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
第三章 合金的相结构和结晶
3.2 合金的相结构
固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化 合物两大类。
3.2.1固溶体
合金的组元之间以不同比例相互混合后形 成的固相，其晶体结构与组成合金的某一组元 的相同，这种相称为固溶体。与固溶体结构相 同的组元为溶剂，另一组元为溶质。碳钢和合 金钢，均以固溶体为基体相。
一、固溶体的分类
1、按溶质原子在溶剂晶格中所占位置分类 置换固溶体和间隙固溶体
相图是表示在平衡条件下合金系中合金的状态与温 度、成分间关系的图解，也称为平衡图或状态图。 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各 相的成分和质量分数不再变化所达到的一种状态。
一、二元相图的表示方法
合金存在的状态通常 由合金的成分、温度 和压力三个因素确定。 常压 表象点
二、二元合金相图的测定方法
第三章 二元合金的相结构与结晶
合金：指两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔 炼或烧结，或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。 纯金属和合金的比较： 纯金属强度一般较低，不适合做结构材料 因此目前应用的金属材料绝大多数是合金，如应用最广泛的 碳钢和铸铁就是铁和碳的合金，黄铜就是铜和锌的合金。 合金性能优良的原因： 合金的相结构 合金的组织状态：合金相图
2、固溶体合金的结晶需要一定的温 度范围
固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行， 在此温度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数 量的固相。随着温度的降低，固相的数量增加，同 时固相和液相的成分分别沿着固相线和液相线而连 续地改变，直至固相的成分与原合金的成分相同时， 才结晶完毕。这就意味着，固溶体合金在结晶时， 始终进行着溶质和溶剂原子的扩散过程，其中不但 包括液相和固相内部原子的扩散，而且包括固相与 液相通过界面进行原子的互扩散，这就需要足够长 的时间，才得以保证平衡结晶过程的进行。
第三章二元相图和合金的凝固
固溶体的平衡结晶过程： 固相成核
相内浓度梯度 相内扩散
界面浓度不平衡 晶体长大
重新建立平衡 固溶体的平衡结晶过程 原子的扩散过程 液相和固相均匀一致 原子的扩散进行完全 缓慢冷却 冷却速度大 相内成分不均匀 偏离平衡结晶条件（不平衡
结晶）
17
三、固溶体合金的不平衡结晶
条件：液相完全均匀化，而固相内却来不及进行扩散。
C1平衡重新建立→浓度梯度→原子
扩散→进一步长大
C1
→重复进行
溶 质
LC1
浓
k0C1
度
k 0C1
L
（a）
温
度
L
k0C1 T1
C1
k0C2 T2
C2
L+
C0
C0
溶
C0’
质
浓
k0C1
度
பைடு நூலகம்
L
C1
溶 C0’ 质
浓
k0C1
度
L
C1 溶
质
浓 度
k0C1
L
（b）
（c）
（d） 15
温度T2的结晶过程: LC 2 k 0C 2
§3.1 二元相图的建立
一、相图的表示方法 对二元合金来说，通常用横 坐标表示成分，纵坐标表示 温度。 坐标平面上的任一点称为表 象点，表示合金的成分和温度
1
二、相图的建立
通过实验测定：
先配制一系列成分不同的合金，然后测定这些合金的相变临 界点，最后把这些点标在温度—成分坐标图上，把各相同 意义的点连结成线，这些线就在坐标图上划分出一些区域， 即相区，将各相区所存在的相的名称标出，相图的建立工 作即告完成。
25
形成成分过冷临界条件：G mC 0 1 k0
第三章合金的结构与相图本章重点1`固溶体与化合物及其特性
⑤ 温度
固溶体的溶解度受温度的影响较大， 一般温度越高，固溶体的溶解度越大。 如，奥氏体在727℃能溶解0.77%的碳， 而在1148℃则能溶解2.11%的碳。
3、固溶体的性能
当溶质元素的含量极少时，固溶体的性 能与溶剂金属基本相同。随着溶质元素含量 的升高，固溶体的性能发生明显变化，表现 在强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降， →固溶强化。
金属间化合物
FeS, MnS 等
一般化合物
金属间化合物可以作为合金的组 成相（强化相），而非金属化合物在 合金中大多属于有害杂质。如FeS 在 钢中引起热脆。
1、金属间化合物的组织与性能特点
金属间化合物具有复杂的晶格结构， 熔点高，硬而脆，其在合金中的分布形 态对合金的性能影响很大，当金属间化 和物以大块状或成片状形态分布时，合 金的强度、塑性均很差；当金属间化合 物呈弥散状质点分布时，合金的强度高， 塑性、韧性较好。
范围内变化，电子化合物可以溶解一定量的组
元，形成以电子化合物为基的固溶体。
C、间隙化合物
由原子直径较大的过渡族元素与原子直径 很小的C、N、B等元素组成，过渡族元素的原 子占据晶格的正常位置，尺寸较小的非金属元 素原子有规则地嵌入晶格空隙中，形成间隙化 合物。
① 间隙相
当非金属元素原子与过渡族金属元素原 子直径的比值（d非/d过）<0.59时，形成的间 隙化合物具有比较简单的晶格结构，成为间 隙相。 如：W2C, VC, TiC, MoC, TiN, VN 等。
偏析的存在，会使金属强度下降，塑 性较差，耐腐蚀性降低，应采用均匀化退 火（扩散退火）予以消除。
第四节 二元共晶相图 当合金的二组元在液态时无限互溶， 在固态时有限互溶，且发生共晶反应， 此合金系的相图为二元共晶相图。
第三章 二元合金相图和合金的凝固-2007
元原子的扩散。
需要着重指出的是，在每一温度下，平衡凝固实质包括三个过程：
液相内的扩散过程。
固相的继续长大。 固相内的扩散过程。 在凝固时，每一个晶核形成一颗晶粒，由于在每一温度下扩散进行
充分，晶粒内的成分是均匀一致的。因此，平衡凝固得到的固溶体
显微组织除了晶界外，晶粒之间和晶粒内部的成分却是相同的。
XL X0 Xα Ni % （a）
Ni Cu-Ni合金相图
时间 （b）
固溶体合金结晶时的两大特点：
1.异分结晶（选择结晶） 即固溶体结晶出的固相成分与液相成分不同，也就是结晶出
的晶体与母体化学成分不同的结晶。
（1）溶质重新分配 成分不同，肯定存在溶质的重新分配 （2）平衡分配系数 液相平衡浓度
ko C / CL
1083℃
固相线
α
Cu Ni % Cu-Ni合金相图
Ni
二、二元相图的测定方法 相图的建立一般采用热分析法，其基本思路是先配制 一系列不同成分的给定合金，绘制它们各自的冷却曲 线，然后由冷却曲线上的临界点绘制相图。
100%Ni 80%Ni 60%Ni 40%Ni 20%Ni
TNi
温 度 ℃
TCu
100%Cu
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（4）亚共晶合金
① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。
② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相对量计算。
大多数二元合金在液态时相互无限溶解，而在固态时并不 能完全互溶，发生共晶转变形成有限固溶体。具有共晶转
第3章合金相图和合金的凝固
rb wL 100% ab
w
ar 100% ab
动画3-3 杠杆定律证明
3.3 匀晶相图及固溶体的结晶 匀晶相图：两组元在液态无限互溶、固态也无限互溶的二元合 金相图。 匀晶转变:从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。
主要二元合金系：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、 Mo-W等。
2）温度t3 温度到t3时，最后一滴液体结晶成固体，固溶体的成分完全与合 金成分一致，成为均匀（C0）的单相固溶体组织时。
固溶体结晶过程概述：
固溶体晶核的形成(或原晶体的长大)，产生相内(液相或固相)的 浓度梯度，从而引起相内的扩散过程，这就破坏了相界面处的 平衡(造成不平衡)，因此，晶体必须长大，才能使相界面处重新
不是3，与合金的成分C0不同， 因此，仍有一部分液体尚未结 晶，一直要到t4温度才能结晶 完毕。
晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象
影响晶内偏析的因素： 1）分配系数k0 当k01时，k0值越小，则偏析越大； 当k01时，k0越大，偏析也越大。 2）溶质原子的扩散能力 结晶的温度较高，溶质原子扩散能力又大，则偏析程度较小；反之，则 偏析程度较大。 3）冷却速度 冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。 削除晶内偏析的方法： 扩散退火或均勺化退火
两相。
对二元系来说，组元数c＝2，当f＝0时，P=2－0＋1＝3，说明 二元系中同时共存的平衡相数最多为3个。
(2)利用相律可以解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别。 纯金属结晶时存在液、固两相，其自由度为零，说明纯金属 在结晶时只能在恒温下进行。 二元合金结晶时，在两相平衡条件下，其自由度f＝2－2＋1， 说明此时还有一个可变因素(温度)，因此，二元合金将在一定
工程材料基础_03 材料的凝固、固态相变与二元合金相图_32 二元平衡相图_
纯A金属
wB%
纯B金属
5.合金使用性能与相图关系：共晶相图
细小的共晶组织导致强度与硬度的峰值
wB%
纯A金属
纯B金属
5.合金工艺性能与相图关系：匀晶相图
从相图两侧到中央，合金的凝固温度 范围变宽。
因此，从相图两侧到中央，液体金 属的流动性逐渐变差，凝固时产生 分散小缩孔的倾向增加，铸造性能 变差。
两个组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶。 相区与相线
Cu-Ni
L
Cu-Au
Au-Ag Fe-Ni W-Mo
液相线 L+α
固相线 α
Cu-Ni合金相图
1.二元匀晶相图：两相区与杠杆定律
b点是合金整体的状态 a点是合金中L相的状态 c点是合金中α相的状态 合金中L相所占比例为：bc / ac 合金中α相所占比例为：ab/ ac
共晶合金的相变与组织转变非常细小的二次相与二次相可以阻碍位错运动提高合金强度称为析出强化或第二相强化2
北京理工大学材料学院 苏铁健
平衡相图
• 相图：表明在热力学平衡状态下，合金系中不同成分的合金 在不同温 度下 所存在的相 以及相与相之间关系的图形。又称平衡图或状态图
• 二元相图：一般是一个标准大气压下，两种组元（单质或者成分固定 的化合物）构成的平衡相图。
二元平衡相图基本类型
1. 匀晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶 2. 共晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态则有限互溶，并有共晶转变 3. 包晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态则有限互溶，并有包晶转变 4. 共析相图：两组元在固态下，高温无限互溶，低温有限互溶，有共析转变
1.二元匀晶相图
L
2.共晶相图：固相线
三、二元合金相图和合金的凝固
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金属学与热处理
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二、固溶体的平衡结晶过程
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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 在1~2点之间任意温度都可以用杠杆定理确定液相L和固相α 的相对
渐结晶出α 固溶体。
含量和成分。
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三、相律及杠杆定理
1.相律及其应用
f c p 2
f —自由度数 c—系统的组元数 p—平衡条件下系统的相数 当系统的压力为常数时
f c p 1
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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和外部因素 的数目。 影响合金状态的因素有合金的成分、温度和压力，当压 力不变时，则合金的状态由成分和温度两个因素确定。 纯金属的自由度最多只有一个； 二元系合金的自由度最多为2个； 三元系合金的自由度最多为3个。
的成份是不同的，它应按固相 线变化。如果冷却速度较快，
固体中原子难以通过扩散满足
相图中的平衡成份，则就产生 了不平衡凝固过程。此时，通 常先结晶的固溶体内部含高熔 点组元，而后结晶的外部则富 含低熔点组元。 这种在晶粒内部出现的成份
下图是在金相显微镜下观察 到的Cu-Ni合金不平衡凝固的 铸态组织，Ni熔点高，先结晶 出的枝干富含Ni，耐浸蚀，呈 白亮色枝间后结晶含Cu多，易 受浸蚀，呈黑色。 扩散退火的方法可消除晶内 偏析。
成全部共晶组织的成分和 温度范围称为伪共晶区。
第三章 二元合金相图和合金的凝固
第三章二元合金相图和合金的凝固一．名词解释相图、相律、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、异晶转变、平衡结晶、不平衡结晶、异分结晶、平衡分配系数、晶内偏析、显微偏析、区域偏析、区域提纯、成份过冷、胞状组织、共晶组织、亚共晶组织、过共晶组织、伪共晶、离异共晶、二．填空题1.相图可用于表征合金体系中合金状态与和之间的关系。
2.最基本的二元合金相图有、、。
3.根据相律，对于给定的金属或合金体系，可独立改变的影响合金状态的内部因素和外部因素的数目，称为，对于纯金属该数值最多为，而对于二元合金该数值最多为。
4.典型的二元合金匀晶相图，如Cu-Ni二元合金相图，包含、两条相线，、、三个相区。
5.同纯金属结晶过程类似，固溶体合金的结晶包括和两个基本过程。
6.勻晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为________ 。
7.共晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为___________ _。
8.共析反应的特征为_____________，其反应式可描述为_____________。
9.金属或合金在极缓慢冷却条件下进行的结晶过程称为。
纯金属结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为；而固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为。
10.固溶体合金经不平衡结晶所产生的两类成分偏析为、。
11.固溶体合金产生晶内偏析的程度受到溶质原子扩散能力的影响，若结晶温度较高，溶质原子的扩散能力小，则偏析程度。
如磷在钢中的扩散能力较硅小，所以磷在钢中的晶内偏析程度较，而硅的偏析较。
12.固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，结晶树枝主轴含有较多的________组元。
严重的晶内偏析降低合金的，为消除枝晶偏析，工业生产中广泛采用的方法。
13.根据区域偏析原理，人们开发了，除广泛用于提纯金属、金属化合物外，还应用于半导体材料及有机物的提纯。
通常，熔化区的长度，液体的成分，提纯效果越好。
第三章 金属的结晶与二元合金相图
液相区L 双相区L+α 固相区α 液相线 固相线
固相区
匀 晶 相 图 合 金 的 结 晶 过 程 (P33)
☆在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是 不相同的,其变化规律是沿着固相线变化.与此同 时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化.
2,晶内偏析——枝晶偏析 (P33)
晶内偏析: 晶内偏析: 在一个晶粒内,各处 成分的不均匀现象. 因为金属通常以枝晶 方式结晶,先形成的 主干和后形成的支干 就会有化学成分之差, 枝晶偏析. 所以也称枝晶偏析 枝晶偏析
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 3,过冷度(△T):理论结晶温度与实际结 过冷度( 晶温度之差.对于纯金属: △T= T0- Tn 4,金属的结晶都 是在一定的过冷 度下进行的,这 种现象称过冷现 过冷现 象.
第一节 金属结晶的基础知识
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
7)α固溶体溶解度变化曲线——cf 8) β固溶体溶解度变化曲线——eg 9)三个单相区:L,α,β
10)液相线——adb 11)固相线——acdeb 12)共晶线——cde
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
13)三个两相区:L+α,L+β,α+β 14)一个三相区:L+α+β,在共晶转变过程中三相同时存在.
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 1,理论结晶温度 0: 又称平衡结晶温度. 理论结晶温度T 理论结晶温度 (冷速极慢)也就是金属的熔点Tm. 2,实际结晶温度 n:在某一实际冷却速度下 实际结晶温度T 实际结晶温度 的结晶温度.
第三章二元合金相图和二元合金的结晶
第三章⼆元合⾦相图和⼆元合⾦的结晶第三章⼆元合⾦相图和⼆元合⾦的结晶§1 概述⼀、合⾦系由⼀定数量的组元配制成的不同成分的⼀系列合⾦组成的系统，称合⾦系。
两个组元的称⼆元合⾦系，三个组元的称三元合⾦系。
例如,Cu-Ni是⼆元合⾦系，⽽Pt-Pd-Rh是三元合⾦系。
⼆、什么是合⾦相图合⾦相图是表⽰平衡状态下合⾦系的合⾦状态和温度、成分之间关系的图解。
该定义中，“平衡状态”是指⼀定条件下，合⾦⾃由能最低的稳定状态；⽽“合⾦状态”是指合⾦由哪些相组成，各相的成分及其相对含量是多少。
三、合⾦相图的作⽤利⽤合⾦相图可以了解各种成分的合⾦，在⼀定温度的平衡条件下，存在哪些相、各相的成分及其相对含量。
但它不能指出相的形状、⼤⼩和分布状况，即不能指出合⾦的组织状况。
尽管如此，如果能把相图和相变机理、相变动⼒学结合起来，那么相图便可成为分析组织形成和变化的有利⼯具，成为⾦属材料⽣产、科研的重要参考资料，因此，相图是⾦属学的重要内容之⼀。
§2⼆元合⾦相图的建⽴⼀. ⼆元合⾦相图的表⽰⽅法1.⽤平⾯坐标系表⽰⼆元合⾦系物质的状态通常由成分、温度和压⼒三个因素确定。
由于合⾦的熔炼、结晶都是在常压下进⾏的，所以，合⾦的状态可由成分和温度两个因素确定。
对于⼆元合⾦系来说，⼀个组元的浓度⼀旦确定，另⼀个组元的浓度也随之⽽定，因此成分变量只有⼀个，另⼀个变量是温度，所以⽤平⾯坐标系就可以表⽰⼆元合⾦系。
通常⽤纵坐标代表温度，横坐标代表成分。
成分多⽤重量百分⽐来表⽰。
（如图3.1所⽰），横坐标的两个端点A、B代表组成合⾦的两个组元。
2.⼆元合⾦相图中的表象点和表象线在⼆元合⾦相图中，平⾯上任意⼀点称为表象点。
其坐标值表⽰合⾦的成分和温度。
例如图中的E点表⽰合⾦由40%的B组元和60%的A组元组成，合⾦的温度为500℃。
在⼆元相图上，过合⾦成分点的垂线，称合⾦的表象线。
⼆. ⼆元合⾦相图的测定⽅法建⽴相图的⽅法有两种：实验测定和理论计算。
第三章 二元合金相图汇总
TL
TA
mCo1
1 K0 K0
exp
RX D
（2） （3）
而界面温度： Ti (TL ) x0 TA mCo / K0 （4）
若自液-固界面开始的温度梯度为G，则距界面X处液体实 际温度为
T=Ti+Gx
（5）
将（4）式代入（5）式：T=TA-mCo/K0+Gx （6）
当液体实际温度T<TL （7），产生成分过冷，成分过 冷是由于界面前沿液相中成分差别与实际温度分布两 个因素共同决定的。
在稳态凝固过程中，固溶体溶质分布方程为：
CS
K eC0
1
X L
Ke 1
其中Ke为有效分配系数，
Ke
(CS )i (CL ) B
K0
K0 (1 K 0 )e R / D
常数
式中 R：凝固速度 δ：边界层厚度 D：扩散系数
19
Ke
(CS )i (CL ) B
K0
K0 (1 K 0 )e R / D
1 4
5
10
1．晶内偏析（枝晶偏析） ·定义：晶粒内部出现的成份不均匀现象。 ·通过扩散退火或均匀化退火，使异类原子互相
充分扩散均匀，可消除晶内偏析。
11
晶内偏析（枝晶偏析）
2．影响晶内偏析的因素 a、·冷却速度 b、 元素的扩散能力 c、 相图上液相线与固相 d、线之间的水平距离
12
四、固溶体合金凝固过程中的溶质分布
1．成分过冷
①成分过冷的产生 设一个K0<1的合金Co在 圆棒形锭模中自左向右 作定向凝固，假定溶质 仅依靠扩散而混合
C
Co1
1 K0 K0
exp
3.二元相图及合金的凝固
第三章二元相图及合金的凝固第三章二元相图及合金的凝固相图：phase diagram 描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。
又称状态图（state diagram）或平衡图（equilibrium diagram）。
¾二元系相图是研究二元体系在热力学平衡条件下，相与温度、成分之间关系的有力工具。
¾根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。
¾仅在热力学平衡条件下成立，不能确定相结构、分布状态和具体形貌。
3.1 相图的基本知识3.1.1 合金与相的概念（1）合金合金（alloy）组元（component）（元）二元合金三元合金多元合金合金系（alloy system）二元系三元系多元系（2）相相（phase）单相合金多相合金（3）相律（phase rule）相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。
吉布斯相律(Gibbs phase rule):F＝C一P十2式中，C：系统的组元数P：平衡共存的相的数目F：自由度。
取最小值F＝0，得出：P＝C十2若压力给定，应去掉一个自由度，P＝C十1公式表明：在压力给定的情况下，系统中可能出现的最多平衡相数比组元数多一个。
例如：一元系：C＝1，P＝2，即最多可以两相平衡共存。
如纯金属结晶时，其温度固定不变，同时共存的平衡相为液相和固相。
二元系：C＝2，P＝3，最多三相平衡共存；三元系：C＝3，P＝4，最多四相平衡共存；依此类推，n元系，最多n十1相平衡共存。
¾确定系统中可能存在的最多平衡相数。
应用：¾解释纯金属与合金的结晶差别。
应当注意，相律的限制性：1）相律只适用于热力学平衡状态。
平衡状态下各相的温度应相等(热量平衡)；各相的压力应相等(机械平衡)；每一组元在各相中的化学位必须相同(化学平衡)；2）相律只能表示体系中组元和相的数目，不能指明组元或相的类型和含量；3）相律不能预告反应动力学(速度)；4）自由度F不得小于零。
第三章3 金属的结晶与相图之二元相图匀晶
(1)细晶区(2)柱状晶区(3)等轴晶区铸锭结构示意图 (1)细晶区(2)柱状晶区(3)等轴晶区铸锭结构示意图 细晶区(2)柱状晶区(3)
杠杆定律示意图
4.匀晶系合金的非平衡结晶及晶内偏析 匀晶系合金的非平衡结晶及晶内偏析
固溶体结晶时，只有在极缓慢冷却、原子扩散充分的条件下， 固溶体结晶时，只有在极缓慢冷却、原子扩散充分的条件下， 固相的成分才能沿着固相线均匀地变化， 固相的成分才能沿着固相线均匀地变化，最终获得与原合金 成分相同的均匀α固溶体。 成分相同的均匀α固溶体。 实际生产中冷却速度都较快，固态下原子扩散又很困难， 实际生产中冷却速度都较快，固态下原子扩散又很困难，致 使固溶体内的原子来不及充分扩散， 使固溶体内的原子来不及充分扩散，先结晶出的固溶体含高 熔点组元（ 中的Ｎ 较多， 熔点组元（Ｃu-Ｎi中的Ｎi）较多，后结晶出的固溶体含低 熔点组元（ 较多。 熔点组元 （ Ｃ u ） 较多 。 这种在一个晶粒内化学成分不均匀 的现象称为晶内偏析。 的现象称为晶内偏析。 偏析会降低合金的力学性能和工艺性能, 生产中采用均匀化 偏析会降低合金的力学性能和工艺性能 退火或扩散退火消除。 退火或扩散退火消除。
三、二元合金相图
相平衡: 在一定条件下, 相平衡: 在一定条件下,合金系中参与相变的各相成 分和相对重量不变所达成的一种状态。 分和相对重量不变所达成的一种状态 。 此时合金系 的状态稳定,不随时间而改变。相平衡是动态平衡。 的状态稳定,不随时间而改变。相平衡是动态平衡。 合金极缓慢冷却结晶过程可认为是平衡结晶过程。 合金极缓慢冷却结晶过程可认为是平衡结晶过程。 合金相图: 合金相图 : 是表明在平衡状态下合金系中各合金的 组成相与温度、 成分之间关系的图解， 组成相与温度 、 成分之间关系的图解 ， 又称合金平 衡图或合金状态图。 衡图或合金状态图。 通过相图可以了解合金系中各成分合金在不同温度 的组成相， 及各相的成分和相对量， 的组成相 ， 及各相的成分和相对量 ， 还可了解合金 在缓慢加热或冷却过程中的相变规律。 在缓慢加热或冷却过程中的相变规律。
《金属学与热处理》课程教学大纲
《金属学与热处理》课程教学大纲课程代号：ABJD0702课程中文名称：金属学与热处理课程英文名称：Meta11ographyandHeatTreatment课程类型：必修课程学分数：4学分课程学时数：64学时授课对象：材料成型与控制工程专业本课程的前导课程：高等数学，大学物理，画法几何及工程制图、材料力学、金工实习等课程一、课程简介《金属学与热处理》是材料成型与控制工程专业的专业基础课，着重阐述金属及合金的化学成分、组织结构与性能的内在联系以及在各种条件下的变化规律，比较全面系统地介绍金属与合金的晶体结构、金属及合金的相图与结晶、塑性变形与再结晶以及固态金属相变的基本理论。
并结合实例，从组织结构的角度出发来阐明问题，重点放在与金属材料学科有关的基本现象、基本概念、基本规律和基本方法上，以便为合理使用金属材料和制定热加工工艺规程，为从事金属与合金研究提供理论依据和线索。
通过对本课程的学习，使学生系统掌握《金属学与热处理》基本理论和基础知识，运用所学知识分析问题、解决问题，提高学生综合能力与素质，并为后继有关专业课程的学习打好基础；使学生在金属学基础理论方面具备阅读专业文献及进一步提高自学的能力；使学生具备运用金相光学显微分析方法分析金属及合金的组织、性能的能力。
通过课堂讲授，习题课和课堂讨论，课外作业，实验等教学环节的教学，重点培养学生的自学能力，动手能力，分析问题，解决问题的能力。
二、教学基本内容和要求第1章金属与合金的晶体结构课程教学内容：金属、金属的晶体结构、实际金属的的晶体缺陷。
课程的重点、难点：本章的重点是三种常见的金属晶体结构及其基本性能，实际金属晶体缺陷及其对性能的影响。
本章的难点是晶体结构缺陷。
课程教学要求：熟练掌握几何晶体学的基本知识和纯金属的三种典型的晶体结构；掌握晶面、晶向的表示方法；掌握合金相结构；掌握点缺陷、线缺陷与位错的基本概念，了解位错的运动以及面缺陷。
第2章纯金属的结晶课程教学内容：纯金属结晶的现象、金属的热力学条件、金属结晶的结构条件、形核、长大以及晶粒大小的控制。
二元合金的相结构与结晶(相图建立与匀晶相图)
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二元合金相图的一般几何规律
相律： 相律：F=3-P（ F=C-P+1 ；C=2） （ ）
1、P=1，F=2 ——位于相图中的单相区（Single Phase Region） 、 位于相图中的单相区 ， 位于相图中的单相区（ ） 任意一点的成分和温度都可以独立变化而不影响系统的状态。 任意一点的成分和温度都可以独立变化而不影响系统的状态。 可以是任意形状。 恒压下，最大F=2，成分、温度均可变） 可以是任意形状。 （恒压下，最大 ，成分、温度均可变） 2、 P=2，F=1 ——位于相图中的两相区（Two Phase Region） 位于相图中的两相区 、 ， 位于相图中的两相区（ ） 只有一个独立变量，温度一定成分一定，反之亦然。 只有一个独立变量，温度一定成分一定，反之亦然。 一对代表两平衡相的成分和温度的共轭曲线组成。 一对代表两平衡相的成分和温度的共轭曲线组成。 3、 P=3，F=0 ——位于相图中的三相区（Three Phase Region） 位于相图中的三相区 、 ， 位于相图中的三相区（ ） 没有独立变量，温度与每一相的成分均不能变。 没有独立变量，温度与每一相的成分均不能变。 形状是一条等温线。端点和中间点分别表示三个相的成分。 形状是一条等温线。端点和中间点分别表示三个相的成分。 有两种基本形式：共晶型（ ）、包晶型 有两种基本形式：共晶型（Eutectic-type）、包晶型（Peritectic-type） ）、包晶型（ ） 没有意义。 4、 P>3，F<0 ——没有意义。 、 ， 没有意义
CL C Cα
液相C 重量为w 液相 L重量为wL 重量为w 固相Cα重量为wα
wL
wα
WL + Wα = 1
C = WL C L + Wα Cα
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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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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.
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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。
§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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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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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.
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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。
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。）