二元合金相圖及合金的凝固和組織

1、第五章第五章 二元合金相圖及合金的凝固二元合金相圖及合金的凝固5.1 相平衡與相圖5.2 勻晶相圖及固溶體合金的凝固和組織5.3 共晶相圖及共晶系合金的凝固和組織2022-3-221n 合金n兩種以上的金屬或金屬和非金屬熔合(或燒結(jié))在一起而具有金屬特性的物質(zhì)n分二元合金、三元合金，多元合金(四元以上)n 合金相圖n用圖的形式表明一個(gè)合金系的成分、溫度和相態(tài)之間的關(guān)系n研究合金中各種相結(jié)構(gòu)和組織的形成和變化規(guī)律的有效工具2022-3-2225.1.1 二元合金中存在的相二元合金中存在的相n 相：一個(gè)體系中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一，并以界面相互分開(kāi)的均勻部分。n相與相之間有界面：如冰和水; 食鹽

2、水溶液是一個(gè)相，飽和溶液中析出食鹽晶體為兩個(gè)相。n有界面分開(kāi)的不一定都是相，如合金中同一相的不同晶粒。n各微區(qū)的性質(zhì)并不完全相同：成分偏聚造成各微區(qū)的成分并不完全均勻；結(jié)構(gòu)缺陷也可能造成各微區(qū)的性質(zhì)并不完全相同。2022-3-2235.1 相平衡與相圖相平衡與相圖4一、相平衡概念和相律n 一個(gè)結(jié)構(gòu)的相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)相的過(guò)程稱為一個(gè)結(jié)構(gòu)的相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)相的過(guò)程稱為“”。n 從宏觀上看，如果系統(tǒng)中同時(shí)共存的各相在長(zhǎng)時(shí)從宏觀上看，如果系統(tǒng)中同時(shí)共存的各相在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不互相轉(zhuǎn)化，可視之為處于間內(nèi)不互相轉(zhuǎn)化，可視之為處于“相平衡相平衡”狀態(tài)。實(shí)際狀態(tài)。實(shí)際上這種平衡屬于上這種平衡屬于n 從微觀上看，

3、即使在平衡狀態(tài)，組元仍會(huì)不停地從微觀上看，即使在平衡狀態(tài)，組元仍會(huì)不停地通過(guò)各相界面進(jìn)行轉(zhuǎn)移，只不過(guò)同一時(shí)間內(nèi)相互遷移的通過(guò)各相界面進(jìn)行轉(zhuǎn)移，只不過(guò)同一時(shí)間內(nèi)相互遷移的速度相等而已。速度相等而已。n 在平衡條件下，合金的組元數(shù)和相數(shù)之間存在著在平衡條件下，合金的組元數(shù)和相數(shù)之間存在著一定的關(guān)系，這種關(guān)系稱為一定的關(guān)系，這種關(guān)系稱為“”。 5.1 相平衡與相圖相平衡與相圖5n 根據(jù)熱力學(xué)定律，化學(xué)位差是組元在各相間轉(zhuǎn)移的根據(jù)熱力學(xué)定律，化學(xué)位差是組元在各相間轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，力，組元轉(zhuǎn)移會(huì)引起體系自由能變化。在組元轉(zhuǎn)移會(huì)引起體系自由能變化。在 、 兩相平衡系統(tǒng)兩相平衡系統(tǒng)中的平衡條件為中的平衡條

4、件為 i i n 即即平衡時(shí)，同一組元在兩相中的化學(xué)位相等平衡時(shí)，同一組元在兩相中的化學(xué)位相等。n 若合金中有若合金中有c個(gè)組元，個(gè)組元，P個(gè)相，則它們的平衡條件為：個(gè)相，則它們的平衡條件為：系統(tǒng)的為: f=C-P+2。式中C為合金系組元數(shù)合金系組元數(shù)，P為平衡共存的相數(shù)相數(shù)，f為自由度，2表示溫度與壓力兩個(gè)因素表示溫度與壓力兩個(gè)因素。 自由度是指不改變平衡系中平衡相數(shù)的獨(dú)立可變的因素的數(shù)目(T、P、平衡相的濃度)。5.1 相平衡與相圖相平衡與相圖6相律的推導(dǎo)n 相律可由熱力學(xué)相平衡條件推導(dǎo)，相律可由熱力學(xué)相平衡條件推導(dǎo)，由影響狀態(tài)的可變因素減去相平衡決定由影響狀態(tài)的可變因素減去相平衡決定的條

5、件數(shù)即可確定自由度數(shù)。的條件數(shù)即可確定自由度數(shù)。p假定系統(tǒng)中有p個(gè)相，c個(gè)組元，則相組分引起的變數(shù)有p(c-1)個(gè)。系統(tǒng)的總變數(shù)為p(c-1)2。p平衡條件數(shù)由熱力學(xué)相平衡條件確定，在多相平衡時(shí)，組元在各相間的化學(xué)位相等。每個(gè)組元可以寫出p-1個(gè)等式，c個(gè)組元的平衡條件總數(shù)應(yīng)為c(p-1)。p系統(tǒng)的自由度數(shù)f=變數(shù)-條件數(shù)=P(c-1)+2-c(p-1)=c-p+27n 在研究不包括氣相反應(yīng)在內(nèi)的合金相變時(shí)在研究不包括氣相反應(yīng)在內(nèi)的合金相變時(shí)，壓力壓力的影響不大，可以忽略。相律的表達(dá)式為：的影響不大，可以忽略。相律的表達(dá)式為：n f=C-P+1n ：純金屬最多只有兩相平衡；二元系則：純金屬最多

6、只有兩相平衡；二元系則存在三相平衡，此時(shí)自由度等于零。存在三相平衡，此時(shí)自由度等于零。n 相律是分析、檢驗(yàn)相圖的理論基礎(chǔ)，可以相律是分析、檢驗(yàn)相圖的理論基礎(chǔ)，可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，具有普遍指導(dǎo)意義。用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，具有普遍指導(dǎo)意義。相律的推導(dǎo)相律的推導(dǎo)8相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 一、單元系相圖單組分體系的相律為單組分體系的相律為: f = C-P+ 2 =1- P + 2 =3- P 單組分平衡體系最多能單組分平衡體系最多能3相共存相共存 一個(gè)純物質(zhì)可以有許多不同的相態(tài)。例如炭：一個(gè)純物質(zhì)可以有許多不同的相態(tài)。例如炭：氣相、液相、固相氣相、液相、固相 (無(wú)定形碳、石墨、金剛石、富無(wú)定形碳、石

7、墨、金剛石、富勒烯族勒烯族(C60)。 但碳的相圖中最多只能三相共存但碳的相圖中最多只能三相共存, ,不可能四相共存不可能四相共存. .9 二、二元系相圖二、二元系相圖l 二元合金相圖常用二元合金相圖常用溫度、成分溫度、成分相圖，表示合金的相圖，表示合金的狀態(tài)隨成分和溫度變化而發(fā)生變化的情況。狀態(tài)隨成分和溫度變化而發(fā)生變化的情況。l 相：相：一個(gè)物系中，結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一，一個(gè)物系中，結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一，并并以界面以界面相互分開(kāi)的組成部分。相互分開(kāi)的組成部分。l 合金合金：由兩種以上的金屬和非金屬熔合（或燒：由兩種以上的金屬和非金屬熔合（或燒結(jié)）在一起而結(jié)）在一起而具有金屬特性具有

8、金屬特性的物質(zhì)。的物質(zhì)。l 組元組元：組成一個(gè)體系的基本單元，例如單質(zhì)：組成一個(gè)體系的基本單元，例如單質(zhì)（元素元素）和化合物。）和化合物。l 通常把具有通常把具有n個(gè)組元都是獨(dú)立的體系稱為個(gè)組元都是獨(dú)立的體系稱為n元元系系，組元數(shù)為一的體系稱為，組元數(shù)為一的體系稱為單元系單元系。相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法圖 二元Pb-Sb合金相圖 PbSb（X2）X1XaobLL+ SbPb + Sb 在相圖中，任意一點(diǎn)都在相圖中，任意一點(diǎn)都叫叫“表象點(diǎn)表象點(diǎn)”。 一個(gè)表象點(diǎn)的坐標(biāo)值反一個(gè)表象點(diǎn)的坐標(biāo)值反映一個(gè)給定合金的映一個(gè)給定合金的成分成分和和溫度溫度。 在相圖中，由表象點(diǎn)所在的相區(qū)可以判定在該溫在相圖中，

9、由表象點(diǎn)所在的相區(qū)可以判定在該溫度下合金度下合金由哪些相組成。由哪些相組成。 二元合金在兩相共存時(shí)二元合金在兩相共存時(shí)，兩個(gè)相的成分，兩個(gè)相的成分可由過(guò)表可由過(guò)表象點(diǎn)的水平線與相界線的交點(diǎn)確定。象點(diǎn)的水平線與相界線的交點(diǎn)確定。相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 2 相圖的建立相圖的建立 建立相圖的關(guān)鍵是要準(zhǔn)確地測(cè)出各成分合建立相圖的關(guān)鍵是要準(zhǔn)確地測(cè)出各成分合金的相變臨界點(diǎn)金的相變臨界點(diǎn)(臨界溫度臨界溫度)。 測(cè)臨界點(diǎn)的方法通常有熱分析法、硬度法、測(cè)臨界點(diǎn)的方法通常有熱分析法、硬度法、金相分析、金相分析、X射線結(jié)構(gòu)分折、磁性法、膨脹射線結(jié)構(gòu)分折、磁性法、膨脹法、電阻法等。法、電阻法

10、等。 由于合金凝固時(shí)的結(jié)晶潛熱較大，結(jié)晶時(shí)由于合金凝固時(shí)的結(jié)晶潛熱較大，結(jié)晶時(shí)冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折比較明顯，因此常用熱冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折比較明顯，因此常用熱分析法來(lái)測(cè)合金的結(jié)晶溫度，即測(cè)液相線、分析法來(lái)測(cè)合金的結(jié)晶溫度，即測(cè)液相線、固相線。固相線。相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 幾乎所有的相圖都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的，最常用的是幾乎所有的相圖都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的，最常用的是熱分析法熱分析法。相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 二元相圖的建立步驟為：二元相圖的建立步驟為：以以Cu-Ni合金合金(白銅白銅)為為例例 1. 配制不同成分的合金，測(cè)出各合金的冷卻曲線，配制不同成分的合金，測(cè)出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點(diǎn)（停

11、歇點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。找出曲線上的臨界點(diǎn)（停歇點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。 2. 將臨界點(diǎn)標(biāo)在溫度將臨界點(diǎn)標(biāo)在溫度-成分坐標(biāo)中的成分垂線上。成分坐標(biāo)中的成分垂線上。 3. 將垂線上相同意義的點(diǎn)連接起來(lái)，并標(biāo)上相應(yīng)將垂線上相同意義的點(diǎn)連接起來(lái)，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。的數(shù)字和字母。相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 a）冷卻曲線 b）相圖相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 組元組元：系統(tǒng)中每一個(gè)能單獨(dú)分離出來(lái)并能：系統(tǒng)中每一個(gè)能單獨(dú)分離出來(lái)并能獨(dú)立存在的均勻物質(zhì)。獨(dú)立存在的均勻物質(zhì)。 組元數(shù)組元數(shù)(c)：決定一個(gè)相平衡系統(tǒng)成分所必：決定一個(gè)相平衡系統(tǒng)成分所必需的最少的組元個(gè)數(shù)。需的最少的組元個(gè)數(shù)。 C=1，單元系統(tǒng)，單元系統(tǒng) C=2，

12、二元系統(tǒng)，二元系統(tǒng) C=3，三元系統(tǒng)，三元系統(tǒng)相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 相的特性：相的特性： 1.一個(gè)相中可以包含幾種物質(zhì)，即幾種物一個(gè)相中可以包含幾種物質(zhì)，即幾種物質(zhì)可以形成一個(gè)相；質(zhì)可以形成一個(gè)相； 2.一種物質(zhì)可以有幾個(gè)相；一種物質(zhì)可以有幾個(gè)相； 3.固體固體機(jī)械混合物機(jī)械混合物中有幾種物質(zhì)就有幾個(gè)中有幾種物質(zhì)就有幾個(gè)相；相； 4.一個(gè)相可以連續(xù)成一個(gè)整體，也可以不一個(gè)相可以連續(xù)成一個(gè)整體，也可以不連續(xù)。連續(xù)。相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 3、平衡相成分的確定、平衡相成分的確定二元相圖中的成分按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有兩種表示法：二元相圖中的成分按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有兩種表示法：質(zhì)量分?jǐn)?shù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）：）：摩爾分

13、數(shù)（摩爾分?jǐn)?shù)（x）：）： 式中式中：wA、wB分別為分別為A、B組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；xA、xB分別為分別為A、B組元的摩爾分?jǐn)?shù)，組元的摩爾分?jǐn)?shù)，RA、RB分分別為別為A、B組元的相對(duì)原子質(zhì)量。組元的相對(duì)原子質(zhì)量。,AABBABAABBAABBR xR xwwR xR xR xR x/,/AABBABAABBAABBwRwRxxwRwRwRwR相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法19此關(guān)系符合力學(xué)杠桿原理，故稱之為此關(guān)系符合力學(xué)杠桿原理，故稱之為。這說(shuō)明在確定。這說(shuō)明在確定的溫度下，兩相的相對(duì)含量可以根據(jù)杠桿定律確定。的溫度下，兩相的相對(duì)含量可以根據(jù)杠桿定律確定。杠桿定律杠桿定律相圖的表示和實(shí)驗(yàn)

14、測(cè)定方法相圖的表示和實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 將成分坐標(biāo)當(dāng)作杠桿，以合金成分點(diǎn)為支點(diǎn)，兩相的成分點(diǎn)分別為重點(diǎn)和力點(diǎn)，則與力學(xué)上的杠桿定律一樣。注意注意: : 杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度時(shí)兩相的成杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度時(shí)兩相的成分點(diǎn)分點(diǎn), ,支點(diǎn)為合金的成分點(diǎn)。支點(diǎn)為合金的成分點(diǎn)。 杠桿定律只適用于相圖中的兩相區(qū)；杠桿定律只適用于相圖中的兩相區(qū)； 杠桿定律只能在平衡狀態(tài)下使用。杠桿定律只能在平衡狀態(tài)下使用。二元相圖的一些幾何規(guī)律二元相圖的一些幾何規(guī)律n 兩個(gè)單相區(qū)只能交于一點(diǎn)，而不能交成線段；n 兩個(gè)單相區(qū)之間，必定是一個(gè)由這兩個(gè)單相構(gòu)成的兩相區(qū)；n 三相共存，必定是一條水平線，該水平線必須與由這3個(gè)相組合

15、而成的3個(gè)兩相區(qū)相鄰;n 如果兩個(gè)恒溫轉(zhuǎn)變中有兩個(gè)是相同的相，那么在這兩條水平線之間一定是由這兩個(gè)相組成的兩相區(qū)。 2022-3-2221n二元相圖中所有的水平線都是表示三相平衡的二元相圖中所有的水平線都是表示三相平衡的恒溫轉(zhuǎn)變，其自由度等于零。恒溫轉(zhuǎn)變，其自由度等于零。二元相圖的分析二元相圖的分析n 先看相固中是否存在穩(wěn)定的化合物，如果有穩(wěn)定化合物，則可將穩(wěn)定化合物作為一個(gè)獨(dú)立的組元把相圖分為幾個(gè)部分來(lái)分析研究；n 根據(jù)相區(qū)的接觸法則，弄清各個(gè)相區(qū)；n 找出三相共存水平線及與其接觸的3個(gè)單相區(qū)，由3個(gè)單相區(qū)與水平線的相互位置確定三相平衡轉(zhuǎn)變的性質(zhì)和反應(yīng)式；n 分析典型合金隨溫度改變而發(fā)生的轉(zhuǎn)

16、變和變化規(guī)律：在單相區(qū)內(nèi)，該相的成分與原合金相同；在兩相區(qū)內(nèi)，不同溫度下兩相的成分均沿其相界線變化，兩相的相對(duì)含量可由杠桿定律求得；三相平衡時(shí)，3個(gè)相的成分是固定的，反應(yīng)前或反應(yīng)后各組成相的相對(duì)含量也可以由杠桿定律進(jìn)行計(jì)算。2022-3-2222相相 圖圖n 相圖描述相的平衡存在條件及相與相之間平衡關(guān)系。n 系統(tǒng)的不同狀態(tài)或各相都各有其穩(wěn)定存在的成分、溫度及壓力范圍，處于這個(gè)范圍內(nèi)就呈穩(wěn)定平衡或相平衡。n 超過(guò)穩(wěn)定存在的范圍就可能發(fā)生狀態(tài)或相的轉(zhuǎn)變。n 相平衡遵從熱力學(xué)規(guī)律，相圖以熱力學(xué)為基礎(chǔ)。n 熱力學(xué)理論指導(dǎo)相圖的建立、理解分析和應(yīng)用相圖等方面十分重要作用。2022-3-22235.2 勻

17、晶相圖及固溶體合金的凝固勻晶相圖及固溶體合金的凝固n 相圖分析n 固溶體合金的平衡凝固和組織平衡凝固和組織n 固溶體合金的非平衡凝固和組織非平衡凝固和組織n 固溶體合金凝固過(guò)程中的溶質(zhì)分布溶質(zhì)分布n 區(qū)域熔煉n 合金中的成分過(guò)冷成分過(guò)冷n 固溶體凝固時(shí)的晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng) 2022-3-22245.2.1 勻晶相圖分析勻晶相圖分析n 組元在液態(tài)和固態(tài)都能在整個(gè)成分范圍內(nèi)完全互相溶解，分別形成無(wú)限固溶體和固溶體的相圖。n Cu-Ni、Au-Ag、Bi-Sb、W-Mo、Ti-Zr、Ti-Hfn 可以具有極小點(diǎn)或極大點(diǎn)。n 極小點(diǎn)的合金系：Ti-Zr、Au-Cu、Cr-Mo、Fe-Con 極大點(diǎn)的勻晶

18、相圖少見(jiàn)。n 極小和極大點(diǎn)的合金的凝固過(guò)程為等溫反應(yīng)。2022-3-2225由液相結(jié)晶出單相固溶體的過(guò)程由液相結(jié)晶出單相固溶體的過(guò)程稱為稱為勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變固溶體的平衡凝固固溶體的平衡凝固n 相區(qū)表示在該區(qū)的溫度和成分范圍內(nèi)，合金所存在的相態(tài)。n 兩相區(qū)自由度=1。n 液相線、固相線n 線條既表示合金的相變溫度，又表示平衡相的成分(濃度)。n 液相區(qū)，固相線區(qū)，液、固兩相平衡區(qū)。2022-3-2226 固溶體合金的平衡凝固固溶體合金的平衡凝固n 平衡凝固：從液態(tài)緩慢冷卻，在相變過(guò)程中充分進(jìn)行組元間互相擴(kuò)散，達(dá)到平衡相的均勻成分。2022-3-2227x合金凝固過(guò)程：冷至合金凝固過(guò)程：冷至T1時(shí)

19、，時(shí)，開(kāi)始凝固出開(kāi)始凝固出1成分的固相成分的固相。1中的含中的含Ni量量比比x合金高，合金高，1旁的液體中含旁的液體中含Ni量降低，量降低，擴(kuò)散平衡后液體成分為擴(kuò)散平衡后液體成分為L(zhǎng)1。固溶體合金的平衡凝固固溶體合金的平衡凝固n 溫度降至T2溫度，凝固出的固相成分沿固相線變至2 ，與之平衡的液相成分則沿液相線變至L2。 2022-3-2228兩相的含量為：兩相的含量為： 再降溫，凝固過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，溫度降至再降溫，凝固過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，溫度降至T4，遇到固相線，凝固完畢。遇到固相線，凝固完畢。固相成分為固相成分為4 ，相當(dāng)于原合金成分，為，相當(dāng)于原合金成分，為均勻的均勻的固溶體晶粒。固溶體晶粒。固溶

20、體合金凝固過(guò)程特點(diǎn)固溶體合金凝固過(guò)程特點(diǎn)n 固溶體合金凝固析出的固相成分與原液相成分不同：需要能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏、成分起伏；形核比純金屬困難，易過(guò)冷；過(guò)冷度愈大，形核愈容易。n 凝固需在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行：每一溫度下只能凝固出一定數(shù)量的固相；溫度降低，固相的量增加；固相和液相的成分分別沿固相線和液相線連續(xù)改變，遇上固相線凝固完畢。依賴原子互相擴(kuò)散達(dá)到成分均勻，凝固速度比純金屬慢。2022-3-2229 實(shí)際上，達(dá)到平衡凝固的條件是極為困難的。在實(shí)際冷卻過(guò)程中，凝固常常在數(shù)小時(shí)甚至幾分鐘內(nèi)完成，固溶體成分來(lái)不及擴(kuò)散至均勻。先結(jié)晶的部分含高熔點(diǎn)的組分多，后結(jié)晶的部分含低熔點(diǎn)的組分多，溶液只能在固態(tài)

21、表層建立平衡。 實(shí)際生產(chǎn)中的凝固是在偏離平衡條件下實(shí)際生產(chǎn)中的凝固是在偏離平衡條件下進(jìn)行的，這種凝固過(guò)程被稱為進(jìn)行的，這種凝固過(guò)程被稱為不平衡凝不平衡凝固。固。固溶體的不平衡凝固固溶體的不平衡凝固固溶體的不平衡凝固 下圖是非平衡凝固時(shí)液、固兩相成分變化的示意圖。下圖是非平衡凝固時(shí)液、固兩相成分變化的示意圖。 富富Ni富富Cun固相線的位置與冷卻速度無(wú)關(guān)，而固體平均成分線的位置卻與冷卻速度有固相線的位置與冷卻速度無(wú)關(guān)，而固體平均成分線的位置卻與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越快，它偏離固相線越遠(yuǎn)，當(dāng)冷卻極緩慢時(shí)，則與固相線重合。關(guān)，冷卻速度越快，它偏離固相線越遠(yuǎn)，當(dāng)冷卻極緩慢時(shí)，則與固相線重合。凝固過(guò)程

22、中，液、固兩相的成分偏離液、固凝固過(guò)程中，液、固兩相的成分偏離液、固相線；相線；凝固過(guò)程進(jìn)行到一更低的溫度才能完成；凝固過(guò)程進(jìn)行到一更低的溫度才能完成；生成固體的成分是生成固體的成分是不均勻的不均勻的。隨著冷卻速度。隨著冷卻速度的加大，這些差別特點(diǎn)表現(xiàn)的愈明顯。的加大，這些差別特點(diǎn)表現(xiàn)的愈明顯。 固溶體的不平衡凝固 不平衡凝固過(guò)程中通常先結(jié)晶的固溶體內(nèi)部含高熔點(diǎn)組元，而后結(jié)晶的外部則富含低熔點(diǎn)組元。這種在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)的成份不均勻現(xiàn)象稱為晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析。 如果固溶體是以樹(shù)枝狀結(jié)晶長(zhǎng)大的，則枝干與枝間會(huì)出現(xiàn)成份差別，稱為枝晶偏析。固溶體的不平衡凝固 固溶體的不平衡凝固Cu-Ni合金的平衡組織與枝

23、晶偏析組織合金的平衡組織與枝晶偏析組織平衡組織平衡組織枝晶偏析組織枝晶偏析組織固溶體的不平衡凝固 枝晶偏析及其消除枝晶偏析及其消除 由于實(shí)際生產(chǎn)中，合金冷卻速度快，原子擴(kuò)散不充分。由于實(shí)際生產(chǎn)中，合金冷卻速度快，原子擴(kuò)散不充分。擴(kuò)散過(guò)程總是落后于結(jié)晶過(guò)程，合金結(jié)晶是在非平衡的擴(kuò)散過(guò)程總是落后于結(jié)晶過(guò)程，合金結(jié)晶是在非平衡的條件下進(jìn)行的。這使得先結(jié)晶出來(lái)的固溶體合金含高熔條件下進(jìn)行的。這使得先結(jié)晶出來(lái)的固溶體合金含高熔點(diǎn)組元較多，合金的熔點(diǎn)較高，構(gòu)成晶體的樹(shù)枝狀骨架，點(diǎn)組元較多，合金的熔點(diǎn)較高，構(gòu)成晶體的樹(shù)枝狀骨架，后結(jié)晶出的部分含高熔點(diǎn)組元較少，熔點(diǎn)較低，填充于后結(jié)晶出的部分含高熔點(diǎn)組元較少，

24、熔點(diǎn)較低，填充于枝間。枝間。 這種在晶粒內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為這種在晶粒內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為枝晶偏析枝晶偏析或稱或稱晶內(nèi)偏析。晶內(nèi)偏析。 出現(xiàn)枝晶偏析后，使合金材料的機(jī)械性能、耐蝕性能和出現(xiàn)枝晶偏析后，使合金材料的機(jī)械性能、耐蝕性能和加工工藝性能變壞。加工工藝性能變壞。 出現(xiàn)枝晶偏析后，可通過(guò)擴(kuò)散退火予以消除。一般采用出現(xiàn)枝晶偏析后，可通過(guò)擴(kuò)散退火予以消除。一般采用將鑄件加熱到低于固相線將鑄件加熱到低于固相線100200的溫度，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)的溫度，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間保溫，使偏析元素進(jìn)行充分?jǐn)U散，成分均勻化。間保溫，使偏析元素進(jìn)行充分?jǐn)U散，成分均勻化。 固溶體的不平衡凝固37合金凝固時(shí)的溶質(zhì)分布合

25、金凝固時(shí)的溶質(zhì)分布n 平衡分配系數(shù)：一定溫度下，固平衡分配系數(shù)：一定溫度下，固/液兩平衡相中溶質(zhì)液兩平衡相中溶質(zhì)濃度之比值濃度之比值 K0=Cs / CL CS、CL：固、液相的平衡濃度：固、液相的平衡濃度 正常凝固過(guò)程正常凝固過(guò)程 在討論金屬合金的實(shí)際凝固問(wèn)題時(shí)在討論金屬合金的實(shí)際凝固問(wèn)題時(shí),一般不考慮固相內(nèi)一般不考慮固相內(nèi)部的原子擴(kuò)散，即把凝固過(guò)程中先后析出的固相成份看作沒(méi)部的原子擴(kuò)散，即把凝固過(guò)程中先后析出的固相成份看作沒(méi)有變化，而僅討論液相中的溶質(zhì)原子混合均勻程度問(wèn)題。以有變化，而僅討論液相中的溶質(zhì)原子混合均勻程度問(wèn)題。以下討論的均為正常凝固過(guò)程。正常凝固過(guò)程可分為三類：下討論的均為正

26、常凝固過(guò)程。正常凝固過(guò)程可分為三類： 38合金凝固時(shí)的溶質(zhì)分布若合金的冷卻速度及若合金的冷卻速度及其緩慢，則液體和固其緩慢，則液體和固體中的原子都能夠充體中的原子都能夠充分?jǐn)U散而沒(méi)有濃度梯分?jǐn)U散而沒(méi)有濃度梯度，不會(huì)產(chǎn)生溶質(zhì)偏度，不會(huì)產(chǎn)生溶質(zhì)偏析。析。39 圓棒從左端至右端的宏觀范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象，稱圓棒從左端至右端的宏觀范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象，稱為為宏觀偏析宏觀偏析。 圓棒離左端距離圓棒離左端距離X處的溶質(zhì)濃度處的溶質(zhì)濃度 : CS(x)=K0C0(1-X/L)K0-1 （5-31）式中式中C0為合金的原始濃度，為合金的原始濃度，L為合金棒長(zhǎng)度，為合金棒長(zhǎng)度，K0為平衡分為平衡分配系數(shù)。假

27、定了液固界面處兩相的濃度保持局部平衡，配系數(shù)。假定了液固界面處兩相的濃度保持局部平衡，并且固相中不發(fā)生擴(kuò)散，因此可得圓棒凝固到并且固相中不發(fā)生擴(kuò)散，因此可得圓棒凝固到X距離時(shí)距離時(shí) 剩余液相的平均濃度剩余液相的平均濃度: CL(x)=C0(1-X/L)K0-1 （5-32）1.液體中溶質(zhì)完全混合的情況液體中溶質(zhì)完全混合的情況液體中溶質(zhì)完全混合的情況n 從式從式5-31可知，凝固后溶質(zhì)分布曲線是隨可知，凝固后溶質(zhì)分布曲線是隨k0改變改變而變化的，不同而變化的，不同k0的值溶質(zhì)分布曲線如圖的值溶質(zhì)分布曲線如圖5-29所所示：示：由圖可知由圖可知41液體中溶質(zhì)部分混合的情況液體中溶質(zhì)部分混合的情況

28、固液固液邊界層邊界層的溶質(zhì)聚集對(duì)凝固圓棒成分的影響。的溶質(zhì)聚集對(duì)凝固圓棒成分的影響。42液體中溶質(zhì)部分混合的情況n 初始過(guò)渡區(qū)的建立當(dāng)從固體界面初始過(guò)渡區(qū)的建立當(dāng)從固體界面輸出溶質(zhì)的速度等輸出溶質(zhì)的速度等于溶質(zhì)從界面層擴(kuò)散出去的速度于溶質(zhì)從界面層擴(kuò)散出去的速度時(shí)，則達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，時(shí)，則達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從凝固開(kāi)始至建立穩(wěn)定的邊界層這一段長(zhǎng)度稱為從凝固開(kāi)始至建立穩(wěn)定的邊界層這一段長(zhǎng)度稱為“初初始過(guò)渡區(qū)始過(guò)渡區(qū)”，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的凝固過(guò)程，稱為穩(wěn)態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的凝固過(guò)程，稱為穩(wěn)態(tài)凝固過(guò)程。凝固過(guò)程。n 在穩(wěn)態(tài)凝固過(guò)程中，固溶體溶質(zhì)分布方程為：在穩(wěn)態(tài)凝固過(guò)程中，固溶體溶質(zhì)分布方程為： 其中其中Ke為

29、為有效分配系數(shù)，有效分配系數(shù)， 101eKeSLXCKC常數(shù)DRBLiSeeKKKCCK/000)1 ()()(43式中式中 R：凝固速度：凝固速度 ：邊界層厚度：邊界層厚度 D：擴(kuò)散系數(shù)：擴(kuò)散系數(shù)n A 當(dāng)凝固速度無(wú)限緩慢時(shí)，當(dāng)凝固速度無(wú)限緩慢時(shí)， R/D 0 ，Ke K0 即為即為液體中溶質(zhì)完全混合的情況。液體中溶質(zhì)完全混合的情況。n B當(dāng)凝固速度稍大時(shí)，當(dāng)凝固速度稍大時(shí)，e - R/D 0 ， Ke=1， 即為即為液體中溶質(zhì)僅有通過(guò)擴(kuò)散而混合的情況。液體中溶質(zhì)僅有通過(guò)擴(kuò)散而混合的情況。n C當(dāng)凝固速度介于上面二者之間，當(dāng)凝固速度介于上面二者之間， K0Ke 1，即為，即為 液體中溶質(zhì)部分

30、混合的情況。液體中溶質(zhì)部分混合的情況。常數(shù)DRBLiSeeKKKCCK/000)1 ()()(44圓棒離左端距離X處的溶質(zhì)濃度 ： 液體中溶質(zhì)完全混合 CS(x)=K0C0(1-X/L)K0-1 ，01101CLXCCS液體中溶質(zhì)部分混合液體中溶質(zhì)部分混合101eKeSLXCKC液體中僅借擴(kuò)散而混合液體中僅借擴(kuò)散而混合液體中溶質(zhì)僅通過(guò)擴(kuò)散而混合液體中溶質(zhì)僅通過(guò)擴(kuò)散而混合47又稱區(qū)域提純。是用以又稱區(qū)域提純。是用以提純提純金屬、半導(dǎo)體、金屬、半導(dǎo)體、有機(jī)化有機(jī)化合物合物的的方法方法。將將材料材料制成細(xì)棒，用高頻感應(yīng)加熱，使一小段制成細(xì)棒，用高頻感應(yīng)加熱，使一小段固體固體熔融熔融成成液態(tài)液態(tài)。熔融

31、區(qū)慢慢從放置材料的一端向。熔融區(qū)慢慢從放置材料的一端向另一端移動(dòng)。在熔融區(qū)的末端，固體另一端移動(dòng)。在熔融區(qū)的末端，固體重結(jié)晶重結(jié)晶，而含，而含雜質(zhì)雜質(zhì)部分因比純質(zhì)的熔點(diǎn)略低，較難部分因比純質(zhì)的熔點(diǎn)略低，較難凝固凝固，便，便富集富集于前端。于前端。此法可是此法可是純度純度達(dá)達(dá)99.999%的材料，且一次達(dá)不的材料，且一次達(dá)不到要求，可以重復(fù)操作。此法設(shè)備與操作簡(jiǎn)單，且到要求，可以重復(fù)操作。此法設(shè)備與操作簡(jiǎn)單，且可可自動(dòng)化自動(dòng)化。 48區(qū)域熔化示意圖區(qū)域熔化示意圖 49經(jīng)一個(gè)熔區(qū)一次通過(guò)后溶質(zhì)的近似分布經(jīng)一個(gè)熔區(qū)一次通過(guò)后溶質(zhì)的近似分布 50多次通過(guò)多次通過(guò)(n1)提純示意圖提純示意圖 51 在正

32、溫度梯度下，純金屬的生長(zhǎng)方式為在正溫度梯度下，純金屬的生長(zhǎng)方式為平面推進(jìn)，而固溶體凝固時(shí)，卻有樹(shù)枝狀生平面推進(jìn)，而固溶體凝固時(shí)，卻有樹(shù)枝狀生長(zhǎng)和胞狀生長(zhǎng)存在，這是由于凝固過(guò)程中，長(zhǎng)和胞狀生長(zhǎng)存在，這是由于凝固過(guò)程中，成分是在不斷變化，液體和固體的成分均不成分是在不斷變化，液體和固體的成分均不能達(dá)到平衡狀態(tài)，產(chǎn)生了能達(dá)到平衡狀態(tài)，產(chǎn)生了成分過(guò)冷現(xiàn)象成分過(guò)冷現(xiàn)象。 合金的成分過(guò)冷合金的成分過(guò)冷說(shuō)明說(shuō)明：T0：理論結(jié)晶溫度，即合金：理論結(jié)晶溫度，即合金 平均成分的液相線溫度；平均成分的液相線溫度；TL：液相線溫度，隨液相成：液相線溫度，隨液相成 分變化而變化，是分變化而變化，是變量變量；TD：液相中

33、某處的實(shí)際溫度；：液相中某處的實(shí)際溫度；C0：合金的平均成分；：合金的平均成分；CL：液相的實(shí)際濃度，是：液相的實(shí)際濃度，是變變 量。量。定義定義由由液相成分不均勻液相成分不均勻引起的過(guò)冷稱為引起的過(guò)冷稱為成分過(guò)冷。成分過(guò)冷。1、成分過(guò)冷的形成、成分過(guò)冷的形成 成分過(guò)冷的形成減小了界面處的過(guò)冷度，成分過(guò)冷的形成減小了界面處的過(guò)冷度，相對(duì)增大相對(duì)增大了離界面較了離界面較遠(yuǎn)處液相的過(guò)冷度。這對(duì)固溶體的晶體長(zhǎng)大形態(tài)影響非常大。遠(yuǎn)處液相的過(guò)冷度。這對(duì)固溶體的晶體長(zhǎng)大形態(tài)影響非常大。2、形成成分過(guò)冷的條件、形成成分過(guò)冷的條件 前面已討論過(guò)液相中只有擴(kuò)散（無(wú)對(duì)流）情況下，距界面前面已討論過(guò)液相中只有擴(kuò)散（

34、無(wú)對(duì)流）情況下，距界面x 處處液相的成分為：液相的成分為：DRxKKCC/000Le11 由于液相成分由于液相成分CL變化，其液相線溫變化，其液相線溫度度TL也隨著變化。假設(shè)液相線為直線，也隨著變化。假設(shè)液相線為直線，斜率為斜率為m，純組元，純組元A的熔點(diǎn)為的熔點(diǎn)為TA，則有，則有DRxAAKKmCTCmTT/000LLe11根據(jù)三角形關(guān)系根據(jù)三角形關(guān)系 液相中實(shí)際溫度液相中實(shí)際溫度TD的分布由溫度梯度的分布由溫度梯度G = dT/dx決定，與界面決定，與界面距離距離x的關(guān)系為的關(guān)系為xGTTiDTi界面處溫度界面處溫度 界面處溫度界面處溫度Ti可由右下圖的三角可由右下圖的三角形關(guān)系確定形關(guān)系

35、確定00/ KCmTTAi所以所以xGKCmTxGTTAiD00/ 當(dāng)液相的實(shí)際溫度低于理論結(jié)晶當(dāng)液相的實(shí)際溫度低于理論結(jié)晶溫度，即溫度，即TDTL時(shí)，就會(huì)形成成分時(shí)，就會(huì)形成成分過(guò)冷。過(guò)冷。DRxAAKKmCTxGKCmT/00000e11/)e1 ()1 (e )1 ()1 (/000/0000DRxDRxKKmCxGKKKmCxG即即根據(jù)微分近似計(jì)算，當(dāng)根據(jù)微分近似計(jì)算，當(dāng)x很小時(shí)，很小時(shí)，xx1e所以所以xDRKKmCxG000)1 (進(jìn)一步變化，可得進(jìn)一步變化，可得0001KKDmCRG這就是這就是形成（出現(xiàn)）成分過(guò)冷的條件。形成（出現(xiàn)）成分過(guò)冷的條件。即即0001KKDmCRGG

36、溫度梯度，溫度梯度，R 界面推進(jìn)速度，界面推進(jìn)速度，m 相圖液相線的斜率，相圖液相線的斜率，C0合金合金平均成分平均成分，D 溶質(zhì)原子在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，溶質(zhì)原子在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，K0溶質(zhì)在液固兩相中的平衡分配系數(shù)。溶質(zhì)在液固兩相中的平衡分配系數(shù)。形成成分過(guò)冷的條件表達(dá)式形成成分過(guò)冷的條件表達(dá)式 可見(jiàn)，溫度梯度可見(jiàn)，溫度梯度G小、凝固速度小、凝固速度R大、液相線斜率大、液相線斜率m大、平衡大、平衡分配系數(shù)分配系數(shù)K0小、合金成分小、合金成分C0大，都容易形成成分過(guò)冷。但是，大，都容易形成成分過(guò)冷。但是，對(duì)于一定的合金系，對(duì)于一定的合金系，m、D、K0為定值，有利于形成成分過(guò)冷的為定值，有利于

37、形成成分過(guò)冷的條件是，液相中低的溫度梯度條件是，液相中低的溫度梯度G，大的凝固速度，大的凝固速度R和高的溶質(zhì)濃和高的溶質(zhì)濃度度C0。v 固溶體凝固時(shí)在正的溫度梯度下，由于凝固界面液相中存在成分過(guò)冷，并隨著成分過(guò)冷度從小到大，其界面生長(zhǎng)形態(tài)將從平直界面向胞狀和樹(shù)枝狀發(fā)展。而純金屬凝固時(shí)須在負(fù)的溫度梯度下才得到樹(shù)枝狀組織。這是二者的區(qū)別。v由于溫度梯度的不同，成分過(guò)冷程度可分為三個(gè)區(qū)，如圖所示。在不同成分過(guò)冷區(qū)，晶體生長(zhǎng)方式不同。 不同成分過(guò)冷程度的三個(gè)區(qū)域不同成分過(guò)冷程度的三個(gè)區(qū)域a）在第區(qū)，液相溫度梯度很大，使TTL，故不產(chǎn)生成分過(guò)冷。離開(kāi)界面，過(guò)冷度減小，液相內(nèi)部處于過(guò)熱狀態(tài)。此時(shí)固溶體晶體

38、以平界面平界面方式生長(zhǎng)，界面上小的凸起，進(jìn)入過(guò)熱區(qū)，會(huì)使其熔化消失，故形成穩(wěn)定的平界面。不同成分過(guò)冷程度的三個(gè)區(qū)域不同成分過(guò)冷程度的三個(gè)區(qū)域b)在第區(qū)，液相溫度梯度減小，產(chǎn)生小的成分過(guò)冷區(qū)，此時(shí)，平界面不穩(wěn)定，界面上偶然凸起，進(jìn)入過(guò)冷液體，可以長(zhǎng)大，但因過(guò)冷區(qū)窄，凸出距離不大，不產(chǎn)生側(cè)向分枝，發(fā)展不成枝晶，而形成胞狀界面，最后出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)胞狀結(jié)構(gòu)，縱截面為長(zhǎng)條形，橫截面為六角形。胞狀晶界及胞狀組織胞狀晶界及胞狀組織不同成分過(guò)冷程度的三個(gè)區(qū)域不同成分過(guò)冷程度的三個(gè)區(qū)域不同成分過(guò)冷程度的三個(gè)區(qū)域不同成分過(guò)冷程度的三個(gè)區(qū)域c)在第在第區(qū)，當(dāng)液相溫度梯度更為平緩，成分過(guò)冷程度很大，液相區(qū)，當(dāng)液相溫度梯

39、度更為平緩，成分過(guò)冷程度很大，液相很大范圍處于過(guò)冷狀態(tài)，類似負(fù)溫度梯度條件，晶體以很大范圍處于過(guò)冷狀態(tài)，類似負(fù)溫度梯度條件，晶體以樹(shù)枝狀方樹(shù)枝狀方式長(zhǎng)大式長(zhǎng)大，界面上偶然的凸起，進(jìn)入過(guò)冷液體，得到大的生長(zhǎng)速度，界面上偶然的凸起，進(jìn)入過(guò)冷液體，得到大的生長(zhǎng)速度，并不斷分枝，形成樹(shù)枝狀骨架。晶體生長(zhǎng)中，周圍液相富集溶，并不斷分枝，形成樹(shù)枝狀骨架。晶體生長(zhǎng)中，周圍液相富集溶質(zhì)，使結(jié)晶溫度降低，過(guò)冷度降低，同時(shí)，因放出潛熱。周圍溫質(zhì)，使結(jié)晶溫度降低，過(guò)冷度降低，同時(shí)，因放出潛熱。周圍溫度升高，進(jìn)一步減小過(guò)冷度，因而分枝生長(zhǎng)停止，最后依靠固相度升高，進(jìn)一步減小過(guò)冷度，因而分枝生長(zhǎng)停止，最后依靠固相散熱、

40、平界面方式生長(zhǎng)，以填充枝晶間隙，直至結(jié)晶完成，形成散熱、平界面方式生長(zhǎng)，以填充枝晶間隙，直至結(jié)晶完成，形成晶粒。晶粒。 n 隨著成分過(guò)冷的增大，固溶體晶體由隨著成分過(guò)冷的增大，固溶體晶體由平面狀平面狀向向胞狀胞狀樹(shù)枝狀樹(shù)枝狀的形態(tài)發(fā)展。在各的形態(tài)發(fā)展。在各組織之間還有過(guò)度形態(tài)，即介于平面狀與組織之間還有過(guò)度形態(tài)，即介于平面狀與胞狀之間的胞狀之間的平面胞狀晶平面胞狀晶以及介于胞狀與樹(shù)以及介于胞狀與樹(shù)枝晶之間的枝晶之間的胞狀樹(shù)枝晶。胞狀樹(shù)枝晶。 可見(jiàn)，影響固溶體晶體生長(zhǎng)方式的關(guān)鍵因素是可見(jiàn)，影響固溶體晶體生長(zhǎng)方式的關(guān)鍵因素是成分過(guò)冷程度成分過(guò)冷程度。而影響成分過(guò)冷程度的因素，根據(jù)形成成分過(guò)冷的條件

41、：而影響成分過(guò)冷程度的因素，根據(jù)形成成分過(guò)冷的條件：0001KKDmCRG 有液相的溫度梯度有液相的溫度梯度G，固相凝固速度，固相凝固速度R，以及合金的成分，以及合金的成分C0。它們對(duì)晶體生長(zhǎng)方式影響的綜合關(guān)系如圖所示。它們對(duì)晶體生長(zhǎng)方式影響的綜合關(guān)系如圖所示。 控制和改變這些因素，可以獲得所控制和改變這些因素，可以獲得所需要的生長(zhǎng)方式。如，生產(chǎn)單晶硅棒需要的生長(zhǎng)方式。如，生產(chǎn)單晶硅棒時(shí)不能出現(xiàn)枝晶，必須按照平面生長(zhǎng)時(shí)不能出現(xiàn)枝晶，必須按照平面生長(zhǎng)方式凝固。此時(shí)，就需要很大的溫度方式凝固。此時(shí)，就需要很大的溫度梯度。提高液相的溫度可以獲得大溫梯度。提高液相的溫度可以獲得大溫度梯度。度梯度。液相

42、中溫度梯度液相中溫度梯度G對(duì)固溶體晶體生長(zhǎng)形態(tài)的影響對(duì)固溶體晶體生長(zhǎng)形態(tài)的影響晶體成長(zhǎng)形態(tài)晶體成長(zhǎng)形態(tài) 5.35.3共晶相圖及共晶轉(zhuǎn)變共晶相圖及共晶轉(zhuǎn)變 Pb-SnPb-Sn、Al-SiAl-Si、Ag-CuAg-Cu合金具有共晶相圖。合金具有共晶相圖。 Pb-SnPb-Sn合金相圖中有三個(gè)單相區(qū)合金相圖中有三個(gè)單相區(qū): : L L：PbPb與與SnSn形成的液溶體形成的液溶體 ：SnSn溶于溶于PbPb中的有限固溶體中的有限固溶體 ：PbPb溶于溶于SnSn中的有限固溶體中的有限固溶體 三個(gè)雙相區(qū)：三個(gè)雙相區(qū)：L+L+、L+L+、+ + 一條一條L+L+三相共存三相共存線線( (水平線水平線

43、cdecde ) )。 這種相圖稱這種相圖稱共晶相圖共晶相圖。Pb-Sn合金相圖合金相圖 d d點(diǎn)為點(diǎn)為共晶點(diǎn)共晶點(diǎn), , 表示表示d d點(diǎn)成分點(diǎn)成分( (共晶成分共晶成分) )的液相的液相合金冷卻到合金冷卻到d d點(diǎn)溫度點(diǎn)溫度( (共晶溫度共晶溫度) )時(shí)時(shí), , 共同結(jié)晶出共同結(jié)晶出c c點(diǎn)點(diǎn)成分的成分的相和相和e e 點(diǎn)成分的點(diǎn)成分的 相。相。 L Ld d(c c+e e) ) 共晶反應(yīng)：共晶反應(yīng)：一種液相在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩種一種液相在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)，生成的兩相固相的反應(yīng)，生成的兩相混合物叫混合物叫共晶體共晶體。 發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)三發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí)三相共存相共存, , 三

44、相各自成分三相各自成分確定確定, , 恒溫進(jìn)行。恒溫進(jìn)行。 Pb-Sn合金相圖合金相圖 水平線水平線cdecde為共晶反應(yīng)線為共晶反應(yīng)線, , 成分在成分在cece之間的合之間的合金平衡結(jié)晶時(shí)都會(huì)發(fā)生共晶反應(yīng)。金平衡結(jié)晶時(shí)都會(huì)發(fā)生共晶反應(yīng)。 cfcf 線線為為SnSn在在PbPb中的溶解度線中的溶解度線(相的固溶線相的固溶線) )。SnSn含量大于含量大于f f點(diǎn)的合金從高溫冷卻到室溫時(shí)點(diǎn)的合金從高溫冷卻到室溫時(shí), , 從從相中析出相中析出相，叫二次相，叫二次：IIII。 egeg線線為為PbPb在在SnSn中中溶解度線。溶解度線。SnSn含量小含量小g g點(diǎn)的合金點(diǎn)的合金, , 冷卻過(guò)程冷卻

45、過(guò)程中同樣發(fā)生二次結(jié)晶中同樣發(fā)生二次結(jié)晶, , 析出二次析出二次。 1. 1. 合金合金I I的平衡結(jié)晶過(guò)程的平衡結(jié)晶過(guò)程 合金室溫組織為合金室溫組織為+IIII 。 其組成相是：其組成相是：f f點(diǎn)成分的點(diǎn)成分的相相 g g點(diǎn)成分的點(diǎn)成分的相相。 運(yùn)用杠桿定律運(yùn)用杠桿定律, , 兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：IIL脫溶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變 組織組成物可以是單相組織組成物可以是單相, , 或是兩相混合物。或是兩相混合物。組織組成物組織組成物 合金組織中那些具有合金組織中那些具有確定本質(zhì)確定本質(zhì), , 一定形成機(jī)制的特殊一定形成機(jī)制的特殊形態(tài)的組成部分形態(tài)的組成部分。 合金合金I I的室溫組織為的

46、室溫組織為+IIII 組織由組織由和和II II 二部分組成二部分組成, , 和和IIII為組織組成物。為組織組成物。 組織組成物組織組成物和和IIII 都為單相組成都為單相組成, , 所所以組織組成物以組織組成物、IIII的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與組成相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與組成相、的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相等。的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相等。 2. 2. 合金合金II(II(共晶合金共晶合金) )的結(jié)晶過(guò)程的結(jié)晶過(guò)程 合金的室溫組織：合金的室溫組織：共晶體共晶體(+)(+) 組織組成物：組織組成物：(+)(+) 組成相：組成相：和和相相共晶合金組織的形態(tài)共晶合金組織的形態(tài) 共晶轉(zhuǎn)變L 3. 3. 合金合金(亞共晶合金亞共晶合金) )的結(jié)晶過(guò)程

47、的結(jié)晶過(guò)程 合金室溫組織：合金室溫組織：初生初生+二次二次+(+)+(+) 組織組成物：組織組成物：、二次、二次、(+)(+) 組成相：組成相：、 組成相組成相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變?LL)()(II脫溶轉(zhuǎn)變脫溶轉(zhuǎn)變 4. 4.過(guò)共晶合金過(guò)共晶合金( (合金合金)的結(jié)晶：的結(jié)晶： 位于共晶點(diǎn)右邊位于共晶點(diǎn)右邊, , 成分在成分在 dede之間的合金。之間的合金。 過(guò)共晶合金過(guò)共晶合金室溫組織為室溫組織為: : 初生初生+二次二次+(+)+(+)共晶轉(zhuǎn)變多勻晶轉(zhuǎn)變LL)()(II脫溶轉(zhuǎn)變亞共晶合金組織亞共晶合金組織 過(guò)共晶合金組織過(guò)共晶合金組織 亞共晶合金和過(guò)共晶合金組織亞

48、共晶合金和過(guò)共晶合金組織初生初生+二次二次+(+)+(+) 初生初生+二次二次+(+)+(+)共晶組織及其形成機(jī)理n共晶組織因組成相的本質(zhì)冷卻速度以及組成相的相對(duì)量不同，可以有多種多樣的形態(tài)。如呈片狀棒狀、球狀針狀、螺旋狀。n某些組織的立體模型如圖5-51所示n層片狀共晶是由兩種組成相以層片狀交替，而成，棒狀共晶的一個(gè)相明顯地呈連續(xù)分布，另一相則嵌與其中，呈棒狀條狀或葉片狀等。這兩類共晶形態(tài)是常見(jiàn)的。5.3.15.3.1 共晶組織及其形成機(jī)理共晶組織及其形成機(jī)理n 根據(jù)組成相的根據(jù)組成相的a值大小可將共晶組織分為以下三類：值大小可將共晶組織分為以下三類：n 粗糙粗糙-粗糙界面（金屬粗糙界面（金

49、屬-金屬型）共晶金屬型）共晶 粗糙粗糙-平滑界面（金屬平滑界面（金屬-非金屬型）共晶非金屬型）共晶 平滑平滑-平滑界面（非金屬平滑界面（非金屬-非金屬型）共晶非金屬型）共晶（一）（一） 粗糙粗糙-粗糙界面（金屬粗糙界面（金屬-金屬型）共晶金屬型）共晶n 類型：金屬類型：金屬-金屬共晶、金屬金屬共晶、金屬-金屬間化合物共晶金屬間化合物共晶n 特點(diǎn)：形態(tài)簡(jiǎn)單規(guī)則特點(diǎn)：形態(tài)簡(jiǎn)單規(guī)則n 形成機(jī)理：兩相交替形核長(zhǎng)大形成機(jī)理：兩相交替形核長(zhǎng)大 片層厚度：相鄰兩相單片厚度之和。過(guò)冷度大，R大，層片薄。21 kR 形態(tài)：取決于兩相的體積分?jǐn)?shù)和相界面的比界面能。v 一相的體積分?jǐn)?shù)小于30%，且比界面能較高時(shí)，易

50、形成棒狀共晶。v一相的體積分?jǐn)?shù)在30%50%時(shí)，利于形成層片狀。共晶組織的形成n 共晶結(jié)晶時(shí)必有一相在溶液中領(lǐng)先形核和生長(zhǎng)，稱為領(lǐng)先相（共晶結(jié)晶時(shí)必有一相在溶液中領(lǐng)先形核和生長(zhǎng)，稱為領(lǐng)先相（設(shè)為富含組元的設(shè)為富含組元的）由于領(lǐng)先相所含的另一組元（如）由于領(lǐng)先相所含的另一組元（如B)低于溶低于溶液的平均成分，故隨著液的平均成分，故隨著的生長(zhǎng)，其結(jié)晶前沿的溶液中便富集的生長(zhǎng)，其結(jié)晶前沿的溶液中便富集組元組元B,這就有利于另一相（設(shè)為這就有利于另一相（設(shè)為）的形核和生長(zhǎng)，它通常是）的形核和生長(zhǎng)，它通常是以領(lǐng)先相作形成基底的，以領(lǐng)先相作形成基底的，相的形成又能促進(jìn)相的形成又能促進(jìn)相的形核，于是相的形核

51、，于是兩相就交替地形核和生長(zhǎng)，構(gòu)成了共晶組織。兩相就交替地形核和生長(zhǎng)，構(gòu)成了共晶組織。實(shí)際上兩相并不實(shí)際上兩相并不需要反復(fù)形核，需要反復(fù)形核，相和相和相可以以搭相可以以搭橋的方式生長(zhǎng)，橋的方式生長(zhǎng)，構(gòu)成構(gòu)成共晶團(tuán)共晶團(tuán)共晶組織的形成n 因共晶的層片間距因共晶的層片間距很小很小，在生長(zhǎng)中結(jié)，在生長(zhǎng)中結(jié)晶前沿溶液中的晶前沿溶液中的橫向擴(kuò)散是主要的橫向擴(kuò)散是主要的，相前沿富集相前沿富集B組元，而組元，而相前沿富集相前沿富集A組組元，兩者之間的相互元，兩者之間的相互短程擴(kuò)散短程擴(kuò)散（圖（圖5-55）保證了兩個(gè)相共同從液相中結(jié)晶析出）保證了兩個(gè)相共同從液相中結(jié)晶析出。層片間距越短，對(duì)組元間相互短程擴(kuò)。層片間距越短，對(duì)組元間相互短程擴(kuò)散越有利，但是層片間距的減小又意味散越有利，但是層片間距的減小又意味著層片數(shù)目的增多，使界面積增大，從著層片數(shù)目的增多，使界面積增大，從而增大了總的界面能，又對(duì)共晶生長(zhǎng)不而增大了總的界面能，又對(duì)共晶生長(zhǎng)不利，因此在一定的條件