第二章工程材料的基础知识

第二章 金属材料的基础知识
第四节 合金的结晶
一、二元合金相图的基本知识 温
3.相图的分析和使用
度 a
L
确定相变温度
T1
T2 S A k b
SDUST
B 机械工程材料
第二章 金属材料的基础知识
第四节 合金的结晶
一、二元合金相图的基本知识 温
3.Biblioteka Baidu图的分析和使用
度 a
L
确定存在相的成分
Tn
S A
b
SDUST
145 b a 2 3k B 机械工程材料
第二章 金属材料的基础知识
第四节 合金的结晶
一、二元合金相图的基本知识
3.相图的分析和使用 确定相的相对含量（杠杆定律）
QL
x2 x Q x 2 x1
x x1 Qα Q x 2 x1
QL—液相的质量 Qα —固相的质量 Ql Qα
SDUST
SDUST
机械工程材料
第二章 金属材料的基础知识
本章练习3
1、过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？
2、金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些因素的影 响？
3、在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应用变质处
理？ 4、如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下，铸件晶粒的大小： 1）金属型铸造与砂型铸造 2）高温浇注与低温浇注 3）浇注时采用振动与不采用振动 4）厚大铸件的表面部分与中心部分
SDUST
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第二章 金属材料的基础知识
温 度
合金冷却曲线
纯金属冷却曲线 时间
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第四节 合金的结晶
一、二元合金相图的基本知识
2.二元合金相图的建立
SDUST
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第二章 金属材料的基础知识
第四节 合金的结晶
一、二元合金相图的基本知识
3.相图的分析和使用
恒温下由一个液相包着 一个固相生成另一个新 的固相。
恒温下由一个固相同时 析出两个成分结构不同 的固相。 机械工程材料
共析反应
⇄ + β
SDUST
第二章 金属材料的基础知识
第四节 合金的结晶
三、相图与合金性能的关系
SDUST
机械工程材料
第二章 金属材料的基础知识
本章练习4 6、假定A-B二元合金系，组元A的熔点为900℃，组元B的熔点为1000℃，在 600℃时有一恒温反应，B在α中的溶解度从室温时的几乎为零增加到最大
2）若共晶反应后初晶β和（α+β）共晶体各占一半，求合金的成分
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第二章 金属材料的基础知识
本章练习4
4、TA=1000℃，TB=700℃，ωB=25%时，在500 ℃完全凝固，它的平衡组
织中有73.3%的先共晶α和26.7%的（α+β）共晶体，而ωB=50%的合 金，在500 ℃完全凝固时其平衡组织中有40%先共晶α和60% （α+β）
1.二元共晶相图
SDUST
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第四节 合金的结晶
二、二元合金相图的基本类型
2.二元共晶相图
共晶合金的结晶过程示意图
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第四节 合金的结晶
二、二元合金相图的基本类型
2.二元共晶相图
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第二章 金属材料的基础知识
本章练习3
11、 A-B二元匀晶合金相图如右图所示。 应用杠杆定律计算，当成分 40%B的合金冷却到1000˚C时，结晶出了多少固相（相对量）？剩余多少 液（相对量）？
A 固相30%, 液相60％； B 固相33.33%, 液相66.67%； C 固相40%, 液相60%。 12. 非平衡凝固的匀晶合金一般会出现什么现象?
量，组织组成物的相对含量，画出其冷却曲线
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第二章 金属材料的基础知识
本章练习4
2、已知A（熔点 600℃）与B(500℃) 在液态无限互溶；在固态 300℃ 时A溶于 B 的最大溶解度为 30% ，室温时为10%，但B不溶于A；在 300℃时，含 40% B 的液态合金发生共晶反应。现要求：
确定某成分合金某温度时存在的相
确定给定合金的相变温度
确定某成分合金某温度时两平衡相的成分和相对含量
分析合金的平衡结晶过程
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第四节 合金的结晶
一、二元合金相图的基本知识
3.相图的分析和使用 确定存在的相
温 度 a Tn
L
S A
b
k
B
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第四节 合金的结晶
二、二元合金相图的基本类型
2.二元包晶相图
L L+
L+ +

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第四节 合金的结晶
二、二元合金相图的基本类型
2.二元包晶相图
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第四节 合金的结晶
二、二元合金相图的基本类型
元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。这种晶粒内部化学
成分不均匀的现象称为枝晶偏析。 枝晶偏析会使晶粒内部的性能不一致，从而 使合金的力学性能降低，特别会使塑性降低。
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第四节 合金的结晶
一、二元合金相图的基本知识
4.枝晶偏析
平衡结晶的匀晶合金组织示意图
Cu-30%Ni合金的非平衡结晶组织(白 亮区域含Ni量高、含Cu低，深色区域则相反)
第四节 合金的结晶
二、二元合金相图的基本类型
2.二元共晶相图
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第四节 合金的结晶
二、二元合金相图的基本类型
2.二元共晶相图
组织标注相图
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第二章 金属材料的基础知识
本章练习4 1、根据Pb-Sn相图，应用杠杆定律计算40%Sn合金中相组成物的相对
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第二章 金属材料的基础知识
本章练习3 5、铸件的加工余量过大，会使加工后的铸件强度发生什么变化？为什么？
6、 二元合金相图的坐标系为
A 压力—温度； B 压力—成分；
C 温度—成分。
7、 杠杆定律仅适用于平衡相图的二相区。 A 是 B 否
8、 匀晶合金的室温组织为单相固溶体。
Fe
Fe3C
Fe2C
FeC
C%(at%) →
C
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第五节 铁碳合金相图
一、铁碳合金的组元
1．Fe组元 铁的一个重要特性是结晶过
纯铁的同素异构转变
程具有同素异构转变。
性能特点—强度低、硬度 低、韧性、塑性好。
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第二章 金属材料的基础知识
共晶体，并且此时α的总量为50%，与B在A中和A在B中的最大溶解度。
5、假定A-B二元合金系中， ωB=30%的合金1与ωB=50%的合金2平衡结晶 过程中，在温度T时同处于（L+α）相区，此时合金1中的液相质量分 数为80%，合金2中液相的质量分数为40%，求温度T时的平衡相的边界。
SDUST
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1）作出A-B 合金相图；
2）分析 20%A，45%A，80%A 等合金的结晶过程，并确定室温下的组织 组成物和相组成物的相对量。
3、一个二元共晶转变如下：
L(ωB =75% ）→ α(ωB =15% ）+ β(ωB =95% ）
1）含50%B的合金凝固后求： 初晶α与共晶体（α+β）的质量分数 α相与β相的质量分数
2.二元包晶相图
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第四节 合金的结晶
二、二元合金相图的基本类型
2.二元共析相图
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第二章 金属材料的基础知识
反应名称 图形特征 反应式 说明
恒温下由一个液相同时 结晶出两个成分结构不 同的固相。
共晶反应
L ⇄ +
包晶反应
L +α⇄ β
体具有一定的强度和硬度，塑性较好。溶碳能力比铁素体大。
奥氏体
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第五节 铁碳合金相图
二、铁碳合金基本相
3．渗碳体 说明见前述铁碳合金的组元
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第五节 铁碳合金相图
二、铁碳合金相图的分析

SDUST
机械工程材料
值10%，ωB=30%的合金在平衡条件下冷却到600℃以上（just above 600℃)
时由两相所组成，50%的α和50%的液相，当合金冷却到600℃以下（just below 600℃)时，合金中包含两个固相，α和β相，α占75%，合金在平衡
条件下冷却到室温，α相在α+β两相中所占的比例下降到68%，画出此平
A 组织、成分均匀化； B 成分不均匀，出现树枝状偏析； C 与平衡凝固的合金组织、成分一样，没有区别。
13 、有形状、尺寸相同的两个 Cu-Ni 合金铸件，一个含 90% Ni ，另一 个含 50% Ni,铸后自然冷却，问哪个铸件的偏析较严重？
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第四节 合金的结晶
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第四节 合金的结晶
一、二元合金相图的基本知识
3.相图的分析和使用
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第四节 合金的结晶
一、二元合金相图的基本知识
4.枝晶偏析 在实际生产中，一般合金的冷却速度较快，
在结晶过程中固相中的原子来不及扩散，使先结
晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素(如Cu-Ni合 金中的Ni)，后结晶的枝晶间含有较多的低熔点
第二章 金属材料的基础知识
第四节 合金的结晶
一、二元合金相图的基本知识
1.相图的基本概念 相图定义：相图也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡系统的
组成与一些参数（如温度、压力）之间关系的一种图。
合金相图：表示合金系在平衡条件下，不同压力、温度、成分时的各相 关系的图解。
合金系：由两种或两种以上组元按不同的比例配制成一系列不同成分的
同的晶体结构。（ ） （2）一个合金的室温组织为α+βΠ+（α+β），它由三相组成（ ）
（3）凡组织组成物都是以单相状态存在于合金系中（ ）
（4）在合金结晶过程中析出的初生晶和二次晶均具有相同的晶体结构，但 具有不同的组织形态（ ）
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第五节 铁碳合金相图
A 是 B 否
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本章练习3
9、下列说法哪些是正确的?
A 温度高于液相线的合金为液态； B 温度低于液相线的合金为固态；
C 温度低于固相线的合金为固态;
D 温度高于固相线的合金为液态。 10、判断下列情况下是否有相变： 1）液态金属结晶 2）晶粒粗细的变化 3）同素异构变化 4）磁性转变
第五节 铁碳合金相图
一、铁碳合金的组元
2． Fe3C（ Cem， Cm）组元 渗碳体Fe3C是碳的质量分数
为6.69％的铁与碳的金属化合
物。熔点高，硬而脆，塑性、韧 性几乎为零。
Fe3C是一个亚稳相，在一定
条件下可发生分解： Fe3C→3Fe+C（石墨）， Fe3C的晶格
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第二章 金属材料的基础知识
所有合金称为合金系。 相平衡：在一定的条件下，当一个多相系统中各相的性质和数量均不随
时间变化时，称此系统处于相平衡。
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第四节 合金的结晶
一、二元合金相图的基本知识
2.二元合金相图的建立 相图的建立方法：热分析法等
实验依据：相变时会发生能量的变化
热分析装置示意图
第五节 铁碳合金相图
二、铁碳合金的基本相
1．铁素体 碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体
的性能近似纯铁，具有良好的塑性和韧性，而强度、硬度较低。
铁素体
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第五节 铁碳合金相图
二、铁碳合金的相与组织
2．奥氏体
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，称为奥氏体，用符号A表示。奥氏
衡相图。
SDUST
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第二章 金属材料的基础知识
本章练习4
7、某合金相图如图所示。
1）试标注①—④空白区域 中存在相的名称；
2）指出此相图包括哪几种
转变类型； 3）说明合金Ⅰ的平衡结晶 过程及室温下的显微组 织。
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第二章 金属材料的基础知识
本章练习4 8、判断：
（1）在共晶相图中，从L中结晶出来的β晶粒与从α中析出的βΠ具有相
二、二元合金相图的基本类型
1.二元共晶相图 液相线： 固相线： adb acdeb
三个单相区：L、α、β
19 97.5
（α、β是有限固溶体）
共晶点：d 共晶成分的合
金冷却到此点所对应的温 度（共晶温度），共同结
F
晶出αc 、βe
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第四节 合金的结晶
二、二元合金相图的基本类型