第三章 二元合金的相结构

第三章二元合金的相结构第1页，课件共39页，创作于2023年2月相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。分类:固溶体：合金的组元间以不同的比例相互混合，混合后形成的晶体结构与某一组元的晶体结构相同，这种相就是固溶体，这种组元叫溶剂，其他的组元叫溶质。金属化合物：在合金系中，组元间发生相互作用，形成一种具有金属性质的新相。它具有独立的晶体结构和性质，与各个组元的晶体结构和性质都不同。影响相结构的因素:负电性,原子尺寸,电子浓度.3.1合金中的相第2页，课件共39页，创作于2023年2月3.2合金的相结构一。固溶体分类：位置：置换，间隙。固溶度：有限固溶，无限固溶。相对分布：无序，有序。结构晶格畸变偏聚有序二。金属化合物（中间相）分类：正价化合物，电子化合物，间隙相和间隙化合物。三。间隙相与间隙固溶体区别间隙相是一种化合物，它具有与其他组元完全不同的晶体结构；而间隙固溶体仍保持着溶剂组元的晶格类型。第3页，课件共39页，创作于2023年2月3.3二元合金相图的建立一.二元相图的表示方法二.二元相图的测定方法第4页，课件共39页，创作于2023年2月三.相律和杠杆定律(一)杠杆定律:WL/Wa=rb/ar第5页，课件共39页，创作于2023年2月(二)相律及其应用相律:f=c-p+2C:系统的组元数;P:平衡条件下系统的相数;f:自由度数;常数2代表:温度和压力.当压力为常数时:f=c-p+1C:系统的组元数;P:平衡条件下系统的相数;f:自由度数.相律的作用确定系统中可能存在的最多平衡相数.单元系:C=1,当f=0时,P=1-0+1=2,说明同时共存的相最多两个.二元系:C=2,当f=0时,P=2-0+1=3,说明同时共存的相最多三个.解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别单元系:C=1,p=2时,f=0,说明纯金属结晶时只能在恒温下.二元系:C=2,P=2时,f=1,说明二元合金在一个温度范围内进行;当三相共存(P=3)时,f=0,说明结晶只能在各个因素完全不变的条件下进行.第6页，课件共39页，创作于2023年2月3.4匀晶相图及固溶体的结晶一.相图分析匀晶相图:两组元在液相和固相都无限互溶的二元合金所形成的相图.第7页，课件共39页，创作于2023年2月二.固溶体合金的平衡结晶过程概念:平衡结晶:合金在极其缓慢的冷却条件下进行结晶的过程.成分起伏:虽然液态合金在宏观上成分平均,但是在微观上,由于原子运动的结果,在任一瞬间,液相中总有些微小体积可能偏离液相的平均成分,这些微小的体积的成分、大小、位置都是在不断地变化的。异分结晶（选择结晶）：结晶的晶体同液态母相化学成分不同的结晶。同分结晶：结晶的晶体同液态母相化学成分完全相同的结晶。固溶体形核的条件：结构起伏，能量起伏，成分起伏。固溶体结晶特点异分结晶平衡分配系数：k0=C

/CLC

、CL为固相和液相的平衡浓度。K0的大小反映了溶质组元重新分配的强弱程度。需要一定温度范围（下页）第8页，课件共39页，创作于2023年2月第9页，课件共39页，创作于2023年2月固溶体的结晶过程

固溶体晶核的形成（或原晶体的长大）造成相内（液相或固相）的浓度梯度，从而引起相内的扩散过程，这就破坏了相界面处的平衡，因此晶体必须长大，才能使相界面处重新达到平衡。固溶体晶体的长大过程：平衡---不平衡---平衡---不平衡。第10页，课件共39页，创作于2023年2月三.固溶体合金的不平衡结晶过程不平衡结晶：偏离平衡结晶条件的结晶。晶内偏析(枝晶偏析)：在一个晶粒内化学成分不均匀的现象，叫晶内偏析。由于固体晶体通常呈树枝状，使树干和树枝间的化学成分不同，所以又叫枝晶偏析。假设：液体内充分混合，而固相内没有扩散。偏析的大小与k0有关。偏析的最大值：C0-C0=C0-C0K0=C0（1-K0

）影响偏析的因素：溶质扩散能力，冷却速度。第11页，课件共39页，创作于2023年2月四.区域偏析和区域提纯(一)区域偏析：固溶体合金不平衡结晶中造成的大范围内化学成分不均匀现象。区域偏析的形成情况1。假定：液体内化学成分充分混合（靠扩散、对流和搅拌），而固相内无扩散。第12页，课件共39页，创作于2023年2月情况2。假定：液体内溶质原子仅靠扩散混合（无对流和搅拌），固相内无扩散。第13页，课件共39页，创作于2023年2月情况3。实际不平衡结晶如曲线d.第14页，课件共39页，创作于2023年2月(二)区域提纯第15页，课件共39页，创作于2023年2月五.成分过冷及其对晶体成长形状和铸锭组织的影响思考问题：固溶体的晶体生长形态是什么样？？（固液界面前液体分别在正、负温度梯度下）(一)形成成分过冷的条件及其影响因素成分过冷：固溶体合金在结晶时，溶质组元重新分布，在固液界面处形成溶质的浓度梯度，产生一个过冷区，由于这个过冷度是由液相中成分的变化引起的，所以叫。。。第16页，课件共39页，创作于2023年2月1。纯金属固液界面的温度梯度对结晶形状的影响平面生长树枝状生长(二)固溶体合金的成分过冷对晶体生长形状的影响第17页，课件共39页，创作于2023年2月2。固溶体合金的成分过冷对晶体生长形状的影响G1:平面生长G2:生长方式G3:树枝生长第18页，课件共39页，创作于2023年2月3.5共晶相图及合金的结晶概念:共晶相图：共晶转变：由一个液相同时结晶出两个固相的过程。一.相图分析MF、NG固溶度曲线；AE、BE液相线；AMNB固相线；三个单相区；三个两相区；一个三相共存区MEN。共晶转变（反应）：LE

M+N共晶线MEN；共晶点E；共晶温度；共晶合金；过共晶合金；亚共晶合金。第19页，课件共39页，创作于2023年2月二.典型合金的平衡结晶极其组织合金ILL++IIw=100%xF4/FGW=100%x4G/FG脱溶过程(二次结晶);二次相.第20页，课件共39页，创作于2023年2月共晶合金(合金II)共晶转变（反应）：LE

M+NwM=100%xME/MNWN=100%xEN/MNL--------

+------(

+)

+(II+II)通常下：(II+II)省略。所以组织：

+第21页，课件共39页，创作于2023年2月共晶组织的生长方式:片层状生长第22页，课件共39页，创作于2023年2月亚共晶合金(合金III)L------L+

------

+(

+)------

+(

+)+II先共晶相和剩余液体质量比:W

=100%xE2/MEWL=100%xM2/ME过共晶合金(合金IV)L------L+

------

+(

+)------+(

+)+II第23页，课件共39页，创作于2023年2月不同合金的组织组成物2点:先共晶相和共晶组织含量:w

=100%x2E/MEW+=100%x2M/ME相组成物的含量:W

=100%x2N/MNw

=100%xM2/MN第24页，课件共39页，创作于2023年2月三.非平衡结晶极其组织(一)伪共晶在不平衡结晶条件下,成分在共晶点附近的亚(过)共晶合金,也能得到全部共晶组织,这种非共晶成分的合金所得到的共晶组织,叫伪共晶.第25页，课件共39页，创作于2023年2月第26页，课件共39页，创作于2023年2月第27页，课件共39页，创作于2023年2月离异共晶在先共晶相数量较多而共晶组织较少情况下,有时共晶组织中与先共晶相相同的那一相,会依附于先共晶相上生长,剩下的另一相则单独存在于相界处,从而使共晶组织的特征消失,这种两相分离的共晶叫…离异共晶会给合金性能带来不良影响.对不平衡组织可用均匀化退火消除.第28页，课件共39页，创作于2023年2月四.比重偏析和区域偏析第29页，课件共39页，创作于2023年2月包晶相图及其合金的结晶包晶相图包晶反应（转变）一.相图分析PE\DF固溶度曲线；ACB液相线；APDB固相线；三个单相区；三个两相区；一个三相(L、、）共存区PDC。包晶反应（转变）：Lc+

p

D包晶点D，包晶温度tD，包晶线PDC。第30页，课件共39页，创作于2023年2月二.典型合金的平衡结晶过程及组织(一).合金I结晶过程:L----L+--------------+IID点:WL=100%xPD/PCW

=100%xDC/PC包晶反应第31页，课件共39页，创作于2023年2月(二).合金II结晶过程:L----L+----------+----++II+II包晶反应2点:WL=100%xPH/PCW

=100%xHC/PC第32页，课件共39页，创作于2023年2月(二).合金III结晶过程:L----L+----------+L----------+II包晶反应2点:WL=100%x2D/DCW

=100%x2C/DC第33页，课件共39页，创作于2023年2月三.不平衡结晶及组织包晶偏析:包晶转变的不平衡组织可用长时间扩散退火消除.第34页，课件共39页，创作于2023年2月四.包晶转变的实际应用在轴承合金中细化晶粒作用第35页，课件共39页，创作于2023年2月3.7二元相图的分析和使用一.相图分析步骤(1).看是否存在稳定化合物,将相图分解.(2).确定单相区、两相区和三相区。(3).确定三相平衡转变性质.(4).综合分析结晶过程和组织.第36页，课件共39页，创作于2023年2月第37页，课件共39页，创作于2023年2月例如:I包晶反应:L+

II包晶反应:L+III包晶反应:L+IV共析反应: