第三章 二元合金相图和合金的凝固 §3.2 匀晶相图及固溶体的结晶 《金属学与热处理》 教学课件

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易于形成树枝状
§3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
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Design of a Composite Material
One method to improve the fracture toughness of a ceramic material is to reinforce the ceramic matrix with ceramic fibers. A materials designer has suggested that Al2O3 could be reinforced with 25% Cr2O3 fibers, which would interfere with the propagation of any cracks in the aluminia. The resulting composite is expected to operate under load at 2000℃ for several months. Criticize the appropriateness of this design.
m －液相线斜率；
C
－合金溶质浓度；
0
k
－平衡分配系数；
0
D －扩散系数。
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晶体生长形状 平面长大
胞状长大
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树枝状长大
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建立相图的试验方法：
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§3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
常见匀晶合金
Cu-Ni, Ag-Au, Cr-Mo, Cd-Mg, Fe-Ni, Mo-W
NiO-MgO, Al2O3Cr2O3
在液态和固态下两组元均能完全无限互溶
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§3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
相图分析 平衡结晶过程
t1 温度－－开始结晶，尚无晶相 t2 温度－－通过扩散达到平衡 t3 温度－－结晶结束
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Cu-90%Ni or Cu-33% to 60% Ni
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加热到1250℃
§3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
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。
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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§3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
匀晶结晶有下列特点：
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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不平衡结晶 晶内偏析 枝晶偏析
影响因素：K0 ;原子 扩散；冷却速度
检验和消除方法
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成分过冷
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G mC0 1k0 R D k0
G 液固界面前沿温度场梯 度；
R －凝固 (结晶 )速率；
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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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§3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
匀晶结晶有下列特点：
4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定 的，由杠杆定律可算出在T时液相和固相在合金中的 质量分数（ 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。）
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Design of a Melting Procedure for a Casting
You need to produce a Cu-Ni alloy having a minimum yield strength of 20000psi, a minimum tensile strength of 60000psi, and a minimum elongation of 20%. You have in your inventory a Cu-20%Ni alloy and lots of pure nickel. Design a method for producing 10kg castings having the required properties.