金属学及热处理.ppt

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1、授课教师:杨秀英 金属学及热处理沈阳理工大学应用技术学院沈阳理工大学应用技术学院第3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3.4匀晶相图及固溶体的结晶3.5共晶相图及合金的结晶3.6二元相图的分析和使用 一、引言工程生产中的金属材料不能用纯金属(强度低),而是用强度(性能)好的合金,有必要研究合金结构 二、正文二元合金的相结构与结晶 三、结论(包括作业、思考题或习题)课堂内容设计一、引言工程生产中的金属材料不能用纯金属(强度低),而是用强度(性能)好的合金,有必要研究合金结构-包括化学成分、合金相、晶体结构、组织状态等-相图第一节第一节 合金中的相合

2、金中的相合金合金：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有一种为金属，：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有一种为金属，经过熔炼烧结或其他方法组合形成具有金属性的材料称为合经过熔炼烧结或其他方法组合形成具有金属性的材料称为合金。金。例钢铁、黄铜、白铜等例钢铁、黄铜、白铜等组元组元：通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存在的物质：通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元。称为组元。组元大多数情况下是元素组元大多数情况下是元素；在研究的范围内既不；在研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的分解也不发生任何化学反应的稳定化合物稳定化合物也可成为组元，例也可成为组元，例如碳钢如

3、碳钢 。合金系：由给定的组元配置成一系列成分不同的合金。合金系：由给定的组元配置成一系列成分不同的合金。二元合金二元合金:三元合金三元合金:多元合金多元合金:相关概念相关概念 相相：凡成分均一、晶体结构相同并与其它部分有：凡成分均一、晶体结构相同并与其它部分有界面分开的物质界面分开的物质均匀组成部分，称之为相。在合金中，按其晶格结构的基本均匀组成部分，称之为相。在合金中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为属性来分，可分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两大类。两大类。组织组织：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、光学显微镜、电子：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、光学显微镜、电子显微镜等）所

4、观察到的材料形貌。它决定于组成相的显微镜等）所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、类型、形状、大小、数量、分布形状、大小、数量、分布等。等。相是组织的基本组成部分相是组织的基本组成部分。同样的相同样的相,当当它们的形态和分布不同时它们的形态和分布不同时,就会有不同的组织就会有不同的组织.组织组成物组织组成物：组织中形貌相同的组成部分。：组织中形貌相同的组成部分。纯铁中的相：纯铁中的相：-Fe 钢中的相：铁素体钢中的相：铁素体()渗碳体渗碳体(Fe3C)纯铁纯铁0.45%C 钢钢相相相相Fe3C 相相纯铁、钢中的相纯铁、钢中的相 20 20 mm Cu-30Ni-20Cr Cu-30Ni-2

5、0Cr第二节第二节 合金中的相结构合金中的相结构相的种类繁多相的种类繁多,不同的相具有不同的晶体结不同的相具有不同的晶体结构构,根据根据晶体结构晶体结构特点特点,可以将其分为可以将其分为固溶固溶体体和和金属化合物金属化合物相结构相结构-合金的晶体结构合金的晶体结构 （一）（一）固溶体固溶体 合金组元溶解形成一种成分和性能均匀的、且合金组元溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。（二）（二）金属化合物金属化合物 定义定义：合金组元相互作用形成的晶格类型和特合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为

6、金属化合物。性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物。二、金属化合物二、金属化合物一、一、固溶体固溶体（一一）固溶体的分类固溶体的分类（二）（二）置换固溶体置换固溶体（三）间隙固溶体（三）间隙固溶体 （四）（四）固溶体的结构固溶体的结构 （五）（五）固溶体的性能特点固溶体的性能特点一、一、固溶体固溶体 与固溶体的晶格相同的组成元素称为与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂溶剂，在固溶体中一般都占有较大的含量；其它的在固溶体中一般都占有较大的含量；其它的组成元素称为组成元素称为溶质溶质，其含量与溶剂相比为较，其含量与溶剂相比为较少。少。固溶体即一些元素进入某一组元的晶格中，固溶体即一些元素进入某

7、一组元的晶格中，不改变其晶体结构，形成的均匀相。不改变其晶体结构，形成的均匀相。溶质原子溶入固溶体中的量称为溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶固溶体的体的浓浓度度。浓度或溶解。浓度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示(wt%wt%)。（一一）固溶体的分类固溶体的分类 1.1.按溶质原子在固溶体按溶质原子在固溶体(溶剂溶剂)晶格中晶格中的位置的位置不同可分为：不同可分为：1)1)置换固溶体置换固溶体 溶质原子取代了部溶质原子取代了部分溶剂晶格中某些节点上的溶分溶剂晶格中某些节点上的溶剂原子而形成的固溶体。剂原子而形成的固溶体。2)2)间隙固溶体间隙固溶

8、体 溶质原子嵌入溶剂晶溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据晶格结点位格的空隙中，不占据晶格结点位置。置。溶剂原子溶质原子（一一）固溶体的分类固溶体的分类2.2.按固溶度按固溶度1)1)无限溶解固溶体无限溶解固溶体 溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。构成溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。构成无限固溶体。这是把含量较高的组元称为溶剂，含量较少的组无限固溶体。这是把含量较高的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质。元称为溶质。2)2)有限溶解固溶体有限溶解固溶体 溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，超过这个限度就会有其它相超过这个限度就会有其它相(另一种固溶体或化合物另

9、一种固溶体或化合物)的形成。的形成。间隙固溶体都是有限溶解固溶体。在金属材料中，通常是过渡间隙固溶体都是有限溶解固溶体。在金属材料中，通常是过渡族金属元素为溶剂，族金属元素为溶剂，小尺寸的小尺寸的C C、N N、H H、O O、B B等元素为溶质等元素为溶质。3.3.按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点 1)1)无序固溶体无序固溶体 溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的，没有任何溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的，没有任何规律性，仅统计角度上是均匀分布的。规律性，仅统计角度上是均匀分布的。2)2)有序固溶体有序固溶体 溶质原子以一定的比例，按一定方向和顺序有溶质原子以一定

10、的比例，按一定方向和顺序有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，即在一定的条件在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，即在一定的条件(如温度、压力如温度、压力)下，无序固溶体和有序固溶体之间会发生相互下，无序固溶体和有序固溶体之间会发生相互转变。转变。置换固溶体的溶解度大小十分悬殊，主要有以下因素影响：置换固溶体的溶解度大小十分悬殊，主要有以下因素影响：影响溶解度的因素很多，目前还在研究中，现在公认的有：影响溶解度的因素很多，目前还在研究中，现在公认的有：1 1原子尺寸因素原子尺寸因素 在置换固溶体中，溶质原子的尺寸和溶

11、剂相近，溶解度也愈在置换固溶体中，溶质原子的尺寸和溶剂相近，溶解度也愈大，大，rr小于小于15%15%时才有利于形成置换固溶体时才有利于形成置换固溶体，要能达到无限互溶，要能达到无限互溶，rr的值还要小一些。的值还要小一些。间隙固溶体的形成的基本条件间隙固溶体的形成的基本条件D D质质/D/D剂剂0.590.59。在间隙固溶体中，。在间隙固溶体中，显然显然D D质质/D/D剂剂愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大。间隙愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大。间隙固溶体只能有限溶解。固溶体只能有限溶解。（二）（二）置换固溶体置换固溶体影响固溶体溶解度的因素影响固溶体溶解度的因素2 2晶体结构因

12、素晶体结构因素 组元间组元间晶体结构相同时晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且才有可能，固溶度一般都较大，而且才有可能形成无限固溶体。若组元间的晶体结构不同，便只能生成有限形成无限固溶体。若组元间的晶体结构不同，便只能生成有限固溶体。固溶体。3 3电负性差电负性差 电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力。反映两元素的化学性能差别。的能力。反映两元素的化学性能差别。两元素两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且所形成的，且所形成的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间固溶体的溶解度也就越大

13、；随两元素间电负性差增大电负性差增大，溶解度，溶解度减小，当其差别很大时，减小，当其差别很大时，往往形成较稳定的化合物往往形成较稳定的化合物。影响固溶体溶解度的因素影响固溶体溶解度的因素4 4电子浓度电子浓度 在金属材料在金属材料(合金合金)中，中，价价电电子数目子数目(e)(e)与原子数目与原子数目(a)(a)之比之比称称为电为电子子浓浓度。度。由于溶由于溶质质和溶和溶剂剂的价的价电电子数可能不同，子数可能不同，电电子子浓浓度度 e/a=Ve/a=VA A(1-x)+V(1-x)+VB Bx x。其中。其中x x为为溶溶质质的原子百分比的原子百分比浓浓度度(摩摩尔尔分数分数)，V VA A、

14、V VB B分分别为别为溶溶剂剂和溶和溶质质的价的价电电子数。子数。一方面，一方面，溶溶质质和溶和溶剂剂的价的价电电子数目相差大，它子数目相差大，它们们的的电负电负性性的差的差别别也大，溶解度会下降。也大，溶解度会下降。另一方面，当另一方面，当 e/a e/a 为为某些特定某些特定值时值时形成一新的晶体形成一新的晶体结结构，因此它构，因此它们们的溶解度也就受到相的溶解度也就受到相应应的的限制。限制。（三）间隙固溶体（三）间隙固溶体间隙固溶体的溶解度，除与溶质原子尺寸因素有关外，主要取决于溶剂晶体点阵的间隙大小与形状及其所引起的点阵畸变。由于间隙尺寸大多小于溶质原子的尺寸，故间隙固溶体晶格畸变较

15、大，所以，间隙固溶体的溶解度总是有限的。（四）（四）固溶体的结构固溶体的结构 1 1、晶格畸变晶格畸变 在在固溶体中，由于溶质原子的存在及其尺寸差别，固溶体中，由于溶质原子的存在及其尺寸差别，将使周围溶剂原子排列的规律性在一定范围内受到不将使周围溶剂原子排列的规律性在一定范围内受到不同程度的干扰，并引起同程度的干扰，并引起弹性应变弹性应变点阵畸变点阵畸变。对于。对于置换固溶体，若溶质原子尺寸大于溶剂原子，则使周置换固溶体，若溶质原子尺寸大于溶剂原子，则使周围点阵发生围点阵发生膨胀膨胀位移；反之，将引起位移；反之，将引起收缩收缩。在间隙固。在间隙固溶体中，溶体中，溶质原子尺寸多大于点阵间隙溶质原

16、子尺寸多大于点阵间隙，故通常使点，故通常使点阵发生膨胀阵发生膨胀变化。变化。2 2、偏聚与有序、偏聚与有序 当当同类原子（同类原子（A-AA-A、B-BB-B）结合较强而处于低能）结合较强而处于低能量状态时，则溶质与溶剂分别在一定范围内各自量状态时，则溶质与溶剂分别在一定范围内各自倾向聚集，形成偏聚结构；倾向聚集，形成偏聚结构；异类原子异类原子（A-BA-B）结合较强时，则溶质原子在固）结合较强时，则溶质原子在固溶体点阵的一定范围内趋于有规则分布，形成短溶体点阵的一定范围内趋于有规则分布，形成短程有序结构。程有序结构。无论是置换固溶体还是间隙固溶体，无论是置换固溶体还是间隙固溶体，由于溶质原子

17、尺寸与溶剂原子不同，其晶由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格都会产生畸变。由于格都会产生畸变。由于晶格畸变晶格畸变增加了增加了位位错移动的阻力错移动的阻力，使，使滑移变形难滑移变形难以进行，因以进行，因此此，固溶体的强度和硬度提高，塑性和韧固溶体的强度和硬度提高，塑性和韧性则有所下降。性则有所下降。这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的强度、硬度提高的现象称为体而使金属的强度、硬度提高的现象称为固溶强化固溶强化。（五）（五）固溶体的性能特点固溶体的性能特点1)1)由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能

18、基本上与原溶剂的性能相近，换句话说，基本上与原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的固溶体的性能主要决定于溶剂的性能性能主要决定于溶剂的性能，或在溶剂性能基础上，或在溶剂性能基础上发生一些改变。发生一些改变。2)2)固溶体的性能与原溶剂性能的差别固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化，或称性能变化的大小，随着的大小，随着溶质的浓度溶质的浓度(含量含量)的增加而加大的增加而加大。3)3)固溶强化固溶强化是效提高金属材料力学性能的途径之一。是效提高金属材料力学性能的途径之一。固溶体比纯金属和金属化合物具有更固溶体比纯金属和金属化合物具有更为优越的综合力学性能为优越的综合力学性能二、金属化合物二、

19、金属化合物化合物（中间相）概念化合物（中间相）概念 当溶当溶质质的含量超的含量超过过了其溶解度，了其溶解度，在材料中将出在材料中将出现现新相新相。其。其晶体晶体结结构与构与组组元都不相同，表明生成了新的物元都不相同，表明生成了新的物质质。所以，所以，化合化合物物是构成的是构成的组组元相互作用，生成不同与任何元相互作用，生成不同与任何组组元晶体元晶体结结构的构的新新物物质质。化合物化合物结结构的特点，一是有构的特点，一是有基本固定的原子数目比基本固定的原子数目比，可用，可用化学分子式化学分子式表示，二是晶体表示，二是晶体结结构不同于其任何构不同于其任何组组元。在以下将元。在以下将学学习习的相的相

20、图图中，它中，它们们的位置都在相的位置都在相图图的中的中间间，所以也称，所以也称为为中中间间相相。在金属材料中，原子之间的结合除离子键和共价键，金属在金属材料中，原子之间的结合除离子键和共价键，金属键也参与作用，如果生成的化合外物键也参与作用，如果生成的化合外物具有金属性具有金属性，则称之为，则称之为金金属化合物属化合物。金属化合物的类型金属化合物的类型1.1.正常价化合物正常价化合物 两组元服从原子价规律而生成的正常化学中所称的化合物。两组元服从原子价规律而生成的正常化学中所称的化合物。通常是通常是金属元素与非金属金属元素与非金属元素组成，组元间元素组成，组元间电负性差电负性差起主要作起主要

21、作用，两组元间电负性差较大，它们符合一般化合物的原子价规用，两组元间电负性差较大，它们符合一般化合物的原子价规律。例如律。例如MnSMnS、AlAl2 2O O3 3、TiNTiN、ZrOZrO2 2等，其结合键为离子键；也等，其结合键为离子键；也有的是共价键，如有的是共价键，如SiCSiC；少数也有以金属键结合；少数也有以金属键结合,如如MgMg2 2PbPb。金属化合物的类型金属化合物的类型2.2.电子化合物电子化合物电子化合物电子化合物 这类化合物大多是以第这类化合物大多是以第族或过渡族金属元素与第族或过渡族金属元素与第至第至第族金属元素结合而成。族金属元素结合而成。它们也可以用分子式表

22、示，它们也可以用分子式表示，但但大多不符合正常化学价规律大多不符合正常化学价规律。当当 e/a e/a 为某些特定值时形成一新为某些特定值时形成一新的晶体结构，并且电子浓度不同，其对应的晶体结构的类型也的晶体结构，并且电子浓度不同，其对应的晶体结构的类型也就不同。常间的就不同。常间的电子浓度电子浓度值有值有21/1421/14、21/1321/13、21/1221/12。由于这类。由于这类中间相与电子浓度有关，所以就称为电子化合物，主要出现在中间相与电子浓度有关，所以就称为电子化合物，主要出现在金属材料中，金属材料中，它们的结合键为金属键它们的结合键为金属键。一些常见的电子化合物。一些常见的电

23、子化合物可参看教材。例如可参看教材。例如CuCu3131SnSn8 8，电子浓度，电子浓度21/1321/13，具有复杂立方晶格。，具有复杂立方晶格。金属化合物的类型金属化合物的类型3.3.间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物尺寸因素化合物尺寸因素化合物(间间隙相与隙相与间间隙化合物隙化合物)主要受组元的原子尺寸因素控制，通常是由主要受组元的原子尺寸因素控制，通常是由过渡族金属原子与过渡族金属原子与原子半径小于原子半径小于0.1nm0.1nm的非金属元素的非金属元素碳、氮、氢、氧、硼碳、氮、氢、氧、硼所组成所组成。由于非金属元素由于非金属元素(X)(X)与金属元素与金属元素(M)(M)原子半径

24、比不同，结构也有所原子半径比不同，结构也有所不同。不同。当当r rX X/r/rMM0.590.590.59时，形成的化合物的晶体结构也较复杂，通常称时，形成的化合物的晶体结构也较复杂，通常称它们为间隙化合物，相应的分子式也较复杂，它们为间隙化合物，相应的分子式也较复杂，如钢中常见的如钢中常见的FeFe3 3C C、CrCr7 7C C3 3、CrCr2323C C6 6等。等。金属化合物的类型金属化合物的类型间隙化合物间隙化合物通常晶体结构较复杂通常晶体结构较复杂 金属化合物的性能特点金属化合物的性能特点 大多数化合物，特别是正常价化合物，熔点都较高大多数化合物，特别是正常价化合物，熔点都较

25、高(结合键强的表现之一结合键强的表现之一)，力学性能表现为，力学性能表现为硬而脆。硬而脆。间隙相的硬度要大于间隙化合物的硬度间隙相的硬度要大于间隙化合物的硬度少量硬度高的质点加入到塑性材料中，将明显提高材少量硬度高的质点加入到塑性材料中，将明显提高材料的强度，即第二相强化机制料的强度，即第二相强化机制 。间隙相具有极高的熔点和硬度，具有明显的金属特性。间隙相具有极高的熔点和硬度，具有明显的金属特性。间隙化合物具有很高的熔点和硬度，但加热时易分解。间隙化合物具有很高的熔点和硬度，但加热时易分解。小小 结结 合金合金 组元组元 相相 组织组织 组织组成物组织组成物固溶体固溶体 金属化合物金属化合物

26、 1.1.固溶体和金属化合物的类型、结构特点，影响固溶体和金属化合物的类型、结构特点，影响其结构的因素。其结构的因素。2.2.相结构与材料的性能之间的关系。相结构与材料的性能之间的关系。名词概念名词概念理解内容理解内容第三节第三节 二元合金二元合金相图相图的建立的建立 相图相图：相图又称为：相图又称为状态图状态图，它是表示体系的成分、，它是表示体系的成分、外外界环境界环境和组成相与相之间的平衡关系的几何图形。和组成相与相之间的平衡关系的几何图形。它是研究材料组织变化规律的重要参考工具。它是研究材料组织变化规律的重要参考工具。外界环境外界环境主要是温度和压力主要是温度和压力 相图就是表示物质的状

27、态和温度、相图就是表示物质的状态和温度、压力、成分之间的关系的简明图解。压力、成分之间的关系的简明图解。表示在热力学平衡条件下，各种成分表示在热力学平衡条件下，各种成分的物质在不同温度、压力下的的物质在不同温度、压力下的相组成、相组成、各种相的成分、相的相对量各种相的成分、相的相对量。二元相图二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组元的含量为独立，另一组元则为余下但一种组元的含量为独立，另一组元则为余下部分。为在二维平面上表示，部分。为在二维平面上表示，通常只考虑在常通常只考虑在常压下，取两个变量温度和成分压下，取两个变量温度和成分。横坐标用线段。横

28、坐标用线段表示成分，纵坐标表示温度。平面上以按这时表示成分，纵坐标表示温度。平面上以按这时平衡状态下存在的相来分隔。平衡状态下存在的相来分隔。(如图如图)相图用途相图用途：1.1.由材料的成分和温度预知由材料的成分和温度预知平衡相平衡相；2.2.材料的成分一定而温度发生变化时材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律其他平衡相变化的规律；3.3.估算平衡相的数量。估算平衡相的数量。预测材料的组织和性能预测材料的组织和性能相图的基本知识二元相图的表示方法（板书）二元相图的测定 相律 与杠杆定律相律是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关系式。f=c p+2 f为系统的

29、自由度数；c为组元数;P为平衡相数。杠杆定理（板书）（适用两相区）（适用两相区）二元相图的基本类型 匀晶相图：两组元在液固状态下都无限互溶匀晶相图：两组元在液固状态下都无限互溶1.相图分析 由液相结晶出单相固溶体的过程被称为匀晶转变。由液相结晶出单相固溶体的过程被称为匀晶转变。在液态和固态均无限互溶的相图。如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、W-Mo等。相图分析（以Cu-Ni为例）：点：纯Cu熔点、纯Ni熔点 线：液相线、固相线 相区：单相区L、，两相区L+2.固溶体合金的平衡结晶过程 平衡结晶是指结晶过程中每个阶段都能达到平衡，因此平衡结晶是在极其缓慢的冷速下实现1 1、平衡结晶过程、平衡

30、结晶过程 任一合金在液相线以上时，保持单一液态，冷却到液相线时，开始结晶出固相，保持L+两相平衡直至冷却到固相线温度为止。室温组织为单相固溶体。2 2、匀晶转变的形核与生长、匀晶转变的形核与生长 主要依靠结构起伏和能量起伏形核，但由于开始析出相与原合金成分不同，因而新相形核还必须借助液态合金中组元原子分布的微观不均匀性提供的浓度起伏。相长大过程中，固相成分和剩余液相成分在不断的变化，其变化规律是：液相成分始终沿液相线变化，而固相成分始终沿固相线变化。平衡结晶过程如下：平衡结晶过程如下：固溶体晶核形成，造成液固界面的浓度梯固溶体晶核形成，造成液固界面的浓度梯度，进行扩散，固液界面不平衡，晶体长大

31、度，进行扩散，固液界面不平衡，晶体长大3固溶体合金的不平衡结晶 在实际冷却过程中，结晶常常在几分钟甚至数小时内完成，固溶体成分来不及扩散至均匀。这种结晶过程被称为不平衡结晶。不平衡结晶的组织，合金内部成分不均匀的现象被称为“偏析”。而晶粒内部成分不均匀的现象被称为“晶内偏析”树枝晶内的偏析被称为“枝晶偏析”。实际生产条件下，液态合金的结晶是在较快的冷却速度下进行的，组元原子得不到充分扩散，称为非平衡结晶，所得组织称为非平衡组织。非平衡结晶时，存在显微组织的化学成分不均匀性问题，先结晶的部分含高熔点组元较多，后结晶的部分含低熔点组元较多，这种现象称为晶内偏析。当固溶体以树枝状方式结晶时，这种偏析

32、也称枝晶偏析。枝晶偏析的程度取决于结晶时的冷却速度、偏析元素的扩散能力以及相图中液-固线的距离等因素。严重的枝晶偏析将恶化合金的性能，生产上常把有枝晶偏析的合金加热到固相线以下100200进行长时间保温，使原子充分扩散，实现成分均匀化，这种处理方法成为均匀化退火或扩散退火5成分过冷 在液态合金的凝固过程中，即使溶液的实际温度分布一定，由于溶液中溶质分布的变化，改变了熔点，此时过冷是由成分变化和实际温度分布两个因素来决定的。这种过冷称为成分过冷。3-5 3-5 共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶 共晶相图：液态完全互溶，固态有限互溶共晶相图：液态完全互溶，固态有限互溶（或完全不溶）并发

33、生共晶转变（或完全不溶）并发生共晶转变,生成共晶生成共晶组织的二元系合金相图组织的二元系合金相图,称为二元共晶相图。称为二元共晶相图。典型相图有典型相图有:Pb-Sn,Pb-Sb,Ag-Cu:Pb-Sn,Pb-Sb,Ag-Cu等等.共晶合金具有优良共晶合金具有优良的铸造性能的铸造性能!点：点：A A点：纯点：纯PbPb熔点，熔点，B B点：纯点：纯SnSn熔点熔点 线：线：AEBAEB：液相线；：液相线；AMENBAMENB：固相线；：固相线；MENMEN：一、相图分析（以一、相图分析（以Pb-SnPb-Sn合金为例，如图）合金为例，如图）相区：单相区：相区：单相区：L L、；两相区：；两相区

34、：L+L+、L+L+，+；三；三相平衡：相平衡：L+L+。共晶转变：一定成分的液相，在一定的温度下同时结晶共晶转变：一定成分的液相，在一定的温度下同时结晶出成分不同的两个固相，称为共晶转变。出成分不同的两个固相，称为共晶转变。共晶转变时共晶转变时,E,E点称为共晶成分点，成分位于点称为共晶成分点，成分位于E E点点的合金称为的合金称为共晶合金共晶合金，成分位于，成分位于MM点到点到E E点的称为点的称为亚共晶合金亚共晶合金，成分位于，成分位于E E点到点到N N点的称为过点的称为过共晶合共晶合金。金。二、典型合金的平衡结晶及其组织二、典型合金的平衡结晶及其组织1、含、含Sn量小于量小于19%的

35、合金的合金 1点以上为液相，点以上为液相，12点结晶出点结晶出相，液相成分沿相，液相成分沿AE线变线变化，固相成分沿化，固相成分沿AM线变化，线变化，23点为单相点为单相，3点以下从过饱点以下从过饱和的和的中析出二次（次生）中析出二次（次生），即，即II。室温下，该合金的相组成为室温下，该合金的相组成为+；组织为；组织为+II。成分位于成分位于N点右边的合金与上述合金结晶过程完全相同，只点右边的合金与上述合金结晶过程完全相同，只需将需将改为改为，改为改为即可。即可。+相在室温的含量为相在室温的含量为:=F4/FG 100%1 1点以上为液相，冷却到点以上为液相，冷却到1 1点，发生共晶点，发生

36、共晶转变：转变：共晶转变结束后，相组成为共晶转变结束后，相组成为、，相对，相对量为：量为：2、共晶合金（含、共晶合金（含61.9%Sn），组织为（组织为（+）共晶体，相对量为）共晶体，相对量为100%100%。1 1点以下，将从点以下，将从 中析出中析出IIII，从，从 中析出中析出IIII，但，但IIII和和IIII会附着在共晶会附着在共晶 和和 相上长大，无法区分，故结相上长大，无法区分，故结晶结束后，相组成为晶结束后，相组成为、，组织组成为（，组织组成为（+）共）共晶体。晶体。共共晶组织的形态有层片状、纤维状、短棒状、针晶组织的形态有层片状、纤维状、短棒状、针状、螺旋状等。状、螺旋状等。

37、共共晶组织晶组织的形成过程的形成过程!以层片状为例以层片状为例+3 3、亚共晶合金（含、亚共晶合金（含Sn Sn 量在量在1919 61.9%61.9%之间）之间）以以50%Sn50%Sn为例：为例：1 1点以上，液相；点以上，液相；1 1 2 2点，液相中结晶出初生点，液相中结晶出初生，液相成分沿液相成分沿AEAE线变化，固相成分沿线变化，固相成分沿AMAM线变化；到线变化；到2 2点，发生共晶转变：点，发生共晶转变：，共晶转变结束后，组织组成为共晶转变结束后，组织组成为、（、（+），其相对量），其相对量为：为：，共晶转变结束后相组成为：共晶转变结束后相组成为：、，其相对量为：，其相对量为：

38、继续冷却，初生中将析出次生的II，共晶（+）不变。因此，结晶结束后，室温相组成为，、；组织组成为、II、（+）。4 4、过共晶合金（含、过共晶合金（含SnSn量量61.997.5%61.997.5%）与亚共晶合金结晶相似。三、不平衡结晶及组织三、不平衡结晶及组织（一）伪共晶（一）伪共晶在不平衡结晶时，成分在共晶点附近的亚（过）共晶合在不平衡结晶时，成分在共晶点附近的亚（过）共晶合金，可以得到全部共晶组织，这种非共晶成分得到的共晶金，可以得到全部共晶组织，这种非共晶成分得到的共晶组织称为伪共晶。组织称为伪共晶。（二）离异共晶（二）离异共晶在先共晶相数量较多而共晶组织甚少的情况下，有时共在先共晶相

39、数量较多而共晶组织甚少的情况下，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晶界处，从而使共晶组生长，剩下的另一相则单独存在于晶界处，从而使共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。3-7 3-7 其它类型的二元合金相图其它类型的二元合金相图具有共析转变的相图具有共析转变的相图-具有固态转变具有固态转变 共析转变：一定成分的固相在一定温度共析转变：一定成分的固相在一定温度下同时转变为另外两个固相的过程。下同时转变为另外两个固相的过程。3-8 3-8

40、 二元相图的分析与二元相图的分析与使使用用n一、二元相图的一些几何规律一、二元相图的一些几何规律n1、相区接触法则：两个单相区之间，必定有一个由这两个相所组成的两相区隔开，二不能以一条线分界。两个两相区必须以单相区或三相区（水平线）隔开。n2、二元相图的三相平衡区必定是一条等温水平线。n二、二元相图的分析方法二、二元相图的分析方法n1 1、一般分析法、一般分析法n（1）确定两组元是否有多晶型转变，是否存在稳定化合物。n（2）认定各单相区及其中的相。n（3）找出三相共存的等温水平线。n（4）合金处于单相区时，合金成分即为该相成分。n2 2、复杂二元相图的分析、复杂二元相图的分析n 铁碳合金相图再详细分析。n3 3、相图应用的条件性、相图应用的条件性（1）主要研究组成相的平衡状态与变化规律，不能提供相的具体形态、大小与分布等组织概念。（2）相图是平衡状态图，与实际结晶有差异。（3）相图的误差。（4）相图往往只利用其中有价值的部分。三、三、根据相图推测合金的性能根据相图推测合金的性能n（一一）根据相图判断合金的）根据相图判断合金的力学、物理性能力学、物理性能n（二二）根据相图判断合金的铸造）根据相图判断合金的铸造性能性能