，稱為固溶強(qiáng)化，溶質(zhì)的溶入可造成晶

17、格畸變，材料的塑性變形的阻力加大，同時(shí)塑性略有下降，但不明顯。在材料中是有效提高金屬材料力學(xué)性能的途徑之一。,三、化合物(中間相),第三節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu),1. 化合物概念,當(dāng)溶質(zhì)的含量超過了其溶解度，在材料中將出現(xiàn)新相。若新相為另一組元的晶體結(jié)構(gòu)，則也是另一固溶體。若其晶體結(jié)構(gòu)與組元都不相同，表明生成了新的物質(zhì)。所以，化合物是構(gòu)成的組元相互作用，生成不同與任何組元晶體結(jié)構(gòu)的新物質(zhì)。 化合物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，一是有基本固定的原子數(shù)目比，可用化學(xué)分子式表示，二是晶體結(jié)構(gòu)不同于其任何組元。在以下將學(xué)習(xí)的相圖中，它們的位置都在相圖的中間，所以也稱為中間相。,在金屬材料中，原子之間的結(jié)合除離子鍵和共價(jià)鍵外，金

18、屬鍵在不同程度上也參與一定的作用，如果生成的化合物也具有金屬性，則稱之為金屬化合物。,三、化合物(中間相),第三節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu),2. 金屬化合物的類型,1)正常價(jià)化合物 兩組元服從原子價(jià)規(guī)律而生成的正?；瘜W(xué)中所稱的化合物。通常是金屬元素與非金屬元素組成，組元間電負(fù)性差起主要作用，兩組元間電負(fù)性差較大，它們符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律。例如MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等，其結(jié)合鍵為離子鍵；也有的是共價(jià)鍵，如SiC；少數(shù)也有以金屬鍵結(jié)合,如Mg2Pb。,2)電子化合物,電子濃度 在金屬材料(合金)中，價(jià)電子數(shù)目(e)與原子數(shù)目(a)之比稱為電子濃度。由于溶質(zhì)和溶劑的價(jià)電子數(shù)可能不同，電子濃

19、度 e/a = VA(1-x) + VBx。其中x為溶質(zhì)的原子百分比濃度(摩爾分?jǐn)?shù))，VA、VB分別為溶劑和溶質(zhì)的價(jià)電子數(shù)。,三、化合物(中間相),第三節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu),2. 金屬化合物的類型,2)電子化合物,電子化合物 這類化合物大多是以第族或過渡族金屬元素與第至第族金屬元素結(jié)合而成。它們也可以用分子式表示，但大多不符合正常化學(xué)價(jià)規(guī)律。當(dāng) e/a 為某些特定值時(shí)形成一新的晶體結(jié)構(gòu)，并且電子濃度不同，其對應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)的類型也就不同。常間的電子濃度值有21/14、21/13、21/12。由于這類中間相與電子濃度有關(guān)，所以就稱為電子化合物，主要出現(xiàn)在金屬材料中，它們的結(jié)合鍵為金屬鍵。一些常見的電子

20、化合物可參看教材。例如Cu31Sn8，電子濃度21/13，具有復(fù)雜立方晶格。,三、化合物(中間相),第三節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu),2. 金屬化合物的類型,3)間隙化合物,尺寸因素化合物(間隙相與間隙化合物),主要受組元的原子尺寸因素控制，通常是由過渡族金屬原子與原子半徑小于0.1nm的非金屬元素碳、氮、氫、氧、硼所組成。由于非金屬元素(X)與金屬元素(M)原子半徑比不同，結(jié)構(gòu)也有所不同。 當(dāng)rX/rM0.59時(shí)，形成的化合物的晶體結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，通常稱它們?yōu)殚g隙化合物，相應(yīng)的分子式也較復(fù)雜，如鋼中常見的Fe3C、Cr7C3、Cr23C6等。,三、化合物(中間相),第三節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu),2. 金屬化合物的

21、類型,3)間隙化合物,通常晶體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,三、化合物(中間相),第三節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu),4）其他金屬化合物,拓?fù)涿芏严?TCP相) 屬于這類結(jié)構(gòu)的有：-W結(jié)構(gòu)、Laves相、相結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)從略。 溶劑為化合物的固溶體 溶質(zhì)為化合物中的某一組元，相當(dāng)于原子比可在一定范圍內(nèi)變動，晶格未發(fā)生變化。也可能溶質(zhì)為化合物中組元之外元素的原子。,3. 金屬化合物的性能特點(diǎn),大多數(shù)化合物，特別是正常價(jià)化合物，熔點(diǎn)都較高(結(jié)合鍵強(qiáng)的表現(xiàn)之一)，力學(xué)性能表現(xiàn)為硬而脆，單一由化合物在金屬材料中比較少見，而陶瓷材料則是以化合物為主體。少量硬度高的質(zhì)點(diǎn)加入到塑性材料中，將明顯提高材料的強(qiáng)度，即第二相強(qiáng)化機(jī)制 。 另

22、一方面，化合物往往由特殊的物理、化學(xué)(電、磁、光、聲等)性能，從而在功能材料中的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。,第四節(jié) 相圖知識,一、概念,相：凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的物質(zhì)均勻組成部分，稱之為相。,相圖：相圖又稱為狀態(tài)圖，它是表示體系的成分、外界環(huán)境和組成相與相之間的平衡關(guān)系的幾何圖形。它是研究材料組織變化規(guī)律的重要參考工具。外界環(huán)境主要是溫度和壓力，例如物理學(xué)中已經(jīng)介紹的純水和純鐵的相圖。,一、概念,第四節(jié) 相圖知識,二元相圖：當(dāng)存在兩個組元時(shí)，成分也是變量，但一種組元的含量為獨(dú)立，另一組元則為余下部分。為在二維平面上表示，通常只考慮在常壓下，取兩個變量溫度和成分。橫座標(biāo)用線段表示成

23、分，縱座標(biāo)表示溫度。平面上以按這時(shí)平衡狀態(tài)下存在的相來分隔。(如圖),相圖用途：,由材料的成分和溫度預(yù)知平衡相； 材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時(shí)其他平衡相變化的規(guī)律； 估算平衡相的數(shù)量。 預(yù)測材料的組織和性能,一、概念,第四節(jié) 相圖知識,相圖與冷卻曲線的關(guān)系：,成分一定，在冷卻過程中，不同的相熱容量不相同，如果系統(tǒng)散熱能力一樣，溫度隨時(shí)間的變化(冷卻)曲線上的斜率將不同，曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)溫度就是某些相開始出現(xiàn)或完全小時(shí)的溫度，利用這一特點(diǎn)，由實(shí)測的冷卻曲線可以作出相圖。,二、二元勻晶相圖與固溶體的凝固,第四節(jié) 相圖知識,1. 相圖形式,兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限互溶。如CuNi、AgAu形成二

24、元合金對應(yīng)的相圖就是二元勻晶相圖。,相圖的構(gòu)成：由兩條曲線將相圖分為三個區(qū)。左右兩端點(diǎn)分別為組元的熔點(diǎn)。上面的一條曲線稱為液相線，液相線之上為液相的單相區(qū)，常用L表示；下面的一條曲線稱為固相線，固相線之下為固溶體的單相區(qū)，常用表示；兩條曲線之間是雙相區(qū)，標(biāo)記L+表示。,二、二元勻晶相圖與固溶體的凝固,第四節(jié) 相圖知識,2. 兩相平衡時(shí)的數(shù)量分配規(guī)律杠桿定律,如圖，合金x在溫度T1將由兩相長期并存，這時(shí)兩相的成分和數(shù)量保持不變。過x點(diǎn)作水平線交液相線和固相線于a、c點(diǎn)，經(jīng)熱力學(xué)證明a、c點(diǎn)的成分分別為平衡的液體和固體的成分，,設(shè)mL和m分別為兩相的數(shù)量，由物質(zhì)不滅可推導(dǎo)出：,一般用占總體數(shù)量的百

25、分比的相對值來表示。如果把線段axc當(dāng)成一杠桿，則他們滿足杠桿力的平衡原理，所以稱之為杠桿定律。,用杠桿定律來分析在理解和使用都有好的直觀性和方便。適用所有兩相平衡。,二、二元勻晶相圖與固溶體的凝固,第四節(jié) 相圖知識,3.固溶體材料冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變：,1點(diǎn)以上液體冷卻 1點(diǎn)開始凝固，固體成分在對應(yīng)固相線處 12之間，溫度下降，液體數(shù)量減少，固體數(shù)量增加，成分沿液相線和固相線變化， 到2點(diǎn)，液體數(shù)量為0，固體成分回到合金原始成分，凝固完成 2點(diǎn)以下固體冷卻，無組織變化,過程：,二、二元勻晶相圖與固溶體的凝固,第四節(jié) 相圖知識,3.固溶體材料冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變：,1.與純金屬凝固一樣由形核和長大來完成結(jié)

26、晶過程，實(shí)際進(jìn)行在一定的過冷度下。 2.凝固在一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。只有在溫度不斷下將時(shí)固體量才增加，溫度不變，液固數(shù)量維持平衡不變。 3.凝固過程中液體和固體的成分在不斷變化。,特點(diǎn)：,如果冷卻速度較快，液體和固體成分來不及均勻，除晶粒細(xì)小外，固體中的成分會出現(xiàn)不均勻，樹枝晶中成分也不均勻，產(chǎn)生晶內(nèi)偏析；冷卻慢了會出現(xiàn)區(qū)域偏析。工程中采用先快冷，再在固態(tài)較高溫度下讓成分均勻。,三、二元共晶相圖,第四節(jié) 相圖知識,1. 相圖形式,兩組元在液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下有限溶解，一組元溶入另一組元中時(shí)都使凝固溫度下降，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。如PbSn、AgCu等形成二元合金對應(yīng)的相圖就是二元勻晶相圖。,相圖的構(gòu)成

27、：tAE和tBE為兩液相線，與其對應(yīng)的tAC和tBD為兩固相線；CG和DH固溶體、的溶解度隨溫度變化線；CED為水平共晶線。將相圖分成三個單相區(qū) L、；三個雙相區(qū)L、L、和 一個三相區(qū)L，即CED為共晶線。,三、二元共晶相圖,第四節(jié) 相圖知識,2. 共晶合金的凝固,過程,在TE溫度以上僅是液體的冷卻 到達(dá)略低于TE的溫度，按L相區(qū)分析應(yīng)為從液體中析出C成分的相，而按L相區(qū)分析應(yīng)從液體中析出D成分的相。如果和按一定的比例析出，最終液體的成分不變，兩固相不斷同時(shí)析出，即共同結(jié)晶，故稱為共晶轉(zhuǎn)變，直到液體完全消失，結(jié)晶過程完成，得到的是兩固相的混合物，稱為共晶體。 在TE溫度以下僅是固體的冷卻,成分為E點(diǎn),三、二元共晶相圖,第四節(jié) 相圖知識,2. 共晶合金的凝固,特點(diǎn),在液體