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1、,3-3,二元合金相图的建立,相图是,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、成分下的各相关系的图解，,因此，又称为,状态图或平衡图,。,根据所建立的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,二元系合金在外,界压力恒定情况下，,其相图可以由温度,（纵轴）和成分（横,轴）平面坐标系表示。,如图所示,。,坐标系中的任意一点,叫做表象点。如点。,2,、二元合金相图的测定方法：,有实验法和理论计算法两种。,测定临界点的方法有：热分析法、金相法、膨,胀法、磁性
2、法、电阻法、,X,射线结构分析法等。,常见的方法是热分析法，如图,3,11,所示：,以,Cu-Ni,合金为例：,如图所示,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；,?,上临界点：结晶开始的温度；,?,下临界点：结晶结束的温度；,在以成分为横坐标，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；,热分析法,?,相图分析：,液相线：上临界点的,连线,abc,，叫做液相线；,固相线：下临界点的,连线,a,b,c,，叫做固相,线；,相区：固相区、液相,区、固液两相共存区；,3,、相律及杠杆定律：,3.1,相律及其应用,相
3、律是表示在平衡条件下，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。,相律可用下式表示：,2,?,?,?,p,c,f,当系统的压力为常数时，则为：,1,?,?,?,p,c,f,式中：,c,：系统的组元数；,p,：平衡条件下系,统中的相数；,f,：自由度数。,自由度是指在保持合金系中的相的数目不变的,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,。,利用相律可解决的问题：,利用相律确定系统中存在的最多平衡相数：,例如单元系，,c=1,，当,f=0,时，,p=1-0+1=2,，即在,某一温度下，同时共存的平衡相数不超过两个。,确定可变因素：,?
4、,纯金属结晶，,1,、,2,、,f=,1,0,，,纯金属结晶只能在恒温下进行；,?,二元合金结晶，在两相平衡时，,f=2-2+1=1,，说,明某一成分的二元合金的结晶过程是在一定温度,范围内进行。,?,三相平衡时：,2,3,1,0,，所以温度固定，,三个相的成分也固定；,3.2,、杠杆定律（只适用于两相区）,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。,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,通过温度,t,1,作一水平,线段,arb,，,C,L,、,C,分,别表示液、固两相,的成分。,?,?,L,下面计算液相和固相的相对含量。
5、设合金的总,质量为,1,，液相的质量为,W,L,，固相的质量为,W,，,则,W,L,+W,=1,合金中含,Ni,量为：,C,C,W,C,W,L,L,?,?,?,?,?,1,?,?,由以上两式可得出,ar,rb,W,W,L,?,?,（,3-4,）,%,100,?,?,ab,rb,W,L,%,100,?,?,ab,ar,W,?,3-4,匀晶相图及固溶体的结晶,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。,具有匀晶相图的合金有：,Cu-Ni,、,Ag-Au,、,Cr-Mo,、,Cd-Mg,、,Fe-Ni,、,Mo-W,等。,1,、相图分析,如图所示,Cu-Ni,合金
6、,相图。,1.1,点：,a:Cu,的熔点；,b:Ni,的熔点；,1.2,线：,amb:,液相线,;anb:,固相线,;,1.3,面：分为三个区,域：液相区,L,、固相,区,以及液、固两相,并存区,L+,。,a,b,m,n,2,、固溶体合金的平衡结晶过程：,2.1,合金的平衡结晶过程,:,极缓慢冷却条件下,;,以,30,Ni,的,Cu-Ni,合金为例：,1,3,结晶规律：,在温度不断下降过程中，,液相的成分不断的沿着,液相线变化，,相的成分不断的沿着固相线变化；,相的数量不断增多，液相的数量不断减少，在,一定温度下，两相的相对含量可以用杠杆定律计,算。,固溶体合金结晶过程是一个形核和长大的过程。
7、,形核地点必须满足结构起伏、能量起伏和成分起,伏的地方。,成分起伏：由于原子的运动，在任一瞬间，液相中,会有某些微小体积偏离液相平均成分，并且这些,微小体积的成分、大小和位置在不断变化中。,?,匀晶转变：是指结晶都是从液相结晶出单相的,固溶体的结晶过程。,2.2,固溶体合金的结晶特点：,2.2.1,异分结晶：,定义：是指结晶出的晶体与母相化学成分不同,的结晶。固溶体的结晶属于异分结晶。,同分结晶：是指结晶出的晶体与母相的化学成,分完全相同的结晶。纯金属结晶属于同分结晶。,固溶体结晶时溶质原子必须重新分配，用分配,系数表示。,平衡分配系数,k,0,：是指在一定温度下，固液两,平衡相中的溶质浓度之
8、比值，即：,C,和,C,L,为固相和液相的平衡浓度，,k,0,是常数。,k,0,值的大小，反映了溶质组元重新分配的强弱程度。,L,C,C,k,/,0,?,?,合金结晶时的两种情况：,k,0,1,液、固相线的水平距离越大，,k,0,值越小，,溶质组元的重新分配程度越大,k,0,1,液、固相线的水平距离越大，,k,0,值越大，,溶质主元的重新分配程度越大,2.2.2,固溶体合金的结晶需要一定的温度范围：,?,二元合金结晶，在两相平衡时，,f=2-2+1=1;,?,固溶体合金在结晶时，溶质和溶剂原子将发生,重新分配，并导致原子之间的相互扩散。,固溶体合金的平衡结晶过程：,假设：原液相的,成分为,C,
9、0,，在,温度,t,1,时开始结,晶，此时固溶体,晶核的成分为,k,0,C,1,，使界面处,液相的成分达到,C,1,。,固溶体合金在,t1,温度时的结晶过程：如图,3,18,所示；,固溶体合金在,t2,温度时的结晶过程：如图,3,19,所示；,在,t2,温度时，新晶核是在成分为,C,1,液相中产生；,总结：固溶体的结晶过程：,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,不平衡的发,展过程。,3,、固溶体的
10、不平衡结晶：是指偏离平衡结晶条,件的结晶。（冷却速度较快的实际情况）,液相中完全混合的情况：,3.1,结晶过程：,图中,1,2,3,4,为固相平均成分线；,?,当冷速越大，固相平均成分线偏离固相线的程,度越大。,?,当冷速非常缓慢时，它与固相线重合,3.2,晶内偏析：在一个晶粒内部化学成分不均匀的,现象。先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含,低熔点组元较多。,3.3,枝晶偏析：固溶体结晶为树枝晶时，结晶形成,的树枝状晶体中枝干与枝间化学成分不均匀的现,象，如图所示。,图,3,22,为,Cu-Ni,合金铸态组织；,3.3.1,影响偏析的因素：,分配系数,k,0,：偏析的最大程度为：,当,k,0,
11、1,时，,k,0,越小，偏析越大；,当,k,0,1,时，,k,0,越大，偏析越大。,所以，在相图中，如果液固相线的水平距离大，,即结晶的成分间隔大，则偏析严重。（相图形状）,溶质原子的扩散能力：结晶温度越高，溶质原,子扩散能力大，偏析程度小。,冷却速度：冷却速度大，晶内偏析越严重；但,冷却速度较大，可以得到细小晶粒,.,?,?,0,0,0,0,0,0,1,1,k,C,C,k,C,C,C,?,?,?,?,?,?,3.3.2,偏析的后果：,塑性、韧性显著降低；,耐蚀性降低；,3.3.3,消除偏析的办法：,扩散退火或均匀化退火：将铸件加热到低于固,相线,100-200,，进行长时间保温，使偏析元,素
12、充分扩散，以达到成分均匀化的目的。,如图,3,23,所示,；,细化组织，消除偏析；,3.4,区域偏析：,合金在结晶时，,在较大范围,（整个试样）,内化学成分不,均匀的现象。,条件：从左至,右定向凝固，,k,0,1,；,3.5,区域提纯：,提纯从图,3-25,中的曲线,b,看出。,实验：,影响提纯的因素：,k,0,越小，提纯的效果越好；,越小，提纯的效果越好；,搅拌越激烈，提纯的效果越好；,5,、成分过冷及晶体成长形状和铸锭组织的影响,5.1,形成成分过冷的条件及其影响因素：,?,过冷度：指平衡结晶温度与实际温度之差。,?,成分过冷：指的是由于液相中的成分变化引起的,过冷度。（由成分变化和温度分
13、布共同决定的,过,冷称为成分过冷）,设：成分为,C,0,的合金定向凝固且液体中只有扩散,无对流、搅拌；,液相线和固相线均为直线（,k,0,1,），见图）；,图）为液态合金中的实际温度分布，是正的温度梯,度；,固液界面的溶质分布如图）所示，并可知，在液相,中，随着距固液界面距离的增大，溶质浓度将降低；,由）可知，随着溶质浓度的减少，液相线温度将升,高，故得到液相线温度与到界面距离的关系为图）；,将）与）叠加起来，就构成了）图；,由图）可见，在液相区中，实际结晶温度低于平衡结晶温,度（液相线温度），形成过冷区域，图中阴影区为成分过冷,区,5.2,出现成分过冷的极限条件,:,液体的实际温度梯,度与界
14、面处的平衡结晶曲线恰好相切。即：,0,0,0,1,k,k,D,mC,R,G,?,?,?,式中：,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；,k,0,：分配系数。,讨论：,只有,时才会产生成分过冷。,0,0,0,1,k,k,D,mC,R,G,?,?,液相中的温度梯,度越小，成分过,冷区越大；,对于不同的合金,系，,m,越大（液相,线越陡）越有利于,产生成分过冷。见,图,3-20,。,5.3,成分过冷对晶体成长形状,:,5.3.1,长大形状的控制：,对于固溶体合金：温度梯度、成分过冷；,负温度梯度：树枝状长大,正温度梯度：,在,没,有,成,分,过,冷,，,以,平,面,状,长,大,。,在,较,小,成,分,过,冷,时,以,胞,状,长,大,。,在,较,大,成,分,过,冷,时,以,树,枝,状,长,大,。,图,3,30,表示了胞状界面的形成过程，具有胞状界面,的晶粒组织称为胞状组织或胞状结构，它的横截面的,典型形态呈规则的六变形，如图）所示；,
