二元相图的复习

1、材材 料料 科科 学学 基基 础础 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 第第7章章 二元系相图和合金的凝固与制备原理二元系相图和合金的凝固与制备原理 二元相图：二元相图：二元体系在热力学平衡条件下，相与温度、成分之间关系的简明图解。二元体系在热力学平衡条件下，相与温度、成分之间关系的简明图解。 二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生 本质变化的相变点。本质变化的相变点。 材材 料料 科科 学学 基基 础础 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 用热

2、分析法建立用热分析法建立CuNi相图相图(a)冷却曲线冷却曲线 (b)相图相图 1 1、配置不同成分的合金。、配置不同成分的合金。 2 2、测冷却曲线。、测冷却曲线。 3 3、找相变临界点。、找相变临界点。 4 4、相图中标示临界点并连、相图中标示临界点并连 线。线。 材材 料料 科科 学学 基基 础础 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 二元相图的几何规律二元相图的几何规律 (1)两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区把它们分开，而不能以一两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区把它们分开，而不能以一 条线接界。两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开。条线

3、接界。两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开。相区接触法则相区接触法则：在二在二 元相图中，相邻相区的相数差为元相图中，相邻相区的相数差为1(点接触情况除外点接触情况除外)。 铁碳相图的一部分铁碳相图的一部分 材材 料料 科科 学学 基基 础础 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 二元相图的几何规律二元相图的几何规律 (2)二元相图中的三相平衡必为一条水平线，表示二元相图中的三相平衡必为一条水平线，表示反应是恒温反应，线上存在三反应是恒温反应，线上存在三 个表示平衡相的成分点，其中两点应在水平线的两端，另一点在端点之间。水个表示平衡相的成分点，其中两点应在水平线的两端

4、，另一点在端点之间。水 平线的上下方分别与三个两相区相接。平线的上下方分别与三个两相区相接。 (3)当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入另当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入另 一两项区内，而不会进入单相区内。一两项区内，而不会进入单相区内。 两相区与单相区分界线的走向两相区与单相区分界线的走向 铁碳相图的一部分铁碳相图的一部分 材材 料料 科科 学学 基基 础础 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 匀晶相图匀晶相图 匀晶转变：匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程。由液相结晶出单相固溶体的过程。 在两个金属组元

5、之间形成合金时，要能无限互溶必须服从以下条件：在两个金属组元之间形成合金时，要能无限互溶必须服从以下条件：两者的两者的 晶体结构相同、原子尺寸相近、尺寸差小于晶体结构相同、原子尺寸相近、尺寸差小于15。另外，两者有相同的原子。另外，两者有相同的原子 价和相似的电负性。价和相似的电负性。 材材 料料 科科 学学 基基 础础 杠杆定律：杠杆定律： 在二元系合金中，用杠杆定律确定相的相对含量，在二元系合金中，用杠杆定律确定相的相对含量，主要适用于两相区主要适用于两相区。 平衡相成分的确定：平衡相成分的确定：要确定相的相对含量，首先必须确定相的成分。要确定相的相对含量，首先必须确定相的成分。 2021

6、-6-19 6 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 杠杆定律示意图杠杆定律示意图 材材 料料 科科 学学 基基 础础 2021-6-19 7 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 杠杆定律示意图杠杆定律示意图 镍的含量为镍的含量为C的合金的合金I在温度在温度t1时，处于两相平衡状态，时，处于两相平衡状态， 要确定液相要确定液相L和固相和固相 的成分，可通过温度的成分，可通过温度t1作一水平线作一水平线 段段arb，分别与液、固相线相交于，分别与液、固相线相交于a和和b，a、b两点在成两点在成 分坐标轴上的投影分坐标轴上的投影CL和和C 即分别表

7、示液、固两相成分。即分别表示液、固两相成分。 液相和固相的含量：液相和固相的含量： %100 ab ar W %100 ab rb W L 材材 料料 科科 学学 基基 础础 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 固溶体的平衡凝固固溶体的平衡凝固 平衡凝固：平衡凝固：凝固过程中的每个阶段都能达到平衡，即在相变过程中有充分的时间进行组凝固过程中的每个阶段都能达到平衡，即在相变过程中有充分的时间进行组 元间的扩散，以达到平衡相的成分。极其缓慢的冷速下才能进行。元间的扩散，以达到平衡相的成分。极其缓慢的冷速下才能进行。 Ni Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图 材材 料料

8、科科 学学 基基 础础 2021-6-19 9 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 Ni Cu-NiCu-Ni固溶体平衡凝固时组织变化固溶体平衡凝固时组织变化 材材 料料 科科 学学 基基 础础 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 平衡凝固的三个过程平衡凝固的三个过程 材材 料料 科科 学学 基基 础础 固溶体的凝固在一个温度范围内进行，在每一个温度下，平衡凝固都包固溶体的凝固在一个温度范围内进行，在每一个温度下，平衡凝固都包 含三个过程：含三个过程： 液相内的扩散过程；液相内的扩散过程； 固相的继续长大；固相的继续长大； 固相内的扩散过程。

9、固相内的扩散过程。 纯金属和固溶体凝固过程的相同点和不同点纯金属和固溶体凝固过程的相同点和不同点 相同点：相同点：都需要过冷度、能量起伏和结构起伏，并以形核和长大的方式进行都需要过冷度、能量起伏和结构起伏，并以形核和长大的方式进行 凝固。凝固。 不同点：不同点： 1 1）纯金属在恒定的温度下凝固，而固溶体在一个温度范围内凝固。）纯金属在恒定的温度下凝固，而固溶体在一个温度范围内凝固。 2 2）纯金属凝固只需要结构起伏和能量起伏，而固溶体的凝固不仅需要结）纯金属凝固只需要结构起伏和能量起伏，而固溶体的凝固不仅需要结 构起伏和能量起伏，还需要成分起伏。构起伏和能量起伏，还需要成分起伏。 2021-

10、6-19 11 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 材材 料料 科科 学学 基基 础础 固溶体的凝固过程与纯金属一样，也包括形核与长大两个阶段。形核的方式可固溶体的凝固过程与纯金属一样，也包括形核与长大两个阶段。形核的方式可 以是均匀形核，也可以是依靠外来质点的非均匀形核。以是均匀形核，也可以是依靠外来质点的非均匀形核。 固溶体在形核时需要的条件：固溶体在形核时需要的条件： 1) 1)结构起伏结构起伏，形成超过临界值大小的晶核；，形成超过临界值大小的晶核； 2) 2)能量起伏能量起伏，满足新相对形核功的要求。，满足新相对形核功的要求。 3) 3)由于固溶体在结晶时结晶

11、固相成分和液相成分不同，需要由于固溶体在结晶时结晶固相成分和液相成分不同，需要成分起伏成分起伏。 固溶体合金的形核地点：固溶体合金的形核地点：结构起伏、能量起伏、成分起伏都能满足要求的地方。结构起伏、能量起伏、成分起伏都能满足要求的地方。 2021-6-19 12 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 材材 料料 科科 学学 基基 础础 固溶体的平衡结晶过程：固溶体的平衡结晶过程：固溶体晶核的形成造成液相或固相内的浓度梯度，从固溶体晶核的形成造成液相或固相内的浓度梯度，从 而引起相内的扩散过程，破坏了相界面处平衡。晶体必须长大，才能使相界面而引起相内的扩散过程，破坏了相

12、界面处平衡。晶体必须长大，才能使相界面 处重新达到平衡。处重新达到平衡。 固溶体晶的长大过程是平衡固溶体晶的长大过程是平衡不平衡不平衡平衡平衡不平衡的辩证发展过程。不平衡的辩证发展过程。 2021-6-19 13 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 材材 料料 科科 学学 基基 础础 2021-6-19 14 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 Cu-NiCu-Ni合金不平衡凝固及组织示意图合金不平衡凝固及组织示意图 3固溶体的非平衡凝固固溶体的非平衡凝固 材材 料料 科科 学学 基基 础础 不平衡结晶过程的特点：不平衡结晶过程的特点： 固相

13、的平均成分线和液相的平均成分线与固相线和液相线不同，他们和冷固相的平均成分线和液相的平均成分线与固相线和液相线不同，他们和冷 却速度有关，冷却速度越快，他们偏离固相线和液相线越严重，反之，冷却速却速度有关，冷却速度越快，他们偏离固相线和液相线越严重，反之，冷却速 度越慢，他们越接近固相线和液相线，表明冷却速度越接近与平衡冷却条件。度越慢，他们越接近固相线和液相线，表明冷却速度越接近与平衡冷却条件。 2021-6-19 15 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 材材 料料 科科 学学 基基 础础 共晶相图及其合金凝固共晶相图及其合金凝固 共晶相图共晶相图：两组元在液态能

14、够无限互溶，在固态只能部分互溶，甚至完全不溶，并具有：两组元在液态能够无限互溶，在固态只能部分互溶，甚至完全不溶，并具有 共晶转变的二元合金系所组成的相图。共晶转变的二元合金系所组成的相图。 共晶转变共晶转变: :一个确定成分的液相在确定的恒定温度下同时结晶出两个确定成分的固相的一个确定成分的液相在确定的恒定温度下同时结晶出两个确定成分的固相的 转变，其表达式为：转变，其表达式为： 2021-6-19 16 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 T L 3 A 材材 料料 科科 学学 基基 础础 共晶合金的组织示意图共晶合金的组织示意图 2021-6-19 17 西安石

15、油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 材材 料料 科科 学学 基基 础础 包晶相图及其合金凝固包晶相图及其合金凝固 包晶相图包晶相图：两组元在液态可无限互溶，在固态只能部分互溶的，并且具有包晶转变的二元两组元在液态可无限互溶，在固态只能部分互溶的，并且具有包晶转变的二元 系合金所构成的相图。系合金所构成的相图。 包晶转变包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，生成另一个一定成在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，生成另一个一定成 分的固相的转变。其表达式：分的固相的转变。其表达式： 2021-6-19 18 西安石油大学材料科学与工程学院西

16、安石油大学材料科学与工程学院 D T PC D L 材材 料料 科科 学学 基基 础础 2021-6-19 19 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 材材 料料 科科 学学 基基 础础 2021-6-19 20 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 二元系各类恒温转变图型二元系各类恒温转变图型 材材 料料 科科 学学 基基 础础 铁碳合金的组织和性能铁碳合金的组织和性能 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图：相图：反映含碳量在反映含碳量在0 0 6.696.69的铁碳合金在缓慢冷却的条件下，温度、成分和组的铁碳合金在缓慢冷却的条件下，温度、成分

17、和组 织的转变规律。织的转变规律。 2021-6-19 21 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 材材 料料 科科 学学 基基 础础 铁碳合金铁碳合金 铁碳合金是钢和铁的总称。铁碳合金是以铁为基本元素，以碳为主加元素组成的合金。铁碳合金是钢和铁的总称。铁碳合金是以铁为基本元素，以碳为主加元素组成的合金。 铁碳合金在固态下出现的几种基本组织：铁碳合金在固态下出现的几种基本组织： 1 1、铁素体、铁素体 铁素体是碳溶解在铁素体是碳溶解在 FeFe中的间隙固溶体，体心立方晶格，其溶碳能力很小，常温下仅能溶解中的间隙固溶体，体心立方晶格，其溶碳能力很小，常温下仅能溶解 为为0

18、.00080.0008的碳，在的碳，在727727时最大的溶碳能力为时最大的溶碳能力为0.02180.0218。由于铁素体含碳量很低，其性能与。由于铁素体含碳量很低，其性能与 纯铁相似，塑性、韧性很好。强度、硬度较低。纯铁相似，塑性、韧性很好。强度、硬度较低。 2 2、奥氏体、奥氏体 奥氏体是碳溶解在奥氏体是碳溶解在FeFe中的间隙固溶体，面心立方晶格。其溶碳能力较大，在中的间隙固溶体，面心立方晶格。其溶碳能力较大，在727727时溶碳时溶碳 为为0.770.77,1148,1148时可溶碳时可溶碳2.112.11。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时。奥氏体塑性好，是绝大多数钢

19、种在高温下进行压力加工时 所要求的组织。奥氏体没有磁性所要求的组织。奥氏体没有磁性。 2021-6-19 22 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 材材 料料 科科 学学 基基 础础 3 3、渗碳体、渗碳体 渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，其化学式为渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，其化学式为FeFe3 3C C。渗碳体的含碳量为。渗碳体的含碳量为6.696.69，熔点，熔点 为为12271227。硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性很大。在铁碳合金中有不同形态的渗碳体。硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性很大。在铁碳合金中有不同形态的渗碳体。 4 4、珠光体、珠光体 珠光

20、体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物，其形态为铁素体珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的机械混合物，其形态为铁素体 和渗碳体薄层交替分布。用符号和渗碳体薄层交替分布。用符号P P表示，含碳量为表示，含碳量为0.770.77。其力学性能介于铁素体与渗碳体之。其力学性能介于铁素体与渗碳体之 间，决定于珠光体片层间距，即一层铁素体与一层渗碳体厚度和的平均值。间，决定于珠光体片层间距，即一层铁素体与一层渗碳体厚度和的平均值。 5 5、莱氏体、莱氏体 莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体的机械混合物，其含碳量为莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体

21、和渗碳体的机械混合物，其含碳量为 4.34.3。当温度高于。当温度高于727727时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号LdLd表示，成为莱氏体。表示，成为莱氏体。 在低于在低于727727时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号LdLd表示，称为变态莱氏体。莱氏表示，称为变态莱氏体。莱氏 体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差。体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差。 2021-6-19 23 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 材材 料料 科科 学学 基基 础础 2021

22、-6-19 24 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 按组织分区的铁碳合金相图按组织分区的铁碳合金相图 材材 料料 科科 学学 基基 础础 2021-6-19 25 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 成分过冷示意图成分过冷示意图 材材 料料 科科 学学 基基 础础 二元合金的凝固理论二元合金的凝固理论 1.正常凝固正常凝固 合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布的程度可用平衡分配系数合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布的程度可用平衡分配系数k0 表示。表示。 k0定义为定义为:平衡凝固时，固相的质量分数平衡凝固时，固相的质量分数

23、s和液相质量分数和液相质量分数 L之比。之比。 L S 0 k 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 材材 料料 科科 学学 基基 础础 27 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 区域提纯区域提纯 假定凝固过程发生在一个水平放置的圆棒容器中。对假定凝固过程发生在一个水平放置的圆棒容器中。对K K0 0111的合金的合金, ,溶质富集于始端，未端得到提纯。溶质富集于始端，未端得到提纯。 区域提纯定义区域提纯定义：根据液体混合物在冷凝结晶过程中组分重新分布的原理，通过多次根据液体混合物在冷凝结晶过程中组分重新分布的原理，通过多次 熔融和凝固，制备高

24、纯度的金属、半导体材料和有机化合物的一种提纯方法。熔融和凝固，制备高纯度的金属、半导体材料和有机化合物的一种提纯方法。 材材 料料 科科 学学 基基 础础 出现成分过冷的极限条件：出现成分过冷的极限条件：液体的实际温度梯度与界面处的平衡结晶曲线恰好相切。液体的实际温度梯度与界面处的平衡结晶曲线恰好相切。 形成成分过冷的临界条件用数学式表达：形成成分过冷的临界条件用数学式表达： 式中，式中，G G为固液界面前沿液相中的实际温度梯度；为固液界面前沿液相中的实际温度梯度；R R为结晶速度为结晶速度( (固液界面向液相中的推固液界面向液相中的推 进速度进速度) )，m m为液相线的斜率，为液相线的斜率

25、，D D为液相中溶质的扩散系数；为液相中溶质的扩散系数；K K0 0为分配系数。为分配系数。 p只有只有 才会产生成分过冷。才会产生成分过冷。 p成分过冷的定义成分过冷的定义: :固溶体不平衡凝固时，液固界面前沿的液相中存在溶质原子的富集，使固溶体不平衡凝固时，液固界面前沿的液相中存在溶质原子的富集，使 液相中的实际温度低于理论凝固温度，使液体处于过冷状态的现象。液相中的实际温度低于理论凝固温度，使液体处于过冷状态的现象。 2021-6-19 28 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 0 00 1 k k D c m R G 0 00 1 k k D c m R G

26、材材 料料 科科 学学 基基 础础 铸锭铸锭( (件件) )的宏观组织：的宏观组织：把一个普通的镇静钢锭沿轴线剖开，经过研磨腐蚀后可以看到三个截把一个普通的镇静钢锭沿轴线剖开，经过研磨腐蚀后可以看到三个截 然不同的晶区。然不同的晶区。 a a表层细晶区表层细晶区：紧邻型壁的一个外壳层，由无规则排列的细小等轴晶组成；：紧邻型壁的一个外壳层，由无规则排列的细小等轴晶组成； b b柱状晶区柱状晶区：由垂直于型壁、彼此平行的柱状晶组成；：由垂直于型壁、彼此平行的柱状晶组成； c c中心等轴粗晶区中心等轴粗晶区：处于铸锭：处于铸锭( (件件) )的中心区域，由等轴晶粒组成。的中心区域，由等轴晶粒组成。

27、2021-6-19 29 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院 表层细晶区较薄，只有数个晶粒厚。其表层细晶区较薄，只有数个晶粒厚。其 余两个晶区则因凝固条件不同，占的比余两个晶区则因凝固条件不同，占的比 例不同，有时甚至有全部由柱晶区组成例不同，有时甚至有全部由柱晶区组成 的情况的情况( (穿晶）或全部由等轴晶区组成的穿晶）或全部由等轴晶区组成的 情况。情况。 钢锭的钢锭的3个晶区示意图个晶区示意图 1 表层细晶区表层细晶区;2柱状晶区柱状晶区;3中心等轴晶区中心等轴晶区 材材 料料 科科 学学 基基 础础 西安石油大学材料科学与工程学院西安石油大学材料科学与工程学院

28、铸锭铸锭(件件)的缺陷的缺陷 a.缩孔缩孔 熔液浇入锭模后，与型壁接触的液体先凝固，中心部分液体后凝固。由于熔液浇入锭模后，与型壁接触的液体先凝固，中心部分液体后凝固。由于 多数金属在凝固时发生体积收缩多数金属在凝固时发生体积收缩(只有少数金属如锑、镓、铋等在凝固时体积只有少数金属如锑、镓、铋等在凝固时体积 会膨胀会膨胀)，使铸锭，使铸锭(件件)内形成收缩孔洞，或称缩孔。内形成收缩孔洞，或称缩孔。 缩孔可分为：缩孔可分为：集中缩孔和分散缩孔（疏松）两类。集中缩孔和分散缩孔（疏松）两类。 集中缩孔有：缩管、缩穴、单向收缩等集中缩孔有：缩管、缩穴、单向收缩等 疏松有：一般疏松和中心疏松等。疏松有：一般疏松和中心疏松等。 材