二元合金的凝固和组织

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相 图
相图描述相的平衡存在条件及相与相之间平衡关系。 系统的不同状态或各相都各有其稳定存在的成分、温度及压 力范围，处于这个范围内就呈稳定平衡或相平衡。 超过稳定存在的范围就可能发生状态或相的转变。 相平衡遵从热力学规律，相图以热力学为基础。 热力学理论指导相图的建立、理解分析和应用相图等方面十 分重要作用。
相图的表示和实验测定方法
• 几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。
相图的表示和实验测定方法
• 二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为 例]
• 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，
找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。
• 2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。
相图的表示和实验测定方法
• 2 相图的建立 • 建立相图的关键是要准确地测出各成分合 金的相变临界点(临界温度)。 • 测临界点的方法通常有热分析法、硬度法、 金相分析、X射线结构分折、磁性法、膨胀 法、电阻法等。 • 由于合金凝固时的结晶潜热较大，结晶时 冷却曲线上的转折比较明显，因此常用热 分析法来测合金的结晶温度，即测液相线、 固相线。
相图的表示和实验测定方法
相的特性：
• 1.一个相中可以包含几种物质，即几种物 质可以形成一个相； • 2.一种物质可以有几个相；
• 3.固体机械混合物中有几种物质就有几个 相； • 4.一个相可以连续成一个整体，也可以不3、平衡相成分的确定
二元相图中的成分按国家标准有两种表示法： ①质量分数（w）：
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5.1 相平衡与相图
根据热力学定律，化学位差是组元在各相间转移的驱动 力，组元转移会引起体系自由能变化。在、两相平衡系统 中的平衡条件为 i＝i

即平衡时，同一组元在两相中的化学位相等。
若合金中有c个组元，P个相，则它们的平衡条件为：
自由度是指不改变平衡系中 平衡相数的独立可变的因素的 数目(T、P、平衡相的浓度)。
系统的自由度为:
f=C-P+2。式中C为合金系组元数，P为平
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衡共存的相数，f为自由度，2表示温度与压力两个因素。
相律的推导
相律可由热力学相平衡条件推导， 由影响状态的可变因素减去相平衡决定 的条件数即可确定自由度数。
假定系统中有p个相，c个组元，则相组分引起的变数有p(c1)个。系统的总变数为p(c-1)＋2。 平衡条件数由热力学相平衡条件确定，在多相平衡时，组 元在各相间的化学位相等。每个组元可以写出p-1个等式，c 个组元的平衡条件总数应为c(p-1)。
用于指导生产实践，具有普遍指导意义。
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相图的表示和实验测定方法
一、单元系相图
单组分体系的相律为:
f = C-P+ 2 =1- P + 2 =3- P
单组分平衡体系最多能3相共存
一个纯物质可以有许多不同的相态。例如炭：
气相、液相、固相 (无定形碳、石墨、金刚石、富
勒烯族(C60)。
但碳的相图中最多只能三相共存,不可能四相共存.
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5.2 匀晶相图及固溶体合金的凝固
相图分析
固溶体合金的平衡凝固和组织 固溶体合金的非平衡凝固和组织 固溶体合金凝固过程中的溶质分布 区域熔炼 合金中的成分过冷 固溶体凝固时的晶体生长
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5.2.1 匀晶相图分析
由液相结晶出单相固溶体的过程 称为匀晶转变
第五章 二元合金相图及合金的凝固
5.1 相平衡与相图 5.2 匀晶相图及固溶体合金的凝固和组织 5.3 共晶相图及共晶系合金的凝固和组织
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合金
两种以上的金属或金属和非金属熔合 ( 或烧结 ) 在一起 而具有金属特性的物质
分二元合金、三元合金，多元合金(四元以上)
合金相图
用图的形式表明一个合金系的成分、温度和相态之间 的关系
研究合金中各种相结构和组织的形成和变化规律的有 效工具
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5.1 相平衡与相图
5.1.1 二元合金中存在的相
相：一个体系中结构相同、成分和性能均一， 并以界面相互分开的均匀部分。
相与相之间有界面：如冰和水; 食盐水溶液是一个相， 饱和溶液中析出食盐晶体为两个相。 有界面分开的不一定都是相，如合金中同一相的不 同晶粒。 各微区的性质并不完全相同：成分偏聚造成各微区 的成分并不完全均匀；结构缺陷也可能造成各微区 的性质并不完全相同。
两相的含量为：
再降温，凝固过程继续进行，温度降至T4，遇到固相线，凝固完毕。 固相成分为α4 ，相当于原合金成分，为均匀的α固溶体晶粒。
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固溶体合金凝固过程特点
固溶体合金凝固析出的固相成分与原液相成分不同：需要能量起伏、结构起 伏、成分起伏；形核比纯金属困难，易过冷；过冷度愈大，形核愈容易。
固溶体的不平衡凝固
下图是非平衡凝固时液、固两相成分变化的示意图。
富Ni
富Cu
固相线的位置与冷却速度无关，而固体平均成分线的位置却与冷却速度有 关，冷却速度越快，它偏离固相线越远，当冷却极缓慢时，则与固相线重合。
固溶体的不平衡凝固
非平衡凝固的特点：
①凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固 相线； ②凝固过程进行到一更低的温度才能完成；
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注意:
杠杆的两个端点为给定温度时两相的成 分点,支点为合金的成分点。 杠杆定律只适用于相图中的两相区； 杠杆定律只能在平衡状态下使用。
二元相图的一些几何规律
两个单相区只能交于一点，而不能交成线段； 两个单相区之间，必定是一个由这两个单相构成的 两相区； 三相共存，必定是一条水平线，该水平线必须与由 这3个相组合而成的3个两相区相邻; 如果两个恒温转变中有两个是相同的相，那么在这 两条水平线之间一定是由这两个相组成的两相区。
②摩尔分数（x）：
RA xA RB xB wA , wB R A x A RB xB R A x A RB xB
wA / RA wB / RB xA , xB w A / R A wB / RB w A / R A wB / RB
式中：wA、wB分别为A、B组元的质量分数；xA、
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5.1 相平衡与相图
一、相平衡概念和相律

一个结构的相转变为另一种结构相的过程称为“相变 ”。 从宏观上看，如果系统中同时共存的各相在长时 间内不互相转化，可视之为处于“相平衡”状态。实际 上这种平衡属于动态平衡。 从微观上看，即使在平衡状态，组元仍会不停地 通过各相界面进行转移，只不过同一时间内相互迁移的 速度相等而已。 在平衡条件下，合金的组元数和相数之间存在着 一定的关系，这种关系称为“相律”。
系统的自由度数f=变数-条件数=P(c-1)+2-c(p-1)=c-p+2 6
相律的推导
在研究不包括气相反应在内的合金相变时 ，压力的影响不大，可以忽略。相律的表达式为：
f=C-P+1
应用举例：纯金属最多只有两相平衡；二元系则
存在三相平衡，此时自由度等于零。
相律是分析、检验相图的理论基础，可以
固溶体的不平衡凝固
固溶体的不平衡凝固
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
平衡组织
枝晶偏析组织
固溶体的不平衡凝固
枝晶偏析及其消除
• 由于实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。 扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的 条件下进行的。这使得先结晶出来的固溶体合金含高熔 点组元较多，合金的熔点较高，构成晶体的树枝状骨架， 后结晶出的部分含高熔点组元较少，熔点较低，填充于 枝间。 • 这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析或称 晶内偏析。 • 出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和 加工工艺性能变坏。 • 出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采用 将铸件加热到低于固相线100～200℃的温度，进行长时 间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。
凝固需在一定温度范围内进行：每一温度下只能凝固出一定数量的固相；温 度降低，固相的量增加；固相和液相的成分分别沿固相线和液相线连续改变， 遇上固相线凝固完毕。依赖原子互相扩散达到成分均匀，凝固速度比纯金属 慢。
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固溶体的不平衡凝固
• 实际上，达到平衡凝固的条件是极为困 难的。在实际冷却过程中，凝固常常在 数小时甚至几分钟内完成，固溶体成分 来不及扩散至均匀。先结晶的部分含高 熔点的组分多，后结晶的部分含低熔点 的组分多，溶液只能在固态表层建立平 衡。 • 实际生产中的凝固是在偏离平衡条件下 进行的，这种凝固过程被称为不平衡凝 固。
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固溶体的平衡凝固
液相线、固相线
线条既表示合金 的相变温度，又 表示平衡相的成 分(浓度)。 液相区，固相线 区，液、固两相 平衡区。 相区表示在该区的温度和成分范围内，合金所存在的相态。 两相区自由度ƒ=1。
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固溶体合金的平衡凝固
二元相图中所有的水平线都是表示三相平衡的 恒温转变，其自由度等于零。
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二元相图的分析
先看相固中是否存在稳定的化合物，如果有稳定化合物，则 可将稳定化合物作为一个独立的组元把相图分为几个部分来 分析研究； 根据相区的接触法则，弄清各个相区； 找出三相共存水平线及与其接触的 3 个单相区，由 3 个单相区 与水平线的相互位置确定三相平衡转变的性质和反应式； 分析典型合金随温度改变而发生的转变和变化规律：在单相 区内，该相的成分与原合金相同；在两相区内，不同温度下 两相的成分均沿其相界线变化，两相的相对含量可由杠杆定 律求得；三相平衡时，3个相的成分是固定的，反应前或反应 后各组成相的相对含量也可以由杠杆定律进行计算。