第23节课合金的结构与相图

1、1 1、 纯金属的结晶纯金属的结晶2 2、 合金的结晶合金的结晶l物质由液态转变为固物质由液态转变为固态的过程称为态的过程称为凝固凝固。l物质由液态转变为晶物质由液态转变为晶态的过程称为态的过程称为结晶结晶。l物质由一个相转变为物质由一个相转变为另一个相的过程称为另一个相的过程称为相变相变。因而结晶过程因而结晶过程是相变过程。是相变过程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶l一一. 冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度l二二. 结晶的一般过程结晶的一般过程l三三. . 同素异构转变同素异构转变l一、冷却曲线与过冷一、冷却曲线与过冷l1、冷却曲线、冷却曲线l金属结晶时温度与时间的金属结晶时温度与时间的关系曲线称

2、关系曲线称冷却曲线。冷却曲线。曲曲线上水平阶段所对应的温线上水平阶段所对应的温度称度称实际结晶温度实际结晶温度T1。l曲线上水平阶段是由于结曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的晶时放出结晶潜热引起的. 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线l2、过冷与过冷度、过冷与过冷度l纯金属都有一个纯金属都有一个理论结晶温度理论结晶温度T0(熔点熔点或或平衡结晶平衡结晶温度温度)。在该温度下。在该温度下, 液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态动平衡状态。l结晶只有在结晶只有在T0以下的实际以下的实际 结晶温度下才能进行。结晶温度下才能进行。雾凇雾凇l液态金属在理论结晶温液态金属在理论结晶温度以下开始结

3、晶的现象度以下开始结晶的现象称称过冷过冷。l理论结晶温度与实际结理论结晶温度与实际结晶温度的差晶温度的差 T称称过冷度过冷度 T= T0 T1l过冷度大小与冷却速度过冷度大小与冷却速度有关，有关，冷速越大，过冷冷速越大，过冷度越大度越大。l1、结晶的基本过程、结晶的基本过程l结晶由结晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核晶核的长大的长大两个基本过程组成两个基本过程组成.l液态金属中存在着原子排液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们列规则的小原子团，它们时聚时散，称为时聚时散，称为晶坯晶坯。在。在T0以下以下, 经一段时间后经一段时间后(即即孕育期孕育期), 一些大尺寸的晶一些大尺寸的晶坯将会长

4、大，称为坯将会长大，称为晶核晶核。T0T1T液体和晶体自由能随温度变化液体和晶体自由能随温度变化晶核半径与晶核半径与G关系关系l晶核形成后便向各方向生长，同晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。时又有新的晶核产生。晶核不断晶核不断形成，不断长大，直到液体完全形成，不断长大，直到液体完全消失。消失。每个晶核最终长成一个晶每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。粒，两晶粒接触后形成晶界。l2、晶核的形成方式、晶核的形成方式l形核有两种方式形核有两种方式，即，即均匀形核均匀形核和和非均匀形核非均匀形核。l由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核均

5、匀形核。l以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核非均匀形核。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。均匀形核均匀形核非均匀形核示意图非均匀形核示意图l3、晶核的长大方式、晶核的长大方式l晶核的长大方式有两种，晶核的长大方式有两种，即即均匀长大均匀长大和和树枝状长大树枝状长大。均匀长大均匀长大树枝状长大树枝状长大l在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。正温度梯度正温度梯度l实际金属结晶主要以树枝状长大实际金属结晶主要以树枝状长大.l这是由于存在这是由于存在负温度梯度，负温度梯度，且且晶晶核棱角处的散热条件好

6、核棱角处的散热条件好，生长快，生长快，先形成先形成一次轴一次轴，一次轴又会产生，一次轴又会产生二次轴二次轴，树枝间最后被填充。，树枝间最后被填充。负温度梯度负温度梯度金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶l -Fe、 -Fe为为体心立方结构体心立方结构(BCC)， -Fe为为面心立面心立方结构方结构(FCC)。都是铁的。都是铁的同素异构体同素异构体。 -Fe -Fe第第1 1章章 工程材料工程材料 3 3、晶粒大小及其控制、晶粒大小及其控制1 1）影响晶核形成和长大的因素）影响晶核形成和长大的因素表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶粒

7、度晶粒度。可可用晶粒的平均面积或平均直径表用晶粒的平均面积或平均直径表示。示。工业生产上采用工业生产上采用晶粒度等级晶粒度等级来表示来表示晶粒大小。晶粒大小。l标标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过。通过100100倍显倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。1.1.4 金属的结晶金属的结晶第第1 1章章 工程材料工程材料 晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶核的形成速度晶核的形成速度和和长大速度长大速度。过冷度对过冷度对N、G的的影响影响l单位时间内晶核生长的长度叫长单位时间内晶核生长的长度叫长大速度大速度(G)。

8、l单位时间、单位体积内形成的晶单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率核数目叫形核率(N)。lN/G比值越大，晶粒越细小。因比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。因素，都能细化晶粒。1.1.4 金属的结晶金属的结晶第第1 1章章 工程材料工程材料 2）铸态金属晶粒细化的方法）铸态金属晶粒细化的方法 控制过冷度：控制过冷度： 随过冷度随过冷度增加，增加，N/G值增加，晶粒变细。值增加，晶粒变细。 变质处理：有意向液态金属变质处理：有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的细化晶粒的方法。所

9、加入的非均匀形核物质叫变质剂。非均匀形核物质叫变质剂。1.1.4 金属的结晶金属的结晶第第1 1章章 工程材料工程材料 Al-Si合金组织合金组织缓冷缓冷快冷快冷未变质未变质变质变质1.1.4 金属的结晶金属的结晶第第1 1章章 工程材料工程材料 铸铁孕育处理前后铸铁孕育处理前后的组织的组织处理前处理前处理后处理后孕育处理使组织细化。孕育处理使组织细化。孕育剂为硅铁或硅钙孕育剂为硅铁或硅钙合金。合金。1.1.4 金属的结晶金属的结晶l2、固态转变的特点、固态转变的特点l形核一般在某些特定部形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。陷、特定晶面等）。l由于

10、固态下扩散困难，由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。因而过冷倾向大。l固态转变伴随着体积变固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。化，易造成很大内应力。固态相变的晶界形核固态相变的晶界形核(Sn-0.5%Cu铸态，铸态，255K)锡疫锡疫l一、二元相图的建立一、二元相图的建立l二、二元相图的基本类型与分析二、二元相图的基本类型与分析l1、二元匀晶相图、二元匀晶相图l2、二元共晶相图、二元共晶相图l3、二元包晶相图、二元包晶相图l4、形成稳定化合物的二元相图、形成稳定化合物的二元相图l5、具有共析反应的二元相图、具有共析反应的二元相图l6、二元相图的分析步骤、二元相图的分析步骤l7、相图与合金

11、性能之间的关系、相图与合金性能之间的关系l重点讨论：重点讨论：l合金中的相和种类；合金中的相和种类；l二元合金的相图的种类及结晶特点；二元合金的相图的种类及结晶特点；l杠杆定律及其应用；杠杆定律及其应用；l合金性能与相图之间的关系。合金性能与相图之间的关系。由两种或两种以上的金属元素或金属与非由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属性质的物质。金属元素组成的具有金属性质的物质。合金合金二元合金二元合金由两种元素组成的合金由两种元素组成的合金Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜l合金的结晶过程比纯金属复杂，常用合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图相图进行分析进行分析.l相图相图是

12、用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。过程的简明图解。又称又称状态图状态图或或平衡图平衡图。l所谓所谓相相是指金属或合金中凡是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀其它部分有界面分开的均匀组成部分。组成部分。l显微组织显微组织实质上是指在显微实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或镜下观察到的金属中各相或各晶粒的各晶粒的形态、数量、大小形态、数量、大小和分布和分布的组合。的组合。l固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两类。两类。单相单相合金合金两相两相合

13、金合金l 固溶体固溶体l合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称相称固溶体固溶体。习惯以习惯以 、 、 表示。表示。l与合金晶体结构相同的元素称与合金晶体结构相同的元素称溶溶剂剂。其它元素称。其它元素称溶质溶质。l固溶体是合金的重要组成相固溶体是合金的重要组成相，实，实际合金多是单相固溶体合金或以际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。固溶体为基的合金。l按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换固置换固溶体溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体l 置换固溶体置换固溶体l溶质原子

14、占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。体。l溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，无序固溶体，呈有序分布呈有序分布的称的称有序固溶体。有序固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织l 间隙固溶体间隙固溶体l溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。l形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 属元素，如属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般等，而溶剂元素一般是过渡族元素。是过渡族元素。l形成间隙固溶体的一形成间隙固溶体的一般规律为般规律为r质质/

15、r剂剂0.59。l间隙固溶体都是无序间隙固溶体都是无序固溶体。固溶体。l 固溶体的溶解度固溶体的溶解度l溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶质原子在固溶体中的极限浓度。l溶解度有一定限度的固溶体称溶解度有一定限度的固溶体称有有限固溶体限固溶体。l组成元素无限互溶的固溶体称组成元素无限互溶的固溶体称无无限固溶体限固溶体。l组成元素原子半径、电化学特性组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。体，才有可能形成无限固溶体。 l间隙固溶体都是有限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。Cu-Ni无限固溶体无限固溶体Cu-Zn有限固溶体有限固溶

16、体固溶体固溶体化合物化合物l相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据理工艺的重要依据。l根据组元数根据组元数, , 分为二元相图、三元相图和多元相图。分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图二元相图三元相图三元相图l几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法热分析法。l二元相图的建立步骤为：二元相图的建立步骤为：以以Cu-Ni合金合金(白铜白铜)为例为例l1. 配制不同成分的合金，

17、测出各合金的冷却曲线，配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。l2. 将临界点标在温度将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。成分坐标中的成分垂线上。l3. 将垂线将垂线上相同意上相同意义的点连义的点连接起来，接起来，并标上相并标上相应的数字应的数字和字母。和字母。l相图中，相图中，结晶开始点的连线叫结晶开始点的连线叫液相线液相线。结晶终了。结晶终了点的连线叫点的连线叫固相线固相线。l两组元在液态和固两组元在液态和固态下均无限互溶时态下均无限互溶时所构成的相图称所构成的相图称二二元匀晶相图元匀晶相图。l以以Cu-N

18、i合金为例合金为例进行分析。进行分析。1、二元匀晶相图、二元匀晶相图l相图由两条线构成相图由两条线构成，上面是液相线，下上面是液相线，下面是固相线。面是固相线。l相图被两条线分为相图被两条线分为三个相区三个相区，液相线，液相线以上为以上为液相区液相区L L ，固相线以下为固相线以下为 固固溶体区溶体区，两条线之，两条线之间为两相共存的间为两相共存的两两相区相区（L+ L+ ）。）。 LL+ 成分成分（wt%Ni）温度温度（）CuNi液相线固相线l 合金的结晶过程合金的结晶过程l除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合合金为例说明。金为例说明。l当液态金

19、属自当液态金属自高温冷却到高温冷却到 t1温度时，开始温度时，开始结晶出成分为结晶出成分为 1的固溶体，的固溶体，其其Ni含量高于含量高于合金平均成分合金平均成分L L+ l随温度下降，随温度下降，固溶体重量增固溶体重量增加，液相重量加，液相重量减少减少。同时，。同时，液相成分沿液液相成分沿液相线变化，固相线变化，固相成分沿固相相成分沿固相线变化线变化。l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变匀晶转变或或匀晶反应匀晶反应。l成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴时，最后一滴L3成分的液体也转

20、变为固溶体，此时成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又固溶体的成分又变回到合金成分变回到合金成分 3上来上来。l液固相线不仅是液固相线不仅是相区分界线相区分界线, 也是也是结晶时两相的成结晶时两相的成分变化线分变化线；匀晶匀晶转变是变温转变转变是变温转变。l 杠杆定律杠杆定律l处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用成分，还可用杠杆定律杠杆定律求出两平衡相的相对重量。求出两平衡相的相对重量。l现以现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律：l 确定两平衡相的成分：确定两平衡相的成分：设合金成分为设合金成分为x，过

21、，过x做成做成分垂线。在成分垂线相当分垂线。在成分垂线相当于温度于温度t 的的o点作水平线，点作水平线，其与液固相线交点其与液固相线交点a、b所所对应的成分对应的成分x1、x2即分别即分别为液相和固相的成分。为液相和固相的成分。12 tl则则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得解方程组得121122LxxxxQxxxxQ l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。的长度。l 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量l设合金的重量为设合金的重量为1，液相重量为液相重量为QL

22、，固相重量为固相重量为Q 。l因此两相的相对因此两相的相对重量百分比为：重量百分比为：abaoxxxxQabobxxxxQ211212L 21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或l上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杠杆定律杆定律。即。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。l在杠杆定律中，在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相端点是所求的两平衡相（或两组织组成物

23、）（或两组织组成物）的成分。的成分。l杠杆定律只适用于两相区杠杆定律只适用于两相区。l例例（如图）（如图）%5 .61%10045. 058. 045. 053. 0 Q%5 .38%10045. 058. 053. 058. 0 LQl合金的结晶只有在缓慢冷却合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的条件下才能得到成分均匀的固溶体。固溶体。但实际冷速较快，但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及结晶时固相中的原子来不及扩散，使扩散，使先结晶出的枝晶轴先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素含有较多的高熔点元素（如如Cu-Ni合金中的合金中的Ni）, 后结晶后结晶的枝晶间含有较多的低熔点的枝

24、晶间含有较多的低熔点元素元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Cu)。l 枝晶偏析枝晶偏析l一男养一猪，特烦它，就想把它给扔了，一男养一猪，特烦它，就想把它给扔了，但是此猪认得回家的路，扔了好多次都但是此猪认得回家的路，扔了好多次都没有成功。某日，此人驾车弃猪，当晚没有成功。某日，此人驾车弃猪，当晚打电话给他的妻子问：打电话给他的妻子问：“猪归否？猪归否？”其其妻曰：妻曰：“归矣。归矣。”男非常气愤，大吼道：男非常气愤，大吼道：“快让它接电话，我迷路了。快让它接电话，我迷路了。” l在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作的现象称作枝晶偏析枝

25、晶偏析。l不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。l冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。l枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。l生产上常将铸件加热到固相生产上常将铸件加热到固相线以下线以下100-200长时间保温，长时间保温，以使原子充分扩散、成分均以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作处理工艺称作扩散退火扩散退火。平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织l当两组元在液态当两组元在液态下完全互溶，在下完

26、全互溶，在固态下有限互溶固态下有限互溶,并发生并发生共晶反应共晶反应时所构成的相图时所构成的相图称作称作共晶相图共晶相图。l以以 Pb-Sn 相图为相图为例进行分析例进行分析。Pb-Sn合金相图合金相图成分（成分（wt%Sn）温度（温度（）PbSnl 相图分析相图分析l 相：相：相图中有相图中有L、 、 三种相三种相, 是溶质是溶质Sn在在 Pb中的固溶体中的固溶体， 是溶是溶质质Pb在在Sn中的固溶体中的固溶体。l 相区：相区：相图中有相图中有三个三个单相区：单相区： L、 、 ；三三个两相区：个两相区： L+ 、L+ 、 + ；一个三相区：一个三相区：即即水平线水平线CED。ABl 固溶线

27、固溶线: 溶解度溶解度点的连线称点的连线称固溶线固溶线。相图中的相图中的CF、DG线分别为线分别为 Sn在在 Pb中和中和 Pb在在 Sn中的中的固溶线。固溶线。l固溶体的溶解度随固溶体的溶解度随温度降低而下降。温度降低而下降。l 液固相线：液固相线：液相线液相线AEB，固相线固相线ACEDB。A、B分别为分别为Pb、Sn的熔点。的熔点。AB在一定温度下，由一定在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作同的新固相的转变称作共晶转变共晶转变或或共晶反应共晶反应。 l 共晶线：共晶线：水平线水平线CED叫做叫做共晶线共晶

28、线。l在共晶线对应的温度下（在共晶线对应的温度下（183 ），），E点成分的合金同点成分的合金同时结晶出时结晶出C点成分的点成分的 固溶体和固溶体和D点成分的点成分的 固溶体固溶体，形成这两个相的机械混形成这两个相的机械混 合物：合物：LE ( C + D)ABl共晶反应的产物，即两共晶反应的产物，即两相的机械混合物称相的机械混合物称共晶共晶体体或或共晶组织共晶组织。发生共发生共晶反应的温度称晶反应的温度称共晶温共晶温度。度。代表共晶温度和共代表共晶温度和共晶成分的点称晶成分的点称共晶点。共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩

29、散l具有共晶成分的合金称具有共晶成分的合金称共晶合金共晶合金。在共晶线上，。在共晶线上，凡凡成分位于共晶点以左的合金称成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金亚共晶合金，位于共位于共 晶点以右的合晶点以右的合金称金称过共晶合过共晶合金金。l凡具有共晶线凡具有共晶线成分的合金液成分的合金液体冷却到共晶体冷却到共晶温度时都将发温度时都将发生共晶反应。生共晶反应。L+ CDABl 合金的结晶过程合金的结晶过程l 含含Sn(锡锡)量小于量小于C点合金点合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l在在3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种固溶体，这种直接直接从液相中结晶出的固相称

30、从液相中结晶出的固相称一次相一次相或或初生相初生相。.2l温度降到温度降到3点以下，点以下， 固溶体被固溶体被Sn过饱和，由于晶过饱和，由于晶格不稳，开始析出格不稳，开始析出（相变过程也称相变过程也称析出析出）新相新相 相。相。由已有固相析出的新固相称由已有固相析出的新固相称二次相二次相或或次生相次生相。l形成二次相的过程称形成二次相的过程称二次析出二次析出, 是固态相变的一种。是固态相变的一种。Hl由于二次由于二次相析出温相析出温度较低，度较低，一般十分一般十分细小。细小。%1004 FGFQ 室温下室温下 的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表

31、示。l随温度下降，随温度下降， 和和 相的成分分别沿相的成分分别沿CF线和线和DG线变线变化，化， 的重量增加。的重量增加。Q Ql合金室温组织合金室温组织为为 + 。l成分大于成分大于 D点合金结晶点合金结晶过程与过程与合金相似，合金相似，室室温组织为温组织为 + 。ABCDEFGl 共晶合金共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l液态合金冷却到液态合金冷却到E 点时同时被点时同时被Pb和和Sn饱和饱和, 发生共发生共晶反应：晶反应：LE ( C+ D) 。19.2wt%Sn温度, 1l析出过程中析出过程中两相相间两相相间形核、互相促进、共形核、互相促进、共同长大同长大，因而共晶组，因而共

32、晶组织较细，织较细，呈片、棒、呈片、棒、点球等形状点球等形状。层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织针状共晶针状共晶树枝状共晶树枝状共晶放射状共晶放射状共晶螺旋状共晶螺旋状共晶l在共晶转变过程中，在共晶转变过程中，L、 、 三相共存三相共存, 三个相的三个相的量在不断变化，但它们各量在不断变化，但它们各自成分是固定的。自成分是固定的。l共晶组织中的相称共晶组织中的相称共晶相共晶相.共晶转变结束时，共晶转变结束时， 和和 相的相对重量百分比为：相的相对重量百分比为：%6 .54%100%4

33、.45%1002 .195 .979 .615 .97%100 QQCDEDQE(61.9)D(97.5)C(19.2)l共晶结束后，随温度下降，共晶结束后，随温度下降， 和和 的成分分别沿的成分分别沿CF线线和和DG线变化，并从共晶线变化，并从共晶 中析出中析出 ，从共晶，从共晶 中中析析出出 ，由于共晶组织细，由于共晶组织细， 与共晶与共晶 结合，结合， 与共与共晶晶 结合，结合，共晶合金的室温组织仍为共晶合金的室温组织仍为 ( + ) 共晶体。共晶体。室温下两相的相对重量百分比是多少？室温下两相的相对重量百分比是多少？FGFEQ,FGGEQ Pb-Sn共晶合金组织共晶合金组织l 亚共晶合

34、金亚共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l合金液体在合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成点，固相成分变化到分变化到C点，液相成分变化到点，液相成分变化到E点点, 此时此时两相的相对两相的相对重量为：重量为：%1002%,1002)( CEEQCECQQEL l在在2点，具有点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：点成分的剩余液体发生共晶反应： L ( + ) ，转变为共晶组织，转变为共晶组织，共晶体的重量与转共晶体的重量与转变前的液相重量相等变前的液相重量相等, 即即QE =QLl反应结束后，在共晶温度下反应结束后，在共晶温度下 、 两相的相对重量百两相

35、的相对重量百分比为：分比为：%1002%,1002 CDCQCDDQ %CEEQ%,CEC10021002 l温度继续下降，将从一次温度继续下降，将从一次 和共晶和共晶 中析出中析出 ，从，从共晶共晶 中析出中析出 。其室温其室温组织为组织为 + ( + ) + 。亚共晶合金亚共晶合金的结晶过程的结晶过程l 过共晶合金结晶过程过共晶合金结晶过程l与亚共晶合金相似，不同的与亚共晶合金相似，不同的是一次相为是一次相为 , 二次相为二次相为 l室温组织为室温组织为 +( + )+ 。l 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注l组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金

36、显微组织的独立部分。l 和和 , 和和 ,共晶体共晶体( + )都是组都是组织组成物。织组成物。l相与相之间相与相之间的差别主要的差别主要在结构和成在结构和成分上。分上。l组织组成物之间的差别主要在形态上。组织组成物之间的差别主要在形态上。如如 、 和和共晶共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。形态不同，分属不同的组织组成物。l将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。显微镜下观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织l当两组元在液态下完全互溶，

37、在固态下有限当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图包晶相图。l以以Pt(铂铂)-Ag相图为例简要分析相图为例简要分析L+L+L +l 相图分析相图分析l单相区：单相区：L、 、l二相区：二相区：L+ 、 L+ 、 + l三相区：三相区：L+ + （水（水平线平线PDC）在一定温度下，由在一定温度下，由一个液相包着一个一个液相包着一个固相生成另一新固固相生成另一新固相的反应称相的反应称包晶转包晶转变变或或包晶反应包晶反应。l水平线水平线PDC称称包晶线包晶线，与该线，与该线成分对应的合金在该温度下发成分对应的合金

38、在该温度下发生包晶反应：生包晶反应：LC+ D P 。该该反应是液相反应是液相L包着固相包着固相 , 新相新相 在在L与与的界面上形核，并向的界面上形核，并向L和和 两个方向长大。两个方向长大。l 合金的结晶过程合金的结晶过程l 包晶成分合金包晶成分合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。l室温组织为室温组织为 + IIl PD成分成分合金合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。l室温组织为室温组织为 +II+ + II时间温度l DC成分成分合金合金：匀晶匀晶包晶包晶匀晶匀晶二次析出二次析出l室温组织为室温组织为 + II。时间温度l稳定化合物稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物是指在熔

39、化前不发生分解的化合物(如如Mg-Si系的系的Mg2Si和和Fe-C系的系的Fe3C) 。其成分固定，其成分固定，在相图中是一条垂线在相图中是一条垂线(代表一个单相区代表一个单相区)。垂足是其。垂足是其 成分成分, 顶点是其熔点顶点是其熔点, 结晶过程同纯金属结晶过程同纯金属.l分析这类相图时，分析这类相图时，可可把稳定化合物当作纯把稳定化合物当作纯组元看待组元看待，将相图分，将相图分成几个部分进行分析成几个部分进行分析.Mg2SiMg2Si+SiMg+ Mg2SiSiL+ Mg2SiL+ SiL+ Mg2SiL+ Mgl共析转变也是固共析转变也是固态相变。态相变。l最常见的共析转最常见的共析

40、转变是铁碳合金中变是铁碳合金中的珠光体转变的珠光体转变: S P+ Fe3C 。l共析反应共析反应(共析转变共析转变)是指在一定温度下，由一定成是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。相的过程。PS( 奥氏体，奥氏体， 铁素体，铁素体，Fe3C渗碳体渗碳体)铁碳合金相图铁碳合金相图l共析反应的产物是共析反应的产物是共析体共析体（铁碳合金中的共析体称铁碳合金中的共析体称珠珠光体光体），），也是两相的机械混合物也是两相的机械混合物（铁素体（铁素体+渗碳体渗碳体)。l与共晶反应不同与共晶反应不同的是，的是，共析反应共

41、析反应的母相是固相，的母相是固相，而不是液相。而不是液相。l另外，由于固态另外，由于固态转变过冷度大，转变过冷度大，因而共析组织比因而共析组织比共晶组织细。共晶组织细。珠光体珠光体l实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。l 分清相图中包括哪些基本类型相图分清相图中包括哪些基本类型相图l 确定相区确定相区l 相区接触法则相区接触法则l相邻两个相区的相数差为相邻两个相区的相数差为1l 单相区的确定单相区的确定l 液相线以上为液相区；液相线以上为液相区；Fe- Fe3C相图相图l 靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区靠纯组元的封闭区是以

42、该组元为基单相固溶体区；l 相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线；可能是相区分界线；l 相图中部出现的相图中部出现的成分可变的单相区成分可变的单相区是以化合物为基的是以化合物为基的单相固溶体区；单相固溶体区；l 相图中每一条水相图中每一条水平线必定与三个单平线必定与三个单相区点接触相区点接触。Cu-Zn相图相图 + l 两相区的确定：两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相两个单相区之间夹有一个两相 区，该两相区的相区，该两相区的相由两相邻单相区的由两相邻单相区的相组成。相组成。l 三相区的确定：三相区的确定：二元相图中的水平二元相图中的水平线是三相区，其三线是三相区，其三个相由与该三相区个相由与该三相区点接触的三个单相点接触的三个单相区的相组成。区的相组成。Fe-Fe3C相图相