第六章二元合金相图PPT讲稿.ppt

第六章二元合金相图第1页，共95页，编辑于2022年，星期三 6.1 二元合金相图二元合金相图1.相图：研究合金在平衡的条件下相图：研究合金在平衡的条件下,（无限缓慢冷却）合金的（无限缓慢冷却）合金的 状态与温度、成分间的关系的图解称为相图或平衡状态与温度、成分间的关系的图解称为相图或平衡 图。图。2.组元：组成合金的基本物质。包括：单个元素或金属化合组元：组成合金的基本物质。包括：单个元素或金属化合 物。物。如如:Fe-C合金组元合金组元Fe、Fe3C、Cu-Ni合金组元合金组元Cu、Ni3.合金系：指研究的对象。如：合金系：指研究的对象。如：Fe-C系，系，Pb-Sn系等。系等。4.状态：指合金在一定条件下有那几相组成，称为合金在该条状态：指合金在一定条件下有那几相组成，称为合金在该条 件下的状态。件下的状态。如：水在零度时的状态是水和冰两项共存，在零度以上为如：水在零度时的状态是水和冰两项共存，在零度以上为 水，在零度以下为固相冰。水，在零度以下为固相冰。5.组织：合金中的相以不同的大小、形状、分布组成为组织。组织：合金中的相以不同的大小、形状、分布组成为组织。如：珠光体是由如：珠光体是由F和和Fe3C组成的组织。组成的组织。一一.相图的基本知识相图的基本知识第2页，共95页，编辑于2022年，星期三系统平衡系统平衡:如果某组元在各相中的化学位相同，那么就没如果某组元在各相中的化学位相同，那么就没 有物质的迁移现象，系统处于平衡状态。有物质的迁移现象，系统处于平衡状态。相律：处于平衡状态的合金，保持相数不变的条件下，相律：处于平衡状态的合金，保持相数不变的条件下，独立可变的，且影响和金状态的内、外部因素的数目。独立可变的，且影响和金状态的内、外部因素的数目。数学表达式：数学表达式：f=C-P+1（恒压）（恒压）f-为系统的自由度数（系统中独立可变因素）；为系统的自由度数（系统中独立可变因素）；C-系统的组元；系统的组元；P-相数相数实例：实例：1.纯金属纯金属-正在结晶时相数不变（正在结晶时相数不变（P=2）f=02.二元合金二元合金-正在结晶时两相平衡正在结晶时两相平衡,（P=2）若温度独立）若温度独立 可变（可变（T1T2）则）则 f=C-P+1=2-2+1=1,说明温度是自说明温度是自（二）相律（恒压状态下）（二）相律（恒压状态下）第3页，共95页，编辑于2022年，星期三 变量，两平衡相的成分是应变量，温度变化，两平衡变量，两平衡相的成分是应变量，温度变化，两平衡 相的成分随之而变。相的成分随之而变。3.二元合金：三相平衡二元合金：三相平衡,（P=3）则则 f=C-P+1=2-3+1=0,说明二元合金三相平衡时恒温结晶说明二元合金三相平衡时恒温结晶,独立可变的因素独立可变的因素 为为0。4.三元合金：三相平衡三元合金：三相平衡f=C-P+1=3-3+1=1,独立可变的独立可变的 因素为因素为1；四相平衡；四相平衡f=C-P+1=3-4+1=0,独立可变的独立可变的 因素为因素为0,说明四相平衡时恒温结晶。说明四相平衡时恒温结晶。二元共晶相图二元共晶相图二元匀晶相图二元匀晶相图第4页，共95页，编辑于2022年，星期三（三）应用：（三）应用：（1）确定平衡系中的最大）确定平衡系中的最大 平衡相数；平衡相数；（2）判断相图正确与否；）判断相图正确与否；（3）分析合金的平衡结晶。）分析合金的平衡结晶。错误二元相图错误二元相图二、二元合金相图的表示方法二、二元合金相图的表示方法横坐标表示成分横坐标表示成分A AB B100100纵坐标表示温度纵坐标表示温度C C点（表象点）点（表象点）成分成分:30:30SbSb，7070BiBi温度温度:500:500 二元相图的表示方法二元相图的表示方法第5页，共95页，编辑于2022年，星期三三三.二元相图的建立（二元相图的建立（Cu-Ni系以匀晶相图为例）系以匀晶相图为例）(一一)用热分析方法建立相图用热分析方法建立相图1.配制不同成分的合金（配制不同成分的合金（TmA TMb）100Cu，0Ni 70%Cu，30Ni 50%Cu，50Ni 30Cu，70Ni 0Cu，100Ni2.熔化后作各合金的熔化后作各合金的 冷却曲线（冷却曲线（T-t）；）；3.将各将各T-t曲线上、下曲线上、下 各临界点投影到温度各临界点投影到温度-成分坐标系中成分坐标系中；4.连接同类型的临界点即得到连接同类型的临界点即得到Cu-Ni二元相图。二元相图。第6页，共95页，编辑于2022年，星期三由上图可看出：由上图可看出：纯金属的结晶恒温结晶（纯金属的结晶恒温结晶（f=1-2+1=0）二相区的结晶在温度区间完成（二相区的结晶在温度区间完成（f=2-2+1=1）第7页，共95页，编辑于2022年，星期三（二）使用二元相图的基本方法（二）使用二元相图的基本方法1.表象点表象点:二元相图的任一点均为表二元相图的任一点均为表 象点（表示合金的成分与温度）象点（表示合金的成分与温度）;2.确定合金的状态：确定合金的状态：b 表示表示50%Cu合金刚刚结晶合金刚刚结晶;b表示表示50%Cu合金结晶完成合金结晶完成;bb线段上的点表示合金正在结晶过程中，处于线段上的点表示合金正在结晶过程中，处于L和和 两相区两相区;3.确定合金的相变温度确定合金的相变温度;4.杠杆定律：杠杆定律：成分为成分为b的合金在温度的合金在温度T1时处于两相共存，两相的重时处于两相共存，两相的重 量比是一定的，量比是一定的，wL、wS分别为分别为T1温度时的剩余的液温度时的剩余的液 相及结晶出的固相。相及结晶出的固相。第8页，共95页，编辑于2022年，星期三（1）利用杠杆定律可确定平衡两相区内平衡两相成分）利用杠杆定律可确定平衡两相区内平衡两相成分 CL 及及C（2）确定）确定固溶体的相对量和剩余液相固溶体的相对量和剩余液相L的相对量。的相对量。满足满足L100 和和 caWLobW 或或写写成成(杠杆定律仅适用于平衡的两相区杠杆定律仅适用于平衡的两相区)第9页，共95页，编辑于2022年，星期三匀晶相图匀晶相图A、B两组元在液、固态均能完全互溶形成无两组元在液、固态均能完全互溶形成无限固溶体的相图。具有匀晶相图的二元合金有限固溶体的相图。具有匀晶相图的二元合金有:CuNi、Cuh、AuAg、AuPd、BiSb等等 6-2 匀晶相图匀晶相图一、相图分析一、相图分析 匀匀 晶晶 相相 图图1.1.液相线液相线 a1b a1b线线,由由LL固溶体的固溶体的 开始线。开始线。2.2.固相线固相线 a2b a2b线，由线，由LL固溶体固溶体 的结晶完成线的结晶完成线第10页，共95页，编辑于2022年，星期三（一）（一）平衡结晶平衡结晶1.1.当温度到达当温度到达1 1点或稍点或稍 下时，由下时，由LL固溶固溶 体随着温度的降低体随着温度的降低 ，L L。并呈树枝状形态并呈树枝状形态2.2.当温度到达当温度到达2 2点时液点时液 相完全消失得到相完全消失得到 100 100,液相的成液相的成 分由分由1 11 12 2以致消失。以致消失。固相成分由固相成分由c c1 1cc2 222 (obob成分成分)最后得到成分均匀的最后得到成分均匀的obob成分等轴状的成分等轴状的固溶体。固溶体。二.平衡结晶分析及其组织（平衡结晶分析及其组织（obob成分的合金）成分的合金）固溶体合金的结晶过程分析固溶体合金的结晶过程分析第11页，共95页，编辑于2022年，星期三（二）（二）平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析1.1.形核（与纯金属比较）形核（与纯金属比较）满足形核的三个条件：满足形核的三个条件：共性：（共性：（1 1）热力学条件：）热力学条件：G GS SGG （2 2）结构条件）结构条件:rr*:rr*结构起伏结构起伏 （3）能量条件：）能量条件：G=G*能量起伏能量起伏 特性：特性：成分条件成分条件-晶核的成分与合金成分不同，成为选择结晶核的成分与合金成分不同，成为选择结 晶，且依靠液相中存在的晶，且依靠液相中存在的“成分起伏成分起伏”提供。提供。变温结晶、变温结晶、f=1 第12页，共95页，编辑于2022年，星期三2.晶核的长大晶核的长大(a)(a)在在T T1 1温度时，开始从液相温度时，开始从液相L L结晶出结晶出 固溶体固溶体,结晶出的固溶体成分为结晶出的固溶体成分为 c1c1，而液相的成分为，而液相的成分为L La1a1,在固、在固、液界面建立相平衡液界面建立相平衡(b)(b)c1c1的析出使液相中产生浓度差，的析出使液相中产生浓度差，从而导致从而导致CuCu、NiNi原子的扩散，原子的扩散，前沿液相前沿液相-La1 大体积液相大体积液相-(c)平衡关系被破坏，必然自发恢复相平衡直至所有液平衡关系被破坏，必然自发恢复相平衡直至所有液 相成分都变成相成分都变成L La1a1为止，于是达到了在为止，于是达到了在T T1 1温度时的温度时的 稳的地平衡状态。稳的地平衡状态。CuNi第13页，共95页，编辑于2022年，星期三(d)要想继续结晶，必须继续过冷，假设过冷到要想继续结晶，必须继续过冷，假设过冷到T2温温 度，有两种方式长大：度，有两种方式长大：重新形核（前已证明）重新形核（前已证明）在原始固相上长大在原始固相上长大(依附依附c1形成形成c2)在在T2温度时，温度时，又建立了新的相平衡，又建立了新的相平衡，新的相平衡关系的建立使液、固相内均产生了浓度差新的相平衡关系的建立使液、固相内均产生了浓度差 液相液相 前沿液相前沿液相La2 大体积液相大体积液相 固相固相 相平衡关系破坏相平衡关系破坏,欲自发恢复相平衡欲自发恢复相平衡,依靠依靠 的长大恢的长大恢 复相平衡。复相平衡。CuNiNiCu第14页，共95页，编辑于2022年，星期三平衡关系的建立平衡关系的建立 破坏破坏 建立直至液相由原来的建立直至液相由原来的La1变成变成La2,固相由原来的固相由原来的c1变成变成c2，即实现，即实现T2温度时的温度时的稳定平衡状态稳定平衡状态 直至结晶终了。直至结晶终了。液相的成分：液相的成分：由由LbLa1La2以致消失。以致消失。固相的成分固相的成分:由由c1c22(ob成分成分)最后得到成分均匀的最后得到成分均匀的ob成分等轴状的成分等轴状的固溶体。固溶体。第15页，共95页，编辑于2022年，星期三 杠杆定律应用杠杆定律应用 三三.杠杆定律杠杆定律%+L%=100%W 100 WL 100 1W 应当指出：应当指出：1.1.杠杆定律仅使用于平衡的两相区。杠杆定律仅使用于平衡的两相区。2.2.用杠杆定律可确定平衡两相的成分及两相的相对用杠杆定律可确定平衡两相的成分及两相的相对 重量。重量。第16页，共95页，编辑于2022年，星期三固溶体的非平衡结晶与枝晶偏析固溶体的非平衡结晶与枝晶偏析四四.非平衡结晶非平衡结晶 由于结晶速度远远大于原子的扩散速度，因此非平衡结晶将偏由于结晶速度远远大于原子的扩散速度，因此非平衡结晶将偏离液、固相线变化。离液、固相线变化。第17页，共95页，编辑于2022年，星期三(a)(b)Cu-Ni Cu-Ni合金结晶后的组织合金结晶后的组织 （a a）非平衡结晶后枝晶组织）非平衡结晶后枝晶组织(b)(b)扩散退火后的组织扩散退火后的组织（一）枝晶偏析：（一）枝晶偏析：由于选择结晶，固溶体合金开始结晶时的固相中高由于选择结晶，固溶体合金开始结晶时的固相中高熔点组元的浓度较高，后结晶的固相中低熔点组元熔点组元的浓度较高，后结晶的固相中低熔点组元的浓度较高。在一个晶粒内部也出现了化学成分的不均的浓度较高。在一个晶粒内部也出现了化学成分的不均匀性，这种现象为枝晶偏析又叫晶内偏析。匀性，这种现象为枝晶偏析又叫晶内偏析。第18页，共95页，编辑于2022年，星期三（二）影响枝晶偏析的因素：（二）影响枝晶偏析的因素：1.合金的冷却速度合金的冷却速度 冷却速度越大，原子间扩散不易进行，晶粒内不的化冷却速度越大，原子间扩散不易进行，晶粒内不的化 学成分差别越大，偏析越严重；学成分差别越大，偏析越严重；2.偏析元素的扩散能力偏析元素的扩散能力 元素的扩散系数越大，使最后结晶的不均匀程度减元素的扩散系数越大，使最后结晶的不均匀程度减 小，使偏析减小；小，使偏析减小；3.相图的形状相图的形状 相图的垂直距离和水平距离越大，使先结晶和后结晶相图的垂直距离和水平距离越大，使先结晶和后结晶 的固相化学成分差别加大，偏析严重。的固相化学成分差别加大，偏析严重。枝晶偏析是一种显微偏析，扩散退火可以消除。枝晶偏析是一种显微偏析，扩散退火可以消除。第19页，共95页，编辑于2022年，星期三 6-3 6-3 共晶相图共晶相图共晶相图两组元液态完全共晶相图两组元液态完全互溶，固态有限溶解，且发互溶，固态有限溶解，且发生共晶反应的相图。生共晶反应的相图。如：如：Pb-Sn、Pb-Sb、AL-Si等相图。等相图。（一）相及相区（一）相及相区1.相：相：L、固相、固相为为A(B)，为为B(A)有限置换固溶体。有限置换固溶体。2 2.相区相区:单相区单相区L、双相区双相区L、L、三相区三相区L+一一.相图分析相图分析第20页，共95页，编辑于2022年，星期三(二二)线线1.液相线液相线-AE B线线2.固相线固相线-AMENB线线 3.二元共晶线二元共晶线-MEN线，线，TE为共晶温度，为共晶温度，E点为共晶点。点为共晶点。F=c-p+1=2-3+1=0,MN之间之间(不含不含M、N点点)的合金冷却的合金冷却 到共晶温度时将发生共晶反应，生成共晶组织到共晶温度时将发生共晶反应，生成共晶组织（），反应式为），反应式为 ,且恒温结晶。且恒温结晶。4.溶解度曲线溶解度曲线 MF线线-B组元在组元在固溶体中的溶解度曲线。随着温度固溶体中的溶解度曲线。随着温度 的降低由的降低由（二次相）。（二次相）。NG线线-A组元在组元在固溶体中的溶解度曲线。随着温度固溶体中的溶解度曲线。随着温度 的降低由的降低由。（二次相）。（二次相）。第21页，共95页，编辑于2022年，星期三二、共晶系典型合金的平衡结晶过程二、共晶系典型合金的平衡结晶过程 合金分类合金分类:共晶合金共晶合金-E点成分合金；点成分合金；亚共晶合金亚共晶合金-ME间合金；间合金；过共晶合金过共晶合金-E N间合金；间合金；端部固溶体合金端部固溶体合金-M、N以外以外第22页，共95页，编辑于2022年，星期三（二）共晶合金（二）共晶合金(61.9(61.9)的结晶分析的结晶分析1.t=tE 时，时，61.961.9成分成分 的液相发生二元共晶反的液相发生二元共晶反 应应 生成二元共晶组织生成二元共晶组织 （）,恒温结恒温结晶。晶。2.t tE 时时,成分沿着成分沿着MFMF线变化由线变化由 成分沿着成分沿着NGNG线变化由线变化由 由于二次相与共晶组织中的由于二次相与共晶组织中的、相连不易分辨相连不易分辨,略！略！共晶合金室温组织为共晶合金室温组织为:（）第23页，共95页，编辑于2022年，星期三共晶两相共晶两相共晶两相共晶两相和和和和的相对重量为的相对重量为的相对重量为的相对重量为:共晶合金显微组织共晶合金显微组织第24页，共95页，编辑于2022年，星期三（二）亚共晶合金的结晶分析（二）亚共晶合金的结晶分析1.当当t在在t1t2之间时，之间时，L初初，T，L，2.当当ttE温度时，剩余温度时，剩余L相发生共晶反应生成二元共相发生共晶反应生成二元共 晶组织（晶组织（），恒温结晶。），恒温结晶。组织为：组织为：初初（）3.当当ttE温度时，温度时，成分（初晶和共晶）沿成分（初晶和共晶）沿MF线变线变 化，由化，由，（共晶）成分沿（共晶）成分沿NG线变化由线变化由 ,共晶组织中的二次相忽略。共晶组织中的二次相忽略。室温组织：室温组织：初初（）第25页，共95页，编辑于2022年，星期三室温组织中组织组成物的相对重量为室温组织中组织组成物的相对重量为初初（）:（二次相忽略）（二次相忽略）第26页，共95页，编辑于2022年，星期三室温组织中相组成物的相对重量为室温组织中相组成物的相对重量为(近似值近似值):并且随着含并且随着含并且随着含并且随着含SnSn 室温组织中的室温组织中的室温组织中的室温组织中的初初,共晶量（共晶量（）。亚共晶合金的室温组织亚共晶合金的室温组织亚共晶合金的室温组织亚共晶合金的室温组织第27页，共95页，编辑于2022年，星期三(四四)过共晶合金的结晶分析过共晶合金的结晶分析 室温组织：室温组织：初初（）分析略）分析略 边际固溶体边际固溶体 ，过共晶合金室温组织过共晶合金室温组织（）初初第28页，共95页，编辑于2022年，星期三 三三.共晶组织形貌及其形成机理共晶组织形貌及其形成机理（a a）片层状）片层状 （c c）球状）球状 （b b）短棒状）短棒状（一）（一）金属金属型共晶组织的形态金属金属型共晶组织的形态（粗造（粗造-粗造型）粗造型）1.形态：此类共晶形态有：片层状、棒状、短棒状形态：此类共晶形态有：片层状、棒状、短棒状.如：如：Pb-Sn、Pb-Cd、Cd-Zn、Sn-Zn、Ag-Cu等等第29页，共95页，编辑于2022年，星期三立体形态立体形态（c c）纤维状）纤维状（f f）菜花状层片）菜花状层片(d)六角螺旋状六角螺旋状（a a）片层状）片层状 （c c）球状）球状 （b b）短棒状）短棒状 第30页，共95页，编辑于2022年，星期三1）.共晶组织中共晶两相的体积分数：共晶组织中共晶两相的体积分数：其中一相体积分数其中一相体积分数30%,共晶组织为棒状共晶组织为棒状.（因为棒状截面积小，界面能小）。（因为棒状截面积小，界面能小）。其中一相体积分数其中一相体积分数3050%,共晶组织为片层状共晶组织为片层状.（因为片层状截面积小，界面能小）（因为片层状截面积小，界面能小）2.共晶组织金相形态形成原因：共晶组织的形态与共晶组织金相形态形成原因：共晶组织的形态与 两相的本质、两相的相对量、两相凝固时固液界面形两相的本质、两相的相对量、两相凝固时固液界面形 貌及其冷却速度有关。貌及其冷却速度有关。从热力学分析，共晶组织中两相的形态和分布，应从热力学分析，共晶组织中两相的形态和分布，应 尽量使其界面积最小，界面能最低。尽量使其界面积最小，界面能最低。第31页，共95页，编辑于2022年，星期三2）.两组成相界面的单位面积界面能：两组成相界面的单位面积界面能：如果两个组成相中的给定晶面与界面有一定的位向如果两个组成相中的给定晶面与界面有一定的位向 关系时，单位面积界面能可以达到最小，共晶体为关系时，单位面积界面能可以达到最小，共晶体为 片层状。否则，就有可能成为棒状。片层状。否则，就有可能成为棒状。如：如：(Al+CuAl(Al+CuAl2 2)共晶组织中：共晶组织中：(111)Al(211)CuAl2 界面能最小形成片层状。界面能最小形成片层状。3.片层状共晶组织的形成机理：片层状共晶组织的形成机理：二元共晶反应是一个形核和长大的过程，首先形成一二元共晶反应是一个形核和长大的过程，首先形成一个共晶晶核（个共晶晶核（+）,然后再长大。然后再长大。第32页，共95页，编辑于2022年，星期三1）共晶组织的形核（以片层状共晶组织为例）：共晶组织的形核（以片层状共晶组织为例）：形核条件形核条件-、相互促进形核相互促进形核;在较小的过冷度下形核。在较小的过冷度下形核。领先相领先相-共晶组织中首先形成的一相为领先相。共晶组织中首先形成的一相为领先相。形核相互促进示意图形核相互促进示意图 设过冷到设过冷到T温度下形核，如果领温度下形核，如果领 先相是先相是，则在，则在前沿液相建立前沿液相建立 瞬间局部相平衡，瞬间局部相平衡，第33页，共95页，编辑于2022年，星期三形核相互促进示意图形核相互促进示意图片层状共晶晶核示意图片层状共晶晶核示意图由于由于中中B组元含量较低，前沿液相组元含量较低，前沿液相 将富集将富集B组元组元,这就对这就对相的形核在成分上创造了条件相的形核在成分上创造了条件;相晶核的形成又会相晶核的形成又会促进促进形核。在形核。在相两侧形成了相两侧形成了，于是，于是、交替形核形成交替形核形成了了 片层状（片层状（+）共晶晶核。）共晶晶核。第34页，共95页，编辑于2022年，星期三“横向长大横向长大”:、交替形核形成了交替形核形成了、相间的片相间的片 层状共晶体，层片状共晶体中的片并不是各自孤立层状共晶体，层片状共晶体中的片并不是各自孤立 的，因为各自孤立形核需较大的形核功。的，因为各自孤立形核需较大的形核功。“片与片与 片片,片与片与片分别互相联系形成整体。其相互连接的片分别互相联系形成整体。其相互连接的 方式可能是方式可能是“搭桥搭桥”机制，如图所示。机制，如图所示。2）共晶晶核（）共晶晶核（+）的长大）的长大共晶晶核（共晶晶核（+）横向长大）横向长大第35页，共95页，编辑于2022年，星期三片层状共晶片层状共晶和和前沿液相原子扩散前沿液相原子扩散示意图（纵向长大）示意图（纵向长大）“纵向长大纵向长大”晶核长大时界面推移的方向主要决定于晶核长大时界面推移的方向主要决定于 散热方向和液相中原子的扩散。散热方向和液相中原子的扩散。和和晶核纵向长晶核纵向长 大时，将分别向液相中排出大时，将分别向液相中排出B B和和A A组元，随后它们将组元，随后它们将 分别向相邻的分别向相邻的和和相前沿短程扩散，为各自的长相前沿短程扩散，为各自的长 大创造条件。可见共晶体中两组成相的长大也是互大创造条件。可见共晶体中两组成相的长大也是互 相制约、互相促进的。相制约、互相促进的。纵向长大纵向长大第36页，共95页，编辑于2022年，星期三1.共晶的主要形态有：条片状、针片状、树枝状共晶的主要形态有：条片状、针片状、树枝状 等。等。（二）（二）金属非金属型共晶组织的形态金属非金属型共晶组织的形态（粗造（粗造-光滑型）光滑型）(a)Fe-C(石墨石墨)(b)Al-Si(c)Pb-Sb2.共晶组织的形成机制（还不十分清楚）：共晶组织的形成机制（还不十分清楚）：由于非金属相长大时的强烈各向异性。以铝硅合金为由于非金属相长大时的强烈各向异性。以铝硅合金为 例例,铝硅共晶体中的硅易于长成以铝硅共晶体中的硅易于长成以111晶面族为界面晶面族为界面 的薄带，因而形成辐射状或花朵状。的薄带，因而形成辐射状或花朵状。第37页，共95页，编辑于2022年，星期三例如例如A1-Si合金中加入少量钠盐可使硅晶体分枝增多而合金中加入少量钠盐可使硅晶体分枝增多而细化，在铸铁中加入少量镁和稀土元素，可使石墨不再细化，在铸铁中加入少量镁和稀土元素，可使石墨不再分枝而成球状。这种处理方法称为变质处理。分枝而成球状。这种处理方法称为变质处理。有人认为树枝状共晶形成的原因是金属相与非金属相有人认为树枝状共晶形成的原因是金属相与非金属相 长大时的动态过冷有明显差异。非金属相前沿必须有长大时的动态过冷有明显差异。非金属相前沿必须有 较大过冷度较大过冷度(12)才能向前长大，因面金属相才能向前长大，因面金属相(过冷过冷 度度0.02)将超前长大，并可能在液相中向任意方向发将超前长大，并可能在液相中向任意方向发 展，结果迫使落后的非金属相分枝生长。展，结果迫使落后的非金属相分枝生长。（三）有关非金属（三）有关非金属非金属型共晶体的形态问题，目前非金属型共晶体的形态问题，目前 还缺乏深入的研究（略）。还缺乏深入的研究（略）。第38页，共95页，编辑于2022年，星期三四四.初晶组织的形貌（亚、过共晶合金的初晶）初晶组织的形貌（亚、过共晶合金的初晶）1.初晶是固溶体，各向异性长大不明显，一般程树枝状初晶是固溶体，各向异性长大不明显，一般程树枝状。例如：例如：Pb-Sb、Al-Si合金系中亚共晶合金的初晶合金系中亚共晶合金的初晶是是以以Pb（Sb）、）、Al（Si）固溶体）固溶体,Fe-C合金系中亚共晶合金系中亚共晶-奥氏体均呈树枝状。奥氏体均呈树枝状。满足两条件：满足两条件：粗糙界面粗糙界面 dT/dx0（成分过冷）（成分过冷）初晶的形态主要取决于：初晶的形态主要取决于：固液界面固相的微观结构；固液界面固相的微观结构；固液界面前沿的温度分布固液界面前沿的温度分布dT/dx。第39页，共95页，编辑于2022年，星期三 Pb-Sn Pb-Sn亚共晶亚共晶合金初晶合金初晶固固溶体呈树枝状晶体溶体呈树枝状晶体 Pb-Sn Pb-Sn过共晶合金初晶过共晶合金初晶 固溶体呈树枝状晶体固溶体呈树枝状晶体 亚共晶白口铁初晶奥氏体亚共晶白口铁初晶奥氏体（P）呈树枝状晶体（黑色）呈树枝状晶体（黑色）Cu-Ni合金形成的树枝状晶体合金形成的树枝状晶体P第40页，共95页，编辑于2022年，星期三原因：光滑界面原因：光滑界面 dT/dx0，长大时各向异性表现比较强烈。，长大时各向异性表现比较强烈。2.初晶是亚金属或金属化合物初晶是亚金属或金属化合物 具有微观光滑界面的亚金属、非金属或中间相，长大时具有微观光滑界面的亚金属、非金属或中间相，长大时各向异性表现比较强烈一般具有规则外形。各向异性表现比较强烈一般具有规则外形。如：如：Pb-Sb、Al-Si合金系中过共晶合金呈中初晶的合金系中过共晶合金呈中初晶的Sb、Si（亚金属）呈规则的（亚金属）呈规则的、状；状；Fe-C合金系中过共晶合合金系中过共晶合金中的金中的Fe3C（中间相）呈白色条状。（中间相）呈白色条状。光滑界面；光滑界面；为规则为规则Pb-Sb合金过共晶初晶合金过共晶初晶Sb呈白色块状呈白色块状铁碳合金过共晶初晶铁碳合金过共晶初晶Fe3C呈白色条状呈白色条状几何图形。几何图形。第41页，共95页，编辑于2022年，星期三五五.共晶合金的非平衡结晶及组织：共晶合金的非平衡结晶及组织：（一）伪共晶（一）伪共晶平衡凝固时只有共晶合金才能得到平衡凝固时只有共晶合金才能得到100%的共晶组织，非平衡凝固时情况与此不同。的共晶组织，非平衡凝固时情况与此不同。热力学的伪共晶区热力学的伪共晶区1.伪共晶：伪共晶：非共晶成分的合金非共晶成分的合金 在非在非 平衡冷却条件下得到平衡冷却条件下得到l00共晶组织共晶组织,此此共晶组织称伪共晶。共晶组织称伪共晶。2.伪共晶产生的条件：伪共晶产生的条件：从热力学角度考虑共晶点附近的从热力学角度考虑共晶点附近的合金快冷却到合金快冷却到T1温度至影线区域温度至影线区域内，同时对内，同时对和和饱和，并同时结晶出（饱和，并同时结晶出（）共）共晶组织晶组织,此区为热力学伪共晶区。此区为热力学伪共晶区。第42页，共95页，编辑于2022年，星期三3.伪共晶区的形状取决于：伪共晶区的形状取决于：共晶点的位置（共晶点靠近低熔点组元）共晶点的位置（共晶点靠近低熔点组元）.共晶两相的长大速度共晶两相的长大速度.（1）两组元熔点）两组元熔点TAmTBm，两端，两端际固溶体溶解度相差不多，共晶点在共际固溶体溶解度相差不多，共晶点在共晶线中间附近晶线中间附近,共晶体内两相长大速度共晶体内两相长大速度也基本相近也基本相近,形成形成对称的伪共晶区对称的伪共晶区。（2）当）当TAmTBm，共晶点靠近，共晶点靠近低熔点相（低熔点相（），），VV，相优先形核并快速长大，此时的相优先形核并快速长大，此时的伪伪共晶区偏向高熔点组元一侧。共晶区偏向高熔点组元一侧。第43页，共95页，编辑于2022年，星期三如如AlSi合金：共晶成分的合金铸合金：共晶成分的合金铸态组织是态组织是初初(Si)而不是单而不是单一的共晶组织一的共晶组织(Si)原因是：原因是：共晶点靠近共晶点靠近Al一侧，有利于一侧，有利于 形核。形核。VSi V，伪共晶区向高熔，伪共晶区向高熔 点组元点组元Si方向偏移。于是方向偏移。于是 优先形核并长大优先形核并长大,首先结晶出初晶首先结晶出初晶，而后温度的表，而后温度的表 象点落在伪共晶区象点落在伪共晶区,同时对同时对和和Si饱和饱和,结晶出共晶组结晶出共晶组 织织(Si).Al-Si合金的伪共晶区合金的伪共晶区第44页，共95页，编辑于2022年，星期三二二.离异共晶组织有害组织离异共晶组织有害组织成份在成份在C附近的合金附近的合金(C3或或C4),在在先共晶相先共晶相(初晶初晶)数量较多数量较多,而共晶而共晶体数量甚少的情况下，共晶相中体数量甚少的情况下，共晶相中与先共晶相相同的那一相会依附与先共晶相相同的那一相会依附先共晶相生长，并把另一相推至先共晶相生长，并把另一相推至晶界处晶界处,共晶的组织特征消失此种共晶的组织特征消失此种组织称为离异共晶。组织称为离异共晶。例如钢的例如钢的“热脆热脆”既是既是(FeFeS)共晶离异造成，其中硫化物单独共晶离异造成，其中硫化物单独分布于晶界。分布于晶界。离异共晶组织离异共晶组织FeS第45页，共95页，编辑于2022年，星期三 6.4 包晶相图包晶相图一、相图分析一、相图分析两组原元液相完全互溶，固体有两组原元液相完全互溶，固体有限溶解且发生包晶反应的相图具限溶解且发生包晶反应的相图具有包晶转变的二元系统有：有包晶转变的二元系统有：Cu-Co、Pt-Re、Pt-W、Al-Ti等等相相:-Pt(Ag)-Ag(Pt)液相线：液相线：acb,固相线：固相线：adpb 溶解度曲线：溶解度曲线：df是是Ag在在固溶体的溶解度曲线，固溶体的溶解度曲线，pg是是Pt在在固溶体的溶解度曲线固溶体的溶解度曲线Pb-AgPb-Ag合金相图合金相图 第46页，共95页，编辑于2022年，星期三包晶转变线：包晶转变线：dpc水平线，水平线，p为包晶成分点，其对应的为包晶成分点，其对应的温度温度tp为包晶转变温度为包晶转变温度,在此温度下发生三相平衡的包在此温度下发生三相平衡的包晶反应：晶反应：Lc+d p 1186相区：三个单相区：相区：三个单相区：L 三个两相区：三个两相区：L+、L+、+一个三相区：一个三相区：L+二、典型合金的平衡结晶过程及组织二、典型合金的平衡结晶过程及组织:1.1.含含AgAg为为42.4%42.4%的的Pt-AgPt-Ag合金合金 （1 1）温度在）温度在t t1 1和和t tp p之间时从液相中结晶出之间时从液相中结晶出L L初初，结，结 晶规律与匀晶相同晶规律与匀晶相同（2 2）温度达到）温度达到t tp p时时,发生包晶反应：发生包晶反应：Lc+d p 1186第47页，共95页，编辑于2022年，星期三可以求出发生包晶反应前的可以求出发生包晶反应前的和剩余液相的相对重量：和剩余液相的相对重量：包晶反应结束时，包晶反应结束时，L和和全部变成全部变成相。相。Pb-Ag合金相图及合金合金相图及合金I结晶过程分折结晶过程分折第48页，共95页，编辑于2022年，星期三(3)温度低于温度低于tp时，包晶反应完，时，包晶反应完，Pt在在相中的溶解度随相中的溶解度随 温度的降低沿温度的降低沿pg线变化，从线变化，从相中析出次生相相中析出次生相，合金室温下的组织是合金室温下的组织是+。在包晶反应过程中，新生固相在包晶反应过程中，新生固相是依靠初晶是依靠初晶与液相相与液相相互作用在相的表面生成的，互作用在相的表面生成的，相形成构成了对相形成构成了对相的包相的包围，同时也将参与包晶反应的液相围，同时也将参与包晶反应的液相L和固相和固相彼此隔开彼此隔开,相中的相中的Pt原子通过原子通过向向L中扩散，而中扩散，而L中的中的Ag原子通原子通过过相向相向L相中扩散这样，相中扩散这样，相才能不断地消耗相才能不断地消耗L和和而长大包晶转变的平衡结晶过程需要相当长的时间而长大包晶转变的平衡结晶过程需要相当长的时间.第49页，共95页，编辑于2022年，星期三2.2.合金合金的平衡结晶过程分析及组织的平衡结晶过程分析及组织在在l-2间，由间，由L初初随着温度随着温度 的降低的降低,相不断增多相不断增多,而液相而液相 逐渐减少；逐渐减少；当温度降至当温度降至2点即包晶温度点即包晶温度tp 时时L和和相的成分分别变到相的成分分别变到d 点点c点；点；在没有发生包晶反应以前是由在没有发生包晶反应以前是由L和和组成组成,两相的相对重量为：两相的相对重量为：第50页，共95页，编辑于2022年，星期三由由TTc时剩余的时剩余的c点成分的液相和点成分的液相和d点成分的点成分的将发将发 生包晶反应生成生包晶反应生成,反应式为：反应式为：Lc+d p 1186比较合金比较合金、可知可知,合金合金包晶反应后包晶反应后相过剩，因此反应相过剩，因此反应结束后组织为结束后组织为。比较两种成分合金：比较两种成分合金：包晶点以包晶点以左成分左成分 包晶点成分包晶点成分 第51页，共95页，编辑于2022年，星期三在在tp温度以下，随着固溶体溶解度的变小，从温度以下，随着固溶体溶解度的变小，从和和a 固溶体中将不断析出固溶体中将不断析出a和和。室温下合金的组织是：室温下合金的组织是：a+a+其平衡结晶过程如图所示。其平衡结晶过程如图所示。合金合金的结晶过程示意图的结晶过程示意图第52页，共95页，编辑于2022年，星期三3.合金合金的的平衡结晶过程分析及组织：的的平衡结晶过程分析及组织：在在1-2间间,由由L初初随着温度的降随着温度的降 低低,a相的数量不断增多相的数量不断增多,L相的数相的数 量不断减少。量不断减少。冷到冷到t2温度时发生包晶转变温度时发生包晶转变,用杠用杠 杆定律可算出包晶转变结束时液杆定律可算出包晶转变结束时液 相过剩。（反应式略写）相过剩。（反应式略写）包晶转变后的组织为：包晶转变后的组织为：L 当温度从当温度从t2点降低时，剩余的液相将继续结晶出点降低时，剩余的液相将继续结晶出固溶固溶 体，体，相的成分沿着相的成分沿着pb变化，液相的成分沿变化，液相的成分沿cb变化变化 第53页，共95页，编辑于2022年，星期三合金合金结晶后室温组织为：结晶后室温组织为：+a合金合金的平衡结晶过程的平衡结晶过程当温度达到当温度达到3点后，液相全部结晶为与合金成分相同的点后，液相全部结晶为与合金成分相同的固溶体在固溶体在3-4点之间，合金为单相点之间，合金为单相固溶体合金，固溶体合金，不发生变化在不发生变化在4点以下，从点以下，从固溶体中析出固溶体中析出a第54页，共95页，编辑于2022年，星期三三、包晶相图的非平衡凝固三、包晶相图的非平衡凝固2.相本身的成分也不均匀呈枝晶偏析相本身的成分也不均匀呈枝晶偏析.1.在实际生产中，由于冷却速度较快在实际生产中，由于冷却速度较快包晶反应不能充分进行，是不平衡包晶反应不能充分进行，是不平衡凝固，则在凝固，则在相中心仍常保留一些残相中心仍常保留一些残余的余的相，呈非平衡组织相，呈非平衡组织初初+。3.不平衡条件下，一些原来不应发生包晶反应的合不平衡条件下，一些原来不应发生包晶反应的合 金，由于初生相凝固时存在枝晶偏析而使最后凝固金，由于初生相凝固时存在枝晶偏析而使最后凝固 的液相可能发生包晶反应，出现包晶组织的液相可能发生包晶反应，出现包晶组织+。第55页，共95页，编辑于2022年，星期三665 5 其它类型的二元相图其它类型的二元相图一、其他类型相图的恒温转变一、其他类型相图的恒温转变第56页，共95页，编辑于2022年，星期三 1.具有共晶转变的相图具有共晶转变的相图 2.具有共析转变的相图具有共析转变的相图0.77 0.77 (0.02180.0218+Fe+Fe3 3C C共析共析)P 727 727第57页，共95页，编辑于2022年，星期三 3.具有偏晶转变的具有偏晶转变的 Cu-Pb二元相图二元相图4.具有熔晶转变的具有熔晶转变的Fe-B 二元富铁部分相图二元富铁部分相图第58页，共95页，编辑于2022年，星期三 5.具有合晶转变的具有合晶转变的Na-Zn二元相图二元相图6.具有包晶转变具有包晶转变Pt-Ag的二元相图的二元相图Lc+d p 1186第59页，共95页，编辑于2022年，星期三6.具有包析转变具有包析转变Cu