二元合金的相结构与结晶讲稿.ppt

二元合金的相结构与结二元合金的相结构与结晶晶9/25/20221第一页，讲稿共三十五页哦上讲内容回顾上讲内容回顾基本概念：基本概念：基本概念：基本概念：合金、组元、合金系、相、组织合金、组元、合金系、相、组织合金、组元、合金系、相、组织合金、组元、合金系、相、组织合金的相结构合金的相结构合金的相结构合金的相结构l l合金中相的分类合金中相的分类l l固溶体固溶体固溶体固溶体l l金属化合物金属化合物金属化合物金属化合物影响相结构的因素影响相结构的因素影响相结构的因素影响相结构的因素l l负电性因素负电性因素负电性因素负电性因素l l原子尺寸因素原子尺寸因素原子尺寸因素原子尺寸因素l l电子浓度因素电子浓度因素电子浓度因素电子浓度因素 9/25/2022第二页，讲稿共三十五页哦3-1 合金的相结构合金的相结构3-2 二元合金相图的建立二元合金相图的建立3-3 匀晶相图匀晶相图3-4 共晶相图共晶相图3-5 包晶相图包晶相图3-6 其它类型相图其它类型相图3-7 二元相图的分析与使用二元相图的分析与使用第三章第三章 二元合金的相结构与结晶二元合金的相结构与结晶9/25/2022第三页，讲稿共三十五页哦3-2 二元合金相图的建立二元合金相图的建立主要内容主要内容一、相图的基本知识（基础、掌握）一、相图的基本知识（基础、掌握）二、二元相图的建立（掌握）二、二元相图的建立（掌握）三、相律（重点掌握）三、相律（重点掌握）返返 回回9/25/2022第四页，讲稿共三十五页哦一、相图的基本知识一、相图的基本知识相变相变：相与相之间的转变称为：相与相之间的转变称为：相与相之间的转变称为：相与相之间的转变称为相变相变。状态状态：在一定的条件下，合金由哪些相组成，各组成相的成：在一定的条件下，合金由哪些相组成，各组成相的成：在一定的条件下，合金由哪些相组成，各组成相的成：在一定的条件下，合金由哪些相组成，各组成相的成分及比例等称合金在该条件下的分及比例等称合金在该条件下的分及比例等称合金在该条件下的分及比例等称合金在该条件下的相状态相状态相状态相状态。相图相图：表示合金系在平衡条件下成分、温度与各相关系：表示合金系在平衡条件下成分、温度与各相关系的图解。又称的图解。又称平衡图平衡图、状态图状态图状态图状态图或或或或平衡状态图平衡状态图平衡状态图平衡状态图。所谓所谓所谓所谓平衡平衡平衡平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和相对重量不再变化所达到的一种状态。此时合金的成分和相对重量不再变化所达到的一种状态。此时合金的成分和相对重量不再变化所达到的一种状态。此时合金的成分和相对重量不再变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。合金在极其缓慢冷却的系的状态稳定，不随时间而改变。合金在极其缓慢冷却的系的状态稳定，不随时间而改变。合金在极其缓慢冷却的系的状态稳定，不随时间而改变。合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。9/25/2022第五页，讲稿共三十五页哦纯金属的结晶过程可用一条冷却纯金属的结晶过程可用一条冷却纯金属的结晶过程可用一条冷却纯金属的结晶过程可用一条冷却曲线表示曲线表示曲线表示曲线表示，如纯铁的冷却曲线，如纯铁的冷却曲线，如纯铁的冷却曲线，如纯铁的冷却曲线，冷却曲线上出现转折或水平台阶冷却曲线上出现转折或水平台阶冷却曲线上出现转折或水平台阶冷却曲线上出现转折或水平台阶说明有相的变化。说明有相的变化。说明有相的变化。说明有相的变化。这样一个温度这样一个温度这样一个温度这样一个温度轴就把相随温度的变化表示清楚轴就把相随温度的变化表示清楚轴就把相随温度的变化表示清楚轴就把相随温度的变化表示清楚了，这种反应金属化学成分、温了，这种反应金属化学成分、温了，这种反应金属化学成分、温了，这种反应金属化学成分、温度与相的状态的图就是纯金属的度与相的状态的图就是纯金属的度与相的状态的图就是纯金属的度与相的状态的图就是纯金属的相图，如图相图，如图相图，如图相图，如图3-43-4所示。所示。所示。所示。图图图图3-4 3-4 纯金属结晶冷纯金属结晶冷纯金属结晶冷纯金属结晶冷却曲线却曲线却曲线却曲线TmTn9/25/2022第六页，讲稿共三十五页哦在常压下，在常压下，在常压下，在常压下，二元合金的相状态决二元合金的相状态决二元合金的相状态决二元合金的相状态决定于温度和成分定于温度和成分定于温度和成分定于温度和成分。因此二元合金。因此二元合金。因此二元合金。因此二元合金相图可用温度相图可用温度相图可用温度相图可用温度成分坐标系的平成分坐标系的平成分坐标系的平成分坐标系的平面图来表示。面图来表示。面图来表示。面图来表示。图图3-53-5为为为为Cu-NiCu-Ni二元合金相图，二元合金相图，二元合金相图，二元合金相图，它是一种最简单的基本相图。它是一种最简单的基本相图。它是一种最简单的基本相图。它是一种最简单的基本相图。图图图图3-5 Cu-Ni3-5 Cu-Ni相图相图相图相图 图中的任一点称为图中的任一点称为表象点表象点表象点表象点，表示一定成分的合金在一定表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。温度时的稳定相状态。例如，例如，例如，例如，A A点点表示含表示含表示含表示含30%Ni30%Ni的铜镍合金的铜镍合金的铜镍合金的铜镍合金在在在在12001200时处于时处于时处于时处于L 两相状态；两相状态；B B点点点点表示，含表示，含表示，含表示，含60%Ni60%Ni的铜镍的铜镍的铜镍的铜镍合金在合金在合金在合金在10001000时处于单一时处于单一时处于单一时处于单一固相状态。固相状态。固相状态。固相状态。返返 回回9/25/2022第七页，讲稿共三十五页哦二、二元相图的建立二、二元相图的建立合金发生相变时，必然伴随有物理、化学性能的变化，合金发生相变时，必然伴随有物理、化学性能的变化，合金发生相变时，必然伴随有物理、化学性能的变化，合金发生相变时，必然伴随有物理、化学性能的变化，因此因此因此因此测定发生性能变化的温度和成分范围，可以确定测定发生性能变化的温度和成分范围，可以确定测定发生性能变化的温度和成分范围，可以确定测定发生性能变化的温度和成分范围，可以确定不同相存在的温度和成分界限，从而建立相图。不同相存在的温度和成分界限，从而建立相图。不同相存在的温度和成分界限，从而建立相图。不同相存在的温度和成分界限，从而建立相图。相图的建立相图的建立相图的建立相图的建立实验测定实验测定实验测定实验测定和和和和热力学计算热力学计算两种方法，目前，两种方法，目前，两种方法，目前，两种方法，目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多（如图的方法很多（如图的方法很多（如图的方法很多（如热分析法热分析法热分析法热分析法、金相法金相法金相法金相法、膨胀法膨胀法、电阻电阻法法、磁性法磁性法磁性法磁性法、X X射线结构分析法射线结构分析法等），但应用最多的是等），但应用最多的是等），但应用最多的是等），但应用最多的是热分析法热分析法热分析法热分析法。9/25/2022第八页，讲稿共三十五页哦下面以铜镍合金系为例，介绍用热分析法建立相图的过下面以铜镍合金系为例，介绍用热分析法建立相图的过程。程。步骤一：配制系列成分的铜镍合金步骤一：配制系列成分的铜镍合金步骤一：配制系列成分的铜镍合金步骤一：配制系列成分的铜镍合金例如：例如：合金合金合金合金 纯纯纯纯CuCu 合金合金合金合金 75%Cu 75%Cu25%Ni 25%Ni 合金合金合金合金 50%Cu50%Ni 50%Ni 合金合金合金合金 25%Cu 75%Ni75%Ni 合金合金合金合金 纯纯纯纯Ni Ni 9/25/2022第九页，讲稿共三十五页哦步骤二：步骤二：步骤二：步骤二：测出每个合金的冷却曲线，找出各冷却曲线上的临测出每个合金的冷却曲线，找出各冷却曲线上的临测出每个合金的冷却曲线，找出各冷却曲线上的临测出每个合金的冷却曲线，找出各冷却曲线上的临界点（转折点或平台）的温度（图界点（转折点或平台）的温度（图界点（转折点或平台）的温度（图界点（转折点或平台）的温度（图3-63-6）；）；温度温度 T/wNi0%25%75%50%100%时间时间t/s图图图图3-6 3-6 用热分析法建立用热分析法建立用热分析法建立用热分析法建立Cu-Ni Cu-Ni 相图相图相图相图108314529/25/2022第十页，讲稿共三十五页哦步骤三：步骤三：在温度在温度在温度在温度成分坐标系中各合金成分垂线上标出临成分坐标系中各合金成分垂线上标出临界点温度画（图界点温度画（图3-6）；）；）；）；图图图图3-6 3-6 用热分析法建立用热分析法建立用热分析法建立用热分析法建立Cu-Ni Cu-Ni 相图相图相图相图温度温度 T/wNi0%25%75%50%100%时间时间t/sabcdefCu 25 50 75 Ni wNi 100 9/25/2022第十一页，讲稿共三十五页哦步骤四：步骤四：步骤四：步骤四：将具有将具有将具有将具有相同意义的点相同意义的点相同意义的点相同意义的点连接成线，标明各区域内所存连接成线，标明各区域内所存连接成线，标明各区域内所存连接成线，标明各区域内所存在的相，即得到在的相，即得到在的相，即得到在的相，即得到CuNiNi合金相图合金相图合金相图合金相图 （图（图（图（图3-63-6）；）；）；）；图图图图3-6 3-6 用热分析法建立用热分析法建立用热分析法建立用热分析法建立Cu-Ni Cu-Ni 相图相图相图相图10831452温度温度 T/wNi0%25%75%50%100%时间时间t/sabcdefCu 25 50 75 Ni wNi 100 108314529/25/2022第十二页，讲稿共三十五页哦如图如图3-73-7所示，温度较高的所示，温度较高的所示，温度较高的所示，温度较高的上临界点的连线表示上临界点的连线表示上临界点的连线表示上临界点的连线表示结晶结晶结晶结晶开始线开始线开始线开始线，称为，称为，称为，称为液相线液相线。此。此。此。此线以上温度为单一液相，温线以上温度为单一液相，温线以上温度为单一液相，温线以上温度为单一液相，温度较低的临界点连线表示度较低的临界点连线表示度较低的临界点连线表示度较低的临界点连线表示结结结结晶终了线晶终了线晶终了线晶终了线，称为，称为，称为，称为固相线固相线固相线固相线。此。此。此。此线以下为固相，两线之间为线以下为固相，两线之间为线以下为固相，两线之间为线以下为固相，两线之间为液固两线共存区。液固两线共存区。液固两线共存区。液固两线共存区。图图图图3-7 Cu-Ni 3-7 Cu-Ni 合金相图合金相图合金相图合金相图返返 回回1083LLCu 25 50 75 Ni wNi 100 1452温度温度温度温度T T/9/25/2022第十三页，讲稿共三十五页哦三、相律三、相律1.概念概念相律：相律：是平衡条件下，系统的自由度数与组元、相数之间是平衡条件下，系统的自由度数与组元、相数之间是平衡条件下，系统的自由度数与组元、相数之间是平衡条件下，系统的自由度数与组元、相数之间的关系，是系统平衡条件的表达式。的关系，是系统平衡条件的表达式。的关系，是系统平衡条件的表达式。的关系，是系统平衡条件的表达式。在平衡条件下合金的状态是由内因（成分）和外界条在平衡条件下合金的状态是由内因（成分）和外界条在平衡条件下合金的状态是由内因（成分）和外界条在平衡条件下合金的状态是由内因（成分）和外界条件（温度、压力）所决定的。当这些条件改变时，液件（温度、压力）所决定的。当这些条件改变时，液件（温度、压力）所决定的。当这些条件改变时，液件（温度、压力）所决定的。当这些条件改变时，液-固两相共存，温度改变相数也会改变。这种固两相共存，温度改变相数也会改变。这种固两相共存，温度改变相数也会改变。这种固两相共存，温度改变相数也会改变。这种在保持合在保持合在保持合在保持合金系的相数不变的前提下，合金系中可独立改变的影响金系的相数不变的前提下，合金系中可独立改变的影响金系的相数不变的前提下，合金系中可独立改变的影响金系的相数不变的前提下，合金系中可独立改变的影响状态的内外因素的数目称自由度数。自由度数最小为零。状态的内外因素的数目称自由度数。自由度数最小为零。状态的内外因素的数目称自由度数。自由度数最小为零。状态的内外因素的数目称自由度数。自由度数最小为零。9/25/2022第十四页，讲稿共三十五页哦设系统的组元为设系统的组元为设系统的组元为设系统的组元为c c，平衡条件下相数为，平衡条件下相数为，平衡条件下相数为，平衡条件下相数为p p，自由度数为，自由度数为，自由度数为，自由度数为f f，则相律为：，则相律为：，则相律为：，则相律为：f f =c c p p 2 2当系统的压力不变时，外因可认为只有温度一个，当系统的压力不变时，外因可认为只有温度一个，当系统的压力不变时，外因可认为只有温度一个，当系统的压力不变时，外因可认为只有温度一个，则则则则 f =c cp p1 19/25/2022第十五页，讲稿共三十五页哦2.相律的应用相律的应用 可确定系统中最多有几个平衡相共存可确定系统中最多有几个平衡相共存可确定系统中最多有几个平衡相共存可确定系统中最多有几个平衡相共存 f f =c cp p1 1 当当当当 f f =0 =0 时，时，时，时，p p最大，最大，最大，最大，p p=c c+1+1 纯金属纯金属纯金属纯金属 c c=1=1，则，则，则，则 p p=2；二元合金；二元合金；二元合金；二元合金 c c=2=2，则，则 p p=3 可说明纯金属与合金结晶时的某些差别可说明纯金属与合金结晶时的某些差别 纯金属在恒温下结晶纯金属在恒温下结晶纯金属在恒温下结晶纯金属在恒温下结晶：纯金属结晶时存在液固两相：纯金属结晶时存在液固两相：纯金属结晶时存在液固两相：纯金属结晶时存在液固两相 p p=2=2，c c=1=1，则，则 f f =c c p p 1=01=0，所以纯金属在恒温下结晶。，所以纯金属在恒温下结晶。，所以纯金属在恒温下结晶。，所以纯金属在恒温下结晶。在熔点以上在熔点以上在熔点以上在熔点以上 p p=1，c c=1=1，则，则，则，则 f f =1=1，说明温度可在一定范，说明温度可在一定范，说明温度可在一定范，说明温度可在一定范围内改变，相的数目不变。围内改变，相的数目不变。围内改变，相的数目不变。围内改变，相的数目不变。9/25/2022第十六页，讲稿共三十五页哦二元合金在变温下结晶：二元合金在变温下结晶：二元合金结晶时，若是液二元合金结晶时，若是液二元合金结晶时，若是液二元合金结晶时，若是液固两相：固两相：固两相：固两相：p=2，c=2=2，则：，则：，则：，则：f=2=221=11=1，表示有，表示有，表示有，表示有一个可改变的因素，因而可以在一定的温度范围内一个可改变的因素，因而可以在一定的温度范围内一个可改变的因素，因而可以在一定的温度范围内一个可改变的因素，因而可以在一定的温度范围内进行。进行。进行。进行。如果二元合金结晶时出现三相平衡共存，则如果二元合金结晶时出现三相平衡共存，则如果二元合金结晶时出现三相平衡共存，则如果二元合金结晶时出现三相平衡共存，则 f f =2 =231=01=0，这种转变只能在恒温下进行。，这种转变只能在恒温下进行。，这种转变只能在恒温下进行。，这种转变只能在恒温下进行。返返 回回9/25/2022第十七页，讲稿共三十五页哦3-3 匀晶相图匀晶相图二元相图的种类很多，我们先分析几种简单的相图，二元相图的种类很多，我们先分析几种简单的相图，二元相图的种类很多，我们先分析几种简单的相图，二元相图的种类很多，我们先分析几种简单的相图，复杂相图实际上是这些基本的简单相图的组合。这些复杂相图实际上是这些基本的简单相图的组合。这些复杂相图实际上是这些基本的简单相图的组合。这些复杂相图实际上是这些基本的简单相图的组合。这些基本相图有：基本相图有：基本相图有：基本相图有：匀晶相图匀晶相图匀晶相图匀晶相图、共晶相图共晶相图共晶相图共晶相图、包晶相图包晶相图包晶相图包晶相图、形成形成化合物的相图化合物的相图、有固态相变的相图有固态相变的相图有固态相变的相图有固态相变的相图五类。五类。五类。五类。9/25/2022第十八页，讲稿共三十五页哦匀晶相图：匀晶相图：匀晶相图：匀晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态也无限两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应的二元合金系所形成的互溶，冷却时发生匀晶反应的二元合金系所形成的相图，称为相图，称为匀晶相图匀晶相图匀晶相图匀晶相图。例如。例如Cu-NiCu-Ni、Fe-NiFe-Ni、Cr-Mo、Au-AgAu-Ag、Mo-WMo-W相图等。相图等。相图等。相图等。匀晶转变：匀晶转变：由液态合金中结晶出单相固溶体的结晶过由液态合金中结晶出单相固溶体的结晶过由液态合金中结晶出单相固溶体的结晶过由液态合金中结晶出单相固溶体的结晶过程称程称程称程称匀晶转变匀晶转变。反应式：。反应式：。反应式：。反应式：L大大大大多多多多数数数数合合合合金金金金的的的的相相相相图图图图中中中中都都都都包包包包含含含含匀匀匀匀晶晶晶晶转转转转变变变变部部部部分分分分。也也也也有有有有一一一一些些些些合合合合金如金如金如金如Cu-NiCu-Ni等只发生匀晶转变。等只发生匀晶转变。等只发生匀晶转变。等只发生匀晶转变。9/25/2022第十九页，讲稿共三十五页哦现以现以现以现以CuCuNi合金相图为例，对匀晶相图及其合金的结合金相图为例，对匀晶相图及其合金的结晶过程进行分析。晶过程进行分析。主要内容主要内容 一、相图分析一、相图分析 二、合金的平衡结晶过程二、合金的平衡结晶过程 三、合金的非平衡结晶过程三、合金的非平衡结晶过程 四、区域偏析与区域提纯四、区域偏析与区域提纯 五、成分过冷五、成分过冷返返 回回9/25/2022第二十页，讲稿共三十五页哦一、相图分析一、相图分析图图图图3-8 为为为为CuCuNiNi相图相图两个点：两个点：两个点：两个点：a a点（点（点（点（1083 1083）b b点（点（点（点（14551455）两条线：两条线：两条线：两条线：acbacb线（液相线）线（液相线）线（液相线）线（液相线）adb线（固相线）线（固相线）线（固相线）线（固相线）三个区：三个区：三个区：三个区：液相区液相区液相区液相区L 固相区固相区固相区固相区 液固两相区液固两相区 L+返返 回回图图图图3-8 Cu-Ni 3-8 Cu-Ni 合金相图合金相图合金相图合金相图9/25/2022第二十一页，讲稿共三十五页哦二、合金的平衡结晶过程二、合金的平衡结晶过程1.平衡结晶平衡结晶2.相成分相成分3.杠杆定律杠杆定律4.固溶体合金结晶特点固溶体合金结晶特点返返 回回9/25/2022第二十二页，讲稿共三十五页哦1.平衡结晶平衡结晶合金在极缓慢冷却条件下进行合金在极缓慢冷却条件下进行合金在极缓慢冷却条件下进行合金在极缓慢冷却条件下进行的结晶过程，称之。的结晶过程，称之。的结晶过程，称之。的结晶过程，称之。如图如图3-93-9所示。所示。所示。所示。b点点点点(70%Ni)的冷却曲线和结晶过程：的冷却曲线和结晶过程：的冷却曲线和结晶过程：的冷却曲线和结晶过程：图图图图3-9 3-9 匀晶相图合金的结晶过程匀晶相图合金的结晶过程匀晶相图合金的结晶过程匀晶相图合金的结晶过程 1点以上点以上点以上点以上 T液相液相液相液相L不变不变l-2之间之间 匀晶反应：匀晶反应：匀晶反应：匀晶反应：L L T T L L、1 1点点点点匀晶转变匀晶转变匀晶转变匀晶转变开始点开始点；2 2点点点点匀晶转变匀晶转变匀晶转变匀晶转变终了点终了点终了点终了点。2 2点以下，点以下，固溶体。固溶体。固溶体。固溶体。返返 回回9/25/2022第二十三页，讲稿共三十五页哦2.相成分相成分在两相区内，温度一定时，在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的。两相的成分是确定的。确定方法：确定方法：过温度过温度t t1 1作水平线，作水平线，分别交液相线和固相线于分别交液相线和固相线于a a1 1点点点点和和和和b b1 1点，则点，则点，则点，则a a1点和点和点和点和b b1点在成分轴点在成分轴点在成分轴点在成分轴上的投影点即为上的投影点即为上的投影点即为上的投影点即为L L相和相和相和相和 相的成相的成分。分。图图图图3-10 3-10 匀晶相图匀晶相图匀晶相图匀晶相图随着温度的下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固根随着温度的下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固根随着温度的下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固根随着温度的下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固根线变化。到温度线变化。到温度线变化。到温度线变化。到温度t t2时，时，时，时，L L相成分及相成分及 相成分分别为相成分分别为相成分分别为相成分分别为a a2 2点和点和b b2 2点在成分轴上的投影。点在成分轴上的投影。点在成分轴上的投影。点在成分轴上的投影。温度温度温度温度T T/返返 回回9/25/2022第二十四页，讲稿共三十五页哦3.杠杆定律杠杆定律 在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。如在在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。如在在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。如在在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。如在 t t 温度时，两相的质量比可用下式表达：温度时，两相的质量比可用下式表达：WWL L、WW 为为为为L L、相的质量；相的质量；相的质量；相的质量；rbrb、arar为线段长度，可为线段长度，可为线段长度，可为线段长度，可用其在浓度坐标上的数字来度量。用其在浓度坐标上的数字来度量。用其在浓度坐标上的数字来度量。用其在浓度坐标上的数字来度量。问题：问题：如何确定相如何确定相成分？成分？图图3-11 杠杆定律证明及力学比喻杠杆定律证明及力学比喻trrCLCWLWC9/25/2022第二十五页，讲稿共三十五页哦杠杆定律证明杠杆定律证明设合金的总质量设合金的总质量为为W，其，其Ni含量含量为为C%。在。在t温度温度时，时，L相中的相中的Ni含量为含量为含量为含量为C CL%，相中的相中的NiNi含量为含量为C%。则合金中含。则合金中含NiNi的总质的总质的总质的总质量量量量L L相中含相中含相中含相中含Ni的质量的质量 相中含相中含相中含相中含NiNi的质量的质量：W W C C%WL C CL%WW C%又又又又 W W WWL L W，代入上式，整理得：，代入上式，整理得：，代入上式，整理得：，代入上式，整理得：图图3-11 杠杆定律证明及力学比喻杠杆定律证明及力学比喻trrCLCWLWC9/25/2022第二十六页，讲稿共三十五页哦图图3-11 杠杆定律证明及力学比喻杠杆定律证明及力学比喻trrCLCWLWC必须注意：必须注意：杠杆定律只适杠杆定律只适用于相图中的用于相图中的两相区两相区两相区两相区，并，并且只能在且只能在平衡状态平衡状态平衡状态平衡状态下使用。下使用。杠杆的两个端点为给定温杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，支点度时两相的成分点，支点为合金的成分点。为合金的成分点。返返 回回9/25/2022第二十七页，讲稿共三十五页哦4.固溶体合金结晶特点固溶体合金结晶特点 结晶过程结晶过程与纯金属一样，与纯金属一样，与纯金属一样，与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，固溶体从液相中结晶出来的过程中，固溶体从液相中结晶出来的过程中，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有也包括有也包括有也包括有形核形核形核形核与与长大长大长大长大两个过程。两个过程。两个过程。两个过程。形核形核需要需要需要需要结构起伏结构起伏结构起伏结构起伏、成分起伏成分起伏和和和和能量起伏能量起伏能量起伏能量起伏，因此，固溶，因此，固溶，因此，固溶，因此，固溶体结晶液需要一定的过冷度，且过冷度越大，形核率体结晶液需要一定的过冷度，且过冷度越大，形核率体结晶液需要一定的过冷度，且过冷度越大，形核率体结晶液需要一定的过冷度，且过冷度越大，形核率越大，越容易获得细小的晶粒组织。越大，越容易获得细小的晶粒组织。越大，越容易获得细小的晶粒组织。越大，越容易获得细小的晶粒组织。固溶体更趋于固溶体更趋于固溶体更趋于固溶体更趋于呈树技状长大呈树技状长大。9/25/2022第二十八页，讲稿共三十五页哦 异分结晶异分结晶同分结晶：同分结晶：结晶出晶体与母相化学成分完全一样的结晶结晶出晶体与母相化学成分完全一样的结晶结晶出晶体与母相化学成分完全一样的结晶结晶出晶体与母相化学成分完全一样的结晶称为称为称为称为同分结晶同分结晶同分结晶同分结晶。异分结晶：异分结晶：异分结晶：异分结晶：结晶出晶体与母相化学成分不同的结晶称为结晶出晶体与母相化学成分不同的结晶称为结晶出晶体与母相化学成分不同的结晶称为结晶出晶体与母相化学成分不同的结晶称为异异分结晶分结晶。平衡分配系数（平衡分配系数（k0 0）：）：）：）：在一定温度下，固液两平衡相在一定温度下，固液两平衡相中的溶质浓度之比（中的溶质浓度之比（C C/C CL）。）。）。）。k k0 0=C C/C CL L假定液相线和固相线均为直线，则假定液相线和固相线均为直线，则假定液相线和固相线均为直线，则假定液相线和固相线均为直线，则k k0 0为常数。为常数。9/25/2022第二十九页，讲稿共三十五页哦k k01 1，液、固相线随溶质浓度的增加而降低，液、固相线随溶质浓度的增加而降低，液、固相线随溶质浓度的增加而降低，液、固相线随溶质浓度的增加而降低 K0 0液、固相线间水平距离液、固相线间水平距离k k0 01，液、固相线随溶质浓度的增加而升高，液、固相线随溶质浓度的增加而升高，液、固相线随溶质浓度的增加而升高，液、固相线随溶质浓度的增加而升高 K K0 0 液、固相线间水平距离液、固相线间水平距离液、固相线间水平距离液、固相线间水平距离 k k0 01 1 k k0 01 1图图图图3-12 3-12 分配系数分配系数分配系数分配系数9/25/2022第三十页，讲稿共三十五页哦 变温结晶变温结晶在一个温度区间内进行，即为一个在一个温度区间内进行，即为一个在一个温度区间内进行，即为一个在一个温度区间内进行，即为一个变变变变温结晶过程温结晶过程温结晶过程温结晶过程（图（图（图（图3-13）。）。）。）。随着温度的降低，液相减少，固相增随着温度的降低，液相减少，固相增加，两相成分分别沿各液、固相线连加，两相成分分别沿各液、固相线连续改变，直到固相线的成分与原合金续改变，直到固相线的成分与原合金成分相同时，才结晶完毕。成分相同时，才结晶完毕。温度温度温度温度T T/在整个结晶过程中，始终进行着溶质和溶剂原子的扩散过在整个结晶过程中，始终进行着溶质和溶剂原子的扩散过在整个结晶过程中，始终进行着溶质和溶剂原子的扩散过在整个结晶过程中，始终进行着溶质和溶剂原子的扩散过程。程。程。程。平衡凝固得到成分均一的平衡凝固得到成分均一的平衡凝固得到成分均一的平衡凝固得到成分均一的 相是因为冷却速度极为缓慢，相是因为冷却速度极为缓慢，相是因为冷却速度极为缓慢，相是因为冷却速度极为缓慢，液、液、液、液、固相中的溶质原子有足够的时间充分扩散固相中的溶质原子有足够的时间充分扩散固相中的溶质原子有足够的时间充分扩散固相中的溶质原子有足够的时间充分扩散。图图图图3-13 3-13 匀晶相图匀晶相图匀晶相图匀晶相图9/25/2022第三十一页，讲稿共三十五页哦 与纯金属结晶的比较与纯金属结晶的比较相同点相同点相同点相同点 基本过程：形核长大；基本过程：形核长大；基本过程：形核长大；基本过程：形核长大；热力学条件：热力学条件：热力学条件：热力学条件：T0T0；能量条件：能量起伏；能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。结构条件：结构起伏。结构条件：结构起伏。结构条件：结构起伏。不同点不同点不同点不同点 合合合合金金金金在在在在一一一一个个个个温温温温度度度度范范范范围围围围内内内内结结结结晶晶晶晶（可可可可能能能能性性性性：相相相相律律律律分分分分析析析析；必必必必要要要要性性性性：成分均匀化。）成分均匀化。）成分均匀化。）成分均匀化。）合金结晶是异分结晶：需成分起伏。合金结晶是异分结晶：需成分起伏。合金结晶是异分结晶：需成分起伏。合金结晶是异分结晶：需成分起伏。返返 回回9/25/202232第三十二页，讲稿共三十五页哦三、合金的非平衡结晶过程三、合金的非平衡结晶过程实际上，达到平衡凝固的条件是极为困难的。在实际冷却实际上，达到平衡凝固的条件是极为困难的。在实际冷却实际上，达到平衡凝固的条件是极为困难的。在实际冷却实际上，达到平衡凝固的条件是极为困难的。在实际冷却过程中，凝固常常在数小时甚至几分钟内完成，固溶体成过程中，凝固常常在数小时甚至几分钟内完成，固溶体成过程中，凝固常常在数小时甚至几分钟内完成，固溶体成过程中，凝固常常在数小时甚至几分钟内完成，固溶体成分来不及扩散至均匀。分来不及扩散至均匀。分来不及扩散至均匀。分来不及扩散至均匀。先结晶的部分含高熔点的组分多，先结晶的部分含高熔点的组分多，先结晶的部分含高熔点的组分多，先结晶的部分含高熔点的组分多，后结晶的部分含低熔点的组分多，后结晶的部分含低熔点的组分多，后结晶的部分含低熔点的组分多，后结晶的部分含低熔点的组分多，溶液只能在固态表层建立溶液只能在固态表层建立溶液只能在固态表层建立溶液只能在固态表层建立平衡。平衡。平衡。平衡。实际生产中的凝固是在偏离平衡条件下进行的，这种凝固过程实际生产中的凝固是在偏离平衡条件下进行的，这种凝固过程实际生产中的凝固是在偏离平衡条件下进行的，这种凝固过程实际生产中的凝固是在偏离平衡条件下进行的，这种凝固过程被称为被称为被称为被称为非平衡凝固非平衡凝固非平衡凝固非平衡凝固。以以以以Cu-NiCu-Ni合金为例来分析不平衡凝固过程及其组织。合金为例来分析不平衡凝固过程及其组织。合金为例来分析不平衡凝固过程及其组织。合金为例来分析不平衡凝固过程及其组织。9/25/2022第三十三页，讲稿共三十五页哦很明显在很明显在很明显在很明显在不平衡凝固时，固相的平均成分线偏离了平衡不平衡凝固时，固相的平均成分线偏离了平衡成分线成分线（固相线）。同样的道理，（固相线）。同样的道理，（固相线）。同样的道理，（固相线）。同样的道理，液相的平均成分线也偏液相的平均成分线也偏液相的平均成分线也偏液相的平均成分线也偏离了平衡成分线离了平衡成分线离了平衡成分线离了平衡成分线（液相线），只不过液相中原子扩散较容易，（液相线），只不过液相中原子扩散较容易，（液相线），只不过液相中原子扩散较容易，（液相线），只不过液相中原子扩散较容易，液相平均成分线偏离较小罢了。冷却速度越快、平均成分线液相平均成分线偏离较小罢了。冷却速度越快、平均成分线液相平均成分线偏离较小罢了。冷却速度越快、平均成分线液相平均成分线偏离较小罢了。冷却速度越快、平均成分线的偏离越大。的偏离越大。的偏离越大。的偏离越大。图图图图3-14 3-14 匀晶系合金的不平衡结晶匀晶系合金的不平衡结晶匀晶系合金的不平衡结晶匀晶系合金的不平衡结晶9/25/2022第三十四页，讲稿共三十五页哦非平衡凝固的特点非平衡凝固的特点 凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线。凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线。凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线。凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线。凝固过程进行到一更低的温度才能完成。凝固过程进行到一更低的温度才能完成。生成固体的成分是不均匀的。随着冷却速度的加大，这生成固体的成分是不均匀的。随着冷却速度的加大，这生成固体的成分是不均匀的。随着冷却速度的加大，这生成固体的成分是不均匀的。随着冷却速度的加大，这些差别特点表现的愈明显。些差别特点表现的愈明显。些差别特点表现的愈明显。些差别特点表现的愈明显。9/25/2022第三十五页，讲稿共三十五页哦