第三章 二元合金的相结构与结晶(相图建立与匀晶相图)2(25+8)-10-3

第三章二元合金的相结构与结晶§3-1合金中的相§3-2合金的相结构§3-3二元合金相图的建立§3-4匀晶相图及固溶体的结晶§3-5共晶相图及其合金的结晶§3-6包晶相图及其合金的结晶§3-7其它类型的合金相图§3-8二元相图的分析及使用1§3-3二元合金相图的建立相图(phasediagram)：表示在平衡条件下合金的状态与温度、成分之间关系的图解，又称为平衡图或状态图。（工具）合金系（alloysystem）：由给定的组元以不同比例配制成一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系统。二（三、多）元系。一、二元相图的表示方法确定合金状态的因素成分温度压力一般为常压表象点2二、二元相图的测定方法建立相图的方法：1）试验测定；2）理论计算热分析法(1)配制一系列合金(2)测冷却曲线(相变临界点)?(3)标在温度-成分坐标系中(4)绘曲线（连接各相同意义的点）(5)标定相区（写出相的名称）3二、二元相图的测定方法(步骤)45（一）

相律及其应用相律：表示平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。表达式：

F=C-P+2（压力：不等）

F=C-P+1（压力：常数）

C－组元数（component）；

P－相数（phase）；

F－自由度数（free）平衡系统的自由度数：平衡系统的独立、可变的因素数。（在保持合金系的相数不变的条件下，合金系中可改变的、影响合金状态的内部因素和外部因素的数目）（成分、温度、压力）三、相律及杠杆定律6（一）相律（F=C-P+1）及其应用（1）确定系统中可能存在的最多平衡相数。

（自由度F=0时，共存的平衡相数具有最大值）

0＝1－P＋1→P=2（单元系）；

0＝2－P＋1→P=3（二元系）；

……（2）解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属结晶，液固两相共存，P=2

，F=1-2+1＝0，恒温二元合金结晶，P=2

，F=2-2+1＝1，一个因素可变（温度）三、相律及杠杆定律7确定二元合金两相共存时平衡相成分根据相律(P=2，F=2-2+1＝1)，自由度为1，若温度一定，则平衡相成分随之确定。确定两相的相对含量。注意：只适用于两相区；三点（一支点和两端点）要选准(二)杠杆定律⑴

确定两平衡相的成分：设合金C的成分为x，过x（C）作垂线（称为成分垂线）。wLw

现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：L(液相)α(固相)L+α8wLw

CLC在成分垂线上相对温度t作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分CL

、C

即分别为液相和固相的成分；与成分垂线的交点为o。C合金中的Ni含量=液相中的Ni+固相中的NiC⑵确定两平衡相的相对重量设合金C的总重量为1，液相CL重量为wL

固相

重量为w

C9则由以上两式可以得出上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律，其含义为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。

wLw

WαWLCLCC10在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两个平衡相的成分。例（如图）11二元合金相图的一般几何规律相律：F=3-P（F=C-P+1；C=2）1、P=1，F=2——位于相图中的单相区（SinglePhaseRegion）任意一点的成分和温度都可以独立变化而不影响系统的状态。可以是任意形状。（恒压下，最大F=2，成分、温度均可变）2、P=2，F=1——位于相图中的两相区（TwoPhaseRegion）只有一个独立变量，温度一定成分一定，反之亦然。

一对代表两平衡相的成分和温度的共轭曲线组成。3、P=3，F=0——位于相图中的三相区（ThreePhaseRegion）没有独立变量，温度与每一相的成分均不能变。

形状是一条等温线。端点和中间点分别表示三个相的成分。

有两种基本形式：共晶型（Eutectic-type）、包晶型（Peritectic-type）4、P>3，F<0——没有意义。12ABL+ααLt1t2相图→冷却曲线？131415§3-4匀晶相图及固溶体的结晶

——以Cu-Ni合金为例进行分析

Cu-Ni合金相图匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。二元匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图（两组元在液态和固态下无限互溶的二元合金系所形成的相图）。如Cu-Ni，Fe-Cr,Au-Ag

几乎所有相图中都有匀晶转变部分16一、相图分析两个点——Cu和Ni的熔点两条线——上面是液相线，

下面是固相线。三个区——液相区L，

固相区，固液共存的两相区（L+）。

LL+

17二、固溶体合金的平衡结晶过程纯组元的结晶过程，属于纯金属的结晶过程；固溶体合金结晶过程，以Ⅰ合金为例说明：平衡结晶——极缓慢的冷却条件下进行的结晶过程L1

α1t1L2

α2t2t4L4

α4……18当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为

1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。随温度下降，固相数量增加，液相数量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固成分沿固相线变化。L1

α1t1L2

α2t2t4L4

α4……19成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t4时，最后一滴L4成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分

4上来。可见，液、固相线不仅是相区分界线，也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。20相同点：基本过程：形核－长大；（1）热力学条件：⊿T>0；（2）能量条件：能量起伏；（3）结构条件：结构起伏。(2)固溶体合金的结晶在一定温度范围内进行，与纯金属结晶的比较异分结晶（选择结晶）

：结晶出的晶体与液相成分不同的结晶不同点:(1)合金结晶是异分结晶：需要成分起伏（浓度起伏）。(3)固溶体合金凝固时依赖于异类原子的互相扩散同分结晶：结晶出的晶体成分与液相相同的结晶。纯金属的结晶属于同分结晶。对应每一温度，只能结晶出一定数量的固相21固溶体合金凝固时，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（equilibriumdistributioncoefficient）k0表示。反映溶质组元重新分布的强弱程度。平衡分配系数：在一定温度，固液两平衡相中溶质浓度之比.

CαCLK0<1CαCLK0>122t1温度的结晶过程C0k0C1k0C2C1C2Lα+Lt1t2溶质浓度温度A固溶体的平衡结晶C0→k0C1→排出溶质→界面附近液相C1；远离界面的液相C0，造成浓度梯度扩散→界面附近液相C1

→

C0'液相再次失去平衡，继续长大直至成分达C1图1溶质浓度k0C1C0C1αL图1图2溶质浓度k0C1C0'αL图2溶质浓度k0C1C0'C1αL图3图3图4溶质浓度k0C1C1αL图4LC1↔αk0C1t1为保持平衡界面移动,从而晶粒长大23t2温度的结晶过程图3最后通过晶粒长大，使固相达k0C2k0C2C2溶质浓度αL图3图1k0C2C1溶质浓度αLk0C1C2图1C1<C2,造成浓度梯度k0C2C2溶质浓度αL图2界面前沿液相C2；远离界面的液相C1在t1温度时形成的晶体的浓度为在t2温度时形成的晶体的浓度为k0C2形成浓度梯度，破坏平衡→扩散图2C0k0C1k0C2C1C2Lα+Lt1t2溶质浓度温度A固溶体的平衡结晶24二、固溶体合金的平衡结晶过程平衡-不平衡-平衡-不平衡的辩证发展过程。固溶体晶核的形成（或原晶体的长大）造成相内（液相或固相）的浓度梯度引起扩散过程，破坏界面处的平衡晶体继续长大，恢复界面处的平衡2526三、固溶体的不平衡结晶

——偏离平衡结晶条件的结晶L1L2L3L4α1α4’α3’α2’α4α3α2原因：冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均匀）。结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化；不均匀结晶的温度范围增大。α1α1α1t1α1α1α1α2t2α1α1α1α2α3t3α4α4α4均匀化退火α2α4α1α1α1α3t4平均成分线成分偏析：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀又称枝晶偏析。平均成分线固相线：位置可变，随冷速增大，偏离固相线的程度增大：位置固定L1L2L3L4α1α4’α3’α2’α4α3α2平均成分线（消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。）

影响晶内偏析的因素（1）相图上液相线与固相线之间的水平距离偏析的最大程度k0<1,k0值越小，偏析越大k0>1,k0值越大，偏析越大（2）冷却速度冷却速度越大，其偏离程度越严重（3）原子的扩散能力C0k0C1k0C2C1C2Lα+Lt1t2溶质浓度温度A固溶体的平衡结晶(1)非平衡结晶时，固、液相的平均成分与固、液相线有偏离。冷却速度越快，其偏离程度越严重；冷却速度越慢，偏离程度越小，越接近于平衡条件。液相线的偏离程度较固相线小。(2)

先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多。(3)

非平衡结晶的终结温度低于平衡结晶的终止温度。

非平衡结晶分析结论：L1L2L3L4α1α4’α3’α2’α4α3α2Lα温度固液界面距离xt0t2

五、成分过冷及其对晶体生长形态的影响Lα温度固液界面距离xt0t2Lα温度固液界面距离xt0t2温度距离xC0/k0C0k0C0固液界面Lα成分过冷：t0t2L+ααC0C0/k0溶质浓度温度C0k0C0C0固溶体合金结晶时由界面前沿液相中的成分差别引起的过冷;平衡结晶温度与实际结晶温度之差。随X的增加界面前沿液相的浓度降低随X的增加界面前沿液相的平衡结晶温度升高过冷区域温度梯度为正ΔT=T平衡-T实际（一）形成成分过冷的条件形成条件：距界面距离t1温度G1G2G3t0温度梯度与界面处的平衡结晶曲线恰好相切，是成分过冷的极限条件(G1)在正温度梯度下，G（实际温度梯度）越小，成分过冷越大。（二）成分过冷对生长形态的影响距界面距离t1温度G1G2G3t0晶粒生长形态：平面状－胞状－树枝状G1G