學(xué)生用材料科學(xué)基礎(chǔ)PPT課件

1、本章應(yīng)掌握的內(nèi)容1. 1. 掌握三種典型的基本相圖：勻晶相圖（掌握三種典型的基本相圖：勻晶相圖（Cu-NiCu-Ni合金相合金相圖）、共晶相圖（圖）、共晶相圖（Pb-SnPb-Sn合金相圖）、包晶相圖（合金相圖）、包晶相圖（Pt-Pt-AgAg合金相圖）。合金相圖）。2. 2. 掌握杠桿定律及其應(yīng)用。掌握杠桿定律及其應(yīng)用。3. 3. 了解二元合金相圖中的幾種平衡反應(yīng)：共晶反應(yīng)、了解二元合金相圖中的幾種平衡反應(yīng)：共晶反應(yīng)、共析反應(yīng)、包晶反應(yīng)、包析反應(yīng)共析反應(yīng)、包晶反應(yīng)、包析反應(yīng) 、偏晶反應(yīng)、合晶反、偏晶反應(yīng)、合晶反應(yīng)、熔晶反應(yīng)。應(yīng)、熔晶反應(yīng)。4. 4. 熟練分析勻晶相圖熟練分析勻晶相圖/ /共晶

2、相圖共晶相圖/ /包晶相圖中合金的結(jié)包晶相圖中合金的結(jié)晶冷卻曲線及轉(zhuǎn)變組織。晶冷卻曲線及轉(zhuǎn)變組織。5. 5. 了解二元合金的不平衡凝固過程了解二元合金的不平衡凝固過程, ,及偽共晶、不平衡及偽共晶、不平衡共晶組織、離異共晶基本概念。共晶組織、離異共晶基本概念。第1頁/共74頁一、勻晶相圖及固溶體的凝固 勻晶相圖概念勻晶相圖概念 由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變。 完全具有勻晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為完全具有勻晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為勻晶相圖勻晶相圖。 特點：特點：兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限互溶無限互溶。 晶體結(jié)構(gòu)相同，原子半徑（離子半

3、徑）相近晶體結(jié)構(gòu)相同，原子半徑（離子半徑）相近 二元系相圖的類型二元系相圖的類型第2頁/共74頁給定成分的合金，在給定溫度下，處于平衡的兩個相的成分都已完給定成分的合金，在給定溫度下，處于平衡的兩個相的成分都已完全確定，不能任意的改變。此時兩相的成分（濃度）和相對含量都全確定，不能任意的改變。此時兩相的成分（濃度）和相對含量都可以由杠桿定律確定。可以由杠桿定律確定。1.1.勻晶相圖分析勻晶相圖分析第3頁/共74頁 計算液相和固相在溫度t1時的相對含量。 液相的質(zhì)量固相的質(zhì)量合金的總質(zhì)量1； 合金中的含鎳量應(yīng)等于液相中鎳的含量與固相中鎳的含量之和。第4頁/共74頁1.1.勻晶相圖分析勻晶相圖分析

4、絕大多數(shù)二元相圖都包括勻晶轉(zhuǎn)變部分。絕大多數(shù)二元相圖都包括勻晶轉(zhuǎn)變部分。 兩種特殊的勻晶相圖兩種特殊的勻晶相圖 具有極大點：具有極大點：Pb-TlPb-Tl 具有極小點：具有極小點：Au-CuAu-Cu、Cr-MoCr-Mo、Fe-CoFe-Co 由于液、固兩相的成分相同，此時用來確定體系狀態(tài)的變量數(shù)由于液、固兩相的成分相同，此時用來確定體系狀態(tài)的變量數(shù)應(yīng)少掉一個，于是自由度應(yīng)少掉一個，于是自由度f=c-pf=c-p=2-2=2-20 0，即恒溫轉(zhuǎn)變。，即恒溫轉(zhuǎn)變。第5頁/共74頁2. 2. 固溶體的平衡凝固固溶體的平衡凝固 平衡凝固（平衡凝固（equilibrium solidificati

5、onequilibrium solidification）是指是指凝固過程無限緩慢地冷卻，原子凝固過程無限緩慢地冷卻，原子( (組元組元) )有充分的有充分的時間擴散，時時處于相平衡。時間擴散，時時處于相平衡。 平 衡 凝 固 方 式 所 得 到 的 組 織 稱 為平 衡 凝 固 方 式 所 得 到 的 組 織 稱 為 平 衡 組 織平 衡 組 織（equilibrium microstructureequilibrium microstructure）。 Cu-NiCu-Ni合金合金冷卻曲線（冷卻曲線（cooling curvecooling curve）及結(jié)晶過及結(jié)晶過程示和合金平衡結(jié)晶時

6、的組織變化示意圖見下頁。程示和合金平衡結(jié)晶時的組織變化示意圖見下頁。 固溶體的凝固過程也是一個形核和長大的過程。固溶體的凝固過程也是一個形核和長大的過程。形核方式可以是均勻形核，也可以依靠外來質(zhì)點形核方式可以是均勻形核，也可以依靠外來質(zhì)點非均勻形核。非均勻形核。第6頁/共74頁Cu-NiCu-Ni勻晶相圖勻晶相圖及平衡結(jié)晶過程及平衡結(jié)晶過程Cu-NiCu-Ni合金冷卻曲線合金冷卻曲線及結(jié)晶過程示意圖及結(jié)晶過程示意圖第7頁/共74頁固溶體合金與純金屬結(jié)晶時的異同點固溶體合金與純金屬結(jié)晶時的異同點： 共同點：共同點：形核與長大過程，但合金中存在第二組元，形核與長大過程，但合金中存在第二組元，凝固過

7、程比純金屬復(fù)雜。凝固過程比純金屬復(fù)雜。 區(qū)別：區(qū)別： 固溶體結(jié)晶是在一溫度范圍內(nèi)完成，而純金屬在固溶體結(jié)晶是在一溫度范圍內(nèi)完成，而純金屬在恒溫下完成。恒溫下完成。 固溶體合金結(jié)晶析出的固相成分與液態(tài)合金成分固溶體合金結(jié)晶析出的固相成分與液態(tài)合金成分不同。這種結(jié)晶稱為不同。這種結(jié)晶稱為選分結(jié)晶選分結(jié)晶；結(jié)晶過程中液固兩；結(jié)晶過程中液固兩相成分都要不斷發(fā)生變化，固相成分沿固相線變化，相成分都要不斷發(fā)生變化，固相成分沿固相線變化，液相成分沿液相線變化，因此依賴于兩組元的原子液相成分沿液相線變化，因此依賴于兩組元的原子擴散過程。而純金屬在結(jié)晶過程中固相與液相的成擴散過程。而純金屬在結(jié)晶過程中固相與液相

8、的成分始終是相同的，這種結(jié)晶稱為分始終是相同的，這種結(jié)晶稱為同分結(jié)晶同分結(jié)晶。 第8頁/共74頁 固溶體結(jié)晶過程的實質(zhì)：固溶體結(jié)晶過程的實質(zhì)： a a：液相內(nèi)的成分?jǐn)U散、均勻過程；：液相內(nèi)的成分?jǐn)U散、均勻過程； b b：固相長大過程：固相長大過程 c c：固相內(nèi)的成分?jǐn)U散、均勻過程；：固相內(nèi)的成分?jǐn)U散、均勻過程； 固溶體平衡結(jié)晶時，液相與固相的相對量可由固溶體平衡結(jié)晶時，液相與固相的相對量可由杠桿定律杠桿定律確定。確定。 第9頁/共74頁3. 固溶體的不平衡結(jié)晶 工業(yè)生產(chǎn)中合金溶液澆注后的冷卻速度較快，在每一溫度下不能保持足夠的擴工業(yè)生產(chǎn)中合金溶液澆注后的冷卻速度較快，在每一溫度下不能保持足夠

9、的擴散時間，使凝固過程偏離平衡條件，稱為散時間，使凝固過程偏離平衡條件，稱為非平衡凝固非平衡凝固( (結(jié)晶結(jié)晶) )。 非平衡凝固非平衡凝固( (結(jié)晶結(jié)晶) )得到的組織稱為得到的組織稱為不平衡組織不平衡組織。 在非平衡凝固中，液、固兩相的成分將偏離平衡相圖中的液相線和固相線。由于固相在非平衡凝固中，液、固兩相的成分將偏離平衡相圖中的液相線和固相線。由于固相內(nèi)組元擴散較液相內(nèi)組元擴散遲得多，故偏離固相線的程度就大得多，它成為非平衡內(nèi)組元擴散較液相內(nèi)組元擴散遲得多，故偏離固相線的程度就大得多，它成為非平衡凝固過程中的主要矛盾。凝固過程中的主要矛盾。 第10頁/共74頁 合金在合金在t1 溫度時首

10、先結(jié)晶出成分為溫度時首先結(jié)晶出成分為1 的固相，因其含銅量的固相，因其含銅量遠(yuǎn)低于合金的原始成分，故與之相鄰的液相含銅量勢必升遠(yuǎn)低于合金的原始成分，故與之相鄰的液相含銅量勢必升高至高至L1。隨后冷卻到。隨后冷卻到t2溫度，溫度，固相的平衡成分應(yīng)為固相的平衡成分應(yīng)為2 ，液，液相成分則改變至相成分則改變至L2 。但由于冷卻較快，液相和固相，尤其。但由于冷卻較快，液相和固相，尤其是固相中的擴散不充分，其內(nèi)部成分仍低于是固相中的擴散不充分，其內(nèi)部成分仍低于2 ，甚至保留，甚至保留為為1，從而出現(xiàn)成分不勻現(xiàn)象。，從而出現(xiàn)成分不勻現(xiàn)象。 此時，整個結(jié)晶固體的平均成分應(yīng)在此時，整個結(jié)晶固體的平均成分應(yīng)在1

11、和和2之間，而整個之間，而整個液體的平均成分應(yīng)在液體的平均成分應(yīng)在L1和和L2之間。之間。 再繼續(xù)冷卻到再繼續(xù)冷卻到t3溫度，結(jié)晶后的溫度，結(jié)晶后的固體平衡成分應(yīng)變?yōu)楣腆w平衡成分應(yīng)變?yōu)? ，液相成分變?yōu)橐合喑煞肿優(yōu)長3，同樣因擴散不充分而達不到平衡凝固成，同樣因擴散不充分而達不到平衡凝固成分，固相的實際成分為分，固相的實際成分為1、2 和和3的平均值。液相的實際的平均值。液相的實際成分則是成分則是L1、L2和和L3的平均值。的平均值。 合金冷卻到合金冷卻到t4溫度才凝固結(jié)束。此時固相的平均成分變回溫度才凝固結(jié)束。此時固相的平均成分變回到原合金的成分。到原合金的成分。 若把每一溫度下的固相和液相

12、的平均成分點連接起來，分若把每一溫度下的固相和液相的平均成分點連接起來，分別稱為固相平均成分線和液相平均成分線。別稱為固相平均成分線和液相平均成分線。第11頁/共74頁第12頁/共74頁 通過對非平衡凝固分析得到如下結(jié)論：通過對非平衡凝固分析得到如下結(jié)論： (1)(1)固相、液相的平均成分分別與固相線、液相線不同，有一定的偏離。固相、液相的平均成分分別與固相線、液相線不同，有一定的偏離。其偏離其偏離程度與冷卻速度有關(guān)。程度與冷卻速度有關(guān)。冷卻速度越大，其偏離程度越嚴(yán)重；冷卻速度越小，偏離冷卻速度越大，其偏離程度越嚴(yán)重；冷卻速度越小，偏離程度越小，越接近于平衡條件。程度越小，越接近于平衡條件。液

13、相線的偏離程度較固相線小。液相線的偏離程度較固相線小。 (2)(2)先結(jié)晶部分含有較多的高熔點組元先結(jié)晶部分含有較多的高熔點組元(Ni)(Ni)，后結(jié)晶部分含有較多的低熔點組元，后結(jié)晶部分含有較多的低熔點組元(Cu)(Cu)。 (3)(3)非平衡結(jié)晶條件下，凝固的終結(jié)溫度非平衡結(jié)晶條件下，凝固的終結(jié)溫度低于低于平衡結(jié)晶時的終止溫度。平衡結(jié)晶時的終止溫度。 第13頁/共74頁 固溶體不平衡結(jié)晶時，由于先后從液體中結(jié)晶出來的固溶體不平衡結(jié)晶時，由于先后從液體中結(jié)晶出來的固相成分不同，并因冷速較快而不能擴散均勻固相成分不同，并因冷速較快而不能擴散均勻, ,結(jié)果使每結(jié)果使每個晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分不均勻個

14、晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分不均勻( (先結(jié)晶部分含高熔點組元先結(jié)晶部分含高熔點組元較多，后結(jié)晶部分含低熔點組元較多，在晶粒內(nèi)部存在較多，后結(jié)晶部分含低熔點組元較多，在晶粒內(nèi)部存在著濃度差別著濃度差別) )，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析。 由于工業(yè)用合金固溶體通常以枝晶狀方式結(jié)晶，枝晶由于工業(yè)用合金固溶體通常以枝晶狀方式結(jié)晶，枝晶軸（干）含高熔點組元多，而枝晶間含低熔點的組元多，軸（干）含高熔點組元多，而枝晶間含低熔點的組元多，導(dǎo)致先結(jié)晶的枝干和后結(jié)晶的枝間成分不同，故亦稱導(dǎo)致先結(jié)晶的枝干和后結(jié)晶的枝間成分不同，故亦稱枝枝晶偏析（晶偏析（dendritic segregationdendr

15、itic segregation）。 晶內(nèi)偏析對合金的晶內(nèi)偏析對合金的力學(xué)性能（力學(xué)性能（mechanical propertymechanical property）影響較大。容易導(dǎo)致合金影響較大。容易導(dǎo)致合金塑性（塑性（plasticityplasticity），韌性），韌性（toughnesstoughness）下降；易引起下降；易引起晶間腐蝕（晶間腐蝕（corrosioncorrosion），降低合金的抗蝕性能。降低合金的抗蝕性能。 第14頁/共74頁 二、共晶相圖及合金凝固 共晶相圖的概念共晶相圖的概念 共晶轉(zhuǎn)變（共晶轉(zhuǎn)變（the eutectic reactionthe eutec

16、tic reaction） ：在一定條件下在一定條件下( (溫度、成分溫度、成分) )，由均勻液，由均勻液體 中 同 時 結(jié) 晶 出 兩 種 不 同 固 相 的 轉(zhuǎn) 變 。 所 得 到 兩 固 相 的 混 合 物 稱 為體 中 同 時 結(jié) 晶 出 兩 種 不 同 固 相 的 轉(zhuǎn) 變 。 所 得 到 兩 固 相 的 混 合 物 稱 為 共 晶 組 織共 晶 組 織（eutectic structureeutectic structure） 。 共晶相圖（共晶相圖（the eutectic phase diagramthe eutectic phase diagram） ：具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖。具有

17、共晶轉(zhuǎn)變的相圖。 共晶溫度（共晶溫度（the eutectic temperaturethe eutectic temperature）：）：發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度。發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度。 共晶點（共晶點（the eutectic pointthe eutectic point）或共晶成分：）或共晶成分：發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的液相成分點發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的液相成分點E E。第15頁/共74頁共晶相圖的概念共晶相圖的概念 共晶相圖的特點共晶相圖的特點: :液態(tài)下兩組元能無限互溶，固態(tài)下液態(tài)下兩組元能無限互溶，固態(tài)下只能只能部分互溶部分互溶( (形成有限固溶體或化合物形成有限固溶體或化合物) )，甚至有時，甚至有時完

18、全不溶完全不溶，并具有共晶轉(zhuǎn)變。，并具有共晶轉(zhuǎn)變。 屬于二元共晶相圖的合金有：屬于二元共晶相圖的合金有：PbPbSnSn、AlAlSiSi、AlAlCuCu、MgMgSiSi、AlAlMgMg等。等。 第16頁/共74頁1.共晶相圖分析 點點: : A A ： PbPb熔點熔點; ; B B ： SnSn 熔點；熔點；E E：共晶點共晶點 線：線：AEBAEB ：液相線液相線 AMENBAMENB ：固相線固相線 MFMF：固溶線：固溶線 表示表示SnSn在在PbPb中的固溶度曲線中的固溶度曲線 NGNG：固溶線：固溶線 表示表示PbPb在在SnSn中的固溶度曲線中的固溶度曲線 MENMEN：

19、共晶線（恒溫轉(zhuǎn)變）：共晶線（恒溫轉(zhuǎn)變） 相區(qū)：相區(qū)： 單相區(qū)：單相區(qū)：L L （ SnSn在在PbPb中的固溶體）中的固溶體） （ PbPb在在SnSn中的固溶體）中的固溶體） 雙相區(qū)雙相區(qū)： L+、 L+、+ 三相平衡線：三相平衡線：MENMEN共晶線共晶線 L+， LE M +N第17頁/共74頁2.共晶系合金的平衡凝固 根據(jù)相變特點和組織特征將共晶系合金分為四類：根據(jù)相變特點和組織特征將共晶系合金分為四類： 端際（部）固溶體合金端際（部）固溶體合金 亞共晶合金（亞共晶合金（hypoeutectic alloyshypoeutectic alloys） 共晶合金（共晶合金（eutectic

20、 alloyeutectic alloy） 過共晶合金（過共晶合金（hypereutectic alloyshypereutectic alloys）第18頁/共74頁(1)端部固溶體合金 這類合金的冷卻曲線為：這類合金的冷卻曲線為： 結(jié)晶過程：結(jié)晶過程：LL（L+L+）（+） 勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng) 脫溶轉(zhuǎn)變脫溶轉(zhuǎn)變 室溫組織：室溫組織： + 第19頁/共74頁PbSn 共晶相圖第20頁/共74頁合金的平衡結(jié)晶過程第21頁/共74頁(2)共晶合金 該合金的冷卻曲線為：圖該合金的冷卻曲線為：圖5-135-13 該合金發(fā)生共晶反應(yīng)：該合金發(fā)生共晶反應(yīng)： L LE E M M + +N N 這一過程在恒

21、溫下進行，直至凝固結(jié)束。形成共晶體這一過程在恒溫下進行，直至凝固結(jié)束。形成共晶體（+）。兩個相的相對量可用杠桿法則求得：）。兩個相的相對量可用杠桿法則求得： M M = EN/MN = EN/MN N N = ME/MN = ME/MN 其組織特征如圖其組織特征如圖5-145-14 結(jié)晶過程：結(jié)晶過程：LL+LL+（+）(+)(+)共共 共晶反應(yīng)共晶反應(yīng) 脫溶轉(zhuǎn)變脫溶轉(zhuǎn)變 室溫組織：室溫組織： (+)(+)共共 第22頁/共74頁共晶系合金的平衡凝固從和中分別析出和和，次生相常與共晶體中的同類相結(jié)合在一起，難以分辨。該共晶合金呈層片交替分布的室溫組織。第23頁/共74頁共晶合金（ ）的平衡結(jié)晶

22、過程從和中分別析出和和，次生相常與共晶體中的同類相結(jié)合在一起，難以分辨。該共晶合金呈層片交替分布的室溫組織。第24頁/共74頁共晶合金（ ）的平衡結(jié)晶的顯微組織第25頁/共74頁（3）亞共晶合金第26頁/共74頁 合金的冷卻曲線合金的冷卻曲線 組織變化示意圖組織變化示意圖 其結(jié)晶過程：其結(jié)晶過程： LL+L+(+)共共+(+)共共+ (+)共共 勻晶反應(yīng)勻晶反應(yīng) ( (剩余液相剩余液相) )共晶反應(yīng)共晶反應(yīng) 脫溶轉(zhuǎn)變脫溶轉(zhuǎn)變 室溫組織：室溫組織：+ (+)+ (+)共共 在共晶轉(zhuǎn)變之前，從液態(tài)中先結(jié)晶出的相叫在共晶轉(zhuǎn)變之前，從液態(tài)中先結(jié)晶出的相叫先共晶相（先共晶相（pro-eutectic p

23、hasepro-eutectic phase）。第27頁/共74頁 先共晶相和液相比例可用杠桿法則求出：先共晶相和液相比例可用杠桿法則求出： 初生相初生相 ( (或稱先共晶體或稱先共晶體)和共晶體和共晶體(+)(+)共共具有具有不同的顯微形態(tài)而成為不同的組織。兩種不同的顯微形態(tài)而成為不同的組織。兩種組織相對含組織相對含量量，也稱組織組成體相對量，也可用杠桿法則計算，也稱組織組成體相對量，也可用杠桿法則計算，即在共晶線上方兩相區(qū)即在共晶線上方兩相區(qū)( ( L+L+) )中畫連結(jié)線，則用質(zhì)量中畫連結(jié)線，則用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示兩種組織的相對含量為：分?jǐn)?shù)表示兩種組織的相對含量為： (+)(+)共共% = m

24、c/me % = mc/me * *100%100% 初初% = ce/me % = ce/me * *100%100% 共晶反應(yīng)結(jié)束后組成共晶反應(yīng)結(jié)束后組成相的相對含量相的相對含量？第28頁/共74頁第29頁/共74頁亞共晶合金的平衡結(jié)晶的顯微組織第30頁/共74頁( (4) 過共晶合金過共晶合金的凝固過程和組織特征與亞共過共晶合金的凝固過程和組織特征與亞共晶合金相類似，晶合金相類似，只是初生相只是初生相( (先共晶相先共晶相) )為為固溶體而不是固溶體而不是固溶體固溶體。結(jié)晶過程：結(jié)晶過程：L L + L + +L L + L + + （ + + ）共共 + ( + ) + ( + )共共

25、 + + + + (+)(+) 共共 勻晶反應(yīng)共晶反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變勻晶反應(yīng)共晶反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變 室溫組織：室溫組織： + (+)+ (+) 共共第31頁/共74頁第32頁/共74頁共晶系合金的平衡凝固總結(jié)：共晶系合金的平衡凝固總結(jié)： 通過以上分析共晶系合金的平衡凝固可分為兩類：固通過以上分析共晶系合金的平衡凝固可分為兩類：固溶體合金和共晶型合金。前者的結(jié)晶過程主要為勻晶溶體合金和共晶型合金。前者的結(jié)晶過程主要為勻晶相變脫溶轉(zhuǎn)變，組織為初生固溶體和次生組織；后相變脫溶轉(zhuǎn)變，組織為初生固溶體和次生組織；后者的結(jié)晶過程主要為勻晶相變、共晶相變和脫溶相變，者的結(jié)晶過程主要為勻晶相變、共晶相變和脫溶相變，組織為

26、初生固溶體、共晶體和次生組織。在室溫，組織為初生固溶體、共晶體和次生組織。在室溫，F(xiàn)GFG范圍內(nèi)的合金組織是由范圍內(nèi)的合金組織是由和和兩個基本相構(gòu)成。兩個基本相構(gòu)成。 需要指出的是在分析顯微組織時，應(yīng)注意需要指出的是在分析顯微組織時，應(yīng)注意組織織成物組織織成物和相組成的區(qū)別和相組成的區(qū)別。組織組成物是在結(jié)晶過程中形成的，。組織組成物是在結(jié)晶過程中形成的，有清晰輪廓的獨立組成部分，如上述組織中有清晰輪廓的獨立組成部分，如上述組織中、(+)(+)共共都是組織組成物。而相組成物是都是組織組成物。而相組成物是指組成顯微組織的基本相，它有確定的成分及結(jié)構(gòu)但指組成顯微組織的基本相，它有確定的成分及結(jié)構(gòu)但沒

27、有形態(tài)上的概念，上述各類合金在室溫的相組成物沒有形態(tài)上的概念，上述各類合金在室溫的相組成物都是都是相和相和相。所以共晶合金都是由相。所以共晶合金都是由相和相和相組相組成的成的機械混合物（機械混合物（mechanical mixturemechanical mixture）。 第33頁/共74頁組 織 分 區(qū) 圖第34頁/共74頁3.3.共晶系合金的非平衡凝固共晶系合金的非平衡凝固(1) (1) 偽共晶偽共晶 平衡結(jié)晶條件下，只有共晶成分的合金才能獲得完全的共晶組織，任何偏離這一成分平衡結(jié)晶條件下，只有共晶成分的合金才能獲得完全的共晶組織，任何偏離這一成分的合金都不能獲得百分之百的共晶組織。但在

28、的合金都不能獲得百分之百的共晶組織。但在不平衡結(jié)晶條件下，成分在共晶點附近不平衡結(jié)晶條件下，成分在共晶點附近的合金（亞共晶合金或過共晶合金）也可能全部轉(zhuǎn)變成的合金（亞共晶合金或過共晶合金）也可能全部轉(zhuǎn)變成共晶組織共晶組織。這種由非共晶成分。這種由非共晶成分合金所得到的共晶組織稱為合金所得到的共晶組織稱為偽共晶（偽共晶（pseudo-eutecticpseudo-eutectic）。第35頁/共74頁 在不平衡結(jié)晶條件下，由于冷卻速度較大，將會產(chǎn)生在不平衡結(jié)晶條件下，由于冷卻速度較大，將會產(chǎn)生過冷，當(dāng)液態(tài)合金過冷到兩條液相線延長線所包圍的過冷，當(dāng)液態(tài)合金過冷到兩條液相線延長線所包圍的陰影線區(qū)時，

29、形成初生相的過程被抑制，發(fā)生同時結(jié)陰影線區(qū)時，形成初生相的過程被抑制，發(fā)生同時結(jié)晶出晶出相和相和相的共晶轉(zhuǎn)變，形成類似共晶組織相的共晶轉(zhuǎn)變，形成類似共晶組織( (偽偽共晶共晶) )。 圖中亞共晶合金過冷到圖中亞共晶合金過冷到t t1 1溫度以下進行結(jié)晶時就可以溫度以下進行結(jié)晶時就可以得到全部共晶組織。得到全部共晶組織。t1第36頁/共74頁是不是越靠近共晶成分的合金越容易得到偽共晶組織呢？ 事實并非如此！ 實際的偽共晶區(qū)與上圖偽共晶區(qū)有不同程度的偏離，即偽共晶區(qū)并不總是液相線的延長線所包圍的區(qū)域。 可以分為以下二類：第37頁/共74頁紫色線代表液相線及其延長線1 1、若當(dāng)合金中兩組元熔點相近時

30、，偽共晶區(qū)一般呈對稱分布；、若當(dāng)合金中兩組元熔點相近時，偽共晶區(qū)一般呈對稱分布；2 2、若合金中兩組元熔點相差很大時，偽共晶區(qū)將偏向高熔點組、若合金中兩組元熔點相差很大時，偽共晶區(qū)將偏向高熔點組元一側(cè)。元一側(cè)。第38頁/共74頁確定偽共晶區(qū)在相圖分布的位置和大小有何意義？1、對于正確解釋合金非平衡組織的形成是極其重要的。2、可用來解釋平衡相圖方法無法解釋的異?，F(xiàn)象。如Al-Si合金中，共晶成分合金在快冷條件下未得到共晶組織，為什么？t第39頁/共74頁(2) (2) 非平衡共晶組織非平衡共晶組織 對于小于飽和溶解度的合金（對于小于飽和溶解度的合金（a a點以左，點以左，c c點以右）點以右）在

31、不平衡結(jié)晶時固相線下移，使其冷卻到共晶溫度在不平衡結(jié)晶時固相線下移，使其冷卻到共晶溫度時仍有少量液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而形成不平衡共晶組時仍有少量液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而形成不平衡共晶組織。不平衡共晶組織通常分布在織。不平衡共晶組織通常分布在晶界及枝晶間最晶界及枝晶間最后凝固部分，最后組織為樹枝狀固溶體及少量共晶后凝固部分，最后組織為樹枝狀固溶體及少量共晶體。體。第40頁/共74頁消除方法 在稍低于共晶溫度下擴散退火。 消除非平衡共晶組織和固溶體的枝晶偏析。 得到均勻單相固溶體組織。第41頁/共74頁(3) 離異共晶 當(dāng)合金中共晶組織當(dāng)合金中共晶組織(+)(+) 相對量較少，先共晶相相對量較少，先共晶相(

32、)() 相對量很大時相對量很大時, ,有時共晶組有時共晶組織中與先共晶相相同的那一個相就會依附在先共晶相上形核長大織中與先共晶相相同的那一個相就會依附在先共晶相上形核長大, ,把另一相推向最后凝把另一相推向最后凝固的晶界處固的晶界處, ,從而使從而使共晶體兩組成相共晶體兩組成相相間相間的組織特征消失，這種兩相分離的共晶組織稱的組織特征消失，這種兩相分離的共晶組織稱為離異共晶（為離異共晶（divorced eutecticdivorced eutectic）。 注意：離異共晶可通過非平衡凝固得到，注意：離異共晶可通過非平衡凝固得到，也可能在平衡凝固條件下得到也可能在平衡凝固條件下得到。只要初生相

33、。只要初生相很多，共晶量很少，都可能出現(xiàn)離異共晶。很多，共晶量很少，都可能出現(xiàn)離異共晶。第42頁/共74頁 三、包晶相圖及其合金凝固三、包晶相圖及其合金凝固 包晶相圖概述包晶相圖概述 有些合金當(dāng)凝固到一定溫度時，已結(jié)晶出來的一定成分的固相與剩余液相有些合金當(dāng)凝固到一定溫度時，已結(jié)晶出來的一定成分的固相與剩余液相( (有確定成有確定成分分) )發(fā)生反應(yīng)生成另一種固相的恒溫轉(zhuǎn)變過程稱為發(fā)生反應(yīng)生成另一種固相的恒溫轉(zhuǎn)變過程稱為包晶轉(zhuǎn)變。包晶轉(zhuǎn)變。 兩組元在液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下只能部分互溶并具有包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為兩組元在液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下只能部分互溶并具有包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為二元包晶二元包晶相圖。

34、相圖。第43頁/共74頁第44頁/共74頁1.1.包晶相圖分析包晶相圖分析 線：線：液相線、固相線、水平線液相線、固相線、水平線(PDC)(PDC)為包晶轉(zhuǎn)變線，包晶線僅有為包晶轉(zhuǎn)變線，包晶線僅有PDPD為固相線，而為固相線，而DCDC為液為液相線，固溶度曲線。相線，固溶度曲線。 包晶轉(zhuǎn)變：包晶轉(zhuǎn)變： Lc+Lc+D D = =P P 相區(qū)：相區(qū)： 單相區(qū)：單相區(qū)： L L、 雙相區(qū)：雙相區(qū)： L+L+、L+L+、+ 三相區(qū)：三相區(qū)： DPCDPC線線 L+L+ 包晶線與共晶線不同之處在于：包晶線與共晶線不同之處在于：共晶線為固相線，線上的合金在共晶溫度全部凝固完共晶線為固相線，線上的合金在共

35、晶溫度全部凝固完畢，其組織為兩相混合物。包晶線僅有畢，其組織為兩相混合物。包晶線僅有PDPD為固相線，而為固相線，而DCDC為液相線。為液相線。 第45頁/共74頁第46頁/共74頁2.包晶系合金的平衡凝固(1) (1) 包晶點（包晶點（P P）合金）合金發(fā)生包晶反應(yīng)：發(fā)生包晶反應(yīng)：Lc+Lc+D D = =P P為恒溫反應(yīng)為恒溫反應(yīng) 結(jié)晶過程：結(jié)晶過程： LL+L+LL+L+ 勻晶反應(yīng)包晶反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變勻晶反應(yīng)包晶反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變 室溫組織：室溫組織：+ + 第47頁/共74頁Lc+D=P第48頁/共74頁 在大多數(shù)情況下，由包晶反應(yīng)所形成的在大多數(shù)情況下，由包晶反應(yīng)所形成的相傾向于依附初生相相傾

36、向于依附初生相的表面形核，以降低的表面形核，以降低形核功并消耗液相和形核功并消耗液相和相而生長。當(dāng)相而生長。當(dāng)相被相被新生的新生的相包圍以后相包圍以后相就不能直接與液相相就不能直接與液相L L接觸。由相圖可知，液相中的接觸。由相圖可知，液相中的AgAg含量較含量較相相高，而高，而相的相的AgAg含量又比含量又比相高，因此，液相高，因此，液相中相中AgAg原于不斷通過原于不斷通過相而向相而向相擴散，而相擴散，而相的相的PtPt原子以反方向通過原子以反方向通過相向液相中擴相向液相中擴散，這樣，散，這樣，相同時向液相和相同時向液相和相方向生長，相方向生長，直至把液相和直至把液相和相全部吞食為止。由于

37、相全部吞食為止。由于相是相是在包圍初生相在包圍初生相，并使之與液相隔開的形式下，并使之與液相隔開的形式下生長的，故稱之為生長的，故稱之為包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)。第49頁/共74頁液相中的Ag含量較相高，而相的Ag含量又比相高而相的Pt原子以反方向通過相向液相中擴散第50頁/共74頁（2）包晶點（P）以右合金 碰到碰到PCPC發(fā)生包發(fā)生包晶 反 應(yīng)晶 反 應(yīng) ：L c + L c + D D= = P P 為恒溫反應(yīng)為恒溫反應(yīng) 結(jié) 晶 過 程 ：結(jié) 晶 過 程 ：LL+L+LL+L+ + L + + L + + + 勻晶反應(yīng)包勻晶反應(yīng)包晶反應(yīng)勻晶晶反應(yīng)勻晶反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變變 室溫組織：室溫組織：

38、+ + 第51頁/共74頁第52頁/共74頁（3） 包晶點（P）以左合金 碰到碰到DPDP發(fā)生包晶反發(fā)生包晶反應(yīng)：應(yīng)：Lc+Lc+D D = =P P 為恒溫反應(yīng)為恒溫反應(yīng) 結(jié)晶過程：結(jié)晶過程：LL+L+LL+L+ + + + 勻晶反應(yīng)包晶反勻晶反應(yīng)包晶反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變 室溫組織：室溫組織： + + + + + + 第53頁/共74頁第54頁/共74頁3. 3. 包晶系合金的不平衡凝固包晶系合金的不平衡凝固 實際生產(chǎn)中的冷速較快，包晶反應(yīng)所依賴的固體中的原子擴散往往不能充分進實際生產(chǎn)中的冷速較快，包晶反應(yīng)所依賴的固體中的原子擴散往往不能充分進行，導(dǎo)致包晶反應(yīng)的不完全性，最終組織不易達到平

39、衡狀態(tài)，且包晶反應(yīng)速度（行，導(dǎo)致包晶反應(yīng)的不完全性，最終組織不易達到平衡狀態(tài)，且包晶反應(yīng)速度（主主要取決于所形成新相要取決于所形成新相內(nèi)的擴散速率內(nèi)的擴散速率）較慢，易形成非平衡組織。）較慢，易形成非平衡組織。 由于擴散不能充分進行，由液相直接結(jié)晶出相，而相，而相仍保留在相仍保留在相的芯部。相的芯部。第55頁/共74頁 原來不發(fā)生包晶反應(yīng)的合金在快冷條件下發(fā)現(xiàn)包晶反應(yīng)。第56頁/共74頁四、四、其他類型的二元相圖其他類型的二元相圖 1. 1. 具有化合物的二元相圖具有化合物的二元相圖 2. 2. 具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖 3. 3. 具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖 4. 4.

40、 具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖 5. 5. 具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元相圖具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元相圖第57頁/共74頁1. 具有化合物的二元相圖 在某些二元系中，可形成一個或多個化合物，化在某些二元系中，可形成一個或多個化合物，化合物一般處于相圖的中間位置，又稱為合物一般處于相圖的中間位置，又稱為中間相中間相（intermediate phaseintermediate phase）。根據(jù)兩組元間形成化。根據(jù)兩組元間形成化合物的穩(wěn)定性，可分為穩(wěn)定化合物和不穩(wěn)定化合合物的穩(wěn)定性，可分為穩(wěn)定化合物和不穩(wěn)定化合物。物。(1) (1) 形成穩(wěn)定化合物的相圖形成穩(wěn)定化合物的相圖 穩(wěn)定化合物是指具有固定的熔點

41、，且在熔點以下穩(wěn)定化合物是指具有固定的熔點，且在熔點以下保持固有結(jié)構(gòu)而不發(fā)生分解的化合物。保持固有結(jié)構(gòu)而不發(fā)生分解的化合物。 相圖特征：相圖特征：形成的沒有溶解度的化合物在相圖上形成的沒有溶解度的化合物在相圖上表現(xiàn)為一條垂線?？梢园阉鳛橐粋€獨立的組元表現(xiàn)為一條垂線?？梢园阉鳛橐粋€獨立的組元而把相圖分為兩部分。該類化合物成分是固定的，而把相圖分為兩部分。該類化合物成分是固定的，或在一定范圍內(nèi)但有確定的熔點?；蛟谝欢ǚ秶鷥?nèi)但有確定的熔點。 形成穩(wěn)定化合物的二元相圖有：形成穩(wěn)定化合物的二元相圖有：MgMgSiSi、CuCuTiTi、FeFeP P、MgMgCuCu、AgAgSrSr、NaNa2

42、2SiOSiO3 3SiOSiO2 2、BeOBeOAlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2MgO MgO 第58頁/共74頁形成穩(wěn)定化合物的相圖可把穩(wěn)定化合物看作一個獨立組元，把相圖分成幾個獨立相圖。第59頁/共74頁形成穩(wěn)定化合物的相圖第60頁/共74頁形成穩(wěn)定化合物的相圖第61頁/共74頁(2) (2) 形成不穩(wěn)定化合物的相圖形成不穩(wěn)定化合物的相圖 不穩(wěn)定化合物是指在加熱到一定溫度時會發(fā)生分不穩(wěn)定化合物是指在加熱到一定溫度時會發(fā)生分解的化合物。解的化合物。 包晶反應(yīng)所形成的中間相均屬于不穩(wěn)定化合物。包晶反應(yīng)所形成的中間相均屬于不穩(wěn)定化合物。它們不能視為獨立組元而把相圖劃分為簡單相圖

43、。它們不能視為獨立組元而把相圖劃分為簡單相圖。 例如：例如：K KNaNa相圖相圖 第62頁/共74頁2. 2. 具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖 偏晶轉(zhuǎn)變（偏晶轉(zhuǎn)變（monotectic reactionmonotectic reaction）相圖特點：在一定的成分和溫度范圍內(nèi)，兩組元在相圖特點：在一定的成分和溫度范圍內(nèi)，兩組元在液態(tài)下也只能有限溶解，存在兩種不同濃度的液相液態(tài)下也只能有限溶解，存在兩種不同濃度的液相L L1 1和和L L2 2。 其轉(zhuǎn)變：在一定溫度下從一個液相中同時分解出一個固相和另一成分的液相的過程。其轉(zhuǎn)變：在一定溫度下從一個液相中同時分解出一個固相和另一成分的液相的過程。 即：即：L L1 1 + L + L2 2 具有偏晶轉(zhuǎn)