AlY包晶合金非平衡凝固过程及组织特征-中国材料进展

合集下载

第三章共晶相图及其结晶 (2)

铁碳相图
(2)偏晶相图 • 偏晶转变：一定温度下从一定成的一种液相中分解出一个固相与另一种成份的液相，且固相的相对量总是偏多的转变。反应式：L1 L2+α
图形特点： α
L1 L2
• 相图实例：Cu-Pb，Cu-O，Mn-Pb，Cu-S
Cu-Pb二元相图
(3)熔晶相图 • 熔晶转变：一定温度时，从一个固相分解成一个液相和另一个固相的反应。反应式：δ γ+L 图形特点： γ δ
Cs k c ( 1 z / L ) 00
k 1 0
第六节包晶相图及其合金的结晶
• 包晶转变：一定温度下，由特定成分的固相与确定成分的液相发生反应生成另一种特定成分的固相的转变。 • 包晶相图：两组元液态无限互溶，固态有限互溶并具有包晶转变的相图。 • 图形特点：
L β Lp+αc = βD 一、相图分析点：线：区： α
二、具有三相平衡恒温转变的其他二元相图
具有三相平衡恒温转变的其他二元相图恒温反应类型：分解型，合成型（一）分解型恒温转变相图 (1)具有共析转变的相图 • 共析转变：由一个固相在恒温下转变为另外两个固相。反应式：γ α+β 图形特点：
α
γ
β
• 共析组织：共析转变产物，为两相交替排列的混合物，比共晶组织细密。 • 相图实例：铁碳相图
线性
纯金属导电性较固溶体高
（二）根据相图判断合金的铸造性能铸造性能：根据液固相线之间的距离X X越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）； X 越大，流动性越差（因为枝晶发达）；
X 越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。
（三）锻造、压力加工及切削加工性能

机械工程材料金属的结晶与显微组织

铜锡合金相图
3.2.1 匀晶相图
一、相图的建立
1）配制一系列成分的合金： 100%Cu；
温度
20%Ni+80%Cu
40%Ni+60%Cu
60%Ni+40%Cu，
80%Ni+20%Cu，
100%Ni
时间
2）测出上述合金的冷却曲线；
一、相图的建立
2）根据各冷却曲线上的转折点确定合金临界点； 3）将这些临界点标在相图坐标系中相应位置上，最后把意义相同的各点联结起来。
可能产生离异共晶示意图
Al一4％Cu合金快冷组织
3.2 二元合金相图与合金组织
3.2.3 包晶相图与合金组织
包晶相图——两组元在液态无限互溶，在固态下有限互溶，并有包晶反应。例如： Pt-Ag，Sn-Sb，Cu-Sn，Cu-Zn等。
3.2.3 包晶相图与合金组织
一、相图分析
点分析：A、B分别为Pt和Ag的熔点；D为包晶点； P为相最大溶解度点；C为发生包晶反应时的液相成分点；E、F分别为和室温下的溶解度。线分析：ACB为液相线；APDB为固相线；PE、DF 是和的溶解度曲线；PDC为三相共存水平线区分析：三个单相区 L、和；三个两相区 L+、 L+、+
前言
凝固
结晶
物质由液态转变为固态的过程。
物质从原子不规则排列的液态转变为规则排列的晶体状态的过程。结晶在固定的温度下进行。
前言
凝固
结晶
金属的平衡结晶温度或理论结晶温度称为熔点。
第3章金属结晶与显微组织
3.1 纯金属的结晶与组织 3.2 二元合金相图与合金组织 3.3 铁碳合金相图 3.4 铸造组织与缺陷

《材料科学基础》PPT课件

编辑版ppt
9
w（Cu）为35%的Sn-Cu合金冷却到415℃时发生L+ε→η的包晶转变，如图 7.35（a）所示，剩余的液相冷却227℃又发生共晶转变，所以最终的平衡组织为η+（η+Sn）。而实际的非平衡组织（见图7.35（b））却保留相当数量的初生相ε（灰色），包围它的是η相（白色），而外面则是黑色的共晶组织。
Pt等。
编辑版ppt
3
图7.30所示的PT-AG相图是具有包晶转变相图中的典型代表
图中ACB是液相线，AD，PB是固相线，DE是Ag在Pt为基的α固溶体的溶解度曲线，PF是Pt在Ag为基的β固溶体的溶解度曲线。水平线DPC是包晶转变线，成分在DC范围内的合金在该温度都将发生包晶转变：
LC+αD βP 包晶反应是恒温转变，图中P点称为包晶点
室温平衡组织为:β+αⅡ
合金Ⅱ缓慢冷至包晶转变前的结晶过程与上述包晶成分合金相同，由于合金Ⅱ中的液相的相对量大于包晶转变所需的相对量，所以包晶转变后，剩余的液相在继续冷却过程中，将按匀晶转变的方式继续结晶出β相，其相对成分沿CB液相线变化，而β相的成分沿PB线变化，直至t3温度全部凝固结束，β相成分为原合金成分。在t3至t4温度之间，单相β无任何变化。在t4温度以下，随着温度下降，将从β相中不断析出αⅡ。
第七章二元系相图及其合金的凝固
制作人:李凌锋 080207022
编辑版ppt
1
7.3.3包晶相图及其合金凝固
1.包晶相图 2.包晶合金的凝固及其平衡组织 3.包晶合金的非平衡凝固 7.3.4溶混间隙相图与调幅分解
编辑版ppt
2
ONE.包晶相图
包晶转变定义：
组成包晶相图的两组元，在液态可无限互溶，而在固态只能部分互溶。在二元相图中，包晶转变就是已结晶的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转变。具有包晶转变的二元合金有Fe-C，Cu-Zn，Ag-Sn，Ag-

快速凝固晶态合金的组织与特征

• 2023/12/
4
2. 超细旳晶粒度
伴随冷却速率旳增大，晶粒尺寸减小，能够取得微晶甚至纳米晶。
迅速凝固合金比常规合金低几种数量级旳晶粒尺寸，一般为<0.1~1.0μm
在Ag-Cu（ωCu=50%）合金中，观察到细至3nm旳晶
粒。
原因：很大过冷度下到达很高形核率
• 2023/12/
5
3. 极少偏析或无偏析
用非晶材料取代硅钢片制作变压器可使其内耗大大减小，处理了变压器在特殊条件下使用时旳发烧问题。
• 2023/12/
14
• 2023/12/
玻璃态金属旳某些力学性能
15
• 组织及构造－－极其可贵旳优异性能。
• 扩大旳固溶度、超细旳晶粒度以及超细和高分散度旳析出相，在机械性能方面体现出高强度及高韧性旳特点，许多快凝合金具有超塑性。
族(S,Se,Te等)轻易非晶化，由这些元素构成旳合金（如 As-Te-Se, As-Si-Te等）也轻易非晶化。
• 2023/12/
11
B、从状态图上看，与纯金属元素旳熔化温度相比较，共晶温度较低旳合金轻易形成非晶态合金。
一般非晶态材料是指无机或有机玻璃等，目前又扩大到非晶态金属。
非晶态金属具有如下主要特征：
当生长速度足够高时，枝晶端部旳温度会重新下降到平衡旳固相线温度。
此时旳固相成份又回到合金旳原始成份，凝固前沿亦重新成为平界面，
表白合金凝固进入了“绝对稳定界线”
• 2023/12/
6
• 假如凝固速率不但到达了“绝对稳定”界线，而且超出了界面上溶质原子旳扩散速率，即进入完全旳“无偏析、无扩散凝固”时，可在铸件旳全部体积内取得完全不存在任何偏析旳合金

《材料科学基础》

整理课件
w（Cu）为35%的Sn-Cu合金冷却到415℃时发生L+ε→η的包晶转变，如图 7.35（a）所示，剩余的液相冷却227℃又发生共晶转变，所以最终的平衡组织为η+（η+Sn）。而实际的非平衡组织（见图7.35（b））却保留相当数量的初生相ε（灰色），包围它的是η相（白色），而外面则是黑色的共晶组织。
也有少数情况，比如α-β间表面能很大，或过冷度较大，β相可能不依赖初生相α形核，而是在液相中直接形核，并在生长过程中α， β，液相三者始终相互接触，以至通过α和液相的直接反应来生成 β相。显然，这种方式的包晶反应速度比上述方式快得多。
整理课件
b.42.4%﹤w（Ag） ﹤66.3%的Pt-Ag合金（合金Ⅱ）
两相得相对含量由杠杆法则求得
初生相α的成分达到D点，液相成分达到C点。
W（L）=DP/DC×100%=
包晶转变结束后，液相和α相反应正好全部转变成β固体。
随着温度继续下降，由于Pt在β相中的溶解度随温度的降低而沿PF线减小，因此将不断从β固溶体中析出αⅡ。于是该合金的室温平衡组织为β+αⅡ，凝固过程如图7.31所示。
整理课件
另外，某些原来不发生包晶反应的合金，如图7.36 中的合金Ⅰ，在快冷条件下，由于初生相α凝固时存在枝晶偏析而使剩余的液相和α相发生包晶反应，所以出现了某些平衡状态下不应出现的相
应该指出，上述包晶反应不完全性主要与新相β包围α相的生长方式有关。因此，当某些合金（如Al-Mn）的包晶相单独在液相中形核和长大时，其包晶转变可迅速完成。包晶反应的不完全特性，特别容易在那些包晶转变温度较低或原子扩散速率小的合金中出项。
整理课件
TWO.包晶合金的凝固及其平衡组织

中南材科习题答案

中南材科习题答案⼀、名词解释（5分×8）1、⾦属玻璃2、⾦属间化合物3、离异共晶4、晶界偏聚5、科垂尔⽓团（Cottrell Atmosphere）6、孪⽣7、反应扩散8、变形织构参考答案：1.⾦属玻璃：指⾦属从液态凝固后其结构与液态⾦属相同的固体；2.⾦属间化合物：⾦属与⾦属、⾦属与某些⾮⾦属之间形成的化合物，结构与组成⾦属间化合物的纯⾦属不同，⼀⼀般具有熔点⾼、硬度⾼、脆性⼤的特点。

3.离异共晶：有共晶反应的合⾦中，如果成分离共晶点较远，由于初晶数量多，共晶数量很少，共晶中与初晶相同的相依附初晶长⼤，共晶中另外⼀个相呈现单独分布，使得共晶组织失去其特有组织特征的现象；4.晶界偏聚：由于晶内与晶界上的畸变能差别或由于空位的存在使得溶质原⼦或杂质原⼦在晶界上的富集现象；5.科垂尔⽓团：溶质原⼦在刃型位错周围的聚集的现象，这种⽓团可以阻碍位错运动，产⽣固溶强化效应等结果；6.孪⽣：是晶体塑性变形的⼀种重要⽅式，晶体在切应⼒作⽤下，晶体的⼀部分沿着⼀定的晶⾯和晶向相对于另⼀部分晶体作均匀切变，使得相邻部分晶体取向不同，并以切变晶⾯（挛晶⾯）成镜⾯对称；7.反应扩散：伴随有化学反应⽽形成新相的扩散称为反应扩散，如从⾦属表⾯向内部渗⼊⾦属时，渗⼊元素浓度超过溶解度出现新相；8.变形织构：经过塑性变形后原来多晶体中位向不同的晶粒变成取向基本⼀致，形成晶粒的择优取向，择优取向后的晶体结构为织构，若织构是在塑性变形中产⽣的，称为变形织构。

⼆、问答题1、（10分）标出hcp晶胞中晶⾯ABCDEF⾯、ABO⾯的晶⾯指数，OC⽅向、OC⽅向的晶向指数。

这些晶⾯与晶向中，那些可构成滑移系？指出最容易产⽣滑移的滑移系。

参考答案：ABCDEF⾯的晶⾯指数为（0001）或（001）；⾯的晶⾯指数为；OC⽅向的晶向指数为或[010]；⽅向的晶向指数为或[011]；（0001）与、与可构成滑移系；其中滑移系（0001）容易产⽣滑移。

合金的凝固特点和性质

5
凝固过程中( T = T* ) ：CS Cs CL CL
6
凝固终了时，固相成分均匀地为: CS = C0
7
二、液相充分混合均匀时的溶质再分配
该情况下溶质在固相中没有扩散，而在液相中充分混合均匀。起始凝固时：
C S = K 0C 0 ，C L = C 0
8
该情况下溶质在固相中没有扩散，而在液相中充分混合均匀。
间距d1、和二次分枝间距 d2பைடு நூலகம்两种。
枝晶间距小
细晶强化效果显著成分趋于均匀化
显微缩松、夹杂物细小且分散热裂纹倾向小
材料性能好
31
枝晶间距的预测
一次臂间距d1的表达式：
d1a0[mLC0G (K L0v 1)DL]1 2
d164m L vD 14L G (1 L1 2 K0)C
冈本平 Hunt J.D
α相前沿富B，而β相前沿富A，扩散速度正比于溶质的浓度梯度，因此横向扩散速度比纵向大得多。共晶两相通过横向扩散不断排走界面前沿积累的溶质，且又互相提供生长所需的组元，彼此合作，齐头并进地向前生长。
48
3、片层距的调整
α相片层中心处B原子扩散比α-β交界要困难得多 →此处B原子聚集而浓度升高 → α相在此处推进的速度变慢 → 形成凹坑 → B原子扩散越发困难 → 新的β相片层则在此处形成，
DL
δN 很小时，这相当于前面讨论的液相完全混合的情况。
KE =1：发生在 R N ＞＞1 时，即快生长速度凝固、或没有任何对流，
DL
δN 很大的情况，这相当于液相只有扩散时的情况。
K0＜KE＜1：相当于液相部分混合(有对流)的情况，工程中常在该范围。
四种单向凝固条件下的溶质分布情况示意图。

第四-五节--二元共晶包晶相图剖析

1
2
α
β
4 共晶系合金的非平衡凝固和组织（1）伪共晶
伪共晶区具有不同的形状（对称或偏移）（下图）。
4 共晶系合金的非平衡凝固和组织（1）伪共晶
伪共晶区的形状与共晶两相的结晶速度有关。二相结晶速度接近，同时结晶形成伪共晶组织，伪共晶区具有对称形态；二相结晶速度相差较大，则结晶较快的相成为先共晶的初生相，使伪共晶区向结晶速度慢的一侧偏移。二相结晶速度取决于二相成分与液相成分的差异。与液相成分接近的相具有较大的结晶速度，易形成先共晶的初生相。在共晶两相中，低熔点相易先结晶。
2 平衡凝固过程及组织包晶反应时原子迁移示意图
2 平衡凝固过程及组织（2）成分在d-p之间合金的结晶室温组织：α＋β＋αⅡ＋βⅡ。
2
包晶转变前： α相含量: Wα =2b/db > pb/db
3 共晶组织及其形成机理（2）粗糙－平滑界面：金属-非金属型具有不规则或复杂组织形态.
3 共晶组织及其形成机理（2）平滑－平滑界面：非金属-非金属型一般认为具有不规则或复杂组织形态.
3 共晶组织及其形成机理（4）初生晶的形态：金属固溶体：粗糙界面－树枝状；非金属相：平滑界面－规则多面体。
第五节二元包晶相图
包晶转变：由已结晶出来的一定成分的固相和剩余液相（确定成分）反应生成另一个一定成分固相的转变。包晶相图：具有包晶转变特征的相图。特点：液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生包晶反应。包晶组织：包晶转变产物。
M
2
E
剩余液相:WL=M2/ME =(30-19)/(61.9-19)=25.7%
1
（3）亚共晶合金(Wsn=0.3）室温组织α初＋ βⅡ+(α＋β)共晶

包晶凝固

包晶反应和包晶相变在金属凝固中是比较常见的，在Fe-C基合金，Fe-Ni基合金，Cu-Sn合金，Cu-Zn等合金中，都能见到包晶反应和包晶相变。

包晶反应相图图为具有包晶反应的相图，这种相图是在Fe等合金中经常可以看到的相图。

Ⅰ的左侧只有单相图的α凝固，Ⅲ的右面为单相的β相凝固，在Ⅰ与Ⅱ之间，先是α相凝固．如果温度下降到包晶反应温度T p，已经凝固出的α相与液相发生反应．形成P点成分的β相；Ⅱ与Ⅲ之间的合金α相析出后，马上就与液相在包晶反应温度T p下进行包晶反应，形成β相，包晶反应完成后还残余一些液体。

典型的包晶反应相图如图2所示。

这是选择具有典型包晶凝固特征的w（Co）成分的合金作为研究对象，该合金首先析出α枝晶，在α枝晶的长大过程中，组元B在液相中富集，导致液相成分沿相图中的液相线变化。

当温度降至Tp时，则发生包晶反应Lp+α=β。

β相在α相表面发生异质形核，并很快沿表面生长，将α相包裹在中间。

进—步的包晶反应通过β相内的扩散进行。

组元B自β与L 界面向a与β界面扩散，导致α与β界面向α相—侧扩展，而组元A则自α与β界面向β与L界面扩散并导致该界面向液相扩展，最后完成包晶凝固反应。

图2由于固相扩散速度比较缓慢，利于α相的大量形核。

通常人们正是利用这一特点．进行细化晶粒的。

例如AI台金液中加入少量Ti，可以形成TiAl3。

当Ti的质量分数超过0.15％时，将发生包晶反应：TIAl3+L→α，包晶反应产物α为A1台金的主体相，它作为一个包层，包围着非均质核心。

由于包层对溶质元素扩散的屏障作用，使得包晶反应不易继续进行下去．也就是包晶反应产物α相不易继续长大，因而获得细小的晶粒组织.在近平衡凝固条件下，凝固结束后的β相中心往往住存在近平衡的α相。

但固相扩散系数较大的溶质组元，如钢中的碳元素，在包晶凝固时可以充分扩散。

具有包晶反应的碳素钢，初生δ相在冷却到奥氏体区后完全消失。

一、包晶反应：相图中包晶反应是α相与β相以及液相相互接触的条件下进行的，这中包晶反应是以两种方式进行的，即（1）在液体中β相形核、生长不与α相接触；（2）β相形核、生长与α相接触。

铝基非晶合金的制备、性能与应用研究进展

精密成形工程第16卷第3期 62JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 2024年3月收稿日期：2024-02-21 Received ：2024-02-21引文格式：曹梓恒, 郭威, 吕书林, 等. 铝基非晶合金的制备、性能与应用研究进展[J]. 精密成形工程, 2024, 16(3): 62-75. CAO Ziheng, GUO Wei, LYU Shulin, et al. Progress in Research on Preparation, Properties and Application of Al-based Amor-phous Alloys[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(3): 62-75. *通信作者（Corresponding author ）铝基非晶合金的制备、性能与应用研究进展曹梓恒1，郭威1,2,3*，吕书林1，王锦程2，吴树森1（1.华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术全国重点实验室，武汉 430074；2.西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安 710072；3.深圳华中科技大学研究院，广东深圳 518057）摘要：铝基非晶合金因其独特的物理和化学性能在诸多领域具有广泛的应用前景，综述了铝基非晶合金的成分体系、制备方法、性能特点及应用研究进展。

首先，介绍了铝基非晶合金的发展历史和成分体系，目前铝基非晶主要分为3大体系：二元、三元和多元体系，以及综合性能和形成能力2大方面，多元体系表现更佳，并逐渐向更多元化发展；其次，系统介绍了铝基非晶合金的制备方法，包括粉末状、薄带状、块体样品的制备，相较于非晶薄带的制备，块体和粉状的制备方法较为丰富，而粉状非晶通常作为铝基非晶涂层的预制材料；随后，详细介绍了铝基非晶合金的性能特点、应用现状及发展趋势，从性能上来看，铝基非晶在强度和硬度以及耐腐蚀性能上表现良好，目前主要以涂层的形式参与应用，除此之外，研究者们也开始对磁性和热塑性展开研究，由于玻璃形成能力的限制，作为结构材料的应用较少；最后，对其未来应用前景进行了展望，认为涂层是目前铝基非晶合金最具应用前景的工程化方式。

相图-3

其结晶过程：L→L+α→L+α+（α+β）共→α+ (α +β) 共 →α+βⅡ+ (α+β) 共
匀晶反应＋共晶反应＋脱溶转变
• 室温组织： α+βⅡ+ (α+β) 共在共晶转变之前，从液态中先结晶出α相。先结晶出的相叫先共晶相（pro-eutectic phase）。先共晶相和液相比例可用杠杆法则求出
2013-7-26
包晶点（D）以左合金
• 冷却曲线
•
• •
碰到DP发生包晶反应：Lc+αP =βD 为恒温反应
结晶过程：L→L+α→L+α+β→α+β→α+β+αⅡ+ βⅡ 匀晶反应＋包晶反应＋室温组织：α+ β+αⅡ+ βⅡ 脱溶转变
2013-7-26
c. 10.5%<ω(Ag)<42.4%的Pt-Ag合金(合金Ⅲ)
• 所谓共晶转变是在一定条件下(温度、成分)，由均匀液体中同时结晶出两种不同固相的转变，所得到两固相的混合物称为共晶组织(体)。具有共晶转变的相图称为共晶相图。
• 属于二元共晶相图的合金有：Pb－Sn、Pb－Sb、Al－Si、 Al－Cu、Mg－Si、Al－Mg等。
2013-7-26
共晶相图分析
•
两组元在液态下无限互溶，固态下只能部分互溶并具有包晶转变的相图称为二元包晶相图（the peritectic phase diagram）。具有包晶转变的二元合金有：Cu－Sn、Fe－C、Cu－Zn 、Ag－Sn、Ag－Pt
•
2013-7-26
包晶相图分析
•

快速凝固技术

快速凝固技术摘要本文主要通过对快速凝固的发展及现象分析了快速凝固的一些基本原理，阐述了快速凝固的实现途径及快速凝固的一些方法，然后从快速凝固的原理出分，简单介绍了凝固技术在非晶制备过程中的应用。

关键字：快速凝固非晶合金凝固原理1.引言在金属凝固过程中，凝固系统的传热强度及凝固速率对凝固过程及合金组织有着直接而重要的影响。

快速凝固指的是在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程。

快速凝固是通过合金熔体的快速冷却（≥104~106KS-）或非均匀形核被遏制，是合金在大的过冷度下发生高生长速率的凝固。

采用快速凝固技术制备快速凝固微晶，准晶，非晶等非平衡亚稳新型结构及功能材料，是提高传统金属材料性能，挖掘现存材料性能潜力和研究开发高性能新材料的重要手段之一。

利用快速冷却的技术不仅可以显著改善合金的微观组织，提高其性能，而且可以言之在常规铸造条件下无法获得的具有优异性能的新型合金。

2.快速凝固简述快速冷却技术起源于1960年Duwez教授采用独特的急冷急速使金属凝固速度道道106K/s 而制备出的Au75Si25非晶合金薄带。

他们的发现，在世界的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的广阔的研究领域。

在快速凝固条件下，凝固过程的一些传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡。

经典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应，成为凝固过程研究的一个特殊领域。

进入70年代，非晶态材料领域的研究更为活跃，可制备出连续的等截面长薄带技术得到了发展，金属玻璃（Metagla）非同寻常的软磁性（高饱和磁化强度、非常低的矫顽磁性、零磁颈缩和高电阻率），促进了该领域的研究，同时也推动了这些新型磁性材料（尤其是变压器磁芯材料）的应用和发展； 80年代，可制备Φ300、Φ200管；90年代，可制备Φ600，长1M的管、坯。

在凝固过程中获得足够高的冷却速度需满足两个重要条件，首先，在理想冷却过程中，凝固冷速T与截面厚度Z（mm）有以下关系：T＝104Z－2表明凝固冷速与截面Z的二次方成反比。

包晶凝固的研究现状及进展

包晶凝固的研究现状及进展洪流;杨闯;刘静【摘要】People do not understand the process and mechanism of peritectic alloys solidification so deeply com- pared with understanding of single phase and eutectic alloys. What people know is qualitative description for a long time. They neither have formed a relatively complete theoretical system so far nor built a relatively mature solidifi- cation model of single phase and eutectic alloys. Solidification theory and various hypothetical models of peritectic alloys have been reviewed in this paper. Microstructure and growth mechanism on directionally solidified peritectic alloys was discussed.%目前人们对包晶凝固过程和机理的研究远没有单相和共晶体系那样深入，长期以来仅限于定性的描述，至今还没有形成较为完整的理论体系，也没有单相和共晶合金那样较成熟的凝固模型。

本文评述了其近年来包晶凝固的理论、各种假设模型，讨论了定向凝固过程中组织，生长机制等。

【期刊名称】《贵州科学》【年(卷),期】2012(030)003【总页数】3页(P84-86)【关键词】包晶;凝固;模型;组织;生长机制【作者】洪流;杨闯;刘静【作者单位】贵州师范大学材料与建筑工程学院,贵阳550014;贵州师范大学材料与建筑工程学院,贵阳550014;贵州师范大学材料与建筑工程学院,贵阳550014【正文语种】中文【中图分类】TG111.4包晶凝固是十分重要的相变过程，许多结构和功能材料的制备都涉及到包晶反应。

简述包晶合金平衡凝固和非平衡凝固的组织

简述包晶合金平衡凝固和非平衡凝固的组织
包晶合金的平衡凝固和非平衡凝固是指合金在固态形成过程中的晶体组织形态。

平衡凝固是指合金在凝固过程中达到了热力学平衡状态，晶体的组织结构与热力学平衡相对应。

在平衡凝固条件下，合金中的成分会均匀分布在晶体中，晶界清晰并且稳定。

平衡凝固下合金的晶体组织多为经典的大小一致且形状规则的晶粒。

平衡凝固的条件一般包括足够的凝固时间、恰当的凝固速度和温度控制，以确保合金所达到的平衡凝固状态。

非平衡凝固则是指合金在凝固过程中未能达到热力学平衡状态，晶体的组织结构与热力学平衡相对应。

在非平衡凝固条件下，合金中的成分会发生偏析现象，晶界不清晰且有可能存在结构缺陷。

非平衡凝固下合金的晶体组织形态复杂多样，包括大小不一的晶粒、包晶、二次包晶等。

非平衡凝固的条件可能涉及快速冷却、外加应力等因素，以阻止晶体达到平衡凝固状态。

总的来说，包晶合金的平衡凝固和非平衡凝固的组织形态有着明显的区别。

平衡凝固下形成的晶体组织结构一般更加均匀、规则，并且晶界清晰稳定；而非平衡凝固下形成的晶体组织结构则较为复杂，可能存在偏析和结构缺陷。

二元合金平衡(非平衡)显微组织分析

二元合金平衡及非平衡显微组织分析
实验目的
掌握二元相图基本类型及各组成部分的特点；学会用相图分析不同成分合金的凝固过程并
掌握其室温组织的实际形貌特征；
了解其它常见合金室温共晶体形貌特征。
实验内容
二元合金平衡组织分析
`
二元合金非平衡显微组织分析
一、端部固溶体（非平衡组织）
离异共晶（Al－Cu合金）枝晶偏析（Cu－Ni合金）返回 Nhomakorabea 亚共晶
过共晶
共晶（平衡）
共晶（非平衡）
Cu－Ni平衡组织
Cu－Ni非平衡组织
亚共晶
共晶
过共晶
Cu－Sn包晶反应不完全
3.绘制Al－Cu合金端部固溶体的显微组织示意图，并标出组织组成物；（1个）
4.绘制Al—Si二元共晶相图中平衡结晶的共晶，亚共晶，过共晶以及具有共晶成份在非平衡结晶下合金的显微组织形貌，并标出组织组成物；（4个）
5.绘制Cu—Sn包晶反应不完全显微组织、并标出组织组成物。完成实验报告
Cu--Ni匀晶相图
平衡组织（退火）
非平衡组织（枝晶偏析）
二、伪共晶组织
（Al－Si合金）共晶点处伪共晶组织
三、包晶反应不完全（Cu－Sn合金）
Cu－Sn包晶反应不完全
实验任务
1.绘制Ni—Cu二元匀晶相图中平衡结晶与非平衡结晶显微组织示意图、并标出组织组成物；（2个）
2.绘制Pb—Sn二元共晶相图中平衡结晶的共晶，亚共晶，过共晶显微组织示意图，并标出组织组成物；（3个）

8包晶相图及其它二元相图、合金的凝固和组织解析

Cu-Pb偏晶合金的凝固偏析
在结晶过程中，由于两相比重不同而造成铸锭上下部分的化学成分不均匀现象称为比重偏析（宏观偏析）如：Cu和Pb的比重差别大，比重小的Cu 晶体就有可能上浮至铸锭的上部，使凝固后的合金锭上部含Cu多，下部含Cu少、

2018/10/15
15
Cu-Pb偏晶合金的组织
2018/10/15 11
4.4 包晶转变的实际应用

细化晶粒：在包晶反应前析出大量细小相，如在Al及Al合金中添加少量Ti，Ti量超过0.15%时，从液体中析出TiAl3，在 665℃发生包晶转变：L+TiAl3→α，α相依附细小而弥散TiAl3形核，起到细化晶粒作用 Cu及Cu合金中添加少量Fe，在Mg合金中添加少量Zr，均因在包晶转变前形成大量细小的化合物，起非均匀形核作用，从而获得良好的细化晶粒效果

2018/10/15 6
N点以左和D点以右的合金：
固溶体合金
共晶线与包晶线：
（1）分解型 L→α+β （2）共晶线为固相线，线上的合金在共晶温度全部凝固完毕，（3）组织为两相混合物，组织较细，（4）反应相成分点位于共晶线的中间，两个生成相位于两端（1）合成型 L+α→β；（2）仅MN为固相线，MD非固相线，MD的合金包晶转变后有过剩的液体，L→β；（3）组织：MN合金为α+β两相混合物，组织较粗，DM合金为单相β；（4）两个反应相成分点位于包晶线的两端，一个生成相位于中间。
4
2018/10/15
β相依附在α相上形核成长，并把α相包围起来，将α相和液相分隔开，故名包晶反应
X合金： T1：L→α， T2：LD＋αN→βM ， T2-T3：L→β T3：全部凝固完毕，室温组织β

第七章二元系相图

2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 固溶体的平衡凝固－B
固溶体的凝固与纯金属的凝固相比有两个显著特点： ⑴.固溶体合金凝固时结晶出来的固相成分与原液相成分不同。上述结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶 ( 又称选择结晶 ) ；纯金属凝固结晶时结晶出的晶体与母相化学成分完全一样称为同分结晶 ⑵.固溶体凝固需要一定的温度范围，在此温度范围内，只能结晶出一定数量的固相。
由一系列自由能曲线求得两组元组成匀晶系的相图
由一系列自由能曲线求得两组元组成共晶系的相图
7.2.5 二元相图的几何规律
二元相图应遵循如下规律: (1) 相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分，所以相界线是相平衡的体现，平衡相的成分必须沿着相界线随温度而变化。 (2) 两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区分开，而不能以一条线接界(即两个单相区只能交于一点而不能交于一条线)。两个两相区必须以单相区或三相水平线分开。即 : 在二元相图中，相邻相区的相数差为 1 ，这个规则为相区接触法则。 (3) 二元相图中的三相平衡必为一条水平线，表示恒温反应。在这条水平线上存在3个表示平衡相的成分点，其中两点在水平线两端，另一点在端点之间，水平线的上下方分别与3个两相区相接。 (4) 当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交则分界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区。
第七章二元系相图及其合金凝固
本章要求
1. 几种基本相图：匀晶相图（Cu-Ni合金相图）、共晶相图（Pb-Sn合金相图）、包晶相图（Pt-Ag合金相图）。 2. 相律，杠杆定律及其应用。 3. 二元合金相图中的几种平衡反应：共晶反应、共析反应、包晶反应、包析反应、偏晶反应、熔晶反应、合晶反应。 4. 二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织。 5. 熟练掌握Fe-Fe3C相图。熟悉Fe-C合金中各相与组织的结构。会几种典型Fe-C合金的冷却过程分析。熟练杠杆定律在Fe-C合金的应用。

凝固技术和凝固组织

凝固技术随着科学技术的发展，对凝固技术的重视和深入研究, 形成了许多种控制凝固组织的方法, 其中快速凝固技术，定向凝固技术，均衡凝固技术等已经取得了较快的发展。

这些新兴的凝固技术以其独特的方法在不同的方向都取得了很好的成果。

在金属，无机非金属，高分子材料中都有应用。

快速凝固快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段, 同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域。

过去对凝固过程的模拟考虑了在熔融状态下的热传导和凝固过程潜热的释放，不考虑金属在型腔内必然存在的流动以及金属在凝固过程中存在的流动。

目前快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。

着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。

快速凝固技术一般指以大于105K/s-106K/s的冷却速率进行液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。

快速凝固技术得到的合金具有超细的晶粒度，无偏析或少偏析的微晶组织，形成新的亚稳相和高的点缺陷密度等与常规合金不同的组织和结构特征。

由于凝固过程的快冷，起始形核过冷度大，生长速率高，使固液界面偏离平衡，因而呈现出一系列与常规合金不同的组织和结构特征。

快速凝固大致有气枪法，悬铸法，工作表面熔化与自淬火法，雾化法，喷射沉积法等。

气枪法：这种方法的基本原理是将熔解的合金液滴，在高压( >50 atm)惰性气体流(如Ar 或He)的突发冲击作用下，射向用高导热率材料(经常为纯铜)制成的急冷衬底上，由于极薄的液态合金与衬底紧密相贴，因而获得极高的冷却速度( >109℃/S) 。

这样得到的是一块多孔的合金薄膜，其最薄的厚度小于0.5~1.0 μm (冷速达109℃/S)。

旋铸法(chill block melt-spinning)。

Al-Y 包晶合金非平衡凝固过程及组织特征

Al-Y 包晶合金非平衡凝固过程及组织特征王亮;张延宁;骆良顺;刘冬梅;苏彦庆;郭景杰;傅恒志【期刊名称】《中国材料进展》【年(卷),期】2014(000)006【摘要】包晶凝固过程中小平面-小平面两相复相生长方式是凝固领域研究的一个热点。

以初生相和包晶相都是严格计量比金属间化合物的Al-Y包晶合金作为研究对象，利用 DSC热分析技术，严格控制冷却速度，获得不同凝固条件的非平衡凝固试样，研究了两相为小平面相的Al-Y包晶合金的凝固行为。

发现小平面-小平面包晶系合金包晶凝固过程中，非平衡凝固特性及宏观偏析特点比非小平面包晶系更加明显。

凝固特征温度与平衡相图偏差明显，包晶反应温度和包晶相直接凝固温度都远高于平衡相图给定的值，相对于相图是在“过热”条件下发生的，而固溶体型包晶合金一般是在“过冷”条件下发生的。

包晶转变过程非常微弱，致使初生相残留量远高于平衡相图。

即使对于过包晶成分的合金，其凝固组织中仍存在大量的共晶凝固组织，最终得到的凝固组织与平衡相图存在显著差异。

【总页数】6页(P343-348)【作者】王亮;张延宁;骆良顺;刘冬梅;苏彦庆;郭景杰;傅恒志【作者单位】哈尔滨工业大学材料科学与工程学院金属精密热加工国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院金属精密热加工国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院金属精密热加工国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院金属精密热加工国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院金属精密热加工国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院金属精密热加工国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学材料科学与工程学院金属精密热加工国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TG111.4【相关文献】1.Pb-Bi包晶合金定向凝固过程中带状组织的形成 [J], 胡小武;李双明;艾凡荣;闫洪2.Pb-Bi包晶合金定向凝固过程中带状组织的形成（英文） [J], 胡小武;李双明;艾凡荣;闫洪3.Ti-(44-50)Al合金定向包晶凝固过程中的组织演化 [J], 刘畅;苏彦庆;李新中;郭景杰;贾均;傅恒志4.Mg_(70)Zn_(28)Y_2合金凝固过程、凝固组织及包晶反应初生相研究 [J], 万迪庆;杨根仓;朱满;程素玲;周尧和5.Pb-Bi包晶合金凝固过程的DSC差热分析 [J], 胡小武;李双明;高斯峰;刘林;傅恒志因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。