材料科学基础 课件 第三章 二元合金的结晶

第三章二元合金的结晶§3.1二元合金相图的建立§3.2匀晶相图及固溶体合金的结晶

§3.3共晶相图及其合金的结晶§3.4包晶相图及其合金的结晶§3.5其它类型的二元合金相图§3.6二元相图的分析和使用§3.7铸锭的宏观组织与缺陷1图3-1

二元合金相图的坐标合金或相的状态点§3.1二元合金相图的建立2液相线：冷却时合金结晶开始的温度或加热时熔化终了的温度。固相线：冷却时合金结晶终了的温度或加热时熔化开始的温度。3吉布斯相律：F=C−P+2F（DegreesofFreedom）——平衡条件下系统的自由度数，或者说是维持系统原有相数不变，可自由变化的独立变量（即温度、压力或平衡相的成分）的数目。C（Components）——系统的组元数，通常是合金元素或稳定化合物的数目。P（Phases）——平衡条件下系统的相数。45图3-3

杠杆定律的证明6§3.2匀晶相图及固溶体合金的结晶

图3-4Cu-Ni相图异分结晶：固溶体合金结晶时结晶出的固相成分与液相的成分不同，这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶或选择结晶。

因此，固溶体合金结晶时除了要求过冷、结构起伏、能量起伏，还要求成分起伏。7溶质平衡分配系数k0值为一常数，其大小反映了溶质组元重新分配的强弱程度。

8图3-5

溶质平衡分配系数固溶体合金平衡结晶时需要一定的温度范围：

1、一定温度下，合金熔体只能结晶出一定数量的固相。

2、一定温度下，晶核的形成和长大使固液界面的两相成分满足平衡条件

液相或固相内的浓度梯度，引起原子扩散破坏了相界面处的平衡晶体必须长大以恢复平衡。910图3-6固溶体合金的平衡结晶过程11图3-7

固溶体合金在温度t1时的结晶过程12图3-8

固溶体合金在温度t2时的结晶过程枝晶偏析：非平衡结晶时，在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象。

1314图3-9

固溶体合金的不平衡结晶过程图3-10Cu-Ni合金的铸态组织与微区分析图3-11经扩散退火后Cu-Ni合金的组织与微区分析15区域偏析：非平衡结晶时，晶体中大范围内化学成分不均匀的现象。

1617L图3-12

固溶体合金单向平衡结晶时的溶质分布L图3-13

固溶体合金形成区域偏析的结晶过程固液界面满足相平衡固相内无扩散、液相内充分扩散18L图3-14

固溶体合金液相中扩散不充分的单向结晶过程固相内无扩散、液相内扩散不充分稳定态凝固1920图3-15成分过冷：非平衡结晶时，由于固液界面前沿液相的溶质浓度变化，引起理论结晶温度的变化而产生的过冷。

21G图3-16k0<1合金固液界面前沿液体产生成分过冷示意图稳定态凝固22图3-17Al-Cu合金的三种晶粒组织G1G2G323胞状偏析：非平衡结晶时，在胞状组织（亚结构）的交界面上存在溶质的富集（k0<1）或贫乏（k0﹥1）。24图3-18

Pb-98%Sn合金

Pb-62%Sn合金相是指合金中具有相同凝聚状态、相同晶体结构、同一化学成分，并有界面相互分开的均匀一致的组成部分。25相与显微组织的关系相是合金显微组织中的一部分，或者说显微组织是由相组成的。

数量、大小、形态、分布变化

显微组织变化合金性能变化结构、性能不变

相显微组织定义为合金中相的数量、大小、形态和分布。26§3.3共晶相图及其合金的结晶27图3-19Pb-Sn合金相图二元共晶反应/共晶转变：二元合金平衡结晶时，在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相。

脱溶/二次结晶：由固溶体中析出另一个固相的过程。二次结晶析出的固相称为二次相，可以是固溶体，也可以是金属化合物。

2829图3-20wSn=10%的Pb-Sn合金显微组织3031图3-21Pb–Sn共晶合金的显微组织32图3-22层片状共晶组织的形核与生长示意图33图3-23各种形态的共晶组织3435图3-24wSn=50%的Pb–Sn合金的显微组织相组成物是指组成合金的各个相。组织组成物是指组成合金的各个显微组织，是在金相显微镜下具有一定（金相）组织特征的各个独立的组成部分。3637图3-25wSn=85%的Sn–Pb合金的显微组织图3-26过共晶Pb–Sb合金的显微组织38伪共晶组织定义非共晶成分的合金在快速冷却条件下结晶得到100%共晶组织。形成条件：接近共晶成分的合金快速冷却到伪共晶区。产物：形态与共晶组织相同，但成分有差别。性能：强度增加。39图3-27伪共晶组织示意图40图3-28两类伪共晶区相图41图3-29Al-Si合金系的伪共晶区图3-30铸造Al-Si共晶合金经变质处理后的显微组织42离异共晶1、定义：两相分离的共晶组织。2、形成条件：平衡条件或非平衡条件下，与共晶成分差别较大的合金结晶时，在先共晶相较多而共晶组织甚少的情况下，共晶组织中与先共晶相相同的一相依附于先共晶相上生长，另一相则分布于晶界或枝间。3、性能：不利。43图3-31可能产生离异共晶示意图图3-322%Pb+98%Sn合金的离异共晶44二元包晶反应/包晶转变：二元合金平衡结晶时，在一定温度下，由一定成分的液相与一定成分的固相作用，形成另一个成分一定的固相。

§3.4包晶相图及其合金的结晶4546图3-33Pt-Ag合金相图包晶偏析：某些合金的包晶转变温度较低，包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不均匀的现象。

4748图3-34适合用作轴承合金的成分范围§3.5其它类型的二元合金相图49图3-35Fe-B相图50图3-36Sn-Sb合金相图5152图3-3753图3-38铸锭的宏观组织通常