合金的结晶过程较为复杂,通常运用合金相图来分析合金结晶...

工程材料原理
相图分析
典型合金的平衡结晶：
α固溶体合金（含Sn量小于19％的Pb-Sn合金）； 共晶合金（含Sn量为61.9％的Pb-Sn合金）； 亚共晶合金（含Sn量为大于19％小于61.9％的Pb-Sn 合金）； 过共晶合金（含Sn量为大于61.9％小于97.5％的PbSn合金）； β 固溶体合金（含Sn量大于97.5％的Pb-Sn合金）；
231.9 B 1
2 N 97.5 β
F Pb 20 40 WSn（%） Pb-Sn相图 60 80 Sn
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计算α和β相的 质量分数
Ni
Crystal Structure
FCC
r (nm)
0.1246
Cu
FCC
0.1278
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Melting of pure metals and alloys
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（2）在非常缓慢冷却条件下测定各合金从液态到 室温的冷却曲线
80%Ni 60%Ni 100%Ni
特点：
温 度 ℃
40%Ni
LE C N
恒温
3）cf：为Sn在Pb中的溶解度线（或α相的固溶线）。温度降低， 固溶体的溶解度下降。从固态α相中析出的β相称为二次β，常 写作βⅡ。这种二次结晶可表示为：α→βⅡ 。 4）eg：为Pb在Sn中溶解度线（或相的固溶线）。Sn含量小于g 点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次α；即 β→αⅡ。
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液态合金冷却到1点温度以后, 发生匀晶结晶过 程, 至2点温度合金完全结晶成 α固溶体, 随后的冷 却(2～3点间的温度), α 相不变。从3点温度开始, 由于Sn在α中的溶解度沿 cf 线降低, 从 α 中析出βII, 到室温时α中Sn含量逐渐变为 f点。最后合金得到 的组织为α+ βII 。其组成相是 f点成分的 α 相和 g 点成分的 β相。
结构： 3个单相区
3个两相区
1个三相区
工程材料原理 1） adb，acdeb：Pb—Sn合金相图，adb为液相线， acdeb 为固相线，合金系有三种相，相图中有三个单相区（L、α、 β）；三个两相区（L+α、L+β、α+β）；一条的三相L+α+β 共存线（水平线cde）。d点为共晶点。 2） cde：这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应 叫做共晶反应。所生成的两相混合物叫共晶体。水平线MEN为 共晶反应线。
工程材料原理 （3）找出各合金冷却曲线上的临界点 , 并将它们标注在成 分—温度坐标系。将各成分线上具有相同意义的点连接成线 ,
并根据已知条件和实际分析结果写上数字、字母和各区所存在 的相或组织名称 , 就得到一个完整的二元合金相图。
100%Ni
80%Ni 60%Ni
TNi
温 度 ℃
40%Ni
20%Ni
Q QL b1c1 a1b1 L% ， % Q合金 a1c1 Q合金 a1c1
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杠杆定律的证明和力学比喻
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课堂作业：证明杠杆定律
运用杠杆定律时要注意，它只适用于相 图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点， 而支点为合金的成分点。 [老师提示] 杠杆定律是计算合金平衡组织中的组成相 或组织组成物的质量分数的重要工具。应当 熟练掌握和运用。
在1点温度以上, 合金为 液相L。缓慢冷却至1～2 温度之间时, 合金发生匀 晶反应: L→α, 从液相中 逐渐结晶出 α固溶体。2 点温度以下, 合金全部结 晶为 α固溶体, 其它成分 合金的结晶过程也完全 类似。
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(2)匀晶结晶有下列特点：
1）与纯金属一样，α 固溶体从液相中结晶出 来的过程中，也包括有生核与长大两个过程， 但固溶体更趋向于树枝状长大。
运用杠杆定律, 两相的质量分数为（画出杠杆）
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(2)合金Ⅱ的结晶过程
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LE=αM+βN
合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组 成物（即共晶体）；而其组成相仍为α和β相。
共晶合金组织的形态
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工程材料原理 (3)合金Ⅲ的结晶过程
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合金的室温组织为 初生α+βⅡ+(α+β) 合金的组成相为α和β。
（一）二元相图的表示方法
对二组元凝聚系统，常压范 围内压力对体系的影响可以忽略 不计，二元相图可以用一个二维 平面图形来表示。
t/℃
E
WB（%）
通常以温度和成分为坐标轴的温度-成分图来表示，图 中任一点叫做表象点，表象点的坐标值反映了一个给定合 金的成分和温度。
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（二）二元相图的建立方法
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1. 发生匀晶反应的合金的结晶
匀晶转变：从液相中不断结晶出单相固溶体的过程 称为匀晶转变。 匀晶相图：二组元在液态、固态时均能无限互溶的 二元合金相图就是匀晶相图。这样的二元合金系 称为匀晶系。 属于匀晶系的合金系有Cu-Ni、Nb-Ti、AgAu、Cr-Mo、Fe-Ni、Mo-W等。几乎所有二元合 金相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类 相图是学习二元合金相图的基础。
20%Ni
1. 纯金属冷却曲线上有水平台阶，是 TNi 因为凝固时释放的结晶潜热补偿了 冷却时的热量散失，故温度不变； 说明纯金属凝固是恒温过程；
T2. Cu
100%Cu
时间
Cu-Ni合金相图的测绘 冷却曲线
合金冷却出现二次转折，是因为合 金凝固时释放的结晶潜热只能部分 补偿冷却时的热量散失，使冷却速 Cu 20 40 60 80 Ni 率降低，出现第一个拐点，凝固结 Ni % 束后，没有潜热补偿，冷却速率加 快，出现第二个拐点，两个点分别 为凝固开始点和凝固结束点。
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由相律可知三相共存时自由度为： f =C－Ф+1=2-3+1=0，因此共晶转变必定是恒温 过程，共晶线为一水平线，且三相成分确定。
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(1) 合金Ⅰ的平衡结晶过程
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合金室温组织由α和 βⅡ组成，即为组织组成 物。组织组成物是指合金 组织中那些具有确定本质， 一定形成机制的特殊形态 的组织部分。
TCu
100%Cu
时间
（
Cu
20
40
60
80 Ni Ni %
a）
（ b） Cu-Ni合金相图的测绘 （a）冷却曲线 （b）Cu-Ni相图
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2.2.1 二元合金的结晶
根据结晶过程出现的不同类型的结晶反应， 把二元合金反应分为以下几种基本类型：



1. 2. 3. 4. 5.
发生匀晶反应的合金的结晶 发生共晶反应的合金的结晶 发生包晶反应的合金的结晶 发生共析反应的合金的结晶 含有稳定化合物的合金的结晶
时间
3）在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确 定的。
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4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的，如在 温度T1时，两相的质量比可用下式表达：
QL b1c1 Q a1b1
式中，QL为L相的质量；Qα 为α 相的质量；b1cl、a1cl为线段长度， 可用其横坐标上的数字来度量。上式亦被称为杠杆定律。由杠杆 定律可算出在T1时液相和固相在合金中的质量分数：
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合金的组成相为 α 和 β , 它们的质量分数为：
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(4)合金IV的结晶产物


β+αⅡ+(α+β)
计算α和β相的质量分数
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（5）合金5的冷却
400 温 A 5 度 300 327.5 1 ℃
200 2 100 α M 19 3
L 1 183 2 α +β G E 61.9 L+β
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2．2合金的结晶ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
合金的结晶过程较为复杂，通常运用合金相图来分析合 金结晶过程。 相图：表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之 间关系的简明示图。也称平衡图或状态图。 平衡：在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成 分和相对质量不再变化所达到的一种状态。
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二元相图的表示与建立方法
实验测定相图的方法有：热分析法、金相法、X射线衍射法等。
现以热分析法确定Cu-Ni相图的建立过程：
（1）先配制一系列不同成分的Cu-Ni合金；
1）纯铜（熔点1083 ℃ ）
2） wCu80%+wNi20%的合金
3） wCu60%+wNi40%的合金 4） wCu40%+wNi60%的合金 5） wCu20%+wNi80%的合金 6）纯镍（熔点1452℃）
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
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具有极值的匀晶相图
特点：对应极大点和极小点成分的合金，液相线 与固相线在极值点处重合，液固二相成分相同， 凝固时不存在凝固温度区间，在恒温下凝固。
课堂 练习
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2.发生共晶反应的合金的结晶
共晶反应：由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应。 生成的两相混合物叫共晶（Eutectic）组织。 共晶反应：L≒α+β
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5）固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却 较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不 均匀的固溶体。一个晶粒中先结晶的树枝晶晶 枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含 低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学 成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。消 除枝晶偏析的方法采用扩散退火。
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2）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即 为一个变温结晶过程。
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温 度 L4 A 1083℃ L3 L2 t4
I L1 t3
L L+α t α 1 t2 α α 3 2
B 1452℃
1
L L α
、α 4 3
α
α
Cu
XL X0 Xα Ni % Ni （a） （b） 图3-4 Cu-Ni合金相图
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相图结构：
（1）三个相区：两个单相区和一个双相区（L+α相区）。 （2）两条线：液相线，固相线。
液相线
温 度
L B 1452℃ L+α
α是固溶体，即为铜、 镍两组元组成的二元互 溶体系。
固相线
A
1083℃
α
Cu Ni % Cu-Ni合金相图
Ni
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(1)相图分析 Cu—Ni相图为典型的匀晶相图。Al1B线为液相 线，Aa1B为固相线，图中有两个单相区和一个双相 区（L+α 相区）。 以Ⅰ点成分的Cu—Ni合金（Ni的质量分数为b%）为 例分析结晶过程。