材料第2章之2合金的结晶

1、2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院1第第2章章 金属材料组织与性能的控制金属材料组织与性能的控制之之2.2.1 二元合金的结晶二元合金的结晶2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院2一、相图一、相图 为了对广泛使用的合金进行熔铸、锻压和热处为了对广泛使用的合金进行熔铸、锻压和热处理，必须首先了解它们的熔点和固态转变温度，并弄理，必须首先了解它们的熔点和固态转变温度，并弄清楚它们的凝固过程及凝固后的相和组织结构。清楚它们的凝固过程及凝固后的相和组织结构。 相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间的关系的一

2、种图解，又称为状态图或平衡图。间的关系的一种图解，又称为状态图或平衡图。利用利用相图，我们可以了解各种成分的材料在不同温度、压相图，我们可以了解各种成分的材料在不同温度、压力下的相组成，多种相的成分与相对量及组织的变化力下的相组成，多种相的成分与相对量及组织的变化规律等。因此，掌握和了解相图的基本知识和分析方规律等。因此，掌握和了解相图的基本知识和分析方法，对制定材料热加工工艺、分析和检测材料的性能法，对制定材料热加工工艺、分析和检测材料的性能以及研究开发新材料等都有重要作用和指导意义。以及研究开发新材料等都有重要作用和指导意义。2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院3

3、二、二元合金相图（常压）二、二元合金相图（常压）2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院4n相图的建立一般采用相图的建立一般采用热分析法热分析法，其基本思路是先配制一系列不，其基本思路是先配制一系列不同成分的给定合金，绘制它们各自的同成分的给定合金，绘制它们各自的冷却曲线冷却曲线，然后由冷却曲，然后由冷却曲线上的临界点绘制相图。线上的临界点绘制相图。100%Ni 温度 时间Cu 20 40 60 80 Ni Ni %TNiTCu80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni100%Cu （a） （b）Cu-Ni合金相图的测绘（a）冷却曲线 （b）Cu-Ni相图相图的建立相图的建

4、立 2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院5相图的建立相图的建立 ：纯铜：纯铜100%Cu ：75%Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：纯：纯Ni100%Ni 2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院6四大反应四大反应和和一大定律一大定律2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院7 从液相中不断结晶出单相固溶体的过程称从液相中不断结晶出单相固溶体的过程称为为匀晶转变匀晶转变。 二组元在液态、固态时均能无限互溶的二二组元在液态、固态时均能无限互溶的二元合金相图就是元合金相图就是匀晶相图匀晶相图。

5、这样的二元合金系。这样的二元合金系称为称为匀晶系匀晶系。属于匀晶系的合金系有。属于匀晶系的合金系有Cu-Ni、铌、铌Nb-Ti、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni、Mo-W等等。 几乎所有二元合金相图都包含有匀晶转变几乎所有二元合金相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类相图是学习二元合金相部分，因此掌握这一类相图是学习二元合金相图的基础。图的基础。1、匀晶反应及相图、匀晶反应及相图2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院8（1 1）相图分析）相图分析 A 1083 B 1452 LL+温度 Cu Ni Ni % Cu-Ni合金相图合金相图液相线固相线从液相中从液相中不断

6、结晶不断结晶出单相固出单相固溶体的过溶体的过程称为程称为匀匀晶转变晶转变。2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院9（2 2）固溶体合金的平衡结晶过程及特点）固溶体合金的平衡结晶过程及特点 I A 1083 B 1452 L1 L2 L3 L4 4 3 2 LL+温度 Cu XL X0 X Ni % Ni 时间 （a） （b）图3-4 Cu-Ni合金相图 L L 1t1t2t3、3t4a.形核、长大形核、长大 ，树枝状长大，树枝状长大 b.变温过程变温过程 c.两相区内，温度一定，两相成分确定两相区内，温度一定，两相成分确定 d.两相区内，温度一定，两相相对量一两相区内，

7、温度一定，两相相对量一定定2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院102022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院11（3）杠杆定律）杠杆定律1 11 1LQbcQab2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院12杠杆定律的证明杠杆定律的证明 证明：证明： Q合金 b%=QL a%+Qa c%又因为：又因为：Q合金=QL+Qa 所以：所以：（QL+Qa ） b%=QL a%+Qa c%LQbcQab2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院131 11 1LQbcQab合金中液相和固相所占的质量分数：1 11 1L

8、%LQbcQa c合金1 11 1%QabQa c合金2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院14n偏析偏析 在结晶过程中随着固相的不断形成，其成分也在不断的变化，这在结晶过程中随着固相的不断形成，其成分也在不断的变化，这种变化是通过原子的扩散实现的。若原子能够进行充分的扩散，种变化是通过原子的扩散实现的。若原子能够进行充分的扩散，固溶体将发生平衡结晶；若原子不能够进行充分的扩散，固溶体固溶体将发生平衡结晶；若原子不能够进行充分的扩散，固溶体将发生非平衡结晶。由此可见，固溶体在结晶时，溶质和溶剂原将发生非平衡结晶。由此可见，固溶体在结晶时，溶质和溶剂原子必然要发生重新分配

9、。固溶体不平衡结晶所形成的子必然要发生重新分配。固溶体不平衡结晶所形成的枝晶偏析枝晶偏析是是指一个晶粒内部成分的不均匀现象；而固溶体的在结晶时，沿一指一个晶粒内部成分的不均匀现象；而固溶体的在结晶时，沿一定方向结晶过程中，在一个较大区域范围内也会出现成分差异，定方向结晶过程中，在一个较大区域范围内也会出现成分差异，这称为这称为宏观偏析宏观偏析。 （4）偏析与区域提纯）偏析与区域提纯2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院15冷速快冷速快原子扩散不充分原子扩散不充分成分不均。成分不均。扩散退火消除扩散退火消除2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院16

10、2、共晶反应及相图、共晶反应及相图 两组元在液态无限互溶液态无限互溶，在固态有限互溶固态有限互溶时存在的一种结晶转变。共晶转变的合金系构成共晶相图，Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu等。2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院17（1）相图分析）相图分析1 三个单相区三个单相区：L、（、是有限固溶体）是有限固溶体）三个双相区三个双相区：L+ 、L + 、 +2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院18（1）相图分析）相图分析2 共晶点共晶点：d点，点，共晶成分的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度），共共晶成分的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度）

11、，共同结晶出同结晶出c c、e e ，即：即：ceL2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院19（1）相图分析）相图分析3 液相线：液相线：adb 固相线：固相线：acdeb 共晶反应线：共晶反应线：cde 溶解度线：溶解度线：cf，egf2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院20（2）典型合金的结晶过程）典型合金的结晶过程 合金合金I： 相组成物：相组成物：,II II2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院21液态合金冷却到液态合金冷却到1点温度以后点温度以后, 发生匀晶结晶过程发生匀晶结晶过程, 至至2点温度合金完全结晶

12、成点温度合金完全结晶成 固溶体固溶体, 随后的冷却随后的冷却(23点间的温度点间的温度), 相不变。从相不变。从3点温度开始点温度开始, 由于由于Sn在在 中的溶解度沿中的溶解度沿 cf 线降低线降低, 从从 中析出中析出II, 到室温时到室温时 中中Sn含量逐渐变为含量逐渐变为 f点。最后合金得到的组织为点。最后合金得到的组织为+ II 。其组成相是。其组成相是 f点成分的点成分的 相和相和 g点成分的点成分的 相。相。 2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院22合金合金II：cecefIIgIILL+()()II2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自

13、动化学院23合金从液态冷却到合金从液态冷却到1点温度后点温度后, 发生共晶反应：发生共晶反应：L (+) , 经一定时间到经一定时间到1时反应结束时反应结束, 全部全部转变为共晶体转变为共晶体 (+) 。从共晶温度冷却至室温时。从共晶温度冷却至室温时, 共晶体中的共晶体中的 和和 均发生二次结晶均发生二次结晶, 从从 中中析出析出 二次二次, 从从 中析出二次中析出二次。 的成分由的成分由 c点变点变 f点点, 的成分由的成分由 e点变为点变为 g点点, 两种相的相两种相的相对重量依杠杆定律变化。由于析出的对重量依杠杆定律变化。由于析出的 二次二次 和和 二次二次 都相应地同都相应地同 和和

14、相连在一起相连在一起, 共晶体共晶体的形态和成分不发生变化。合金的室温组织全部为共晶体的形态和成分不发生变化。合金的室温组织全部为共晶体, 即只含一种组织组成物即只含一种组织组成物; 其组成相其组成相仍为仍为 和和 相。相。 2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院24共晶合金组织的形态共晶合金组织的形态 2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院253、包晶反应及相图、包晶反应及相图 一个一定成分的液相与一个一定成分的固相在一个一定成分的液相与一个一定成分的固相在恒温下生成另一固相的转变称为恒温下生成另一固相的转变称为包晶转变包晶转变。两组元。两组元

15、液态时能相互无限溶解，固态时有限互溶，并发生液态时能相互无限溶解，固态时有限互溶，并发生包晶转变的二元合金系相图称为包晶转变的二元合金系相图称为包晶相图包晶相图。具有这。具有这种相图的典型合金有种相图的典型合金有Pt-Ag、Sn-Sb锑、锑、Cu-Sn、Cu-Zn等合金系。等合金系。 2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院26 Pt-Ag合金相图中存在三种相合金相图中存在三种相: （1）Pt与与Ag形成的液溶体形成的液溶体L相相; （2）Ag溶于溶于Pt中的有限固溶体中的有限固溶体相相;（3）Pt溶于溶于Ag中的有限固溶体中的有限固溶体相。相。 e点为包晶点点为包晶点,

16、 e点点成分的合金冷却到成分的合金冷却到 e点所点所对应的温度对应的温度(包晶温度包晶温度)时时发生包晶反应：发生包晶反应： L+ 发生包晶反应时三发生包晶反应时三相共存相共存, 它们的成分确定它们的成分确定, 反应在恒温下平衡地进反应在恒温下平衡地进行。水平线行。水平线ced 为包晶为包晶反应线。反应线。 2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院2718001600140012001000 800 600 400温度 Pt 20 40 60 80 Ag图332 Pt-Ag合金相图LL+L+b(961.93)da (1772) 1186 ec42.410.566.3fgL

17、cde2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院28合金冷却到合金冷却到1点温度以下时结晶出点温度以下时结晶出固溶体固溶体, 相成分沿相成分沿 ac线变化线变化, L相成分沿相成分沿ad 线变化。合金刚冷到线变化。合金刚冷到2点温度而尚未发生包晶反应前点温度而尚未发生包晶反应前, 由由 c点成分的点成分的相与相与d 点成点成分的分的L相组成。此两相在相组成。此两相在e 点温度时发生包晶反应点温度时发生包晶反应,L 相包围相包围 相而形成相而形成。反应。反应结束后结束后, L相与相与相正好全部反应耗尽相正好全部反应耗尽, 形成形成e 点成分的点成分的固溶体。温度继续下降固溶体。温度继续下降, 从从 中析出二次中析出二次。最后室温组织为。最后室温组织为+二次二次 。 2022-4-26北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院294、共析反应及相图、共析反应及相图d 点成分点成分(共析成分共析成分)的合金从液