第三四节合金相图的建立课件.ppt

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1、3-3 二元合金相图的建立二元合金相图的建立r 相图相图:表示合金系中合金的状态与温度、成分间的关系的图解，是表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成分下的各种关系的图解，因此，又称为状态图或平衡图。r 根据相图可以给出不同温度时合金的组织状态及其随成分而改变的规律。因此，相图是研究金属材料的一个重要的工具。1、二元相图的表示方法、二元相图的表示方法r 合金存在的状态通常由合金的成分、温度、压力三个因素确定。r 由于合金的加工处理都在常压下进行，外界压力恒定，所以合金的状态可以由合金的成分和温度两个因素确定。r 因此，相图可以由成分和温度平面坐标系表示。横坐标为成分，纵坐标为温度。2、二元合金相

2、图的测定方法：、二元合金相图的测定方法：q 建立相图的方法建立相图的方法:实验法和理论计算法，常用实验法。q具体做法具体做法:配制一系列不同成分的合金.测定合金的相变临界点.(测冷却曲线,找出曲线的转折点)标定临界点.(将这些点标在成分-温度坐标图上)绘制合金相图.(把意义相同的点联成线，这些线将坐标图分成几个区域,即相区.把各相区存在的相标出，相图的建立即完成)以以Cu-Ni合金为例合金为例：(用热分析法测定相图)配制一系列不同成分的Cu-Ni合金；测定各合金的冷却曲线；找出各合金的临界点；n上临界点：温度较高的临界点（转变开始的温度）n下临界点：温度较低的临界点（转变结束的温度）在以成分为

3、横坐标,以温度 为纵坐标的坐标系中,将 意义相同的临界点连接起来,便得到Cu-Ni相图；冷却曲线冷却曲线r 冷却曲线的讨论冷却曲线的讨论:在纯Ni和纯Cu的冷却曲线上均出现一个水平线段,水平线两端点分别代表纯金属结晶的开始和终了点,水平线段表明纯金属的结晶是一个恒温过程.原因原因:纯金属结晶时释放出的潜热补偿了冷却散失的热量,所以冷却曲线上出现了平台.在合金的冷却曲线上,都没有水平线段,而是出现一段折线,折线两端点分别对应该合金的两个临界点,中间的折线表明合金在一定温度范围内结晶.原因原因:合金结晶过程中释放出的潜热不足以补偿热量的散失,只能使合金温度下降变慢,因此冷却曲线上出现上临界点.结晶

4、终了后,液相消失,不再释放潜热,温度下降速度变慢,出现下临界点.r 相图分析：相图分析：液相线：上临界点的 连线abc，叫液相线；固相线：下临界点的 连线abc，叫固相线；相区：固相区()、液相区(L)、固液两相共存区(L+)Cu-Ni 相图3、相律、相律q相律：相律：表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系，是系统的平衡条件的数学表达式。相律的表示式：其中，c：系统的组元数；p：平衡条件下系统中的相数；f：自由度数 当系统的压力为常数时有:q 自由度：自由度：是指在保持合金系中相的数目不变的条件下，合金系中可以独立改变的、影响合金状态的内部及外部因素的数目.q 影响合金状态的

5、因素有合金的成分、温度和压力.当压力不变时，只有温度和成分两个因素决定q 对于纯金属，(成分固定不变,只有温度独立改变),自由度f 最多为1；对于二元合金，(已知一个组元含量,合金成分可以确定,合金成分独立变量只有一个,加上温度因素,最多为2 以此类推,三元合金自由度数最多为3；四元系为4r利用相律可解决的问题：利用相律可解决的问题：确定系统中存在的最多平衡相数：确定系统中存在的最多平衡相数：eg.对于单元系,组元c=1,当f=0时,p=c-f+1=1-0+1=2，即单元系中同时共存的平衡相数不超过两个。对于二元系,组元c=2,当f=0时,p=c-f+1=2-0+1=3,即二元系中同时共存的平

6、衡相数最多为3个。解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别eg.对纯金属结晶，当存在两相时，p=2,c=1，则f=c-p+1=0.所以,纯金属结晶只能在恒温下进行；二元合金结晶,两相平衡时,c=2,p=2,则f=2-2+1=1,还有一个可变因素即温度,故二元合金的结晶在一定温度范围内进行 4 杠杆定律杠杆定律r 杠杆定律适用于二元系合金中，在两相区中确定相的相对含量。T不变,c=2,f=0,两平衡相的成分不变。r在Cu-Ni二元合金中，Ni的含量为C%的合金在温度t1时，两相平衡,即 r通过温度t1作一水平线段arb,与液、固相交于a和b，其坐标轴投影CL、C为

7、液、固相成分。r 计算液相和固相的相对含量计算液相和固相的相对含量设合金I总质量为1,液相质量为WL,固相质量为W则WL+W=1 (1)此外,合金中含Ni量为：WL CL+WC=1.C (2)由以上两式得出:两相含量两相含量:3-4 3-4 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的结晶r 匀晶相图：是指两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶的二元合金所形成的相图。r具有匀晶相图的合金有：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、Mo-W等。r匀晶转变:结晶时从液相结晶出单相 固溶体的结晶过程。一、相图分析一、相图分析(以Cu-Ni相图为例)r两条曲线两条曲线:液相线和固相线r

8、三个区域三个区域：液相区L、固相区以及液固两相共存区L+二、固溶体合金的平衡结晶过程r平衡结晶:合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程r 以以30Ni的的Cu-Ni合金为例：合金为例：温度缓冷至t1时,开始由液相中结晶出固溶体 当温度缓冷至t2时,一定数量的固溶体结晶出来，此时固相成分为2,液相成分为L2,为达到相平衡，原有的1成分改变为2，液相成分由L1向L2改变。结果:随温度降低,固相不断增多,液相L不断减少。依次类推,当温度冷却到t3时，结晶结束，得到与原合金成分相同的固溶体。r固溶体合金与纯金属结晶过程的相同点：n也是一个形核和长大的过程。形核时，须满足结构起伏、能量起伏、成分起伏（概念

9、 P76）原因:满足晶核大小超过一定临界值的要求（结构起伏）满足形成新相对形核功的要求（能量起伏）结晶出的固相与液相成分不同的要求（成分起伏）r 固溶体合金的形核地点：n 结构起伏、能量起伏、成分起伏都能满足的地方r 因为，结晶时,过冷度越大，临界晶核半径r越小（满足结构起伏）形核所需能量起伏越小（满足结构起伏）越易满足成分起伏的要求（满足结构起伏）r所以，过冷度越大,形核率越大,易获得细小晶粒组织r 固溶体合金与纯金属结晶过程的不同点：1、固溶体合金的结晶属于异分结晶异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同同分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分完全相同 （纯金属结晶的结晶）2、固溶体合金的结晶

10、需要一定温度范围r固溶体的结晶属于异分结晶，结晶时溶质原子要在固、液相间重新分配，用平衡分配系数表示。r 平衡分配系数k0：在一定温度下，固液两平衡相中的溶质浓度之比值，即：其中，C 为固相的平衡浓度，CL为液相的平衡浓度 假定固相和液相线为直线，则k0为常数，如图 1、固溶体合金的结晶属于异分结晶当液相线和固相线随着溶质浓度的增加而降低时，k01；当液相线和固相线随着溶质浓度的增加而增加时，k01。当k01时，k0 值越小，液相线和固相线间水平距离越大；当k0 1时，k0 值越大，液相线和固相线间水平距离越大；因此，k0值的大小，反映了溶质组元重新分配的强弱程度。k01k0 12、固溶体合金

11、的结晶需要一定的温度范围r 固溶体在结晶过程中，在每一温度下，只能结晶出一定量的固相。r 随着温度的降低，固相的数量增加，同时固相和液相成分分别沿固相线和液相线连续改变，直至固相线的成分与原合金成分相同，结晶结束。r这表明，固溶体合金结晶时始终进行着溶质溶剂原子的扩散，这需要足够长的时间，来保证结晶的进行。r原因：原因：固溶体合金在结晶时，溶质和溶剂原子将发生重新分配，导致原子之间的相互扩散。固溶体合金的平衡结晶过程 我们来分析固溶体合金的结晶过程。如图，设合金成分为C0，在t1温度开始结晶，形成成分为k0C1的固溶体晶核，那么，此时的液相成分就成为C1。r 因此，固溶体合金的结晶过程可以总结

12、如下：固溶体晶核的形成（或原晶体的长大），造成相内（液相或固相）的浓度梯度，从而引起相内的扩散过程，破坏了相界面处的平衡（造成不平衡），因此，晶粒必须长大，才能使相界面处重新达到平衡。可见，固溶体晶体的长大过程是平衡不平衡平衡不平衡的辨证发展过程。r 由以上的学习可知，固溶体合金的结晶过程与液固相内的原子扩散过程密切相关。只有在非常缓慢的冷却条件下，才是平衡结晶，才能使扩散过程进行完全，使液固相整体均匀一致。r但在实际生产中，液态合金浇入铸型后，冷却速度较大，在一定温度下扩散过程未完全进行时，温度就继续下降，这样液固相内就会保持一定的浓度梯度，造成各相内成分的不均匀，这种偏离平衡结晶条件的结晶

13、，称不平衡结晶。三、固溶体的不平衡结晶三、固溶体的不平衡结晶r 设液相可以充分混合，而固相内来不及扩散，合金成分为C0。r 当由温度t1下降到t4时,如果是平衡结晶的话,通过扩散,固相成分将沿成分线1234变化.(液相成分沿L1L2L3L4变化）r但实际上,由于冷却速度快,固相内来不及进行扩散,造成晶体内外成分很不均匀，导致固相沿平均成分线1234 变化。r 冷却速度越快，固相平均成分线偏离固相线的程度越大。r 由图中看出，固溶体不平衡结晶的结果，使前后从液相中结晶出的固相成分不同。由于冷速较快，不能使成分扩散均匀，导致每个晶粒内部化学成分很不均匀，形成晶内偏析。r 晶内偏析：在一个晶粒内部化

14、学成分不均匀的现象。由于固溶体晶体呈树枝状，枝干与枝间化学成分不同，因此又称枝晶偏析.与分配系数k0有关 偏析的最大程度为：当k01时,k0越小,偏析越大;当k01时,k0越大,偏析越大。与溶质原子的扩散能力有关 结晶温度越高，溶质原子扩散能力大，偏析程度小；反之,则偏析较大.与冷却速度有关 一般,冷却速度越大,晶内偏析越严重;但是,冷却速度大，过冷度也大,可得到较细小晶粒,反而能够得到成分均匀的铸态组织。r 影响晶内偏析的因素r 晶内偏析对性能的影响晶内偏析使合金的机械性能下降，塑韧性显著降低。晶内偏析也使合金的抗蚀性能降低。r晶内偏析的消除方法 采用扩散退火或均匀化退火的方法，将铸件加热到

15、低于固相线100-200的温度，长时间保温，使偏析元素充分进行扩散，以达到成分均匀化的目的。r 固溶体合金在不平衡结晶时所形成的晶晶内偏析内偏析，属于一个晶粒范围内晶轴与枝间的微观偏析。r 除此之外,固溶体合金在不平衡结晶时还会在大范围内出现化学成分不均匀的现象，形成宏观偏析，即区域偏析区域偏析。四、区域偏析 仍以固相内无扩散，液相借助扩散、对流，化学成分可以充分混合的情况为例，来讨论区域偏析形成的原因。2 平衡结晶平衡结晶-图中图中a3固相无扩散，液相只有扩散，无对流或搅拌时固相无扩散，液相只有扩散，无对流或搅拌时-混合差。图中混合差。图中ct=t1t=t24 实际的不平衡结晶实际的不平衡结

16、晶-介于介于2和和3之间，图中之间，图中d。五五 区域提纯区域提纯r可依据区域偏析的原理来提纯金属。从 图3-25中的曲线b看出：在定向凝固、对流、搅拌的情况下，可以使试棒起始凝固端部的纯度提高，所以可利用该原理提纯金属，但这种提纯方法比较复杂，可采用区域提纯区域提纯。r区域提纯区域提纯:将金属棒从一端向另一端顺序地进行局部熔化,凝固过程也随之顺序进行.由于固溶体是选择结晶,先结晶的晶体将杂质排入熔化部分的液体中.这样,圆棒中的杂质就富集于另一端,重复多次,即可达到提纯。r影响提纯效果的因素影响提纯效果的因素:熔化区长度、k0大小、液相搅拌程度溶化区长度L越小，提纯效果越好；原因原因:溶区较长

17、,会将已经推到另一端的溶质原子重新熔化而又跑向低的一端.K0越小，提纯效果越好；搅拌越好，提纯效果越好；r方法：方法：感应加热、电磁搅拌,使液相内溶质浓度易于均匀.反复几次,可使金属棒的纯度大大提高.r应用：应用：半导体材料、金属、有机及无机化合物等.六、成分过冷及其影响六、成分过冷及其影响r纯金属的结晶过程：纯金属的结晶过程：如果固液界面前沿液体中的温度梯度是正值，固液界面呈平面状成长；而当温度梯度是负值时，则固液界面呈树枝状成长。r固溶体合金的结晶：固溶体合金的结晶：即使温度梯度是正值，固液界面也呈树枝状及胞状成长。r原因：原因：固溶体合金在结晶时，溶质组元重新分布，在固液界面处形成溶质的

18、浓度梯度，产生成分过冷。1、形成成分过冷的条件及影响因素、形成成分过冷的条件及影响因素注：液相中只有扩散，无对流、搅拌r 过冷度：平衡结晶温度与实际温度之差。r 成分过冷：由于液相中的成分变化引起的过冷度。r 出现成分过冷的极限条件:液体实际温度梯度与界面处平衡结晶曲线恰好相切。即：G:固液界面前沿液相中的实际温度梯度；R:结晶速度（固液界面向液相中的推进速度）；m:相图上液相线的斜率；D:液相中溶质的扩散系数；k0:分配系数r只有 时才会产生成分过冷。对于一定的合金系，m、k0、D为定值，因此，液相中的温度梯度越小，成长速度R和合金元素的含量C0越大，越有利于产生成分过冷。如图,温度梯度越平

19、缓,成分过冷区就越大.2、成分过冷对晶体成长形状和铸锭组织的影响、成分过冷对晶体成长形状和铸锭组织的影响r纯金属的形态主要受温度梯度的影响.r固溶体合金的形态除受温度梯度的影响外,最主要受过冷度的影响.温度梯度为负时,结晶时晶体易于长成树枝状温度梯度为正时,由溶质元素在固液界面前沿的富集而形成的成分过冷,将对固溶体合金的晶体形态产生很大影响.r成分过冷对晶体成长形状的影响成分过冷对晶体成长形状的影响(3种状态)1 没有成分过冷没有成分过冷平面状长大。平面状长大。若温度梯度为G1,晶体呈平面状长大,长大速度完全受散热控制,形成平面状晶粒界面.2 有较小的成分过冷区有较小的成分过冷区-胞状晶长大。

20、胞状晶长大。若温度梯度为G2,固液面前沿存在较小成分过冷区,平滑界面上突起部分可伸入过冷区长大.3 成分过冷进一步增大成分过冷进一步增大树枝晶长大树枝晶长大若温度梯度为G3,结晶条件与纯金属在负温度梯度下的相似,界面突出部分可向液相中突出较大距离,生长时产生分枝,形成树枝晶.溶质多，过冷度小，长大速度小沟槽。溶质多，过冷度小，长大速度小沟槽。r成分过冷对铸锭组织的影响成分过冷对铸锭组织的影响r固溶体合金的铸锭组织固溶体合金的铸锭组织 由表面细晶区、柱状晶区和中心粗大等轴晶区组成。为获得性能优良的铸锭，希望获得全部的等轴晶组织。r措施：措施：加大固液界面前沿的成分过冷区，当成分过冷度大于形成新晶核所需过冷度时，就在界面前沿的液相中产生新的晶核，添加形核剂，使之在成分过冷区形核，柱状晶成长受新晶核限制，可获得发达等轴晶组织。r 成分过冷区大小的控制成分过冷区大小的控制通过温度梯度G、晶粒长大速度R和合金成分控制如右图:n当溶质含量一定时,随着G/R的增加,成分过冷区减小,铸锭组织由等轴晶向柱状晶发展;n当G/R固定时,随着Mg含量的增加,成分过冷区增加,铸锭组织由柱状晶向等轴晶过渡.