二元合金讲稿

1、关于二元合金第一张，PPT共三十七页，创作于2022年6月液态金属凝固过程除遵循金属结晶的一般规律外，由于二元合金中第二组元的加入, 溶质原子要在溶液中发生重新分布，这对合金方式和晶体的生长形态产生很大的影响，会引起微观偏析或宏观偏析。 微观偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀现象。 宏观偏析是指沿一定方向结晶过程中，在一个区域范围内，由于结晶 先后不同而出现的成分差异。 固溶体的凝固理论 共晶凝固理论 合金铸锭(件)的组织与缺陷 第二张，PPT共三十七页，创作于2022年6月7.4.1 固溶体的凝固理论 1.正常凝固 2.区域熔炼 3.有效分配系数ke 4.合金凝固中的成分过冷 第三张，PPT共

2、三十七页，创作于2022年6月1. 正常凝固及平衡分配系数k0A 平衡凝固（equilibrium solidification）：在凝固过程中固相和液相始终保持平衡成分，即冷却时固相和液相的整体成分分别沿着固相线和液相线变化。 合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分布的程度可用溶质平衡分配系数（equilibrium distribution coefficient）k0表示。平衡分配系数为平衡凝固时固相的质量分数Ws和液相的质量分数Wl(即液固两平衡相中溶质浓度之比)，即： k0 = Ws/Wl第四张，PPT共三十七页，创作于2022年6月表明k0的示意图(a) k00 ； (b) k0

3、1第五张，PPT共三十七页，创作于2022年6月(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) 固溶体相平衡与长大机制第六张，PPT共三十七页，创作于2022年6月 平衡凝固一般难实现，由于冷却时冷速过快固相和液相的整体成分不可能达到平衡成分，凝固为非平衡凝固（nonequilibrium solidification）。在非平衡条件下，已凝固的固相成分随凝固先后变化,即随凝固距离x而变化。 正常凝固方程 该式表示固相浓度随凝固距离变化规律。 正偏析：溶质浓度由铸锭表面向中心逐渐增加的不均匀分布。它是宏观偏析的一种。 正常凝固后溶质质量浓度在铸锭内的分布第七张，PPT共三十七页，创作于

4、2022年6月2. 区域熔炼 如果合金通过由试样一端向另一端局部熔化，经过区域熔炼的固溶体合金，其溶质浓度随距离的变化与正常凝固有所不同的，其变化符合区域熔炼方程： 该式表示经一次区域熔炼后随凝固距离变化的固溶体质量浓度。 区域熔化示意图 均匀平均浓度为0的原料，经一个熔区一次通过后溶质的近似分布 第八张，PPT共三十七页，创作于2022年6月2. 区域熔炼当k01)提纯示意图 0第九张，PPT共三十七页，创作于2022年6月3. 有效分配系数ke 当固溶体凝固时，若其凝固速度较快，液相中溶质只能通过对流和扩散而部分混合。而液-固界面好似管壁，因此在紧靠界面处的液体薄层也不会发生对流，只能通过

5、扩散进行混合，这个薄层叫做边界层。 流动液体在管子横断面上的分布：(a)层流；(b)紊流第十张，PPT共三十七页，创作于2022年6月 (a)液体中溶质的聚集对凝固圆棒的成分的影响(b)在初始瞬态内溶质聚集的建立 发生聚集的区域称为初始瞬态，或初始过渡区，如图所示，一般初始过渡区约lcm长。第十一张，PPT共三十七页，创作于2022年6月3. 有效分配系数ke 为了表征液体混合程度采用有效分配系数ke（effective coefficient）： ke定义： 经过一系列的假定与推导得ke： 式中R为凝固速度,为边界层厚度，D为溶质扩散系数。 该式说明ke是k0和无量纲R/D参数的函数。液体混

6、合程度的三种情况：（P296）第十二张，PPT共三十七页，创作于2022年6月4. 合金凝固中的成分过冷 (1)成分过冷的概念 纯金属凝固时，Tm不变，当TTm时引起过冷，液体的过冷度完全取决于实际温度分布，这种过冷称为热过冷。 在合金凝固时，由于液相中溶质分布发生变化而改变了凝固温度，这可由相图中的液相线来确定，因此，将界面前沿液体中的实际温度低于溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷，称为成分过冷（constitutional supercooling）。成分过冷能否产生及程度取决于液固界面前沿液体中的溶质浓度分布和实际温度分布这两个因素。如图7.76。 第十三张，PPT共三十七页，创作于2

7、022年6月4. 合金凝固中的成分过冷 成分过冷示意图注：图中阴影区称为成分过冷区。第十四张，PPT共三十七页，创作于2022年6月(2) 成分过冷产生的临界条件 通过成分过冷产生的临界条件 （ 及7.32）及数学推导，导出成分过冷产生的条件： 反之，不产生成分过冷 影响成分过冷倾向大小的因素可分为两大类： 一类是外界条件控制的参数G和R。当G值较小和R值较大，易产生成分过冷。 另一类反映合金性质的参数m和溶质成分W0增加，而k0减小过冷倾向增大，有利于成分过冷。 第十五张，PPT共三十七页，创作于2022年6月(3) 成分过冷对晶体生长形态的影响 固溶体凝固时在正的温度梯度下，由于凝固界面液

8、相中存在成分过冷，并随着成分过冷度从小到大，其界面生长形态将从平直界面向胞状和树枝状发展。而纯金属凝固时须在负的温度梯度下才得到树枝状组织。这是二者的区别。由于温度梯度的不同，成分过冷程度可分为三个区，如图所示。在不同成分过冷区，晶体生长方式不同。 不同成分过冷程度的三个区域第十六张，PPT共三十七页，创作于2022年6月(3) 成分过冷对晶体生长形态的影响a）在第区，液相温度梯度很大，使TTL，故不产生成分过冷。离开界面，过冷度减小，液相内部处于过热状态。此时固溶体晶体以平界面方式生长，界面上小的凸起，进入过热区，会使其熔化消失，故形成稳定的平界面。不同成分过冷程度的三个区域第十七张，PPT

9、共三十七页，创作于2022年6月(3) 成分过冷对晶体生长形态的影响b)在第区，液相温度梯度减小，产生小的成分过冷区，此时，平界面不稳定，界面上偶然凸起，进入过冷液体，可以长大，但因过冷区窄，凸出距离不大，不产生侧向分枝，发展不成枝晶，而形成胞状界面，最后出现胞状结构，纵截面为长条形，横截面为六角形。胞状晶界及胞状组织不同成分过冷程度的三个区域第十八张，PPT共三十七页，创作于2022年6月(3) 成分过冷对晶体生长形态的影响c)在第区，当液相温度梯度更为平缓，成分过冷程度很大，液相很大范围处于过冷状态，类似负温度梯度条件，晶体以树枝状方式长大，界面上偶然的凸起，进入过冷液体，得到大的生长速度

10、，并不断分枝，形成树枝状骨架。晶体生长中，周围液相富集溶质，使结晶温度降低，过冷度降低，同时，因放出潜热。周围温度升高，进一步减小过冷度，因而分枝生长停止，最后依靠固相散热、平界面方式生长，以填充枝晶间隙，直至结晶完成，形成晶粒。 不同成分过冷程度的三个区域第十九张，PPT共三十七页，创作于2022年6月7.4.2 共晶凝固理论1.共晶组织分类及形成机制 (1)金属金属型 大多数是层片状或棒状共晶。 影响形状的因素： 共晶中两组成相的相对量（体积分数）。若共晶中两相中一相的体积分数小于27.6%时，有利于形成棒状；反之有利于形成层片状。 相界面的比界面能。在共晶中一相的体积分数在27.6%以下

11、时，当比界面能较低时，有利于形成层片状。当界面积降低时，倾向于形成棒状。 (2)金属非(亚)金属型 形状不规则。 (3)非金属非金属型 第二十张，PPT共三十七页，创作于2022年6月1.共晶组织分类及形成机制形成机制1）、两相反复形核， 2）相和相分别以搭桥方式连成整体构成共晶晶核 层片状共晶的形核与生长示意图a) 层片状交替形核生长；b)搭桥机构第二十一张，PPT共三十七页，创作于2022年6月 2.层片生长的动力学界面移动速度问题 根据能量守恒定律、体系自由能变化和扩散定律可推导出界面移动速度R：7.52式和7.53式 3.共晶界面的稳定性 (1)纯二元共晶 金属金属型 T很小，成分过冷

12、不明显，dT/dx0时，界面稳定，无枝晶；金属非金属型 T较大，成分过冷明显，在dT/dx0很小时，就可形成枝晶 (2)含杂质的二元共晶 杂质元素的存在造成成分过冷，杂质多时，可能形成树枝晶；杂质少时，可形成胞状。 (3)二元伪共晶第二十二张，PPT共三十七页，创作于2022年6月二元伪共晶伪共晶组织（复合共晶组织）定义： 伪共晶组织成分：W=fW + fW 伪共晶组织形成条件： 液固界面前沿的液体成分接近共晶成分。 平直界面必须稳定，无枝晶出现。第二十三张，PPT共三十七页，创作于2022年6月7.4.3 合金铸锭(件)的组织与缺陷 零件的获得途径： 铸件 铸锭开坯热轧(锻)机加工热处理机加

13、工等工序 铸锭(件)的宏观组织及性能 铸锭(件)的缺陷 缩孔与偏析第二十四张，PPT共三十七页，创作于2022年6月1. 铸锭(件)的宏观组织 典型宏观组织由表层至中心分为：表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶粒区。 （1）表层细晶区（激冷区chill zone）及形成原因： （2）柱状晶区形（columnar zone）及形成原因： （3）中心等轴晶粒区（equiaxed crystal zone）及形成原因： 镇静钢：钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝粉进行充分脱氧 。 沸腾钢：钢液在浇注前仅用锰进行充分脱氧 ，脱氧不充分。第二十五张，PPT共三十七页，创作于2022年6月铸锭的晶区结构示意图1.表

14、层等轴细晶区 2.柱状晶区 3.中心等轴粗晶区 第二十六张，PPT共三十七页，创作于2022年6月2. 铸锭(件)的缺陷(1) 缩孔 集中缩孔 分散缩孔(疏松) (2) 偏析 宏观偏析(区域偏析) 显微偏析第二十七张，PPT共三十七页，创作于2022年6月2.铸锭(件)中的缺陷a.缩孔 缩孔的类型(a) 缩管 (b) 缩穴 (c) 单向收缩 (d) 一般疏松 (e)中心疏松几种缩孔形式第二十八张，PPT共三十七页，创作于2022年6月(1) 缩孔 缩孔类型与金属凝固方式有关： 壳状凝固使缩孔集中在冒口，铸件致密。 糊状凝固，使缩孔容易在枝晶间分散，形成分散缩孔，不致密。减少枝晶，可细化铸件，使

15、铸件致密。 实际凝固方式处于上述两种方式之间。 不同凝固方式示意图(a)壳状凝固(b)壳状糊状混合凝固(c)糊状凝固第二十九张，PPT共三十七页，创作于2022年6月(2) 偏 析 偏析（segregation） 偏析分类：宏观偏析（macrosegregation）(正偏析、反偏析、比重偏析) 和 显微偏析（microsegregation）(胞状偏析、枝晶偏析、晶界偏析) 宏观偏析(区域偏析) a.正偏析：k01时铸件成分外层高，内层低 c.比重偏析：铸件密度轻者上浮，重者下沉。 第三十张，PPT共三十七页，创作于2022年6月 显微偏析 a.胞状偏析：胞状方式生长的固溶体。k01胞壁处溶

16、质贫化 b. 枝晶偏析：非平衡凝固枝晶生长，枝干间成分不均匀。 枝晶偏析可用扩散退火来消除，扩散退火时间：t=0.467/D；T一定，D定值，减小，t 下降，快速凝固来抑制枝晶生长；热锻，热轧来破碎枝晶。一定，可以使T升高，D升高，t 下降，采用固相线下尽可能高的温度。 c.晶界偏析：晶界上富集溶质原子 影响晶界偏析的因素： 控制和减小晶界偏析的方法： 第三十一张，PPT共三十七页，创作于2022年6月7.5 高分子合金（了解） 高分子合金： 高分子合金的相溶性：G0；一般不能完全相溶，必出现分 离相： 高分子相分离的机制：调幅分解上坡扩散； 形核和长大下坡扩散 高分子高分子体系相图：表示法和

17、测定法 高分子合金的制备方法：物理(机械)共混法：混合作用和分 散作用；化学共混法：共聚、接枝、嵌段等方法 高分子合金的形态结构：单相连续结构 两相连续结构 高分子合金性能与组元的一般关系：符合混合物法则，即： P=P1W1 + P2W2 1/P = W1/P1+W2/P2 高分子合金主要类型：PE基（ PP基、 PVC基、 PS基）的高分子合金结构及相对应的性能特点第三十二张，PPT共三十七页，创作于2022年6月本章要求1. 几种基本相图： 匀晶相图（Cu-Ni合金相图）、 共晶相图（Pb-Sn合金相图）、包晶相图（Pt-Ag合金相图）。 2. 相律，杠杆定律及其应用。 3. 二元合金相图中的几种平衡反应： 共晶反应、共析反应、包晶反应、包析反应 、偏晶反应、熔晶反应、合晶反应。 4. 二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织。 5. 熟练掌握Fe-Fe3C相图。熟悉Fe-C合金中各相与组织的结构