第5章 二元相图-5

11
铸锭（件）的缺陷

缩孔与疏松
12
缩孔（集中缩孔）：液体金属浇入铸型后，因凝固 体积收缩，没有液体继续补充而在铸锭上部出现的 空洞。 9 特征：在铸锭的上部。 9 防止办法：加保温帽。
¾
13
疏松（分散缩孔）：树枝晶生长过程中，分枝相互 接触，包围在树枝之间的未凝固液体凝固发生收缩 时，没有液体流入补充，形成一些分散的细微的缩 孔。 9 特征：分散、形状不规则、内部无气体。 9 造成：组织不致密、强度下降。 9 但一般能经锻轧而压合。

18
• •
正常偏析一般难以完全避免，使铸件性能不良。 随后的热加工和扩散退火处理难以使其根本改善， 故应在浇注时采取适当的控制措施。
19
9
• •
负偏析 负偏析是指与正常偏析相反的偏析。 形成原因：K0< 1的合金，凝固时将溶质排出到液 固界面前沿，形成成分过冷，生成根部呈细颈的晶 体；铸件继续凝固发生体积收缩，晶体之间产生空 隙；温度降低，使液体中气体析出形成压强，把中 心溶质浓度高的液体沿柱状晶之间的“渠道”压至铸 件的外层，形成反偏析。
20
9
• •
◊ ◊
比重偏析 比重偏析是由于液固相间比重显著差异引起的偏 析，轻的一相上浮，重的一相下沉。 防止或减轻的办法： 增大冷速，使先结晶相来不及上浮或下沉。 加入第三组元，形成熔点较高、比重与液相接近的 树枝状化合物，先结晶出来形成树枝状骨架，阻止 偏析相沉浮。
21
（2）显微偏析 显微偏析是在显微镜下才能检视到的偏析。可分为 枝晶偏析、胞状偏析、晶界偏析3种。 9 枝晶偏析（晶内偏析） • 合金以树枝状结晶，先结晶的枝干含高熔点组元 多，后结晶的枝晶间含低熔点组元多的现象。 • 消除办法：扩散退火。

2
9
•
•
9
为什么表层细等轴晶区很薄？ 晶核沿模面生成并垂直于模壁长 大（散热快），而模面不可能很 光滑，有凹凸不平，所以晶核长 大时，大多数枝晶要相互干扰， 长大受到限制。 凝固体积收缩与模壁脱离，形成 气隙，冷却速度减慢。 细等轴晶区的性能：强度高，各向同性。但由于这 层很薄，没有多大实际意义。
35
四.由二元系自由能－成分曲线绘制相图
36
37
¾
8
9
•
•
中心区晶种来源 仔晶卷入理论：模壁表面形成的晶体由于对流作用 而被冲刷到锭心部位，如果浇注温度不高，这些晶 体未熔化，成为中心的晶种。 枝晶漂移理论：柱状晶侧面晶枝熔断与柱状晶分 离，被对流的液体带到中心成为晶种。
9
晶体下沉理论：铸锭顶部辐射散热冷却快，形成小 晶体。固、液比重不同，小晶体下沉成为晶种。 • 成分过冷理论：结晶过程中，杂质等被排到液体中 心区，使液体成分改变，出现过冷，这些杂质作为 非自发核心，在成分过冷下，成长为等轴晶。 9 中心等轴晶区的性能：晶粒犬牙交错，力学性能 好，强度高，不易开裂。（但中心有疏松）。 9 一般希望此晶区比例多。 •
¾
22
9
•
•
胞状偏析 固溶体晶体以胞状方式生长时，K0<1的合金，在 胞壁处溶质富集； K0>1的合金，在胞壁处溶质贫 化的现象。 消除办法：扩散退火。
23
9
• •
晶界偏析 晶界偏析是指晶界处溶质、杂质富集的现象。 晶界偏析往往容易引起晶界断裂，一般要求设法减 小晶界偏析的程度。
24
第四节 相图热力学的基本要点
¾
14
气泡（气孔）与夹杂 ¾ 气泡（气孔） 9 形成： • 一般金属液体溶解较多的气体，固体只能溶微量气 体，在凝固时，要放出气体。 • 金属在凝固时发生化学反应放出气体。 • 在缓慢凝固时，液体的流动性好，气体能顺利向铸 锭上方逸出去。 • 若凝固速度快，气体上浮速度小于结晶速度，则气 体将流在金属内部占有一定空间，形成了气泡。
26
式中： NA为阿伏加德罗常数； Z为配位数； eAA、eBB、eAB分别为A-A、B-B、A-B对组元的 结合能。
27
给定温度下，固溶体的自由能—成分曲线：

（a）Ω＜0： eAB ＜(eBB+eAA)/2， 固溶体短程有序分布。
28

（b）Ω=0： eAB=(eBB+eAA)/2， 组元随机分布形成理想 固溶体。
¾
17
偏析 偏析是指化学成分的不均匀性。 ¾ （1）宏观偏析（又称区域偏析） 宏观偏析是经浸蚀后由肉眼或低倍放大可见的偏析。 分为正常偏析、反偏析、比重偏析3类。 9 正常偏析（正偏析） • K0<1的合金，先凝固的区域溶质（或杂质）的浓 度低于后凝固的区域。 • K0>1的合金，先凝固的区域溶质（或杂质）的浓 度高于后凝固的区域。
33
三相平衡时：三条自由能成分曲线也必然有一条公切 线，三个切点成分为三平衡相成分。
切点a为α相成 分，切点b为β 相成分，切点c 为γ相成分。 a点左边为α相 区，c点右边为 γ相区，在a－c 之间为β＋α＋ γ三相区。
34
存在中间相时的公切线法则：


中间相为γ相。 中间相（化合物）由于组元 间有一定比例，自由能－成 分曲线上只在一定浓度处出 现明显的最低值，当偏离这 个最低值，曲线陡直上升。 化合物越稳定，自由能－成 分曲线的最低点越向下移。 出现几个不同的两相平衡区 域。
29

（c）Ω＞0： eAB＞(eBB+eAA)/2， A、B组元倾向分别聚集 形成偏聚。
在两个最低点之间成 分范围内合金以两个 混合相存在，自由能 低于单相固溶体。
30
二.合金中两组元化学位的确定
XB成分合金中A、 B两组元的化学位： 在自由能－成分曲 线上作XB成分点 的切线与两组元轴 相交，其截距μA 代表A组元的化学 位，μB代表B组 元的化学位。
4
5
柱状晶粗大的原因：由于细晶带中可作为柱状晶长 大基础的枝晶的主干是极少的，所以柱状晶粗大。 9 柱状晶的长度：主要取决于柱状晶前沿液体中是否 有正在成长的晶粒阻挡它的成长。要在液体前方有 一个小的过冷度，保证一定的温度梯度，使之不能 独立形核，仅使柱状晶生长。 9 柱状晶的性能： • 各向异性，纵向强度高，横向强度低。 • 组织致密，但若两柱晶之间有杂质，减小了结合 力，强度不高；在柱状晶交界处存在杂质。
31
三.相平衡的条件——公切线法则
两相平衡时：应有μαA=μβA；μαB=μβB。可以用相的自由能 曲线的公切线（公切面）的切点来确定相的平衡成分。
a点对应α相成分 ， c点对应β相成分 。 合金成分小于 ， ，处于α相； 合金成分大于 ， ，处于β相； 合金成分在Xα－Xβ之 间 ，α＋β共存。
相图的理论基础是热力学，可以用热力 学理论来说明和解释相图。 本节的主要目的时应用相图热力学的基 本原理来分析相图。
25
一.固溶体的自由能—成分曲线
固溶体的自由能
式中： XA、XB：分别表示组元的摩尔分数； μoA、μoB：分别表示A、B组元在T(K)温度的摩 尔自由能； R：气体常数； Ω：相互作用参数。

15
特征：形状规则、内部充满了气体。 9 金属内部的气泡大多数可以经锻轧压合，但表面下 的气泡，在锻轧时，由于被氧化而不能被压合，形 成起皮和裂纹。 9 所以在冶炼和铸造时，要减少液体吸气和有利于气 体排出。在金属与合金组织中、同组成相的成分 与结构不同的微量化合物相。 9 按其来源分类： • 外来夹杂物：从浇注系统和铸模中混入液体中的夹 杂。 • 内生夹杂物：在冶炼和凝固过程中通过内部反应生 成的夹杂。如，硫化物、氧化物、硅酸盐等。
3
柱状晶区 9 形成原因
¾
•
•
•
由于锭的内外温差逐渐减小，激冷细晶前沿液体中过冷 度变小，不能独立形核。凝固的继续是靠细晶中取向有 利的晶粒快速向液体中成长（一般那些一次轴平行于垂 直模壁方向的晶粒成长速度最快），其他取向的晶粒受 到限制。 由于优先成长的晶粒并排向液体中生长，侧面受到彼此 的限制而不能侧向生长，只能沿散热方向方向单向生 长，结果形成柱状晶带。 各柱状晶的成长位向都是一次轴方向，形成择优取向， 称为“铸造织构”。
10
¾
¾
¾ ¾
影响铸锭组织的因素 浇注温度：提高浇注温度，有利于柱状晶生长。因 为提高浇注温度，可使液体较长时间保持正的温度 梯度；同时可使液体中非自发核心减少。 铸模的冷却能力：冷却能力大，有利于柱状晶生长。 因为模的冷却能力大，可以把热量较快传导出去， 保证液体保持正的温度梯度。 液体的流动能力：搅拌、振动有利于等轴晶生长。 加入形核剂：有利于等轴晶生长。
9
6
两个垂直方向生长的 柱状晶相遇，会形成杂质、 气泡的富集地区，是铸锭 的脆弱结合面，强度低， 在锻、轧时易沿此开裂。 所以除了一些有色金 属由于本身塑性较好，在 形成柱状晶后可使致密度 增加而希望获得柱状晶 外，一般都设法减少铸锭 中的柱状晶区。
7
中心粗等轴晶区 9 形成原因： • 随柱状晶向前移，散热速度减慢，温度梯度逐渐平 坦。 • 铸锭中心整个液体达到过冷。 • 中心存在晶核（晶种）并沿各个方向长大。
三.合金铸锭（件）的组织与缺陷
铸锭（件）的宏观组织
外层是随机取向 的等轴状的表层细晶 区，又称激冷区。 平行于热流方向 排列的是柱状晶区。 铸锭中心是较粗 大的随机取向的中心 等轴晶区。 这3个晶区的相对 厚度（或有无）取决 于铸锭的成分及凝固 条件。
1
铸锭组织形成机理 ¾ 表层细等轴晶区（激冷层） 9 形成原因 • 自发形核：刚浇注后，由于液态金属温度高，与模 壁接触部分受到激烈冷却，达到很大的过冷度，临 界晶核半径小，形核率高，产生大量的自发核心。 • 非自发形核：由于模面凹凸不平，提供了大量现成 的界面，作为非自发形核的基地，形成许多小核心。 • 由于核心多，稍一长大，相互碰撞，则停止长大， 所以晶粒细小。