工程材料二元合金的結(jié)晶

1、合金的結(jié)晶知識(shí)結(jié)構(gòu)二元合金相圖的建立相圖分析二元相圖的分析和使用勻晶相圖及固溶體的凝固共晶相圖及合金的凝固包晶相圖及合金的凝固其他類型的二元合金相圖 合金中的相及相結(jié)構(gòu)重要概念：1、合金兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。有二元、三元等。2、組元組成合金最基本、獨(dú)立的物質(zhì)。 組元可以是組成合金的元素，可以是化合物。多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素。但對(duì)于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組元, 如Fe-C合金中的Fe3C。5、組織是由不同相組成的具有一定成分、分布形態(tài)和性能的機(jī)械混合物。用肉眼或借助不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬材料內(nèi)部情景，包括晶

2、粒大小、形狀、種類及晶粒的相對(duì)數(shù)量和分布。4、相指合金組織中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成部分。6、合金系由給定組元配置成的一系列成分不同的合金，組成一個(gè)合金系統(tǒng)。合金的結(jié)晶過程比純金屬?gòu)?fù)雜，常用相圖進(jìn)行分析.相圖是用來表示合金系中各合金在緩冷條件下結(jié)晶過程的簡(jiǎn)明圖解。相組成合金成分溫度,壓力相圖：是表示合金系中合金在平衡條件下各相的存在狀態(tài)與溫度、成分間關(guān)系的圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。相平衡：在合金系中，參與結(jié)晶或相轉(zhuǎn)變過程的各相之間相對(duì)重量和相的濃度不再改變時(shí)所達(dá)到的一種平衡。因此相圖中相及組織都是在十分緩慢冷卻條件下獲得的。相圖一、相圖的建立幾乎所有的相圖

3、都是通過實(shí)驗(yàn)得到的，最常用的是熱分析法。一、相圖的建立1. 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)（停歇點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)和平臺(tái)）的溫度值。2. 將臨界點(diǎn)標(biāo)在溫度-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，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。以Cu-Ni合金(白銅)為例步驟：一、相圖的建立相圖中，結(jié)晶開始點(diǎn)的連線叫液相線。 結(jié)晶終了點(diǎn)的連線叫固相線。銅-鎳合金勻晶相圖CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ 純銅熔點(diǎn)純鎳熔點(diǎn)液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)二、勻晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶1、銅鎳合金相圖相區(qū)分

4、析 相圖分析(點(diǎn)、線、區(qū)) 兩點(diǎn)：純組元的熔點(diǎn) 兩線：L, S相線 三區(qū)：L, , L+。由液相結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。兩組元在液態(tài)無限溶解，在固態(tài)無限固溶，并且發(fā)生勻晶反應(yīng)的相圖，稱為勻晶相圖。相圖分析TbTa 合金的結(jié)晶過程 合金的結(jié)晶過程以合金為例說明。當(dāng)液態(tài)金屬自高溫冷卻到 t1溫度時(shí)，開始結(jié)晶出成分為1的固溶體，其Ni含量高于合金平均成分。LL+隨溫度下降，固體重量增加，液相重量減少。同時(shí)，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。成分變化是通過原子擴(kuò)散完成的。當(dāng)合金冷卻到t3時(shí)，最后一滴L3成分的液體也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，此時(shí)固溶體的成分又變回到合金成分3上來。液固相線不僅

5、是相區(qū)分界線,也是結(jié)晶時(shí)兩相的成分變化線。勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變。 合金的結(jié)晶過程平衡結(jié)晶:形核和晶粒的長(zhǎng)大能量起伏 、結(jié)構(gòu)起伏、成分起伏L +L2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.固溶體合金在平衡結(jié)晶過程中，固相成分沿固相線變化，液相成分沿液相線變化 合金的結(jié)晶過程 杠桿定律處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對(duì)重量?，F(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：12t 確定

6、兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為x，過x做成分垂線。在成分垂線相當(dāng)于溫度t 的o點(diǎn)作水平線，其與液固相線交點(diǎn)a、b所對(duì)應(yīng)的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。則 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程組得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的長(zhǎng)度。 確定兩平衡相的相對(duì)重量設(shè)合金的重量為1，液相重量為QL，固相重量為Q。因此兩相的相對(duì)重量百分比為：兩相的重量比為：上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比。在杠桿定律中，杠桿

7、的支點(diǎn)是合金的成分，杠桿的端點(diǎn)是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相區(qū)。例（如圖）例：求30%Ni合金在1280 時(shí)相的相對(duì)質(zhì)量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ ac30a1b1c11280 C解：作成分線和溫度線如圖。6618根據(jù)杠桿定律推論， Q / Q= a1b1/a1c1 = 12/48=1/4答：所求合金在1280 時(shí)相的相對(duì)質(zhì)量為1/4。例：固溶體合金的相圖如圖所示，試根據(jù)相圖確定： (a)成分為40%B的合金首先凝固出來的固體成分；(b)若首先凝固出來的固體成分含60%B，合金

8、的成分為多少？(c)成分為70%B的合金最后凝固的液體成分?(d )合金成分為50%B，凝固到某溫度時(shí)液相含有40%B，固體含有80%B，此時(shí)液體和固體各占多少分?jǐn)?shù)？ 合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻條件下才能得到成分均勻的固溶體。但實(shí)際冷速較快，結(jié)晶時(shí)固相中的原子來不及擴(kuò)散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點(diǎn)元素（如Cu-Ni合金中的Ni）, 后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點(diǎn)元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。(3) 枝晶偏析V冷卻 ，原子擴(kuò)散速度結(jié)晶速度 (3) 枝晶偏析富Ni富CuCu-Ni合金晶內(nèi)偏析的組織在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析。它不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相

9、線的間距有關(guān)。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析會(huì)影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下100-200長(zhǎng)時(shí)間保溫，以使原子充分?jǐn)U散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴(kuò)散退火。(3) 枝晶偏析Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織平衡組織枝晶偏析組織共晶反應(yīng)：在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出成分一定且不相同的兩個(gè)固相的轉(zhuǎn)變，稱為共晶轉(zhuǎn)變（或共晶反應(yīng)）以 Pb-Sn 相圖為例進(jìn)行分析。PbSn 合金相圖三、共晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶PbSn 合金相圖相圖分析 相：有L、三種相, : 溶質(zhì)Sn在 Pb中的固溶體 : 溶質(zhì)Pb在Sn中的固溶體 相

10、區(qū)：三個(gè)單相區(qū): L、；三個(gè)兩相區(qū): L+、L+、+ 一個(gè)三相區(qū)：即水平線cde。 固溶線: 溶解度點(diǎn)的連線稱固溶線。相圖中cf、eg線分別為 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中固溶線。固溶體溶解度隨溫度降低而下降。 液固相線：液相線adb，固相線acdeb。a、b分別為Pb、Sn的熔點(diǎn)。 共晶線：水平線cde叫做共晶線。在共晶線對(duì)應(yīng)的溫度下（183 ），d點(diǎn)成分的合金同時(shí)結(jié)晶出C點(diǎn)成分的 固溶體和e點(diǎn)成分的 固溶體，形成這兩個(gè)相的機(jī)械混合物： Ld (C + e) -共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。PbSn 合金相圖具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點(diǎn)以左的合金稱亞共晶合金，位于共晶

11、點(diǎn)以右的合金稱過共晶合金。凡具有共晶線成分的合金液體冷卻到共晶溫度時(shí)都將發(fā)生共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機(jī)械混合物稱共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點(diǎn)稱共晶點(diǎn)。合金的結(jié)晶過程 含Sn量小于C點(diǎn)合金(合金)的結(jié)晶過程在3點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出單相 固溶體，這種直接從液相中結(jié)晶出的固相稱一次相或初生相。.2溫度降到3點(diǎn)以下， 固溶體被Sn過飽和，由于晶格不穩(wěn)，開始析出（相變過程也稱析出）新相 相由已有固相析出的新固相稱二次相或次生相。形成二次相的過程稱二次析出, 是固態(tài)相變的一種。由于二次相析出溫度較低，一般十分細(xì)小。室溫下的相對(duì)重量百分比為：由 析

12、出的二次 用 表示。隨溫度下降， 和 相的成分分別沿cf線和eg線變化， 的重量增加。合金室溫組織由和組成，即為組織組成物。 共晶合金(合金)的結(jié)晶過程液態(tài)合金冷卻到d 點(diǎn)時(shí)同時(shí)被Pb和Sn飽和, 發(fā)生共晶反應(yīng)： Ld (C+e) 室溫下的相：、； 室溫下的組織：()共晶體共晶組織形態(tài)層片狀(Al-CuAl2定向凝固)條棒狀(Sn-MnSn橫截面)螺旋狀（Zn-Mg）Pb-Sn共晶組織在共晶轉(zhuǎn)變過程中，L、 、 三相共存, 三個(gè)相的量在不斷變化，但它們各自成分是固定的。共晶組織中的相稱共晶相共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)， 和 相的相對(duì)重量百分比為：d(61.9)e(97.5)c(19.2) 亞共晶合金(合金

13、)的結(jié)晶過程合金液體在2點(diǎn)以前為勻晶轉(zhuǎn)變。冷卻到2點(diǎn)，固相成分變化到C點(diǎn)，液相成分變化到d點(diǎn), 此時(shí)兩相的相對(duì)重量為：PbSn 合金相圖溫度繼續(xù)下降，將從一次 和共晶 中析出。室溫組織+ (+) + ，合金相為和。合金的室溫組織為初生+(+)，合金的組成相為和。 過共晶合金結(jié)晶過程與亞共晶合金相似，不同的是一次相為 , 二次相為。室溫組織為+(+)+。組織組成物在相圖上的標(biāo)注組織組成物是指組成合金顯微組織的獨(dú)立部分。和, 和,共晶體(+)都是組織組成物。相與相之間的差別主要在結(jié)構(gòu)和成分上。組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上。如 、 和共晶 的結(jié)構(gòu)成分相同，屬同一個(gè)相，但它們的形態(tài)不同，分屬不同的

14、組織組成物。將組織組成物標(biāo)注在相圖中，可使所標(biāo)注的組織與顯微鏡下觀察到的組織一致。組織組成物在相圖上的標(biāo)注當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖稱作包晶相圖。以Pt-Ag相圖為例簡(jiǎn)要分析L+L+L + 相圖分析單相區(qū)：L、二相區(qū)：L+、 L+、+三相區(qū)：L+ （水平線PDC）（四）包晶反應(yīng)的合金的結(jié)晶在一定溫度下，由一個(gè)液相包著一個(gè)固相生成另一新固相的反應(yīng)稱包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)。水平線PDC稱包晶線，與該線成分對(duì)應(yīng)的合金在該溫度下發(fā)生包晶反應(yīng)：LC+DP 。該反應(yīng)是液相L包著固相, 新相 在L與的界面上形核，并向L和兩個(gè)方向長(zhǎng)大。 合金的結(jié)晶過程 包晶成分合金

15、室溫組織為 + II PD成分合金：勻晶包晶二次析出。 室溫組織為 +II+ + II時(shí)間溫度 DC成分合金：勻晶包晶勻晶二次析出 室溫組織為 +II。時(shí)間溫度最常見的共析轉(zhuǎn)變是鐵碳合金中的珠光體轉(zhuǎn)變: S P+ Fe3C 共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。 c+e（四）共析反應(yīng)的合金的結(jié)晶共析反應(yīng)(共析轉(zhuǎn)變)是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。PS(奧氏體，鐵素體，F(xiàn)e3C滲碳體)共析相圖與共晶相圖相似，對(duì)應(yīng)的有共析線(PSK線)、共析點(diǎn)(S點(diǎn))、共析溫度、共析成分、共析合金(共析成分合金)、亞共析合金(共析線上共析點(diǎn)以左的合金)、過共析合金(共析線上共析點(diǎn)以

16、右的合金)。鐵碳合金相圖共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析體（鐵碳合金中的共析體稱珠光體)，也是兩相的機(jī)械混合物（鐵素體+滲碳體)。與共晶反應(yīng)不同的是，共析反應(yīng)的母相是固相，而不是液相。另外，由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過冷度大，因而共析組織比共晶組織細(xì)。珠光體共析轉(zhuǎn)變示意圖（五）形成穩(wěn)定化合物的二元相圖穩(wěn)定化合物是指在熔化前不發(fā)生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C) 。其成分固定，在相圖中是一條垂線(代表一個(gè)單相區(qū))。垂足是其 成分, 頂點(diǎn)是其熔點(diǎn), 結(jié)晶過程同純金屬。分析這類相圖時(shí)，可把穩(wěn)定化合物當(dāng)作純組元看待，將相圖分成幾個(gè)部分進(jìn)行分析.Mg2SiMg2Si+SiSiL+ Mg2SiL+ SiL+ Mg2SiL+ Mg二、相圖與合金性能之間的關(guān)系兩相機(jī)械混合物的合金:性能與合金成分呈直線關(guān)系，是兩相性能的算術(shù)平均值，如：HB混=HB Q +HBQ(Q 、Q為兩相相對(duì)重量)(一) 合金的使用性能與相圖的關(guān)系 單相固溶體的合金：性能隨成分呈曲線變化，隨溶質(zhì)含量增加，、HB、增加，塑性下降。 形成穩(wěn)定化合物的合金：性能-成分曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。(二) 合金的工藝性能與相圖的關(guān)系 固溶體合金液固相線間距越大、偏析傾向大, 樹枝晶發(fā)達(dá), 流動(dòng)性