第05章合金的凝固与结晶

1、第五章第五章 合金的凝固与结晶合金的凝固与结晶 通过对二元匀晶合金，共晶合金，包晶合金，以及简单的三元合金的学习，了解合金凝固与结晶的一般规律，进一步熟悉和掌握相图的基本使用方法。第一节第一节 二元匀晶合金二元匀晶合金一、相图形式一、相图形式 两组元在液态和固态都能无限互溶。如两组元在液态和固态都能无限互溶。如CuNiCuNi、AgAuAgAu形形成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图。成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图。相图的构成相图的构成：由两条曲线将：由两条曲线将相图分为三个区。左右两端相图分为三个区。左右两端点分别为组元的熔点。上面点分别为组元的熔点。上面的一条曲线称为液相线，液的一条

2、曲线称为液相线，液相线之上为液相的单相区，相线之上为液相的单相区，常用常用L L表示；下面的一条曲表示；下面的一条曲线称为固相线，固相线之下线称为固相线，固相线之下为固溶体的单相区，常用为固溶体的单相区，常用表示；两条曲线之间是双相表示；两条曲线之间是双相区，标记区，标记L+L+表示。表示。 二、固溶体材料冷却时组织转变二、固溶体材料冷却时组织转变1 1点以上液体冷却点以上液体冷却1 1点开始凝固，固体成点开始凝固，固体成分在对应固相线处分在对应固相线处1 12 2之间，温度下降，之间，温度下降，液体数量减少，固体数液体数量减少，固体数量增加，成分沿液相线量增加，成分沿液相线和固相线变化，和固

3、相线变化，到到2 2点，液体数量为点，液体数量为0 0，固体成分回到合金原始固体成分回到合金原始成分，凝固完成成分，凝固完成2 2点以下固体冷却，无点以下固体冷却，无组织变化组织变化过程：过程：二、固溶体材料冷却时组织转变二、固溶体材料冷却时组织转变1.1.与纯金属凝固一样由与纯金属凝固一样由形核和长大来完成结晶形核和长大来完成结晶过程，实际进行在一定过程，实际进行在一定的过冷度下。的过冷度下。2.2.凝固在一温度范围内凝固在一温度范围内进行。只有在温度不断进行。只有在温度不断下将时固体量才增加，下将时固体量才增加，温度不变，液固数量维温度不变，液固数量维持平衡不变。持平衡不变。3.3.凝固过

4、程中液体和固凝固过程中液体和固体的成分在不断变化。体的成分在不断变化。特点：特点：三、固溶体材料非平衡冷却三、固溶体材料非平衡冷却 从固溶体的凝固特征可知，在晶体长从固溶体的凝固特征可知，在晶体长大过程中，组元元素在析出的固相中不断大过程中，组元元素在析出的固相中不断的发生迁移。但原子在固体中的迁移相对的发生迁移。但原子在固体中的迁移相对结晶过程是较慢的结晶过程是较慢的( (原子的迁移是扩散过原子的迁移是扩散过程，以后专门讨论程，以后专门讨论) )，可见完全达到平衡，可见完全达到平衡凝固是较困难的，需要相当长的时间，一凝固是较困难的，需要相当长的时间，一般的冷却凝固达不到平衡状态。般的冷却凝固

5、达不到平衡状态。 过程：过程： 在冷却速度较快时的凝固是非平衡凝固，从相图中可见，在略低于开始在冷却速度较快时的凝固是非平衡凝固，从相图中可见，在略低于开始凝固温度凝固温度t t 1 1下开始析出的固体的成分为下开始析出的固体的成分为1 1，到，到t t 2 2温度晶体表面生长的成分温度晶体表面生长的成分可为可为2 2，由于扩散速度跟不上来，心部的成分来不及达到和表面一样就冷却，由于扩散速度跟不上来，心部的成分来不及达到和表面一样就冷却到下一温度到下一温度t t 3 3，因此析出的固体的成分表里不一，平均成分也偏离了固相线。，因此析出的固体的成分表里不一，平均成分也偏离了固相线。到达平衡和固相

6、线交点的温度到达平衡和固相线交点的温度t t f f时还有液相存在，继续冷却到一更低的温度，时还有液相存在，继续冷却到一更低的温度，固体的平均成分回到合金成分时液体消失，凝固过程才结束。固体的平均成分回到合金成分时液体消失，凝固过程才结束。 三、固溶体材料非平衡冷却三、固溶体材料非平衡冷却非平衡凝固的特点有：非平衡凝固的特点有：凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线；凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线；凝固过程进行到一更低的温度才能完成；凝固过程进行到一更低的温度才能完成；生成固体的成分是不均匀的。生成固体的成分是不均匀的。随着冷却速度的加大，这些差别特点表现的愈明显。随着冷却速度

7、的加大，这些差别特点表现的愈明显。 结果：结果：生成固体的成分不均匀叫偏析，快速冷却时在一个晶粒内部先后结晶生成固体的成分不均匀叫偏析，快速冷却时在一个晶粒内部先后结晶的成分有差别，所以称为晶内偏析，金属的晶体往往以树枝晶方式生长，偏的成分有差别，所以称为晶内偏析，金属的晶体往往以树枝晶方式生长，偏析的分布表现为不同层次的枝晶成分有差别，因此这种偏析又称枝晶偏析。析的分布表现为不同层次的枝晶成分有差别，因此这种偏析又称枝晶偏析。 晶内偏析的程度决定于：晶内偏析的程度决定于：相图中液相图中液固相线相距愈远，组元元素原子的迁移固相线相距愈远，组元元素原子的迁移能力愈低能力愈低( (扩散系数小扩散系

8、数小) )，冷却速度愈大，造成的晶内偏析将愈严重。，冷却速度愈大，造成的晶内偏析将愈严重。 消除偏析的方法：消除偏析的方法：前两条原因是不可前两条原因是不可更改更改的，但并不是采用慢速冷却，因为的，但并不是采用慢速冷却，因为慢速冷却会使晶粒变大，最高和最低成分之间的距离加大消除更困难，而是慢速冷却会使晶粒变大，最高和最低成分之间的距离加大消除更困难，而是快速冷却，细化晶粒，会带来晶内的偏析，即宏观均匀快速冷却，细化晶粒，会带来晶内的偏析，即宏观均匀而而微观有大的差别，微观有大的差别，凝固后重新加热到略低于熔点温度，进行一段时间的保温，让原子在这时进凝固后重新加热到略低于熔点温度，进行一段时间的

9、保温，让原子在这时进行扩散迁移，达到均匀，这行扩散迁移，达到均匀，这种种方法称为均匀化退火。方法称为均匀化退火。 四、固溶体中溶质的分布四、固溶体中溶质的分布 由于固溶体凝固中，析出固体的成分与液体不相同，并由于固溶体凝固中，析出固体的成分与液体不相同，并且在凝固时达不到平衡，所以凝固后溶质的分布是不均匀的，且在凝固时达不到平衡，所以凝固后溶质的分布是不均匀的，当然这种不均匀有时也可带来有利的利用。下面仅就几种特当然这种不均匀有时也可带来有利的利用。下面仅就几种特例讨论。例讨论。 如图所示相图的一部分，在温度如图所示相图的一部分，在温度t t时，平衡时，平衡的液的液固相成分的比，称为平衡分配系

10、数。固相成分的比，称为平衡分配系数。 LSCCk/0 实际凝固时原子的迁移需要一过程，液体实际凝固时原子的迁移需要一过程，液体和固体的成分达不到相图所示的平衡状态，和固体的成分达不到相图所示的平衡状态，这时分析采用这时分析采用“有效分配系数有效分配系数”，它定义为：，它定义为：BLiSeCCk)()(浓度边界层以外的液体平均相的浓度凝固时固液界面处固有效分配系数不是一常数，而是随凝固过程有所变化。有效分配系数不是一常数，而是随凝固过程有所变化。四、固溶体中溶质的分布四、固溶体中溶质的分布 如果有一长度为如果有一长度为L L的杆形凝固体，假设凝固过程为一端散热，并且液的杆形凝固体，假设凝固过程为

11、一端散热，并且液体中原子扩散和对流可达到成分均匀，而固体中迁移慢设为凝固后基本体中原子扩散和对流可达到成分均匀，而固体中迁移慢设为凝固后基本不能变。当合金的成分为不能变。当合金的成分为C C0 0，开始析出的固体成分为，开始析出的固体成分为k k0 0C C0 0，变化趋势如图。，变化趋势如图。已经凝固距离已经凝固距离X X后，在凝固后，在凝固dxdx时，按溶质的变化有：时，按溶质的变化有： 000)0()0(C0kCCCxLS 时，当例一：定向凝固时溶质分布规律例一：定向凝固时溶质分布规律四、固溶体中溶质的分布四、固溶体中溶质的分布 例二：关于区域熔炼例二：关于区域熔炼四、固溶体中溶质的分布

12、四、固溶体中溶质的分布 例三 固相内无扩散，液相内有扩散无对流五、成分过冷五、成分过冷 在正温度梯度下，纯金属的生长方式为平面推进，而固在正温度梯度下，纯金属的生长方式为平面推进，而固溶体凝固时，却有树枝状生长和胞状生长存在，这是由于凝溶体凝固时，却有树枝状生长和胞状生长存在，这是由于凝固过程中，成分是在不断变化，液体和固体的成分均不能达固过程中，成分是在不断变化，液体和固体的成分均不能达到平衡状态，产生了成分过冷现象。到平衡状态，产生了成分过冷现象。 五、成分过冷五、成分过冷 成分过冷现象成分过冷现象： 在相图中，成分为在相图中，成分为C0的合金凝的合金凝固时，开始析出的固相为固时，开始析出

13、的固相为k0C0，多，多余的余的B组元排放到液体中，在界面组元排放到液体中，在界面处处B组元的浓度高于平均值，逐渐组元的浓度高于平均值，逐渐向液体中扩散。在液体未达到均匀向液体中扩散。在液体未达到均匀时，结晶继续进行，新析出的固体时，结晶继续进行，新析出的固体成分中成分中B的量也随着上升，同时液的量也随着上升，同时液体中界面处体中界面处B浓度上升到更高的水浓度上升到更高的水平，扩散的速度因浓度差的提高而平，扩散的速度因浓度差的提高而加快。远处液体的成分依然为加快。远处液体的成分依然为C0，到到B组元的扩散量和固体排放平衡组元的扩散量和固体排放平衡时，析出固体的成分也为时，析出固体的成分也为C0

14、，这时，这时的成分分布如图的成分分布如图b所示。所示。 五、成分过冷五、成分过冷 成分过冷现象成分过冷现象： 对照相图，液体的开始凝固温度对照相图，液体的开始凝固温度随着液体的成分变化而变化，图随着液体的成分变化而变化，图c给给出其分布曲线出其分布曲线TL(x)，如果，如果G2为实际为实际温度，对比可以看出在界面前沿的液温度，对比可以看出在界面前沿的液体中的一小区域内，尽管温度比界面体中的一小区域内，尽管温度比界面处高，却存在一定的过冷度，这种由处高，却存在一定的过冷度，这种由成分的不均匀而产生的过冷度称为成分的不均匀而产生的过冷度称为成分过冷成分过冷。 固溶体凝固过程中，由于析出的固溶体凝固

15、过程中，由于析出的固体的成分和原液体有一定的差别，固体的成分和原液体有一定的差别，排放到液体中的某些组元来不及均匀，排放到液体中的某些组元来不及均匀，这种因成分偏差对应的凝固温度也不这种因成分偏差对应的凝固温度也不同而造成的附加过冷度称为成分过冷。同而造成的附加过冷度称为成分过冷。 五、成分过冷五、成分过冷 成分过冷对凝固过程的影响成分过冷对凝固过程的影响 由于不同的固溶体对应的相图形由于不同的固溶体对应的相图形式不同，不同组元的扩散能力各自不式不同，不同组元的扩散能力各自不同，加上凝固过程的实际温度分布也同，加上凝固过程的实际温度分布也不相同，成分过冷的影响也必然存在不相同，成分过冷的影响也

16、必然存在差别，凝固后的组织也各不相同。差别，凝固后的组织也各不相同。实际温度梯度较大，在凝固过程实际温度梯度较大，在凝固过程中中不出现不出现成分过冷现象。成分过冷现象。成分成分过冷区较小过冷区较小，界面处的不平衡生长的凸起始终处在领先，界面处的不平衡生长的凸起始终处在领先的状态，但这个凸起既不会消失，也不能发展到成分过冷区的状态，但这个凸起既不会消失，也不能发展到成分过冷区外，凸起和底部的微小成分有一定差别而发展成胞状组织。外，凸起和底部的微小成分有一定差别而发展成胞状组织。 五、成分过冷五、成分过冷 成分过冷对凝固过程的影响成分过冷对凝固过程的影响 中区域的成分过冷可能生成胞中区域的成分过冷

17、可能生成胞状到树枝晶的各种过渡组织。状到树枝晶的各种过渡组织。如果成分过冷区域特别大，得到的成分过冷度也十分大，若如果成分过冷区域特别大，得到的成分过冷度也十分大，若达到形核要求的过冷度时，在成分过冷区可能形成新的晶核，达到形核要求的过冷度时，在成分过冷区可能形成新的晶核，新晶核的生长阻碍原晶粒生长，对柱状晶的发展产生隔断作新晶核的生长阻碍原晶粒生长，对柱状晶的发展产生隔断作用。用。 成分过冷区较大，凸起发展较成分过冷区较大，凸起发展较长，在凸起上再生新的凸起，长，在凸起上再生新的凸起，就可生成树枝晶。就可生成树枝晶。第二节第二节 二元共晶相图二元共晶相图一、相图形式一、相图形式 两组元在液态

18、下无限互溶，固态下有限溶解，一组元溶入两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，一组元溶入另一组元中时另一组元中时都都使凝固温度下降，并发生共晶转变。如使凝固温度下降，并发生共晶转变。如PbSnPbSn、AgCuAgCu等形成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图。等形成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图。 相图的构成相图的构成：t tA AE E和和t tB BE E为两液相线，为两液相线，与其对应的与其对应的t tA AC C和和t tB BD D为两固相线；为两固相线；CGCG和和DHDH固溶体固溶体、的溶解度随温的溶解度随温度变化线；度变化线；CEDCED为为水平水平共晶线。将共晶线。将相图

19、分成相图分成三个单相区三个单相区 L L、；三个双相区三个双相区L L、L L、和和 一个三相区一个三相区L L，即，即CEDCED为共晶线。为共晶线。 二、共晶体的形成二、共晶体的形成过程过程 在在T TE E温度以上仅是液体的冷却温度以上仅是液体的冷却到达略低于到达略低于T TE E的温度，按的温度，按L L相区分析应为从液体中析出相区分析应为从液体中析出C C成分的成分的相，而相，而按按L L相区分析应从液体中析出相区分析应从液体中析出D D成分的成分的相。如果相。如果和和按一定的比例析按一定的比例析出，最终液体的成分不变，两固相不断同时析出，即共同结晶，故称为共晶出，最终液体的成分不变

20、，两固相不断同时析出，即共同结晶，故称为共晶转变，直到液体完全消失，结晶过程转变，直到液体完全消失，结晶过程完成完成，得到的是两固相的混合物，称为，得到的是两固相的混合物，称为共晶体。共晶体。在在T TE E温度以下仅是固体的冷却温度以下仅是固体的冷却成分为成分为E点合金的凝固点合金的凝固二、共晶体的形成二、共晶体的形成形核特点形核特点交替形核交替形核 在一定的过冷度下，尽管两固相都可能从液体中在一定的过冷度下，尽管两固相都可能从液体中形核，由于两固溶体的成分结构的差别，总有一个固相先形核，形核，由于两固溶体的成分结构的差别，总有一个固相先形核，它称为领先相，设领先相为它称为领先相，设领先相为

21、，由于，由于富富A A组元，其生长时附组元，其生长时附近液体则富近液体则富B B组元，组元，的存在和液体中的存在和液体中B B的富集，的富集，相将附着在相将附着在上形核并长大，同理在上形核并长大，同理在相外将附着相外将附着的形核长大。这种方的形核长大。这种方式就是交替形核。此外也有人认为交替形核是以边缘桥接生长式就是交替形核。此外也有人认为交替形核是以边缘桥接生长方式来实现的。方式来实现的。 二、共晶体的形成二、共晶体的形成生长特点生长特点共同生长共同生长 两个相长大时都要两个相长大时都要排放相应的溶质组元，排出的溶排放相应的溶质组元，排出的溶质将阻碍自身的生长，但两相同质将阻碍自身的生长，但

22、两相同时生长时，一相排出的组元正是时生长时，一相排出的组元正是另一相生长所需要的，所以两相另一相生长所需要的，所以两相的生长过程将互相促进，最后是的生长过程将互相促进，最后是两相共同携手长大。由于两固相两相共同携手长大。由于两固相的成分是固定的，综合成分应和的成分是固定的，综合成分应和液体的成分相同，它们的数量反液体的成分相同，它们的数量反映在二者的厚度相对比例上。映在二者的厚度相对比例上。 二、共晶体的形成二、共晶体的形成组织特点组织特点 当两个固相都是金属性较当两个固相都是金属性较强相时，共晶体一般生长成层强相时，共晶体一般生长成层片状。当两相的相对数量比相片状。当两相的相对数量比相差悬殊

23、时，在界面能的作用下，差悬殊时，在界面能的作用下，数量较小的相将收缩为条、棒数量较小的相将收缩为条、棒状，更少时为纤维状，甚至为状，更少时为纤维状，甚至为点点( (球球) )状。状。 当有一相或两相都具有较强的非金属性时，它们表现出较当有一相或两相都具有较强的非金属性时，它们表现出较强的各向异性，不同方向的生长速度不同，并且有特定的角度强的各向异性，不同方向的生长速度不同，并且有特定的角度关系，同时生长过程要求的动态过冷度也有差异，往往有一个关系，同时生长过程要求的动态过冷度也有差异，往往有一个相在生长中起主导作用，决定了两相的分布，共晶体的形态也相在生长中起主导作用，决定了两相的分布，共晶体

24、的形态也具有独特性，这时常见的形态有针状、骨肋状、蜘蛛网状、螺具有独特性，这时常见的形态有针状、骨肋状、蜘蛛网状、螺旋状等。旋状等。 二、共晶体的形成二、共晶体的形成二、共晶体的形成二、共晶体的形成二、共晶体的形成二、共晶体的形成三、典型合金的凝固三、典型合金的凝固1. 1. 合金合金IV(IV(成分在成分在E E点附近点附近) )特点特点 在液体中在液体中和和同时具有析同时具有析出条件，都可以析出。出条件，都可以析出。由于由于和和析出过程在成分析出过程在成分上可以互相补充和促进，共上可以互相补充和促进，共同析出。同析出。凝固过程可以在恒温下进行凝固过程可以在恒温下进行到结束。到结束。最终得到

25、两相交替的混合组最终得到两相交替的混合组织。织。结论结论：合金合金(成分在成分在E E点附近点附近) L ) L + + 转变发生在转变发生在T TE E温度，温度，得到得到的两项交替分布的组织称为的两项交替分布的组织称为共晶体共晶体。 三、典型合金的凝固三、典型合金的凝固2. 2. 合金合金(成分在成分在AGAG之间之间) ) L L L+L+ 转变过程完全同固溶体，最转变过程完全同固溶体，最后组织为单相固溶体。后组织为单相固溶体。 3. 3. 合金合金(成分在成分在GCGC之间之间) ) L L L+L+ + +IIII 在到在到CGCG线之前同线之前同固溶体，到固溶体，到CGCG线之下，

26、线之下，相中溶剂相中溶剂B B组元的量为过饱和，从中将有组元的量为过饱和，从中将有相析出。相析出。一般从固态一般从固态析出的析出的相在的内部成点状分布。值得指出的是相在的内部成点状分布。值得指出的是量少时往往量少时往往先在先在的晶界处，此外，固态析出转变原子迁移和的晶界处，此外，固态析出转变原子迁移和形核较困难，当过饱和形核较困难，当过饱和度不大时，这个析出往往不发生。度不大时，这个析出往往不发生。 三、典型合金的凝固三、典型合金的凝固4.4.合金合金(成分在成分在CECE之间之间) )L L L+L+ 初初+(+(L+L+) (+) (初初+ + IIII)+(+)+(+)共共 在到达在到达

27、T TE E温度前转变同固溶体的转变温度前转变同固溶体的转变, ,在在T TE E温度温度下剩余的液体下剩余的液体转变同转变同共晶成共晶成分分E(E(合金合金)的转变。的转变。 三、典型合金的凝固三、典型合金的凝固室温下的平衡相室温下的平衡相室温下的组织组成物室温下的组织组成物四、共晶合金非平衡凝固四、共晶合金非平衡凝固1 1、冷却速度较快、冷却速度较快，共晶体的形成转变进行较快，共晶体中两，共晶体的形成转变进行较快，共晶体中两相的层片间距变小相的层片间距变小( (相对的比例仍旧不变相对的比例仍旧不变) )；非共晶部分的转变；非共晶部分的转变同固溶体的非平衡转变。同固溶体的非平衡转变。 2 2

28、、伪共晶、伪共晶 在共晶点附近非共在共晶点附近非共晶成分的合金在快速冷却时，少晶成分的合金在快速冷却时，少量初生相的析出未进行就被冷却量初生相的析出未进行就被冷却到共晶温度以下，直接发生共晶到共晶温度以下，直接发生共晶转变，可以得到全部的共晶体组转变，可以得到全部的共晶体组织，这种组织称为伪共晶。它们织，这种组织称为伪共晶。它们的形貌和共晶体没有明显的差别，的形貌和共晶体没有明显的差别，仅内部两相的数量比有觉察不到仅内部两相的数量比有觉察不到差别。差别。 四、共晶合金非平衡凝固四、共晶合金非平衡凝固3 3、亚、亚( (过过) )共晶共晶成分的合金在快成分的合金在快速冷却时，由固溶体析出和伪共速

29、冷却时，由固溶体析出和伪共晶转变综合可知，晶转变综合可知，初晶的晶粒初晶的晶粒细化；细化；初生相内有晶内偏析初生相内有晶内偏析( (可能为枝晶偏析可能为枝晶偏析) )；共晶体细共晶体细化且多为伪共晶；化且多为伪共晶；共晶体的数共晶体的数量多于平衡态。量多于平衡态。 4 4、出现非平衡共晶、出现非平衡共晶 C C点附近未到共晶平衡的合金，在冷却到点附近未到共晶平衡的合金，在冷却到共晶温度以下时，固溶体凝固未完成，余下的液体成分也到共共晶温度以下时，固溶体凝固未完成，余下的液体成分也到共晶成分附近，发生共晶转变。这种本不应该有共晶体的材料因晶成分附近，发生共晶转变。这种本不应该有共晶体的材料因冷却

30、速度过快，发生非平衡转变而生成的共晶体称为非平衡共冷却速度过快，发生非平衡转变而生成的共晶体称为非平衡共晶。非平衡共晶的数量随冷却速度的加快而增加，但总量较少，晶。非平衡共晶的数量随冷却速度的加快而增加，但总量较少，一般出现在几个晶粒的交界处。一般出现在几个晶粒的交界处。 四、共晶合金非平衡凝固四、共晶合金非平衡凝固5 5、离异共晶、离异共晶 在在C C点附近凝固形成的共晶体数量较少时，有时点附近凝固形成的共晶体数量较少时，有时共晶体中的同初生相相同的一相依附在初生相上，另一相挤到共晶体中的同初生相相同的一相依附在初生相上，另一相挤到初生相的晶界单独存在，这种见不到共晶形貌的共晶体称为离初生相

31、的晶界单独存在，这种见不到共晶形貌的共晶体称为离异共晶。它可发生在平衡凝固时，而非平衡共晶有时也以离异异共晶。它可发生在平衡凝固时，而非平衡共晶有时也以离异共晶的形式出现。共晶的形式出现。第三节第三节 二元包晶相图二元包晶相图一、相图形式一、相图形式 两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，并且发生包两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，并且发生包晶转变。晶转变。 相图的构成相图的构成：acac和和bcbc为两液相线，为两液相线，与其对应的与其对应的adad和和bpbp为两固相线；为两固相线；dfdf和和pgpg固溶体固溶体、的溶解度随温度的溶解度随温度变化线；变化线；dpcdpc为包晶转变

32、线。为包晶转变线。它们分隔相图为三个单相区它们分隔相图为三个单相区L L、；三个双相区；三个双相区L L、L L、； 一个三相区一个三相区 L L，即即水平线水平线dpcdpc为包晶线。为包晶线。包晶转变包晶转变 L+L+ 二、包晶体转变二、包晶体转变过程过程 在液相区为液体的冷却，进入在液相区为液体的冷却，进入两相区，发生与固溶体凝固相同的两相区，发生与固溶体凝固相同的凝固转变，到达凝固转变，到达P P点，液体的成分为点，液体的成分为C C，固体的成分为，固体的成分为D D。 从从L+L+相区可知也满足液体和相区可知也满足液体和相的平衡，相的平衡，与与C C成分成分液体液体平衡还有平衡还有P

33、 P成分的固体成分的固体相。相。 成分为成分为P点合金的凝固点合金的凝固二、包晶体转变二、包晶体转变过程过程 相的形核在相的形核在相晶体和液体相晶体和液体的边界处，由于的边界处，由于相的成分介于相的成分介于液体和液体和相之间，所以它是靠消相之间，所以它是靠消耗部分已有的耗部分已有的相和部分液体来相和部分液体来实现。实现。成分为成分为P点合金的凝固点合金的凝固 相的生长在液体和相的生长在液体和相的交相的交界面处最有利，沿边界同时消耗界面处最有利，沿边界同时消耗液体和液体和相来长大，形成的相来长大，形成的相相包围在包围在相外围，将相外围，将相与液体相与液体分隔开，所以把这种转变称为包分隔开，所以把

34、这种转变称为包晶转变。晶转变。 二、包晶体转变二、包晶体转变过程过程 在略低于在略低于T TP P的温度下，进一步的温度下，进一步的生长过程，伴随的生长过程，伴随A A组元从组元从相穿过相穿过相到达液体界面，液体转变为相到达液体界面，液体转变为相，同时多余的相，同时多余的B B组元穿过组元穿过相到达相到达相界面，相界面，相中相中B B组元的减少使部组元的减少使部分分相转变为相转变为相以保证相以保证相要求相要求的成分。即的成分。即相长大的过程是相长大的过程是A A组元组元穿过穿过相向液体处扩散，相向液体处扩散，B B组元穿过组元穿过相向相向相处扩散，同时消耗液相相处扩散，同时消耗液相和和相。相。

35、 成分为成分为P点合金的凝固点合金的凝固二、包晶体转变二、包晶体转变过程过程 开始发生包晶转变时开始发生包晶转变时相的数量为相的数量为 ： 成分为成分为P点合金的凝固点合金的凝固PCdPWWL相的成分在相的成分在P P点，液体和点，液体和相的成相的成分分别在分分别在C C、D D，所以它们消耗的比，所以它们消耗的比例例：PCdPWWL这这两两个比例恰好个比例恰好相等，理论上讲相等，理论上讲液液体和体和相同时消耗完毕，得到单一相同时消耗完毕，得到单一的的相晶体。相晶体。 三、典型合金的冷却转变三、典型合金的冷却转变 1. B1. B组元的含量在组元的含量在DPDP之间之间 到达包晶转变温度时，发

36、生包晶转到达包晶转变温度时，发生包晶转变，比较可知，固相将有剩余，残余的变，比较可知，固相将有剩余，残余的相在相在相的晶粒内部。相的晶粒内部。2. 2. B B组元的含量在组元的含量在PCPC之间之间 同理同理到达包晶转变温度时，发生包晶到达包晶转变温度时，发生包晶转变，转变，包晶转变以包晶转变以相消耗完而相消耗完而结束。再剩余的液体进入结束。再剩余的液体进入L L两两相平衡相区，按固溶体的凝固方相平衡相区，按固溶体的凝固方式转变，成分分别沿式转变，成分分别沿CBCB和和PBPB曲线曲线变化，直到液体全部消耗为止。变化，直到液体全部消耗为止。最终的组织为单一的最终的组织为单一的相。相。 其他成

37、分不发生包晶转变，不再重复分析。其他成分不发生包晶转变，不再重复分析。四、非平衡转变组织四、非平衡转变组织 包晶转变过程伴随组元在包晶转变过程伴随组元在相的固体中扩散迁移，因此包相的固体中扩散迁移，因此包晶转变进行的非常缓慢，达到上述情况是理想的平衡分析，实晶转变进行的非常缓慢，达到上述情况是理想的平衡分析，实际冷却很难实现。际冷却很难实现。 在一般的冷却条件下，包晶转变未在一般的冷却条件下，包晶转变未结束，系统已经到结束，系统已经到T TP P以下的温度，液体以下的温度，液体将将将将按按L L两相平衡规律直接凝固结两相平衡规律直接凝固结晶。晶。P P点成分的合金一方面会有部分点成分的合金一方

38、面会有部分相残留，另一方面相残留，另一方面相的成分偏离相的成分偏离P P点，点，以这种不平衡的组织保留下来。以这种不平衡的组织保留下来。 成分在成分在DP之间的合金，由于包晶转变的不充分，在之间的合金，由于包晶转变的不充分，在相相的晶界处会有液体直接凝固生成的的晶界处会有液体直接凝固生成的相存在。相存在。 成分在成分在PCPC之间的合金，本来不应该有剩余的之间的合金，本来不应该有剩余的相，相，由于包由于包晶转变的不充分，在晶转变的不充分，在相的晶体内部将会有残留的相的晶体内部将会有残留的相存在。相存在。 第四节第四节 复杂二元相图分析方法复杂二元相图分析方法一、相图形式一、相图形式1 1、形成

39、稳定化合物的相图、形成稳定化合物的相图一、相图形式一、相图形式2 2、固态转变的相图、固态转变的相图二、分析方法二、分析方法1、二元相图中可能发生的转变二元相图中可能发生的转变 两个组元构成的相图，尽管最多只能出现三相平衡，但实际材料中由两个组元构成的相图，尽管最多只能出现三相平衡，但实际材料中由于两组元往往能生成不同的化合物，实际的二元相图有一些就相当复杂。于两组元往往能生成不同的化合物，实际的二元相图有一些就相当复杂。 二、分析方法二、分析方法2、复杂相图分析方法复杂相图分析方法 高温下大多为均匀的液相，组元在两边线，附近有组元为溶高温下大多为均匀的液相，组元在两边线，附近有组元为溶剂的固

40、溶体剂的固溶体( (端际固溶体端际固溶体) )，可能有的溶解度非常小，固溶体，可能有的溶解度非常小，固溶体区域缩小近似为直线。区域缩小近似为直线。在相图的中部所有找到生成的化合物在相图的中部所有找到生成的化合物( (中间相中间相) )，这些中间相，这些中间相为溶剂，溶入组元形成单相区。非常稳定的化合物，特别是为溶剂，溶入组元形成单相区。非常稳定的化合物，特别是正常价化合物，溶解组元的能力非常低，退化为直线。正常价化合物，溶解组元的能力非常低，退化为直线。 以中间的单相区为界将相图分割成若干区域，则每个区域为以中间的单相区为界将相图分割成若干区域，则每个区域为已经讨论过的简单相图，按简单相图的规

41、律来分析。已经讨论过的简单相图，按简单相图的规律来分析。也可以用水平线为中心，即三相平衡为基础来划分区间，分也可以用水平线为中心，即三相平衡为基础来划分区间，分解复杂相图为基本类型。解复杂相图为基本类型。 以中间的单相区为界将相图分割成若干区域，则每个区以中间的单相区为界将相图分割成若干区域，则每个区域为已经讨论过的简单相图，按简单相图的规律来分析。域为已经讨论过的简单相图，按简单相图的规律来分析。 三、相图与材料性能的联系三、相图与材料性能的联系1. 1. 力学、物理性能力学、物理性能三、相图与材料性能的联系三、相图与材料性能的联系2.2.加工的工艺性能加工的工艺性能四四、铁铁- -碳合金相

42、图碳合金相图相图组元与基本相相图介绍结晶过程及组织（含石墨组织的Fe-C合金称为灰口铸铁）虚线部分相图 石墨比渗碳体更为稳定，有较低的吉布斯自由能，在比Cm更小的过冷度下形成，因而石墨的析出线、共晶和共析温度均高于Fe-Fe3C系。 含有石墨组织的Fe-C合金称为灰口铸铁。第五节第五节 三元合金三元合金 三元相图的基本知识 三元匀晶相图 三元系中的三相平衡5-1 5-1 三元相图成分表示方法三元相图成分表示方法 等边三角形法等边三角形法 浓度三角形浓度三角形 等腰三角形法等腰三角形法 直角坐标法直角坐标法 三元相图的基本形状三元相图的基本形状等边三角形法等边三角形法 取等边三角形取等边三角形A

43、BCABC，三个，三个顶点表示三个纯组元；三个顶点表示三个纯组元；三个边各定为边各定为100100，分别代表，分别代表A AB B、B BC C、C CA A三个二元系三个二元系的成分；位于三角形内的点的成分；位于三角形内的点代表三元系的成分。代表三元系的成分。 在三角形内任取一点在三角形内任取一点X X，由由X X顺次作平行于三个边的线顺次作平行于三个边的线段段xaxa、xbxb、xcxc，如果将三角，如果将三角形的边长定为形的边长定为100%100%，则有，则有 xa+xb+xc = AB = 100%xa+xb+xc = AB = 100%。可。可以用以用xa, xb, xcxa, xb

44、, xc分别表示组分别表示组元元A A、B B、C C的质量分数。的质量分数。浓度三角形中的特定线浓度三角形中的特定线平行于一边的直线上所平行于一边的直线上所有点，表示这个边对应顶有点，表示这个边对应顶点的组元含量均相等；点的组元含量均相等；过一顶点的直线上所有过一顶点的直线上所有点，表示另两个顶点代表点，表示另两个顶点代表的两组元的含量比为一定的两组元的含量比为一定值。值。 在相图的应用在相图的应用时，所时，所作作的垂直截面往往过这两的垂直截面往往过这两类直线。类直线。 等腰梯形法等腰梯形法 取等边三角形取等边三角形ABCABC的一部的一部分，用不同的比例组成等腰分，用不同的比例组成等腰梯形

45、。梯形。直角坐标法直角坐标法 在三元系中，如果以一个在三元系中，如果以一个组元为主体，另外两组元的组元为主体，另外两组元的含量较低，例如铸铁中分析含量较低，例如铸铁中分析的的FeFeC CP P系，可以采用直系，可以采用直角坐标，称直角三角形法。角坐标，称直角三角形法。如图所示，其中一个坐标轴如图所示，其中一个坐标轴表示表示B B组元的质量分数，另组元的质量分数，另一个坐标轴表示一个坐标轴表示C C组元的质组元的质量分数，则余下部分就是量分数，则余下部分就是A A组元的分数。在直角坐标中，组元的分数。在直角坐标中，根据两组元的含量变化范围，根据两组元的含量变化范围，可以采用不同比例的刻度。可以

46、采用不同比例的刻度。 XA = 100% - XB - XC 三元相图的基本形状三元相图的基本形状 以浓度平面为基础，垂直于浓以浓度平面为基础，垂直于浓度平面的高度坐标为温度，以此构度平面的高度坐标为温度，以此构成的空间图形，空间中任一点代表成的空间图形，空间中任一点代表了系统一固定状态，在图中表示每了系统一固定状态，在图中表示每一状态的相平衡情况，相区之间分一状态的相平衡情况，相区之间分界也有二元相图的曲线发展为曲面。界也有二元相图的曲线发展为曲面。如果浓度平面为浓度三角形，则其如果浓度平面为浓度三角形，则其三元相图为三棱柱体，它的三个侧三元相图为三棱柱体，它的三个侧面为三组元两两组成的二元

47、相图。面为三组元两两组成的二元相图。要认识三元相图，必须熟悉二元相要认识三元相图，必须熟悉二元相图的所有规律。图的所有规律。 5-2 5-2 三元匀晶相图三元匀晶相图相图分析相图分析 水平截面图水平截面图 合金的平衡冷却凝固过程合金的平衡冷却凝固过程垂直截面图垂直截面图 三元相图的基本形状三元相图的基本形状三元匀晶相图分析三元匀晶相图分析 形成条件：三组元在液态和固态都能无限互溶。形成条件：三组元在液态和固态都能无限互溶。空间形貌：三棱柱体的相图，三空间形貌：三棱柱体的相图，三个侧面为两两组成的三个二元匀个侧面为两两组成的三个二元匀晶相图，内部有两个曲面将相图晶相图，内部有两个曲面将相图分为三

48、个区间。分为三个区间。点：在三组元的上方有三个点点：在三组元的上方有三个点a a、b b、c c分别为三组元的熔点。分别为三组元的熔点。曲面：上面的曲面称为液相面，曲面：上面的曲面称为液相面，下面的曲面称为固相面。下面的曲面称为固相面。相区：液相区相区：液相区液相面之上；液相面之上； 固相区固相区固相面以下；两相区固相面以下；两相区液相面和固相面之间包围的液相面和固相面之间包围的区间区间L L。水平截面图水平截面图( (等温截面等温截面) ) 那么那么m m、n n、o o点必然共一直线，成分为点必然共一直线，成分为O O的合金得到的两平衡的合金得到的两平衡相的相对数量比为：相的相对数量比为：

49、 当温度一定，可以在当温度一定，可以在等温截面图上来分析，材等温截面图上来分析，材料的成分料的成分o o若处在两相区，若处在两相区，这时系统达到平衡这时系统达到平衡( (即稳即稳定定) )状态，平衡的液相成状态，平衡的液相成分应在空间的液相面上，分应在空间的液相面上，在等温截面图的液相线上，在等温截面图的液相线上，同样平衡的固相的成分点同样平衡的固相的成分点在截面图的固相线上，如在截面图的固相线上，如图中的图中的m m、n n两点。两点。 水平截面图水平截面图连接线连接线 连接线上各成分的合金在连接线上各成分的合金在该温度下平衡的两相成分为该温度下平衡的两相成分为连接线两端点的成分。液相连接线

50、两端点的成分。液相线上每一点对应的液体都有线上每一点对应的液体都有固定的固相与之平衡，即在固定的固相与之平衡，即在液相线上每一点在固相线上液相线上每一点在固相线上都有一个与之对应的点，所都有一个与之对应的点，所以把这两条线称为共轭线。以把这两条线称为共轭线。在一定温度下，同一成分的在一定温度下，同一成分的合金有固定的平衡相，所以合金有固定的平衡相，所以连接线不可能相交。连接线不可能相交。 在给定的温度下，两平衡相的成分之间的连接线段在给定的温度下，两平衡相的成分之间的连接线段称为连接线。上述的线段称为连接线。上述的线段mnmn就是连接线。就是连接线。水平截面图水平截面图柯氏法则柯氏法则 在给定

51、温度下，平衡的在给定温度下，平衡的液相和固相之间，低熔点液相和固相之间，低熔点的组元在液相中的分数应的组元在液相中的分数应高于在固相中的分数。高于在固相中的分数。 因此在连接线中任取因此在连接线中任取一点，过该点和成分三角一点，过该点和成分三角形的某一顶点连接一直线，形的某一顶点连接一直线，则连接线的两端点在这直则连接线的两端点在这直线的两边，其中液体点应线的两边，其中液体点应在直线分隔的另两组元的在直线分隔的另两组元的低熔点那一边。低熔点那一边。 合金的平衡冷却凝固过程合金的平衡冷却凝固过程 合金合金O O自液态冷却下来，开始是自液态冷却下来，开始是液体的降温，直到液相面的温度液体的降温，直

52、到液相面的温度t tS S，温度再下降时，液态具有一定的过温度再下降时，液态具有一定的过冷度，开始凝固，形核长大析出的冷度，开始凝固，形核长大析出的固体固体，在这温度下可达到液固，在这温度下可达到液固平衡，平衡时液体的成分在液相面平衡，平衡时液体的成分在液相面上某一点，固相成分也应在固相面上某一点，固相成分也应在固相面上的某一点。温度不断下降，液体上的某一点。温度不断下降，液体的数量在逐渐减少，固体的数量不的数量在逐渐减少，固体的数量不断增加，液体的成分变化一直在液断增加，液体的成分变化一直在液相面上，而固体的成分变化在固相相面上，而固体的成分变化在固相面上。到达和固相面交点温度面上。到达和固

53、相面交点温度t tf f时，时，液体全部消失，得到成分为液体全部消失，得到成分为O O的均匀的均匀固溶体。随后温度下降仅是固体的固溶体。随后温度下降仅是固体的冷却降温，组织不发生变化。冷却降温，组织不发生变化。 合金的平衡冷却凝固过程合金的平衡冷却凝固过程 整个结晶在一温度范围内完成，整个结晶在一温度范围内完成，由于有结晶潜热的放出，在冷却曲由于有结晶潜热的放出，在冷却曲线上凝固时下降平缓，曲线在凝固线上凝固时下降平缓，曲线在凝固开始和结束处有明显的转折。开始和结束处有明显的转折。 如果不过分考究转变过程的内如果不过分考究转变过程的内涵，三元匀晶反应的过程与二匀晶涵，三元匀晶反应的过程与二匀晶

54、反应基本相同。都是进行选分结晶，反应基本相同。都是进行选分结晶，在平衡缓慢冷却过程中，都可得到在平衡缓慢冷却过程中，都可得到成分均匀的固溶体。成分均匀的固溶体。 如果在非平衡冷却过程，同样如果在非平衡冷却过程，同样会出现晶内偏析，若晶体以树枝晶会出现晶内偏析，若晶体以树枝晶方式长大，便得到枝晶偏析组织。方式长大，便得到枝晶偏析组织。在结晶过程中，也存在成分过冷的在结晶过程中，也存在成分过冷的影响。影响。 两相平衡成分变化规律两相平衡成分变化规律 三元匀晶的凝固结晶过程中，三元匀晶的凝固结晶过程中，尽管液相的成分变化在液相面上，尽管液相的成分变化在液相面上，起轨迹是一曲线，但这条曲线并不起轨迹是

55、一曲线，但这条曲线并不在一个平面上，是一条空间曲线；在一个平面上，是一条空间曲线；同样固相的成分变化也是在固相面同样固相的成分变化也是在固相面上的一空间曲线。上的一空间曲线。 匀晶合金凝固过程中在每一温匀晶合金凝固过程中在每一温度下平衡都有对应的连接线，将这度下平衡都有对应的连接线，将这些连接线投影到成分平面上，为一些连接线投影到成分平面上，为一系列绕成分点系列绕成分点O O旋转的线段，旋转的线段，O O点分点分连接线两线段的比随结晶过程在不连接线两线段的比随结晶过程在不断变化，得到的图形类似一只蝴蝶，断变化，得到的图形类似一只蝴蝶，称之为固溶体合金结晶过程中的蝴称之为固溶体合金结晶过程中的蝴

56、蝶形迹线。迹线的外缘曲线就是结蝶形迹线。迹线的外缘曲线就是结晶过程液、固成分变化曲线的投影。晶过程液、固成分变化曲线的投影。 垂直截面图垂直截面图( (变温截面变温截面) )垂直截面图垂直截面图( (变温截面变温截面) ) 截面形状截面形状：截面与液相面和固相面相交，得到两条曲线，分：截面与液相面和固相面相交，得到两条曲线，分别称为液相线和固相线。一般情况所的是两边开口的，如果截别称为液相线和固相线。一般情况所的是两边开口的，如果截面过某一组元的成分点则有一边是闭合，这两曲线将图形分为面过某一组元的成分点则有一边是闭合，这两曲线将图形分为三个区域，即三个区域，即L L、L L、。 垂直截面图内

57、容垂直截面图内容 截面过分析合金的成分截面过分析合金的成分点，不同温度下该成分在图中点，不同温度下该成分在图中为一垂直线，垂线和两曲线的为一垂直线，垂线和两曲线的交点即为合金凝固开始和结束交点即为合金凝固开始和结束温度，曲线给出了冷却过程经温度，曲线给出了冷却过程经历的各种相平衡，即清楚表达历的各种相平衡，即清楚表达了凝固冷却过程，和冷却曲线了凝固冷却过程，和冷却曲线有完好的对应关系。有完好的对应关系。 固溶体凝固时，液相和固相的成分变化是空间曲固溶体凝固时，液相和固相的成分变化是空间曲线，并不都在截面上，所以这是液相线和固相线的走向线，并不都在截面上，所以这是液相线和固相线的走向不代表它们的

58、成分变化，尽管形状类似二元相图，但这不代表它们的成分变化，尽管形状类似二元相图，但这里不能应用杠杆定律来分析平衡相的成分和数量关系。里不能应用杠杆定律来分析平衡相的成分和数量关系。 5-3 5-3 三元系中的三相平衡三元系中的三相平衡 三相平衡转变类型三相平衡转变类型 三相平衡区的水平截面三相平衡区的水平截面 重心法则重心法则 三相平衡区的空间形状三相平衡区的空间形状 三相平衡区的垂直截面三相平衡区的垂直截面 三相平衡区在成分平面上的投影三相平衡区在成分平面上的投影三相平衡转变类型三相平衡转变类型 按物质不灭的原理，系统如果发生相转变，降温时，按物质不灭的原理，系统如果发生相转变，降温时，至少

59、要有一个反应相至少要有一个反应相(含量减少含量减少)和一个生成相和一个生成相(含量增含量增加加)，三元系处于三相平衡，可能组合的转变类型有两，三元系处于三相平衡，可能组合的转变类型有两种：种：共晶型共晶型 是指降温时存在一个反应相和两个生成相这是指降温时存在一个反应相和两个生成相这一类的总称。包括共晶、共析、偏晶等，反应式为：一类的总称。包括共晶、共析、偏晶等，反应式为： 包晶型包晶型 是指降温时存在两个反应相和一个生成相这是指降温时存在两个反应相和一个生成相这一类的总称。包括包晶、包析等，反应式为：一类的总称。包括包晶、包析等，反应式为： 连接三角形连接三角形 如果某一成分的合金在截面的如果

60、某一成分的合金在截面的温度下处于三相平衡，由相律温度下处于三相平衡，由相律f = cf = cp p1 = 31 = 33 31 = 11 = 1，存在一个，存在一个自由度，平衡可以发生的一温度范自由度，平衡可以发生的一温度范围，所以三元系的三相平衡转变不围，所以三元系的三相平衡转变不是在一恒下进行，即转变过程是在是在一恒下进行，即转变过程是在一温度范围内发生。当温度一定，一温度范围内发生。当温度一定，三个平衡相的成分将是确定不变的。三个平衡相的成分将是确定不变的。在这个温度下，连接三个平衡相的在这个温度下，连接三个平衡相的成分点，就得到一三角形，这个三成分点，就得到一三角形，这个三角形称为连