相图分析

第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固
四、固溶体材料非平衡冷却
过程： 过程：
从固溶体的凝固特征可知， 从固溶体的凝固特征可知，在晶体长 大过程中， 大过程中，组元元素在析出的固相中不断 的发生迁移。 的发生迁移。但原子在固体中的迁移相对 结晶过程是较慢的( 结晶过程是较慢的(原子的迁移是扩散过 以后专门讨论) 程，以后专门讨论)，可见完全达到平衡 凝固是较困难的，需要相当长的时间， 凝固是较困难的，需要相当长的时间，一 般的冷却凝固达不到平衡状态。 般的冷却凝固达不到平衡状态。
在冷却速度较快时的凝固是非平衡凝固，从相图中可见， 在冷却速度较快时的凝固是非平衡凝固，从相图中可见，在略低于开始 凝固温度t 下开始析出的固体的成分为α 凝固温度t 1下开始析出的固体的成分为α1，到t 2温度晶体表面生长的成分 可为α 由于扩散速度跟不上来， 可为α2，由于扩散速度跟不上来，心部的成分来不及达到和表面一样就冷却 到下一温度t 因此析出的固体的成分表里不一，平均成分也偏离了固相线。 到下一温度t 3，因此析出的固体的成分表里不一，平均成分也偏离了固相线。 到达平衡和固相线交点的温度t 时还有液相存在，继续冷却到一更低的温度， 到达平衡和固相线交点的温度t f时还有液相存在，继续冷却到一更低的温度， 固体的平均成分回到合金成分时液体消失，凝固过程才结束。 固体的平均成分回到合金成分时液体消失，凝固过程才结束。
一般用占总体数量的百分 比的相对值来表示。 比的相对值来表示。如果 把线段axc当成一杠杆， axc当成一杠杆 把线段axc当成一杠杆，则 他们满足杠杆力的平衡原 所以称之为杠杆定律 杠杆定律。 理，所以称之为杠杆定律。
用杠杆定律来分析在理解和使用都有好的直观性和方便。适用所有两相平衡。 用杠杆定律来分析在理解和使用都有好的直观性和方便。适用所有两相平衡。
第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固
四、固溶体材料非平衡冷却
非平衡凝固的特点有： 凝固过程中， 非平衡凝固的特点有：①凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线； 固两相的成分偏离液、固相线； 凝固过程进行到一更低的温度才能完成； 生成固体的成分是不均匀的。 ②凝固过程进行到一更低的温度才能完成；③生成固体的成分是不均匀的。 随着冷却速度的加大，这些差别特点表现的愈明显。 随着冷却速度的加大，这些差别特点表现的愈明显。 结果：生成固体的成分不均匀较偏析， 结果：生成固体的成分不均匀较偏析，快速冷却时在一个晶粒内部先后结晶 的成分有差别，所以称为晶内偏析，金属的晶体往往以树枝晶方式生长， 的成分有差别，所以称为晶内偏析，金属的晶体往往以树枝晶方式生长，偏 析的分布表现为不同层次的枝晶成分有差别，因此这种偏析又称枝晶偏析。 析的分布表现为不同层次的枝晶成分有差别，因此这种偏析又称枝晶偏析。 晶内偏析的程度决定于：相图中液 固相线相距愈远 固相线相距愈远， 晶内偏析的程度决定于：相图中液—固相线相距愈远，组元元素原子的迁移 能力愈低(扩散系数小) 冷却速度愈大，造成的晶内偏析将愈严重。 能力愈低(扩散系数小)，冷却速度愈大，造成的晶内偏析将愈严重。 消除偏析的方法：前两条原因是不可更改的 但并不是采用慢速冷却， 消除偏析的方法：前两条原因是不可更改的，但并不是采用慢速冷却，因为 更改 慢速冷却会使晶粒变大，最高和最低成分之间的距离加大消除更困难， 慢速冷却会使晶粒变大，最高和最低成分之间的距离加大消除更困难，而是 快速冷却，细化晶粒，会带来晶内的偏析，即宏观均匀而微观有大的差别， 快速冷却，细化晶粒，会带来晶内的偏析，即宏观均匀而微观有大的差别， 凝固后重新加热到略低于熔点温度，进行一段时间的保温， 凝固后重新加热到略低于熔点温度，进行一段时间的保温，让原子在这时进 行扩散迁移，达到均匀， 方法称为均匀化退火。 行扩散迁移，达到均匀，这种方法称为均匀化退火。
第四章 典型相图分析
相图知识 二元匀晶相图与固溶体的凝固 二元共晶相图 二元包晶相图 复杂二元相图的分析方法 三元相图
一、相律
第一节 相图知识
对于恒压条件：f = c – p + 1 系统中有p相，c个组元，则成分引起的变数p(c-1)个。系 统总的变数为p(c-1)+1 在多相平衡时，任一组元在各相间的化学位相等， 每个 组元可写出个p-1等式，平衡条件总数为c(p-1) f=变数-条件数= p(c-1)+1- c(p-1)=c-p+1
有效分配系数不是一常数，而是随凝固过程有所变化。 有效分配系数不是一常数，而是随凝固过程有所变化。
第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固
五、固溶体中溶质的分布
例一： 例一：定向凝固时溶质分布规律
如果有一长度为L的杆形凝固体，假设凝固过程为一端散热， 如果有一长度为L的杆形凝固体，假设凝固过程为一端散热，并且 液体中原子扩散和对流可达到成分均匀， 液体中原子扩散和对流可达到成分均匀，而固体中迁移慢设为凝固后基 本不能变。当合金的成分为C 开始析出的固体成分为k 本不能变。当合金的成分为C0，开始析出的固体成分为k0C0，变化趋势 如图。已经凝固距离X 在凝固dx dx时 按溶质的变化有： 如图。已经凝固距离X后，在凝固dx时，按溶质的变化有：
第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固
五、固溶体中溶质的分布
由于固溶体凝固中，析出固体的成分与液体不相同， 由于固溶体凝固中，析出固体的成分与液体不相同，并 且在凝固时达不到平衡，所以凝固后溶质的分布是不均匀的， 且在凝固时达不到平衡，所以凝固后溶质的分布是不均匀的， 当然这种不均匀有时也可带来有利的利用。 当然这种不均匀有时也可带来有利的利用。下面仅就几种特 例讨论。 例讨论。 如图所示相图的一部分，在温度t 如图所示相图的一部分，在温度t时，平衡 的液—固相成分的比 称为平衡分配系数。 固相成分的比， 的液—固相成分的比，称为平衡分配系数。
第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固
六、成分过冷
成分过冷现象： 成分过冷现象
当x = 0时，C S (0) = C0 C L (0) = C0 k0
第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固
五、固溶体中溶质的分布
例二： 例二：关于区域熔炼
第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固
六、成分过冷
在正温度梯度下，纯金属的生长方式为平面推进， 在正温度梯度下，纯金属的生长方式为平面推进，而固 溶体凝固时，却有树枝状生长和胞状生长存在， 溶体凝固时，却有树枝状生长和胞状生长存在，这是由于凝 固过程中，成分是在不断变化， 固过程中，成分是在不断变化，液体和固体的成分均不能达 到平衡状态，产生了成分过冷现象。 到平衡状态，产生了成分过冷现象。
第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固
三、固溶体材料冷却时组织转变
特点： 特点：
1.与纯金属凝固一样由 1.与纯金属凝固一样由 形核和长大来完成结晶 过程， 过程，实际进行在一定 的过冷度下。 的过冷度下。 2.凝固在一温度范围内 2.凝固在一温度范围内 进行。 进行。只有在温度不断 下将时固体量才增加， 下将时固体量才增加， 温度不变， 温度不变，液固数量维 持平衡不变。 持平衡不变。 3.凝固过程中液体和固 3.凝固过程中液体和固 体的成分在不断变化。 体的成分在不断变化。
第一节 相图知识
一、相律
二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组元的含 二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量， 量为独立，另一组元则为余下部分。为在二维平面上表示， 量为独立，另一组元则为余下部分。为在二维平面上表示， 通常只考虑在常压下，取两个变量温度和成分。 通常只考虑在常压下，取两个变量温度和成分。横座标用线 段表示成分，纵座标表示温度。 段表示成分，纵座标表示温度。平面上以按这时平衡状态下 存在的相来分隔。 如图) 存在的相来分隔。(如图) 相图用途： 相图用途：
k0 = CS / C L
实际凝固时原子的迁移需要一过程， 实际凝固时原子的迁移需要一过程，液体 和固体的成分达不到相图所示的平衡状态， 和固体的成分达不到相图所示的平衡状态， 这时分析采用“有效分配系数”，它定义为： 这时分析采用“有效分配系数” 它定义为：
ke = 凝固时固－液界面处固 相的浓度 (C S ) i 边界层以外的液体平均 浓度(C L ) B
第二节
二元匀晶相图与固溶体的凝固
一、相图形式
两组元在液态和固态都能无限互溶。 Cu Ni Ag—Au Ni、 Au形 两组元在液态和固态都能无限互溶。如Cu—Ni、Ag Au形 成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图。 成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图。 相图的构成：由两条曲线将 相图的构成： 相图分为三个区。 相图分为三个区。左右两端 点分别为组元的熔点。 点分别为组元的熔点。上面 的一条曲线称为液相线， 的一条曲线称为液相线，液 相线之上为液相的单相区， 相线之上为液相的单相区， 常用L表示；下面的一条曲 常用L表示； 线称为固相线， 线称为固相线，固相线之下 为固溶体的单相区，常用α 为固溶体的单相区，常用α 表示； 表示；两条曲线之间是双相 标记L+α表示。 L+α表示 区，标记L+α表示。
1. 由材料的成分和温度预知平衡相； 由材料的成分和温度预知平衡相； 2. 材料的成分一定而温度发生变化 时其他平衡相变化的规律； 时其他平衡相变化的规律； 估算平衡相的数量。 3. 估算平衡相的数量。
预测材料的组织和性能
第一节 相图知识
二、相图与冷却曲线的关系： 相图与冷却曲线的关系：
成分一定，在冷却过程中，不同的相热容量不相同， 成分一定，在冷却过程中，不同的相热容量不相同，如果 系统散热能力一样，温度随时间的变化(冷却) 系统散热能力一样，温度随时间的变化(冷却)曲线上的斜率将 不同， 不同，曲线的转折点对应温度就是某些相开始出现或Biblioteka Baidu全小时 的温度，利用这一特点，由实测的冷却曲线可以作出相图。 的温度，利用这一特点，由实测的冷却曲线可以作出相图。
第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固
三、固溶体材料冷却时组织转变
过程： 过程：
1点以上液体冷却 1点开始凝固，固体成 点开始凝固， 分在对应固相线处 1－2之间，温度下降， 之间，温度下降， 液体数量减少， 液体数量减少，固体数 量增加， 量增加，成分沿液相线 和固相线变化， 和固相线变化， 到2点，液体数量为0， 液体数量为0 固体成分回到合金原始 成分， 成分，凝固完成 2点以下固体冷却，无 点以下固体冷却， 组织变化
第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固
二、两相平衡时的数量分配规律－－杠杆定律 两相平衡时的数量分配规律－－杠杆定律 －－
如图，合金x在温度T 将由两相长期并存， 如图，合金x在温度T1将由两相长期并存，这时两相的成分 和数量保持不变。 点作水平线交液相线和固相线于a 和数量保持不变。过x点作水平线交液相线和固相线于a、c点， 经热力学证明a 点的成分分别为平衡的液体和固体的成分， 经热力学证明a、c点的成分分别为平衡的液体和固体的成分， 设mL和mα分别为两相的数量， 分别为两相的数量， 由物质不灭可推导出： 由物质不灭可推导出：
第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固
六、成分过冷
成分过冷现象： 成分过冷现象
在相图中，成分为 在相图中，成分为C0的合金凝 固时，开始析出的固相为k 固时，开始析出的固相为 0C0，多 余的B组元排放到液体中 组元排放到液体中， 余的 组元排放到液体中，在界面 组元的浓度高于平均值， 处B组元的浓度高于平均值，逐渐 组元的浓度高于平均值 向液体中扩散。 向液体中扩散。在液体未达到均匀 结晶继续进行， 时，结晶继续进行，新析出的固体 成分中B的量也随着上升 的量也随着上升， 成分中 的量也随着上升，同时液 体中界面处B浓度上升到更高的水 体中界面处 浓度上升到更高的水 平，扩散的速度因浓度差的提高而 加快。远处液体的成分依然为C0， 加快。远处液体的成分依然为 到B组元的扩散量和固体排放平衡 组元的扩散量和固体排放平衡 析出固体的成分也为C 时，析出固体的成分也为 0，这时 的成分分布如图b所示 所示。 的成分分布如图 所示。