工程材料二元合金的结晶优秀PPT.ppt
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1、工程材料二元合金工程材料二元合金的结晶的结晶你现在浏览的是第一页,共55页知识结构知识结构二元合金相图的建立二元合金相图的建立相图分析相图分析二元相图的分析和使用二元相图的分析和使用匀晶相图及固溶体的凝固匀晶相图及固溶体的凝固共晶相图及合金的凝固共晶相图及合金的凝固包晶相图包晶相图及合金的凝固及合金的凝固其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图 合金中的相及相结构合金中的相及相结构你现在浏览的是第二页,共55页重要概念:重要概念:1、合金合金两种或两种以上的金属,或金属与非金两种或两种以上的金属,或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。有二元、属元素组成的具有金属特性的物质。有二元、三
2、元等。三元等。2、组元组元组成合金最基本、独立的物质。组成合金最基本、独立的物质。组元可以是组成合金的元素,可以是化合物。组元可以是组成合金的元素,可以是化合物。多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元不发生任何反应的化合物也可看作组元,如如Fe-CFe-C合金中的合金中的FeFe3 3C C。你现在浏览的是第三页,共55页5、组织组织是由不同相组成的具有一定成分、分是由不同相组成的具有一定成分、分布形态和性能的机械混合物。用肉眼或借助布形态和性能的机械混合物。用肉眼或借助不同放大倍数的显
3、微镜所观察到的金属材料不同放大倍数的显微镜所观察到的金属材料内部情景,包括晶粒大小、形状、种类及晶内部情景,包括晶粒大小、形状、种类及晶粒的相对数量和分布。粒的相对数量和分布。4、相相指合金组织中具有同一聚集状态、同一指合金组织中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。成部分。6、合金系合金系由给定组元配置成的一系列成分不由给定组元配置成的一系列成分不同的合金,组成一个合金系统。同的合金,组成一个合金系统。你现在浏览的是第四页,共55页l合金的结晶过程比纯金属复杂,常用合金的结晶过程比纯金属复杂,常用相图相图进行分析进行分析.l
4、相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。过程的简明图解。你现在浏览的是第五页,共55页相组成相组成合金成分合金成分温度温度,压力压力相相图图:是是表表示示合合金金系系中中合合金金在在平平衡衡条条件件下下各各相相的的存存在在状状态态与与温温度度、成成分分间关系间关系的图解。又称状态图或平衡图。的图解。又称状态图或平衡图。相相平平衡衡:在在合合金金系系中中,参参与与结结晶晶或或相相转转变变过过程程的的各各相相之之间间相相对对重重量量和和相相的的浓浓度度不不再再改改变变时时所所达达到到的的一一种种平平衡衡。因因此此相相图图中中相相及及组
5、织都是在十分缓慢冷却条件下获得的。组织都是在十分缓慢冷却条件下获得的。相图相图你现在浏览的是第六页,共55页一、相图的建立一、相图的建立l几乎所有的相图都是通过实验得到的,最常用的是几乎所有的相图都是通过实验得到的,最常用的是热分析法热分析法。一、相图的建立一、相图的建立你现在浏览的是第七页,共55页1.配制不同成分的合金,测出各合金的冷却曲线,找配制不同成分的合金,测出各合金的冷却曲线,找出曲线上的临界点(停歇点或转折点和平台)的温出曲线上的临界点(停歇点或转折点和平台)的温度值。度值。2.将临界点标在温度将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。成分坐标中的成分垂线上。3.将垂线上相同意义
6、的点连接起来,并标上相应的数将垂线上相同意义的点连接起来,并标上相应的数字和字母。字和字母。以以Cu-Ni合金合金(白铜白铜白铜白铜)为例为例为例为例 步骤:步骤:一、相图的建立一、相图的建立你现在浏览的是第八页,共55页相图中,结晶相图中,结晶开始点开始点的连线叫的连线叫液相线液相线。结晶结晶终了点终了点的连线叫的连线叫固相线固相线。你现在浏览的是第九页,共55页铜铜-镍合金匀晶相图镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+纯铜纯铜熔点熔点纯镍纯镍熔点熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区液固
7、两相区液固两相区二、匀晶反应的合金的结晶二、匀晶反应的合金的结晶1 1、铜镍合金相图相区分析、铜镍合金相图相区分析 相图分析相图分析(点、线、区点、线、区)两点:纯组元的熔点两点:纯组元的熔点 两线:两线:L,SL,S相线相线 三区:三区:L,L+L,L+。你现在浏览的是第十页,共55页由液相结晶出单相固溶体由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。的过程称为匀晶转变。两组元在液态无限溶解,两组元在液态无限溶解,在固态无限固溶,并且发在固态无限固溶,并且发生匀晶反应的相图,称为生匀晶反应的相图,称为匀晶相图。匀晶相图。相相图分析分析TbTa 合金的结晶过程合金的结晶过程你现在浏览的是第十一页,
8、共55页 合金的结晶过程合金的结晶过程以以合金为例说明。合金为例说明。当液态金属自高温冷却当液态金属自高温冷却到到 t t1 1温度时,开始结温度时,开始结晶出成分为晶出成分为 1 1的固溶的固溶体,其体,其NiNi含量高于合金含量高于合金平均成分。平均成分。L L+随温度下降,固体重量随温度下降,固体重量增加,液相重量减少。增加,液相重量减少。同时,液相成分沿液相同时,液相成分沿液相线变化,固相成分沿固线变化,固相成分沿固相线变化。相线变化。你现在浏览的是第十二页,共55页l成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t t3 3时,最后一滴时,最后一
9、滴L L3 3成分的液体也转变为固溶体,此时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固溶体的成分又变回到合金成分 3 3上来。上来。液固相线不仅是相区液固相线不仅是相区分界线分界线,也是结晶时两也是结晶时两相的成分变化线。相的成分变化线。匀晶转变是变温转变。匀晶转变是变温转变。合金的结晶过程合金的结晶过程你现在浏览的是第十三页,共55页平衡结晶平衡结晶:形核和晶粒的长大形核和晶粒的长大能量起伏能量起伏 、结构起伏、成分起伏、结构起伏、成分起伏L+L2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learn
10、ing is a trademark used herein under license.固溶体合金在平衡结晶过程中,固相成分沿固溶体合金在平衡结晶过程中,固相成分沿固相线变化,液相成分沿液相线变化固相线变化,液相成分沿液相线变化 合金的结晶过程合金的结晶过程你现在浏览的是第十四页,共55页 杠杆定律杠杆定律处于两相区的合金,不仅由相图可知道两平衡相的成处于两相区的合金,不仅由相图可知道两平衡相的成分,还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。分,还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以现以Cu-NiCu-Ni合金为例推导杠杆定律:合金为例推导杠杆定律:12 t 确定两平衡相的成分:设合金确定两
11、平衡相的成分:设合金成分为成分为x x,过,过x x做成做成分垂线。分垂线。在成分垂线相当于温度在成分垂线相当于温度t 的的o点点作水平线,其与液固相线交作水平线,其与液固相线交点点a、b所对应的成分所对应的成分x1、x2即即分别为液相和固相的成分。分别为液相和固相的成分。你现在浏览的是第十五页,共55页则则 QL+Q =1 QL x1+Q x2=x 解方程组得解方程组得式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。的长度。确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量设合金的重量为设合金的重量为1,液相重量为,液相
12、重量为QL,固相重量为,固相重量为Q。你现在浏览的是第十六页,共55页l因此两相的相对重量百分比为:因此两相的相对重量百分比为:两相的重量比为:两相的重量比为:两相的重量比为:两相的重量比为:你现在浏览的是第十七页,共55页l上式与力学中的杠杆定律完全相似,因此称之为杠杆上式与力学中的杠杆定律完全相似,因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温定律。即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。度下与各自相区距离较远的成分线段之比。l在杠杆定律中,在杠杆定律中,杠杆的支点是合金的成分,杠杆的端杠杆的支点是合金的成分,杠杆的端点是所求的两平衡相点
13、是所求的两平衡相(或两组织组成物)的成分。(或两组织组成物)的成分。l杠杆定律只适用于两相区。杠杆定律只适用于两相区。l例例(如图)(如图)你现在浏览的是第十八页,共55页例:求例:求30%30%NiNi合金在合金在1280 1280 时时 相的相对质量相的相对质量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ac30a1b1c11280 C解:作成分线和温解:作成分线和温度线如图。度线如图。6618根据杠杆定律推论,根据杠杆定律推论,Q Q /Q Q=a=a1 1b b1 1/a/a1 1c c1 1=12/48=1/412
14、/48=1/4答:所求答:所求合金在合金在1280 1280 时时 相的相相的相对质量为对质量为1/41/4。你现在浏览的是第十九页,共55页例:固溶体合金的相图如图所示,例:固溶体合金的相图如图所示,试根据相图确定:试根据相图确定:(a)(a)成分为成分为40%B40%B的合金首先凝固出的合金首先凝固出来的固体成分;来的固体成分;(b)(b)若首先凝固出来的固体成分含若首先凝固出来的固体成分含60%B60%B,合金的成分为多少?,合金的成分为多少?(c)(c)成分为成分为70%B70%B的合金最后凝固的液的合金最后凝固的液体成分体成分?(d)(d)合金成分为合金成分为50%B50%B,凝固到
15、某温,凝固到某温度时液相含有度时液相含有40%B40%B,固体含有,固体含有80%B80%B,此时液体和固体各占多,此时液体和固体各占多少分数?少分数?你现在浏览的是第二十页,共55页合金的结晶只有在合金的结晶只有在缓慢冷却缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快,固溶体。但实际冷速较快,结晶时固相中的原子来不及结晶时固相中的原子来不及扩散,使先结晶出的枝晶轴扩散,使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素(如含有较多的高熔点元素(如Cu-NiCu-Ni合金中的合金中的NiNi),后结晶后结晶的枝晶间含有较多的低熔点的枝晶间含有较多的低熔点元素元素(如如Cu-
16、NiCu-Ni合金中的合金中的Cu)Cu)。(3)枝晶偏析枝晶偏析你现在浏览的是第二十一页,共55页V冷却冷却 ,原子扩散速度,原子扩散速度结晶速度结晶速度(3)枝晶偏析枝晶偏析你现在浏览的是第二十二页,共55页富富NiNi富富CuCuCu-NiCu-Ni合金晶内偏析的组织合金晶内偏析的组织你现在浏览的是第二十三页,共55页l在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作现象称作枝晶偏析枝晶偏析。它不仅与冷速有关,而且与液。它不仅与冷速有关,而且与液固相线的间距有关。固相线的间距有关。l冷速越大,液固相线间距越大,枝晶偏析越严重。冷速越大,液固
17、相线间距越大,枝晶偏析越严重。l枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下生产上常将铸件加热到固相线以下100-200100-200长时间长时间保温,以使原子充分扩散、成分均匀,消除枝晶偏析,保温,以使原子充分扩散、成分均匀,消除枝晶偏析,这种热处理工艺称作这种热处理工艺称作扩散退火扩散退火。(3)枝晶偏析枝晶偏析你现在浏览的是第二十四页,共55页Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织你现在浏览的是第二十五页,共55页l共晶反应:在一定共晶反应:在一定温度下,由一定成温度下,由一
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