第四章 二元合金相图与合金凝固
物理冶金原理 3-二元合金相图与凝固
L
L+a TE a
A a+b
E L+b Bb
完全离异形核、离异生长的共晶组织
－球墨铸铁组织：Ductile Cast Iron
Binary Peritectic Phase Diagrams and Solidification of
Binary Peritectic Alloys
二元包晶合金相图及二元 包晶合金的凝固
NiTi2
二元系中的三相平衡
F = 2 –3 + 1 = 0
共晶转变 L a + b 共析转变 a b + g 包晶转变 L + a b 包析转变 a + b g
共晶转变 L a + b 共析转变 a b + g 包晶转变 L + a b
包析转变 a + b g
L36 + (Cr5Si3)27 Cr(3SCi rSi)35
1)、液固界面处两相局域平衡：
Local equilibrium at S/L interface Cs/CL=k
2)、液相线及固相线均为直线：k=constant 3)、液-固界面保持平面：Planar S/L interface
固相无扩散、液相完全混合
No Diffusion in Solid and Complete Mixing in Liquid
Segregation-Induced Interdendritic Eutectics
Primary Dendrite
Solidification Segregation
凝固偏析的分类：
晶内偏析（枝晶偏析） 晶界偏析 宏观偏析 微观偏析
减轻或消除凝固偏析的方法：
第四章__二元合金相图
固溶体的分类
•按溶质原子在溶剂晶格中的位置分：
置换固溶体与间隙固溶体
•按溶质原子在溶剂中的溶解度分：
有限固溶体和无限固溶体
•按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分：
无序固溶体和有序固溶体
• 1、置换固溶体 • (substitutional solid solution) • 溶剂原子被溶质原子所置换
杠杆定律
杠杆定律是确定状态图中两相区内两平衡相
的成分和相对重量的重要工具
由杠杆定律可算出合金中平衡两相的相对质
量（即质量分数）
二元合金系，杠杆定律只适用于相图中的两
相区, 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。
4、合金的不平衡结晶与树枝状偏析
成的固溶体。
形成条件：溶剂与溶质原子尺寸相近，直径
差别较小，容易形成置换固溶体。
置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称
之为无序固溶体。在某些条件下，原子成为 有规则的排列，称为有序固溶体。
固溶体的溶解度
浓度：溶质原子在固溶体中所占的百分比 溶解度：在一定条件下的极限浓度 置换固溶体中，影响溶解度的因素有原子
2、间隙固溶体（interstitial solid solution）
溶质原子溶入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体 晶体结构类型
晶格畸变（lattice distortion）
由于溶质原子的介入，原子的排 列规律受到局部的破坏，使晶格 发生扭曲变形。
溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力增 大，金属的强度及硬度升高的现象------固溶强化
T,C 1500 1400 a1 1300 1200 1100 a 1083 1000 Cu L 1455
第四章二元合金相图
共晶温度： 共晶转变 L61.919 97.5
共晶温度以下： 二次结晶 Ⅱ ， Ⅱ
室温组织： （+）共晶 [由于 Ⅱ和Ⅱ常与共晶和相连， 显微镜下很难分辨，室温组织为： （+）共晶 ]
2、共晶合金室温平衡组织特征
共晶组织的基本特征是 两相均匀并交替分布， 根据合金组元的不同，共晶组织的形态各异， 有层片状、棒状、球状、针状、螺旋状等。
反过来考虑：把20%的NaCl水溶液分成浓度分别 为10%和 30%的两份，那么两份的体积分数是多 少？
V1×10%+V2×30%=20%×(V1+V2)
这种方法可推广到固相和固液混合相
如图：成分为C的Ni-Cu合金，缓冷到t℃时,根据相图分 析：（Ⅰ）此状态下存在哪几相？（Ⅱ）各相的成分如 何？（Ⅲ）各相的数量（绝对数量与相对数量）？
1400
（L+ ）
1300
1200
1200
T
1100
1000
1000
900
800
t
800 0
20
40
60
80
100
W (% ) Cu
Cu-Ni合金相图的建立
（二）二元匀晶相图分析
两线：液相线、固相线 1、相图分析 三区：液相、液相+固相、固相
1500
L
1400
Fe-C二元合金相图及钢铁材料的平衡凝固组织 合金相图与凝固
过共析钢组织：
晶界网状二次渗碳体＋珠光体
过共析钢组织：
晶界网状二次渗碳体＋珠光体
亚共晶白口铸铁凝固组织
初生奥氏体＋莱氏体共晶
共晶白口铸铁凝固组织：片层状莱氏体共晶
Laser Melted Rapidly Solidified Irregular Fe3C/Fe Eutectic 不规则莱氏体
1. 铁素体：Ferrite
Fe3C
The Solid Solution of C in a-Fe (BCC) 0.0218%C
2. 奥氏体：Austenite
g
The Solid Solution of C in g-Fe (FCC) 2.11%C
a 3. 渗碳体：Cementite
The Iron Carbide Fe3C 6.69%C
液相面线投影图中各种四相平衡转变
L+S=(T + a-Al) L+Q=(S+T) L=(b+T+a-Al)
L+γ γ
①
L
②③
④
L+Mo2Ni3Si Mo2Ni3Si
γ＋Mo2Ni3Si
Ni
Mo2Ni3Si
g-Mo2Ni3Si相区垂直截面图
液相线投影图与四相平衡反应类型
四相平衡面上相平衡关系
珠光体 OM 、
TEM
Fe-C合金的分类：
1. 纯铁Pure Iron：
2. 钢Steels: C% < 2.11%
亚共析钢：%C < 0.77%
共析钢: C%= 0.77%
过共析钢：0.77~2.11%C
低碳钢、中碳钢、高碳钢
3. 铸铁Cast Irons 亚共晶铸铁 共晶铸铁
第四章 二元合金相图与合金凝固参考答案
第四章二元合金相图与合金凝固一、本章主要内容：相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图，相图与合金性能的关系相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图二、1.填空1 相律表达式为___f=C-P+2 ___。
2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分_______起伏。
3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。
5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。
6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。
7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶__。
第四章：二元相图
2.杠杆定律： 问题提出： ①当二元合金（成分已知）由两相组成时两相的相对重量是多少？
例：45钢（含C=0.45%）,铁素体（F）和Fe3C两相各占多少？ ②当二元合金两相相对重量已知时，合金成分是多少？
例：金相观察：F:95%; Fe3C：5%；求钢的含碳量？ 杠杆定律可以解决此类问题。
纯金属结晶：在负的温度梯度下---------树枝晶。 在正的温度梯度下------平滑界面（平面长大）
固溶体合金，即使在正的温度梯度下，也会形成树枝晶-------是由于 成分过冷造成的。 （1）成分过冷概念：固溶体合金结晶时，由于液固界面前沿存在溶质 浓度梯度而改变了过冷情况，称为成分过冷。
（2） 产生原因： 以K0<1为例(图示说明) 过冷度：界面前沿液相实际温度<液相平衡结晶温 度 （3） 产生成分过冷的条件： (讨论成分过冷的影响)
④具有共晶转变的二元合金： Pb-Sn Pb-Sb Fe-C(C>2.11%) Al-Si Al-Cu Ag-Cu
第四章：二元相图
4.2.2共晶相图
1.相图分析
以Pb-Sn二元合金相图为例：
三个单相区：L、α、β α：Sn溶入Pb中固溶体 β: Pb溶入Sn中固溶体
AEB-液相线 E点：共晶合金 AMNB-固相线 ME之间：亚共晶 ; EN之间：过共晶合金 MF-Sn在Pb中溶解度曲线，随T↓,溶解度↓ NG- Pb在Sn中溶解度曲线
第四章：二元相图
4.2.2共晶相图
2．典型合金平衡结晶及组织
（2）共晶合金结晶过程(61.9%Sn) 在183℃，由61.9%Sn的液相，同时结 晶出α（19%Sn）和β（97.5%Sn）两 种固溶体。
考研材料科学基础试题及答案
材料科学基础习题叶荷 11及材料班2013-1—10第三章二元合金相图和合金的凝固一、名词:相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。
匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程.平衡结晶:合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。
成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。
异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。
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.共晶转变:在一定温度下，由-定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。
脱溶:由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。
包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用,形成另一个一定成分的固相的转变过程。
成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。
二、简答：1。
固溶体合金结晶特点?答:异分结晶;需要一定的温度范围。
2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？答：溶质平衡分配系数k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。
3. 影响成分过冷的因素？答：合金成分；液相内温度梯度;凝固速度。
4。
相图分折有哪几步？答：以稳定化合物为独立组元分割相图并分析;熟悉相区及相；确定三相平衡转变性质。
三、绘图题绘图表示铸锭宏观组织三晶区。
四、书后习题1、何谓相图?有何用途？答:相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。
相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。
2、什么是异分结晶？什么是分配系数?答:异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。
分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。
3、何谓晶内偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响,如何消除？答：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象形成过程:固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒内部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组元较多,后结晶的含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差.影响因素:1）分配系数k 0：当k0<1时,k0值越小，则偏析越大;当k0>1时，k0越大，偏析也越大。
二元相图及其合金的凝固
T a TF A+L
1
L1 L2
K L1
/
L
b F
2L分相 区
L2/
G
P A+L E B+L L A +B
TE
O
A+B
A 两层 p=1 f=2 LF A p=2 f=1 L1 L1/ B％ 两层 p=1 f=2 L2 L2/
B
G[TF，(A)]
熔体1
LG LF+A f=0
L A +B E [TE ， A+(B)] p=3 f=0
L
L+A
E A+C A
P D J
L+C B+C
C
B
(2) 同理可分析组成2的冷却过程。在转熔点P处，
L＋BC时，L先消失，固相组 成点为D和F，其含
量 由D、J、F三点相对位置求出。P点是回吸点又是
析晶终点。
3
T
a L+A E A+C A C C B
b L+B D L+C L C B
L
P
(3) 组成3在P点回吸，在L＋BC时L＋B同时消失， P点是回吸点又是析晶终点。
具有液相分层的二元系统相图
T
a
2L分相 区
K
L b F
TF A+L
G A+L E B+L
TE
O A+B B
A
1、点E：低共熔点 LA＋B f=0 2、线GKF为液相分界线；
B％
F：LG A＋LF f=0
3、帽形区GKFG为二液存在区，区域的存在与温度有关。 4、析晶路程：
第四章 二元相图
第二节 二元匀晶相图
3 固溶体的不平衡结晶 （3）成分偏析： 晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。 枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀 的现象。 （消除：扩散退火， 在低于固相线温度 长时间保温。）
2h
12
第 四 章 相
4 稳态凝固时的溶质分布
第二节 二元匀晶相图
（ 1 ）稳态凝固：从液固界面输出溶质速度等于溶 图 质从边界层扩散出去速度的凝固过程。 第 （ 2 ）平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平 二 衡相中溶质浓度的比值。 k0=Cs/Cl
（1）包晶合金的结晶
结晶过程：包晶线以下，L, α对β过饱和－界面 生成β－三相间存在浓度梯度－扩散－β长大－ 全部转变为β。 室温组织：β或β＋αⅡ。
35
第 四 章 相 图 第 四 节 包 晶 相 图
第四节 二元包晶相图及合金凝固
2 平衡结晶过程及其组织 （1）包晶合金的结晶 结晶过程：包晶线以下，L, α对β过饱和－界面 生成β－三相间存在浓度梯度－扩散－β长大－ 全部转变为β。 室温组织：β或β＋αⅡ。
36
第 四 章 相 图 第 四 节 包 晶 相 图
第四节 二元包晶相图及合金凝固
2 平衡结晶过程及其组织
（2）成分在C-D之间合金的结晶
结晶过程：α剩余；
室温组织：α＋β＋αⅡ＋βⅡ。
37
第 四 章 相 图 第 四 节 包 晶 相 图
第四节 二元包晶相图及合金凝固
2 平衡结晶过程及其组织
38
第 四 章 相 图 第 四 节 包 晶 相 图
第三节 二元共晶相图及合金凝固
26
第三节 二元共晶相图及合金凝固
（1）伪共晶 ③ 不平衡组织 由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。 共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。（伪 共晶区偏移）
4 材料的凝固与二元合金相图
相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的 连线叫固相线。
Cu-Ni合金二元相图建立示意图
二、二元相图的基本类型与分析
1、二元匀晶相图 两组元在液态和固 态下均无限互溶时 所构成的相图称二 元匀晶相图。 以Cu-Ni合金为例进 行分析。
Cu-Ni合金相图
相图由两条线构成， 上面是液相线，下面 是固相线。 相图被两条线分为三 个相区，液相线以上 为液相区L ，固相线 以下为α 固溶体
31
由杠杆定律可算出在T1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: 只适用于相图中两相区并且只能在平衡状态下使用。 杠杆定律的应用： 1、确定某一温度下两平衡相的成分 2、确定某一温度下两平衡相的相对量
32
例：求30%Ni合金在1280 °时α相的相对量 解：作成分线和温度 线如图。 T,°C 设 α相的相对量Qα L 1455 c L相的相对量QL 1500 1400 a1 b1 c1 1280 °C 根据杠杆定律 1300 L+ α Qα b1 c1 = QL a1b1 1200 1100 a Qα = a1b1 /a1c1 1083 α 1000 Qα =12/48
一、二元相图的建立
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。
23
一、二元相图的建立
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。 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。 3. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字 和字母。
材料科学基础二元系相图及其合金凝固二元包晶相图PPT课件
➢在0~1点温度范围，合金为液相。
➢在1点温度时，合金开始结晶，从 液相中结晶出固相。
➢在1~2点温度范围，发生匀晶转变， 合金处于固液两相平衡。
➢温度达到2点，液相全部转变为相， 此时的组织为 单相组织。
第19页/共80页
➢2－3点范围内合金不发生任何组织 转变，仍为单相组织。 ➢当温度达到3点时，由相开始脱溶 出αⅡ相 因此，室温组织为：
2.包晶系合金的平衡凝固－（1） 包晶点(P)合金
1
L＋
D
P2
42.4
L＋
第5页/共80页
➢在0~1点温度范围，合金为液相。 ➢在1点温度，合金开始结晶出固相α。 ➢在1~2点温度范围，合金发生匀晶 转变，L→α。 ➢在略高于2点温度，合金处于液相 和α相的两相平衡，液相的平衡成分 为C点成分，α相的成分为D点成分。
超出包晶反应所需比例，包晶反80页
➢因 此 ， 包 晶 转 变 后 ， 合 金 处 于 α 和 β 两 相 平衡。 ➢温度低于2点时，开始分别从α、β两相中 脱溶出βⅡ 和αⅡ 结晶过程：
L→L+α→L+α+β→α+β→α+β+αⅡ+βⅡ
匀晶反应＋包晶反应＋脱溶转变 ➢ 室温组织：
即：L1→ A+L2 • 具有偏晶转变的二元系 第52页/共80页 有：Cu－ S、Cu
具 有 偏 晶 转 变 的 相 图
第53页/共80页
α+ β+αⅡ+ βⅡ
第26页/共80页
（6）包晶点(P)以左其它合金的平衡凝固
1
L＋
D
P2
42.4
L＋
第27页/共80页
（6）包晶点(P)以左其它合金的平衡凝固
4二元合金
第二篇凝固理论及应用（3、4、5、6章）第四章二元合金相图与合金凝固（10学时）4.1概述虽然纯金属在工业生产上获得了一定的应用，但由于其强度一般都很低，零件远不能满足各种使用性能的要求，因此工业上广泛采用合金。
合金：金属与金属或非金属采用熔炼、烧结或其它方法制成的具有金属特性的物质。
(ex：最广泛的碳钢和铸铁是由铁和碳组成的合金，黄铜是由Cu和Zn组成的等。
)要了解合金具有哪些优良性能，首先要了解各合金组元彼此相互作用形成哪能些合金相，它们的化学成份及晶体结构如何，再研究合金结晶后各组成相的形态、大小、数量和分布情况，即其组织状态，并进一步探讨合金的化学成分、晶体结构、组织状态和性能之间的变化规律。
合金相图正是研究这些规律的有效工具。
掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的性能，并根据要求研制新的合金，在生产实践中，合金相图可作为制订合金熔炼、铸造及热处理工艺的重要依据。
一、相图相图是表示合金系中合金的状态与温度、成分间的关系的图解，是表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成分下的各相关系的图解，因此，又称为状态图或平衡图。
利用相图，可了解到不同成分的合金在不同温度下的平衡状态，它存在哪些相，相的成分及相对含量如何，以及在温度变化时的相变过程及组织形成规律。
因此，相图可成为研制新材料设计合金成份的依据及强化和加工材料的依据。
二元相图的表示方式：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，合金的化学成分变化时，则合金中所存在的相及相的相对含量也随之发生变化，同样，当温度和压力发生变化时，合金所存在的状态也要发生改变。
因此合金的状态可由合金的成分和温度两个因素确定。
对于二元系来说，通常横坐标表示成份，纵坐标表示温度。
其中的任一点表示一种合金的成份。
成份—温度坐标平面上的的任一点又叫做表象点。
它对应某一成份合金在某一温度下的相组成及相间平衡关系。
或说该点代表某一合金在某一温度下所处的状态。
二元系相图及其合金的凝固
图7.5 具有极小点与极大点的相图 （a）具有极小点 (b) 具有极大点
2．固溶体的平衡凝固
平衡凝固是指凝固过程中的每个阶段都能 达到平衡，即在相变过程中有充分时间进行组 元间的扩散，以达到平衡相的成分。 固溶体的凝固过程与纯金属一样，也包括 形核与长大两个阶段，但由于合金中存在第二 组元，使其凝固过程较纯金属复杂。例如合金 结晶出的固相成分与液态合金不同，所以形核 时除需要能量起伏外还需要一定的成分起伏。 另外，固溶体的凝固在一个温度区间内进行， 这时液、固两相的成分随温度下降不断地发生 变化，因此，这种凝固过程必然依赖于两组元 原子的扩散。
c.亚共晶合金
在图7.6中，成分位于M，E两点之间的 合金称为亚共晶合金，因为它的成分低于 共晶成分而只有部分液相可结晶成共晶体。 室温组织通常可写为 α初+(α+β)+βII，甚至 可写为α初+(α+β)。
d．过共晶合金
成分位于E，N两点之间的合金称为过 共晶合金。其平衡凝固过程及平 衡组织与亚共晶合金相似，只是初生相为β 固溶体而不是α固溶体。室温时的组织为β 初+(α+β)。
合金III在包晶反应前的结晶情况与上述 情况相似。包晶转变前合金中a相相对量大 于包晶反应所需的量，所以包晶反应后， 除了新形成的b相外，还有剩余的a相存在。 包晶温度以下，b相中将析出aII，而a相中 析出bII，因此该合金金的室温平衡组织为 a+b+aII＋bII，
3．包晶合金的非平衡凝固
如前所述，包晶转变的产物b相包围着 初生相a，使液相与a相隔开，阻止了液相 和a相中原子之间直接地相互扩散，而必须 通过b相，这就导致了包晶转变的速度往往 是极缓慢的. 显然，影响包晶转变能否进行 完全的主要矛盾是所形成新相b内的扩散速 率。
第四章二元合金相图PPT课件
由杠杆定律可算出在T1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: 只适用于相图中两相区并且只能在平衡状态下使用。 杠杆定律的应用：
1、确定某一温度下两平衡相的成分 2、确定某一温度下两平衡相的相对量
（a）冷却曲线 （b）Cu-Ni相图
三、相律
相律是分析和使用相图的重要理论依据，它表示 在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平 衡相数之间的关系式。在衡压条件下，其数学 表达式为: f=c-p+1 式中 f－自由度数 c－组元数 p－平衡相数
第二节 二元合金相图的基本类型
一、匀晶相图及固溶体的结晶 Isomorphous Phase Diagrams
共晶合金组织的形态
( 机械混合物，两相交 替分布其中黑色片层为 α 相，白色基体为β 相）
（3）合金III的平衡结晶过程
（ 亚共晶合金）结晶过程分三个阶段，即匀晶反应+共晶反应 +二次结晶反应。
L
L+a初 L+a初+（ ac+βd)
a初+（ ac+βd)
（ a初+βII）+（ a+β）
合金的室温 和β。
其结晶过程与合金iii相似只是匀晶产物为初晶二次结晶产物为4合金的平衡结晶过程进化心理学综合了进化生物学的各种理论和当代心理学的研究法则主张用进化论的视野来看待和研究人格问题为人格心理学核心概念的建构提供了一个系统的框架
工程材料与热加工基础
The Fundamentals of Engineering Materials & Heat
第4章 二元合金
TE- P 7 Wenyun Ju
测定时所配制的合金数目越多,所用金属纯度越高, 测定时所配制的合金数目越多,所用金属纯度越高,测 温精度越高,冷却速度越慢(0.5℃/min ~1.5℃/min),则所 温精度越高,冷却速度越慢 ℃ ℃ , 测得的相图越精确. 测得的相图越精确. 如图2.8所示是用热分析法建立的 所示是用热分析法建立的Cu-Ni合金的相图过 如图 所示是用热分析法建立的 合金的相图过 程示例. 程示例.
TE- P 2 13 Wenyun Ju
2, 固溶体 溶质原子溶入金属溶剂 溶剂中所组成的合金相称为固溶体.固溶体 溶质 溶剂 的点阵结构仍保持溶剂金属的结构,只引起晶格参数的改变. 当两组元在固态无限溶解时,所形成的固溶体称为连续固溶体 或无限固溶体;当两组元在固态部分溶解时,所形成的固溶体称为 有限固溶体或端际固溶体.按照溶质原子在固溶体中所处的位置, 固溶体又可分为间隙固溶体和置换固溶体. 1) 间隙固溶体 当溶质原子直径与溶剂原子直径的比值 小于0.59时,才能形成间隙固溶体.溶剂晶 格的间隙是有限的,因此,间隙固溶体只能 是有限固溶体.
当共晶组织十分细密且在不平衡结晶时出现伪共晶其强度和硬度在共晶成分附近偏离直线关系而出现峰值如图225中虚线所示wenyunju33不同类型的合金与性能关系tewenyunju34根据相图判断合金的铸造性能合金的铸造性能主要表现为液态合金的流动性缩孔热裂倾向等性能它主要取决于相图上液相线与固相线之间的水平距离及垂直距离即结晶的成分间隔与温度间隔
TE- P 4 15 Wenyun Ju
3,强化金属的方法 ,
1),细晶强化
程度. σs= σi+Kyd-1/2 σi反映位错在晶粒内运动时的摩擦阻力, Ky反映位错运动造成的滑移从一个晶粒传播到相邻晶粒的难易 外来原子溶入基体中形成固溶体,产生晶格畸变造材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生的强化. 这种弥散质点可以是过饱和固溶体时效时的脱溶产物,或是材料制备时特意加入 的弥 散质点(如粉末冶金).
第四章 材料的成形凝固与二元合金相图参考答案
第四章材料的成形凝固与二元合金相图习题参考答案一、解释下列名词答：1、凝固：物质由液态转变为固态的过程。
2、过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
3、自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。
4、非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。
5、变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法。
6、变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
7、同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。
8、合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质。
9、组元：组成合金的最基本的、独立的物质。
10相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。
11、相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图。
12、枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象。
13、比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。
如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致的现象。
二、填空题1、实际结晶温度比理论结晶温度略低一些的现象称为金属结晶的过冷现象，实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
2、金属结晶过程是晶核形成与晶核长大的过程，这是结晶的基本规律。
3、金属结晶时的冷却速度越快，则过冷度越大，结晶后的晶粒越细，其强度越高，塑性和韧性越好。
4、典型的金属铸锭组织由三层组成，即表层细晶区、柱状晶区、中心粗等轴晶区。
5、在金属铸锭中，除组织不均匀外，还经常存在缩孔、气孔、疏松等各种铸造缺陷。
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第四章二元合金相图与合金凝固本章主要内容：相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶合金的非平衡凝固与组织包晶反应的应用铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭的缺陷其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图，Al-Mn相图，Al2O3-SiO2二元系相图相图与合金性能的关系相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图1.填空1 相律表达式为_____________________________。
2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有_____________起伏。
3. 按液固界面微观结构，界面可分为__________________和____________________。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是__________________________，光滑界面晶体的长大机制是_____________________和_____________________。
5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生____________偏析，用_________________热处理方法可以消除。
6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈________________状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为________________状。
7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为______________。
8 亚共晶合金的典型平衡组织为_________________，亚共析合金的典型平衡组织为___________________________。
9 共晶，包晶，偏晶，熔晶反应式分别为______________________,____________________, _________________________,___________________________。
10 共析，偏析，包析反应式分别为______________，______________，_____________。
11 固溶体合金凝固时，溶质分布的有效分配系数k1=_________，当凝固速率很大时，则k1趋于_____________。
12 不发生成分过冷临界条件的表达式为_________________________。
13 应用相图可以判断_________________________,_____________________________,__________________, ______________________ 。
14 纯金属凝固时，一般只有在______________条件下才生长成树枝晶，当金属中含有杂质或固溶体合金凝固由于发生___________所以在_______________条件下也可能生长树枝晶。
固溶体合金定向凝固时，液相中溶质混合越充分，则凝固后铸锭成分__________________。
15 平衡分配系数K=0.1时，经三次区域熔炼后料棒前端杂质浓度将降低至原来的________。
16 合金中相平衡的条件是_____________________________________。
17 二元系中两相区的边界线都表示相转变的_________和平衡相的_________。
18. 在二元相图中，L1→α+L2叫_____________反应，β→L+α称为__________转变，而反应α１—α２＋β称为___________反应，α+β→γ称为___________反应。
19 Fe-Fe3C相图中含碳量小于________为钢，大于_________为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由_____________和______________两个基本相组成；根据溶质原子的位置，奥氏体其晶体结构是______________，是____________固溶体，铁素体是_______________，其晶体结构是______，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含量是__________；珠光体的含碳量是_____它是由____________和________组成的两相混合物；莱氏体的含碳量______________；在常温下，亚共析钢的平衡组织是___________，过共析钢的平衡组织是_____________，亚共晶白口铸铁的平衡组织是___________________，莱氏体的相组成物是____________________，变态莱氏体的相组成物是________________ ，Fe3CI是从__________________中析出的，Fe3CII是从_________________中析出的，Fe3CIII是从____________________中析出的，它们的含碳量为__________________，Fe3C主要性能特点是_______________________，A共析反应后的生成物称为________________。
2. 选择1 图1中Ⅲ合金非平衡凝固后的组织为_______。
A βB β+αIIC β+未转变的α2 要得到细小的层片状共晶组织，必须_______。
A增大过冷度 B降低凝固速度 C 增大两相间的界面能3 平衡分配系数K=0.1的合金，经三次区域熔炼后，料棒前端的杂质浓度将减至原来的________________。
A 1/1000B 1/300C 1/34 要得到细小的层片状共晶组织，必须_______。
A增大过冷度 B降低凝固速度 C 增大两相间的界面能5 在固溶体自由能与成分的关系式中，两组元相互作用参数的表达式为_______。
A NZ(eAB +(eAA+eBB)/2) B NZ(eAB-(eAA+eBB)/2) C EAB=(eAA+eAB)/26 Ko<1的固溶体合金棒，由左向右进行区域熔炼后，则试棒____________。
A 全部被提纯B 左边一段被提纯C 右端被提纯7 图中1，2，3合金在常温下凝固后，枝晶偏析最小的是__________。
A 合金1B 合金2C 合金38 有枝晶偏析的铜镍合金，___________A 枝干富Cu，枝间富NiB 枝干富Ni，枝间富CuC 枝干和枝间都富Cu9 室温下含0.3%C的钢平衡条件下，组织组成物为____________。
A F+PB F+Fe3C C (Fe3C)II+P10 铁碳合金中的Fe3CII是从_______中析出来的。
A 液相B 奥氏体 C铁素体 D 珠光体11 Fe3CII含量最多的是________。
A Fe-0.0218%C合金B Fe-0.77%C合金C Fe-2.11%C合金D Fe-6.69%C合金12 亚共析钢于两相区长时加热，（）变成单相奥氏体。
A 能B 不能3 名词解释负温度梯度，粗糙界面，平衡分配系数，有效分配系数，枝晶偏析，均匀化退火，成分过冷，比重偏析，伪共晶，离异共晶，不平衡共晶，包析反应，共析反应，偏晶反应，珠光体，莱氏体，二次渗碳体，增幅分解，4 判断1．固溶体合金形核比纯金属形核难。
（）2 产生新相，其自由能一定要比母相低才能发生。
（）3 在一定温度下二元合金中存在二相平衡条件是α相和β相有相同的自由能。
（）4 晶粒之间化学成分不均匀的现象，称为枝晶偏析。
（）5 晶内偏析可通过均匀化退火消除。
（）6 铜在凝固过程中以树枝晶长大时，其一次轴为<100>的可能性最大。
（）7 存在晶内偏析的固溶体相由于其晶粒内各处成分不同，所以不能看成一个相。
（）8 成分过冷愈大，树枝组织愈发达。
（）9 任何合金的不平衡结晶总是先结晶的固溶体晶粒含高熔点组元多，而后结晶的固溶体枝晶含低熔点组元多。
（）10 任何成分的亚共晶和过共晶合金不平衡结晶条件下所获得的组织与平衡组织比较，其中初生相相对量较少，而共晶体量相对较多。
（）11 伪共晶区往往偏向晶格简单粗糙界面一边。
（）1２离异共晶只能在非平衡条件下产生。
（）1３过冷度越大，比重偏析越严重。
（）1４扩散退火可消除区域偏析。
（）15 在过冷度相同的条件下，共晶反应的速度比包晶反应快。
（）16 二元合金中的稳定化合物有一定熔点。
（）在熔点以下不发生分解（）不稳定化合物都是共析反应的生成物。
（）17 在图中，C0合金冷到t2温度时，溶质B含量为Co=C/k( )，若将合金棒由左向右进行区域熔炼后，则棒的左边一段得到A的提纯。
（）18 如图是A-B二元固溶体合金凝固时产生成分过冷的示意图。
其中To是A组元的熔点（），Ti是固/液界面处的温度（），曲线是界面前沿液态合金的液相线温度（），G是界面前沿的温度梯度，当G增大时，成分过冷度增大。
（）19 二元相图中三相平衡时温度恒定，而平衡三相成分可变。
（）20 宏观上观察，若固/液界面是平直的称为光滑界面结构；若是金属界面呈锯齿形称为粗糙界面结构。
（）、21 无论平衡或非平衡凝固，只要初晶的量很多，共晶的量很少，就可能出现离异共晶。
（）22 Cs(x)=K0C(1-x/l)k0-1称为稳态凝固方程。
（）23 固溶体合金凝固时，成分过冷的临界条件方程是：G/R=mc0/D·(1-k)/k( )，只有当G/R>mc0/D·(1-k)/k时才产生成分过冷。
（）24如图5的相图（二元共晶）的画法是正确的（）图5图625 在二元合金中，铸造性能最好的是共晶合金。
（）26固溶体合金凝固时，在正温度梯度下晶体也可能以树枝晶长大。
（）27 无论何种成分碳钢组织中铁素体相对量随C%增加而减少，珠光体相对量则增加。
（）28 在Fe-Fe3C相图中的所有合金，凝固时都可产生成分过冷。
（）29 莱氏体和变态莱氏体存在的温度范围不同（），除此之外，二者无其他差别（）。
30 铸铁平衡结晶过程只有共晶转变而没有共析转变。