材料科學基礎(chǔ)第五章材料的相結(jié)構(gòu)及相圖

材料科學基礎(chǔ)第五章材料的相結(jié)構(gòu)及相圖第一頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日

第一節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)第二節(jié)二元相圖及其類型第三節(jié)復雜相圖分析第四節(jié)相圖的熱力學基礎(chǔ)第五節(jié)三元系相圖及其類型第二頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日合金：根據(jù)性能要求，選用兩種或兩種以上金屬元素或金屬與非金屬元素，經(jīng)熔煉或燒結(jié)等方法形成具有金屬性能的材料稱為合金。例如：Fe-C鋼鐵；Cu-Zn銅合金；Mg合金；Al合金；Ni基合金等。第三頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)材料的相結(jié)構(gòu)相：是合金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。根據(jù)相的結(jié)構(gòu)特點分為兩大類：固溶體中間相第四頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日以合金中某一組元作為溶劑，其它組元為溶質(zhì)，所形成的與溶劑有相同晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)稍有變化的固相，稱為固溶體。1.固溶體第五頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日固溶體的類型按溶質(zhì)原子在溶劑晶體中所占位置間隙固溶體置換固溶體按固溶度的大小無限固溶體有限固溶體按溶質(zhì)原子與溶劑原子的相對分布情況有序固溶體無序固溶體第六頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（1）置換固溶體溶質(zhì)原子溶劑原子溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點位置所形成的固溶體第七頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日尺寸因素

溶質(zhì)原子半徑與溶劑原子半徑之差越大，一個溶質(zhì)原子引起的點陣畸變能就越大，溶質(zhì)原子能溶入溶劑中的數(shù)量就越少，固溶體的溶解度就越小。相反就越大。（1）置換固溶體溶質(zhì)與溶劑可以有限互溶也可以無限互溶，其溶解度與以下幾個因素有關(guān)：第八頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日尺寸因素

第九頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日晶體結(jié)構(gòu)因素

組元間晶體結(jié)構(gòu)相同時，固溶度一般都較大，而且有可能形成無限固溶體。若不同只能形成有限固溶體。第十頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日電負性差因素兩元素間電負性差越小，越易形成固溶體，且形成的固溶體的溶解度越大；隨兩元素間電負性差增大，固溶度減小。1）電負性差值ΔX<0.4~0.5時，有利于形成固溶體2）ΔX>0.4~0.5，傾向于形成穩(wěn)定的化合物第十一頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日電子濃度因素電子濃度的定義是合金中各組成元素的價電子數(shù)總和與原子總數(shù)的比值，記作e/a。電子濃度有一極限，超過這一極限，固溶體就不穩(wěn)定，會形成新相。第十二頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（2）間隙固溶體溶質(zhì)原子溶劑原子溶質(zhì)原子進入溶劑晶格的間隙所形成的固溶體，溶質(zhì)原子不占據(jù)晶格的正常位置。溶質(zhì)原子一般是半徑小于0.1mm的非金屬元素

例如：H（0.046nm）；O（0.061nm）；N（0.071nm）；C（0.077nm）；B（0.097nm）第十三頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日無論是置換固溶體還是間隙固溶體，均能引起固溶體的硬度、強度升高。對置換式固溶體，溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大，溶質(zhì)原子的濃度越高，其強化效果就越大。由于溶質(zhì)原子的固溶而引起的強化效應(yīng)，稱為固溶強化。注意：第十四頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日2.中間相兩組元間的相對尺寸差、電子濃度及電負性差都有一溶限，當溶質(zhì)原子的加入量超過此溶限時便會形成一種新相，這種新相稱為中間相。中間相一般具有較高的熔點及硬度，可使合金的強度、硬度、耐磨性及熱腐蝕性提高。按中間相形成時起主要作用的因素分類：正常價化合物；電子化合物；尺寸因素化合物第十五頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日符合原子價規(guī)則的化合物，在AmBn中，正離子的價電子數(shù)恰好使負離子具有穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)。(1)正常價化合物例如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、MgS、MnS等金屬元素與周期表中的ⅣA，ⅤA，ⅥA元素形成正常價化合物。有較高的硬度，脆性很大。第十六頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日正常價化合物的分子式只有AB，A2B或AB2兩種。常見類型：(1)正常價化合物NaCl型（面心立方）CaF2型（面心立方）閃鋅礦型（立方ZnS）硫鋅礦型（六方ZnS）第十七頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日正常價化合物其穩(wěn)定性與兩組元的電負性差值大小有關(guān)，電負性差值越大，穩(wěn)定性越高，愈接近離子鍵合，反之趨向于金屬鍵合。正常價化合物包括從離子鍵、共價鍵過渡到金屬鍵為主的一系列化合物，通常具有較高的強度和脆性，固溶度范圍極小，在相圖上為一條垂直線。(1)正常價化合物Mg—Si相圖Mg2Si第十八頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日由ⅠB族或過渡金屬元素與ⅡB，ⅢB，ⅣB族元素形成的金屬化合物。不遵守化合價規(guī)律，晶格類型隨化合物電子濃度而變化。(2)電子化合物電子濃度為3/2時：呈體心立方結(jié)構(gòu)（b相）；電子濃度為21/13時：呈復雜立方結(jié)構(gòu)（g相）；電子濃度為21/12時。呈密排六方結(jié)構(gòu)（e相）；第十九頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日它們的形成主要是電子濃度起主導作用。也與尺寸因素及組元的電負性差有一定關(guān)系。溶點及硬度較高，脆性大。(2)電子化合物合金系 中間相 電子濃度e/a晶體結(jié)構(gòu) Cu-Zn系 β（CuZn）3/2體心立方

gCu5Zn8）21/13 復雜立方

ε（CuZn3） 7/4 密排六方 Cu-Al系 β（Cu3Al） 3/2體心立方

g（Cu32Al19） 21/13復雜立方

ε（Cu5Al3） 7/4 密排六方 Cu-Sn系 β（Cu5Sn） 3/2 體心立方

g（Cu31Sn8） 21/13 復雜立方

ε（Cu3Sn） 7/4 密排六方第二十頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日這類中間相的形成主要受組元的相對尺寸所控制。尺寸差別越大，造成的晶格畸變就越大，畸變能也就越高。(3)尺寸因素化合物分類：間隙化合物；拉弗斯（Laves）相第二十一頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日間隙化合物由原子半徑較大的過渡族金屬元素和原子半徑較小的非金屬元素H，B，C，N，Si等形成的金屬間化合物間隙化合物通?？捎靡粋€化學式表示，并具有特定的結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)往往不同于純組元的結(jié)構(gòu)，而是取決于非金屬元素X與過渡族金屬元素M的原子半徑比。第二十二頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日間隙化合物當原子半徑比小于0.59時，形成結(jié)構(gòu)簡單的間隙化合物，并具有簡單的化學式。如體心立方，面心立方，密排六方，簡單立方當原子半徑比大于0.59時，形成結(jié)構(gòu)復雜的間隙化合物。如鋼中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。Fe3C稱為滲碳體，具有復雜的斜方晶格。當原子半徑比等于0.23時，非金屬原子占據(jù)過渡族金屬結(jié)構(gòu)的四面體間隙；而當原子半徑比在0.41和0.59之間時，非金屬原子占據(jù)過渡族金屬結(jié)構(gòu)則占據(jù)八面體間隙。第二十三頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日間隙化合物表5-3簡單結(jié)構(gòu)的間隙化合物成分范圍簡單結(jié)構(gòu)的間隙化合物雖然可以用化學式表示，但其化學成分可在一定范圍內(nèi)變化第二十四頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日間隙化合物表5-4鋼中常見的間隙化合物間隙化合物的鍵型不完全是金屬鍵，而大多數(shù)是不同程度的金屬鍵與共價鍵的混合與雜交?？梢姶祟惢衔镄纬蓵r，電負性因素也起了一定作用。第二十五頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日間隙化合物表5-5鋼中常見間隙化合物的硬度及熔點結(jié)構(gòu)簡單的具有極高的硬度及熔點，是合金工具鋼和硬質(zhì)合金的重要組成相。第二十六頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日間隙化合物相同點：非金屬原子以間隙的方式進入晶格。間隙化合物和間隙固溶體的異同點不同點：間隙化合物：間隙化合物中的金屬組元大多與自身原來的結(jié)構(gòu)類型不同間隙固溶體：間隙固溶體中的金屬組元仍保持自身的晶格結(jié)構(gòu)第二十七頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日拉弗斯（Laves）相當組元間原子尺寸之差處于間隙化合物與電子化合物之間時，會形成拉弗斯相。拉弗斯相：借大小原子排列的配合而實現(xiàn)的密排結(jié)構(gòu)。通式AB2，A和B均為金屬原子A：大原子；B：小原子rA/rB的理論比值為1.225rA/rB的實際比值為1.05-1.068第二十八頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日拉弗斯（Laves）相Laves相三種類型MgCu2型

MgZn2型

MgNi2型第二十九頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日拉弗斯（Laves）相①MgCu2型：立方晶系。每個晶胞有24個原子。Mg原子形成閃鋅礦型的結(jié)構(gòu)（8個）；Cu原子形成四面體(16個)。每個鎂原子有4個近鄰鎂原子和12個近鄰銅原子；每個銅原子有6個近鄰的銅原子和6個近鄰的鎂原子。MgCu第三十頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日拉弗斯（Laves）相②MgZn2型：六方晶系。Mg原子形成硫鋅礦結(jié)構(gòu)；Zn原子形成四面體。每個Mg原子有4個近鄰Mg原子和12個近鄰Zn原子。

每個Zn原子有6個近鄰Zn原子和6個近鄰Mg原子。第三十一頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日拉弗斯（Laves）相③MgNi2型：六方晶系。介于MgCu22之間的結(jié)構(gòu)。第三十二頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)二元相圖及其類型相圖(phasediagram)：是一種能夠描述給定材料系中材料（合金）成分、溫度（壓力）與其組織狀態(tài)之間關(guān)系的圖形。利用相圖可以：1可以了解各種成分材料（合金）的熔點和發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度；2用于研究材料（合金）的凝固過程和凝固后的組織；3是制定材料（合金）熔鑄、壓力加工、熱處理工藝的重要依據(jù)；4相圖是在平衡條件下測得的，也叫平衡狀態(tài)圖。第三十三頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)二元相圖及其類型平衡凝固過程(equilibriumsolidification)：指在極緩慢凝固過程中，每個階段都能達到平衡的結(jié)晶過程相律：描述材料在不同條件下相平衡狀態(tài)所遵循的法規(guī)，是理解、分析相圖十分重要的理論依據(jù)。注意：相圖和相律只在熱力學平衡條件下成立。相圖和相律不能反映各平衡相的結(jié)構(gòu)、分布狀態(tài)及具體形貌。第三十四頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日一、相圖的基本知識1.相圖的形式和種類：溫度-濃度圖（T-x）溫度-壓力-濃度圖（T-p-x）溫度-壓力圖（T-p）第三十五頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日單元系相圖：

T-p圖水的狀態(tài)示意圖PT水冰氣二元系相圖：

T-p-x圖，常固定壓強p，即T-x圖TAABXSL℃B%S+L第三十六頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日三元系相圖：

考慮5個變量（三種組元A、B、C，溫度T和壓力p）。常固定壓強p，即T-x（A、B、C）圖，三棱柱模型第三十七頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日2.相律（phaserule）：描述系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度之間關(guān)系的法則。Gibbs相律(Gibbsphaserule)：f=C-P+2f：自由度數(shù)目(thenumberofdegreesoffreedom)；C：給定材料的組元數(shù)(thenumberofcomponents)；P：共存的平衡相數(shù)(thenumberofequilibriumphases)；2：壓力、溫度自由度在恒壓條件下：f=C–P+1第三十八頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日Gibbs相律(Gibbsphaserule)的應(yīng)用：純金屬(puremetal)：C=1，P=2時，f=0；兩相共存時自由度為零（恒溫下轉(zhuǎn)變）

C=1，P=1時，f=1；單相時自由度為1（在一定的溫度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)變）二元系(binarysystem)：C=2，P=3時，f=0；只有三相共存時自由度為零（恒溫下轉(zhuǎn)變）

C=2，P=2時，f=1；

兩相共存時自由度為1（在一定的溫度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)變）第三十九頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日相律在相圖中的應(yīng)用C

P

f二元系2三元系3單相合金，成分和溫度都可變兩相平衡，成分、相對量和溫度等因素中只有一個獨立變量三相平衡，三相的成分、相對量及溫度都確定單相合金其中兩個組元的含量及溫度三個因素均可變兩相平衡，兩相的成分、數(shù)量及溫度中有兩個獨立變量三相平衡，所有變量中只有一個是獨立變量四相平衡所有因素都確定不變12312342103210含義第四十頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日3.二元相圖建立：

二元系(binarysystem)由于合金有成分(composition)變化，所以其相圖（phasediagram）需用縱、橫兩個坐標軸表示，縱軸表示溫度，橫軸表示成分。即T-x或T-w圖如果合金系由A、B兩組元組成，橫坐標一端為組元A，而另一端為組元B，那么體系中任一成分合金都可以在橫坐標上找到相應(yīng)的點。第四十一頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日二元合金相圖的成分有兩種表示方法：

質(zhì)量分數(shù)(W)和摩爾分數(shù)(x)。成分表示方法通常用質(zhì)量分數(shù)(W)表示，在沒有特別注明時，合金成分都是指質(zhì)量百分數(shù)。第四十二頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日質(zhì)量分數(shù)(W)和摩爾分數(shù)(x)可以進行換算成分表示方法第四十三頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日相圖的建立有實驗測定和理論計算兩種方法。

二元相圖的測定是根據(jù)各種成分材料的臨界點（criticalpoint）繪制。

(1)動態(tài)法：熱分析法、膨脹法、電阻法

(2)靜態(tài)法：金相法、X-ray衍射分析法這些方法主要是利用合金在相結(jié)構(gòu)變化時，引起物理性能、力學性能及金相組織變化的特點來測定。臨界點是表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化的臨界相變點。測定材料臨界點有兩種方法類型：第四十四頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日Cu-Ni相圖測定以熱分析法為例說明如何測繪Cu-Ni相圖，其步驟如下：

1.

配制一系列不同成分的Cu-Ni合金。2.熔化均勻后測出所配合金及純Cu、純Ni的冷卻曲線。3.確定合金的凝固溫度。求出各冷卻曲線上的臨界點。

純Cu、純Ni的冷卻曲線上有一平臺，表示其在恒溫

下凝固。合金的冷卻曲線上沒有平臺，而為二次轉(zhuǎn)

折，溫度較高的折點表示凝固的開始溫度，而溫度

低的轉(zhuǎn)折點對應(yīng)凝固的終結(jié)溫度。4.將各臨界點分別投到對應(yīng)的合金成分、溫度坐標中，

連接各相同意義的臨界點(開始點或終了點）。每個

臨界點在二元相圖中對應(yīng)一個點。5.填寫相區(qū)即得到Cu-Ni合金的二元相圖。第四十五頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日熱分析裝置示意圖溫度-時間記錄儀恒溫器（0℃）電爐電源熱電偶第四十六頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日熱分析法測繪Cu-Ni相圖冷卻曲線Cu-Ni相圖第四十七頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日熱分析法測繪Cu-Ni相圖冷卻曲線Cu-Ni相圖第四十八頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日二元相圖中的點、線、區(qū)Cu-Ni相圖CuNi溫度點：其坐標值反映一個給定合金的成分和溫度。根據(jù)點所在的相區(qū)，可以確定該合金在該溫度下所

處的狀態(tài)（有哪些相）。線：液相線：由凝固開始溫度連接起來的線。固相線：由凝固終了溫度連接起來的線。第四十九頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日二元相圖中的點、線、區(qū)若三相共存、f=0，T和成分都不變，屬恒溫轉(zhuǎn)變。Cu-Ni相圖CuNi溫度相區(qū)：相圖中由相界線劃分出來的區(qū)域稱為相區(qū)（phaseregions），表明在此范圍內(nèi)存在的合金的平衡相類型和數(shù)目。在二元合金系中有單相區(qū)、兩相區(qū)、三相區(qū)。單相區(qū)內(nèi)：f=2，T和成分都可變。雙相區(qū)內(nèi)：f=1，T和成分只有一個可以獨立變化。L+SLS第五十頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日杠桿定律根據(jù)相律，二元系兩相平衡共存時，f=c-p+1=1若T一定，則f=0，說明兩平衡相的成分也隨之而定。杠桿的兩個端點為給定溫度時兩相的成分點，而支點為合金的成分點。ABab溫度LSL+So

第五十一頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日杠桿定律abQL×ao=

QS×bo或QL／QS

=bo/aoo

QLQSABab溫度LSL+So

第五十二頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)用：杠桿定律僅適應(yīng)于平衡相圖的兩相區(qū)(1)確定兩平衡相的成分(濃度)。(2)確定兩平衡相的相對量。杠桿定律第五十三頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日二、一元系相圖相律：f=c-p+2水的狀態(tài)示意圖PT水冰氣=1-p+2=3-p單相狀態(tài)時：f=2即溫度和壓力均可獨立變動兩相狀態(tài)時：f=1即溫度或壓力只有一個可獨立變動三相狀態(tài)時：f=0即溫度和壓力均固定不能變動第五十四頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日gLSiO2相平衡圖第五十五頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化純鐵相圖Lg第五十六頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日三、二元系相圖1.勻晶相圖2.共晶相圖3.包晶相圖4.其他類型的二元系相圖第五十七頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日1.勻晶相圖勻晶反應(yīng)：由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的反應(yīng)。勻晶相圖：只發(fā)生勻晶反應(yīng)的相圖。特點：

兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限互溶。晶體結(jié)構(gòu)相同，原子半徑（離子半徑）相近

舉例：Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、Fe-Ni、

Cr-Mo、Fe-Cr等；第五十八頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日1.勻晶相圖給定成分的合金，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）和相對含量都可以由杠桿定律確定。第五十九頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日ABTLSL+SABTLSL+SABTLSL+S1.勻晶相圖（1）勻晶相圖的三種類型組元在液、固態(tài)均無限互溶具有極大點具有極小點第六十頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（2）固溶體的平衡結(jié)晶過程平衡結(jié)晶過程：在及其緩慢冷卻過程中，每個階段都能達到平衡的結(jié)晶過程。固溶體的結(jié)晶過程：形核和長大過程。形核方式：均勻形核，非均勻形核。第六十一頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（2）固溶體的平衡結(jié)晶過程Cu-Ni勻晶相圖Cu-Ni合金冷卻曲線及結(jié)晶過程示意圖CuNiTLSL+S第六十二頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（2）固溶體的平衡結(jié)晶過程Cu-Ni勻晶相圖及平衡結(jié)晶過程溫度t1時：結(jié)晶開始。S相質(zhì)量分數(shù)為0，實際固相并未形成。溫度t2時：固相結(jié)晶出。溫度t3時：結(jié)晶結(jié)束。第六十三頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日固溶體與純金屬結(jié)晶的不同之處：（1）固溶體結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)完成的，而純金屬結(jié)晶是在恒溫下完成的。（2）合金結(jié)晶過程中，結(jié)晶出的固相與共存液相的成分不同，這種結(jié)晶稱為選分結(jié)晶。而純金屬在結(jié)晶過程中，固相與液相的成分始終是相同的。第六十四頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（3）勻晶系的不平衡結(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散時間，使凝固過程偏離平衡條件，稱為非平衡結(jié)晶。非平衡結(jié)晶得到的組織稱為不平衡組織（non-equilibriummicrostructure）。第六十五頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（3）勻晶系的不平衡結(jié)晶第六十六頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（3）勻晶系的不平衡結(jié)晶1.固相、液相的平均成分變化偏離固相線、液相線，其偏離程度與冷速有關(guān)。冷速↑，偏離程度↑；冷速↓，偏離程度↓，越接近于平衡條件。但L/S界面濃度變化依然沿液固相線變化。液相線的偏離程度較固相線小。2.先結(jié)晶部分含有較多的高熔點組元(B)，后結(jié)晶部分含有較多的低熔點組元(A)。3.結(jié)晶的滯后性。非平衡結(jié)晶條件下，結(jié)晶完成的溫度低于平衡結(jié)晶時的溫度。第六十七頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（3）勻晶系的不平衡結(jié)晶

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,結(jié)果使每個晶粒內(nèi)部的化學成分不均勻(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)部存在著濃度差別)，這種現(xiàn)象稱為晶內(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，枝晶軸（干）含高熔點組元多，而枝晶間含低熔點的組元多，導致先結(jié)晶的枝干和后結(jié)晶的枝間成分不同，故亦稱枝晶偏析。第六十八頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（3）勻晶系的不平衡結(jié)晶晶內(nèi)偏析的影響：對合金的力學性能（mechanicalproperty）影響較大。容易導致合金塑性（plasticity）、韌性（toughness）下降；易引起晶間腐蝕（corrosion）；降低合金的抗蝕性能。第六十九頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日樹枝狀晶體生長示意圖

第七十頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日樹枝狀晶體生長示意圖

第七十一頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日枝晶偏析第七十二頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日鋼錠中的樹枝狀晶體第七十三頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日高溫合金中的樹枝狀晶體第七十四頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日Ni-Ta-Mn-Cr合金的樹枝狀界面第七十五頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日枝晶偏析程度大小與鑄造時冷卻條件、原子的擴散能力，相圖形狀有密切關(guān)系:(1)在其它條件不變時，V冷↑，晶內(nèi)偏析程度↑。(2)偏析元素的擴散能力↓，相圖上液固相線間隔↑，形成枝晶偏析的傾向↑。枝晶偏析是不平衡冷卻產(chǎn)物，在熱力學上不穩(wěn)定，可通過均勻化退火(擴散退火）來消除。均勻化退火(擴散退火)：將鑄件加熱到低于固相線100～200℃的溫度，進行較長時間保溫，使偏析元素充分進行擴散，以達到成分均勻化的目的。第七十六頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日共晶轉(zhuǎn)變(eutecticreaction):某一成分的液相，在恒溫下同時結(jié)晶出兩個成份不同的固相的轉(zhuǎn)變。所得到兩固相的混合物稱為共晶組織(eutecticstructure)。Le→α+β共晶相圖(eutecticphasediagram):具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖共晶溫度(eutectictemperature):發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度。共晶點(theeutecticpoint)或共晶成分:發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的液相成分點E。2.共晶相圖第七十七頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日液相線：αe、be固相線：αm、bn共晶相圖αebmnPbSnfg三個單相區(qū)：L、α、β三個兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β。三個兩相區(qū)的接觸線men為共晶反應(yīng)線，此線表示三相共存區(qū)mf為Sn在Pb中的固溶度曲線ng為Pb在Sn中的固溶度曲線e點:共晶轉(zhuǎn)變點Le→α+β恒溫進行，三相成分固定不變第七十八頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日共晶相圖的特點：液態(tài)下兩組元能無限互溶，固態(tài)下只能部分互溶(形成有限固溶體或化合物)，甚至有時完全不溶，并具有共晶轉(zhuǎn)變。屬于二元共晶相圖的合金有：Pb－Sn、Pb－Sb、Al－Si、Al－Cu、Mg－Si、Al－Mg等。PbSnABLL+αL+βα+β第七十九頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日端(部)固溶體合金亞共晶合金過共晶合金共晶合金根據(jù)相變特點和組織特征共晶系合金分為四類：共晶相圖αebmnPbSnfgⅠⅡⅢⅣ第八十頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日(1)端部固溶體合金:m點與f點之間的合金結(jié)晶過程Ⅰ：

L→L+α→α→α+βⅡ

勻晶反應(yīng)＋脫溶轉(zhuǎn)變(二次析出)室溫組織：α+βⅡ

共晶相圖αebmnPbSnfgⅠβⅡ:二次相（次生相）wβⅡ=(wx-wf)/(wg-wf)*100%第八十一頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日(1)端部固溶體合金Ⅰ的平衡結(jié)晶過程共晶相圖αebmnPbSnfgⅠ第八十二頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日端部固溶體合金Ⅰ的平衡結(jié)晶顯微組織500×第八十三頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日(2)亞共晶合金:m點與e點之間的合金結(jié)晶過程Ⅱ：L→L+α→L+α+（α+β）共→α+(α+β)共→α+βⅡ+(α+β)

共勻晶反應(yīng)＋共晶反應(yīng)＋脫溶轉(zhuǎn)變室溫組織:α+βⅡ+(α+β)共

共晶相圖αebmnPbSnfgⅡ在共晶轉(zhuǎn)變之前，從液態(tài)中先結(jié)晶出的固相叫先共晶相(初生相)。初生相α和液相L比例可用杠桿法則求出。wL=(wx-wm)/(we-wm)*100%wα=(we-wx)/(we-wm)*100%第八十四頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日亞共晶合金的平衡結(jié)晶的顯微組織(α+β)共

α+βⅡ第八十五頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日(3)

共晶合金（e點合金）共晶反應(yīng)Ⅲ：Le→α+β這一過程在恒溫下進行，直至凝固結(jié)束。形成共晶體（α+β）。兩個相的相對量可用杠桿法則求得:α=en/mnβ=me/mn結(jié)晶過程：L→(α+β)共

共晶反應(yīng)室溫組織：(α+β)共

共晶相圖αebmnPbSnfgⅢ第八十六頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日

共晶合金的冷卻曲線及結(jié)晶過程第八十七頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日

共晶合金的平衡結(jié)晶的顯微組織(α+β)共

α

β

第八十八頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日共晶相圖αebmnPbSnfgⅣ(4)

過共晶合金（e點與n點之間合金）過共晶合金的凝固過程和組織特征與亞共晶合金相類似，只是初生相(先共晶相)為β而不是α。勻晶反應(yīng)＋共晶反應(yīng)＋脫溶轉(zhuǎn)變室溫組織：β+αⅡ+(α+β)

共結(jié)晶過程：L→L+β→L+β+(α+β)共→β+(α+β)共→β+αⅡ+(α+β)共第八十九頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日共晶系合金的非平衡凝固偽共晶（pseudo-eutectic）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。但在不平衡結(jié)晶條件下，成分在共晶點附近的合金也可能全部轉(zhuǎn)變成共晶組織。這種由非共晶成分合金所得到的共晶組織。第九十頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日共晶系合金的非平衡凝固偽共晶（pseudo-eutectic）將兩液相線延長形成陰影區(qū)。當合金熔液快冷至由兩液相線延長線所包圍的區(qū)域，過冷液相對于α相和β相均處于過飽和狀態(tài)，同時結(jié)晶出α相和β相，形成具有共晶組織特征的偽共晶組織。第九十一頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日共晶系合金的非平衡凝固偽共晶（pseudo-eutectic）第九十二頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日共晶系合金的非平衡凝固(2)不平衡共晶組織對于小于飽和溶解度的合金（a點以左，c點以右）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織。ac第九十三頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日共晶系合金的非平衡凝固(2)不平衡共晶組織ac

不平衡共晶組織通常分布在α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體。在稍低于共晶溫度長時間加熱保溫，可消除不平衡共晶組織及固溶體的枝晶偏析，得到均勻的單相固溶體。第九十四頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日(3)離異共晶當合金中共晶組織(α+β)相對量較少，初生相(α)相對量很大時,有時共晶組織中與初生相同的那一個相就會依附在初生相上形核長大,把另一相推向最后凝固的晶界處,從而使共晶體兩組成相相間的組織特征消失，這種兩相分離的共晶組織稱為離異共晶。第九十五頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日3.包晶相圖有些合金當凝固到一定溫度時,已結(jié)晶出來的一定成分的固相與剩余液相(有確定成分)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。Lb+αd→βp三種類型包晶相圖示意圖第九十六頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日3.包晶相圖dpb線：水平線(dpb)為包晶轉(zhuǎn)變線，包晶線僅有dp為固相線，而pb為液相線，固溶度曲線。包晶轉(zhuǎn)變：Lb+αd→βp相區(qū)：單相區(qū)：L、α、β

雙相區(qū)：L+α、L+β、α+β

三相區(qū)：dpb線L+α+βwα=(wb-wp)/(wb-wd)wL=(wp-wd)/(wb-wd)第九十七頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（1）p點成分t1以上t1-tp開始

tp終了tp以下p1db結(jié)晶過程：L→L+α→β→β+αⅡ第九十八頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日t1以上t1-tp開始

tp終了tp以下（2）d-p點之間成分結(jié)晶過程：L→L+α→α+β→α+β+αⅡ+βⅡp1db第九十九頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（3）p-b點之間成分t1以上t1-tpt2以下開始

tp終了tp-t2結(jié)晶過程：L→L+α→L+β

→β→β+αⅡp1db23第一百頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日包晶線與共晶線不同之處在于:共晶線men為固相線，線上的合金在共晶溫度全部凝固完畢，其組織為兩相混合物L→α+β;包晶線,dp為固相線，pb為液相線。L+α→β

共晶相圖αebmnPbSnfgdpb包晶相圖第一百零一頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日4.其他類型的二元系相圖（1）具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖

（2）具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖（3）具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖（4）具有共析轉(zhuǎn)變的相圖（5）具有包析轉(zhuǎn)變的相圖（6）具有中間相的相圖第一百零二頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（1）具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖在某些合金結(jié)晶過程中，當達到一定溫度會從一個固相分解為一個液相和另一個固相，即發(fā)生了固相的再熔現(xiàn)象，這種轉(zhuǎn)變稱為熔晶轉(zhuǎn)變(metatecticreaction)。即：δ→L+γ具有熔晶轉(zhuǎn)變的合金很少，如Fe－S、Cu－SbδL+γ第一百零三頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（2）具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖合晶轉(zhuǎn)變（syntecticreaction）相圖特點：兩組元在液態(tài)下有限溶解，存在不熔合線，不熔合線以下為兩液相L1和L2。合晶轉(zhuǎn)變：在恒定溫度下，兩個成分不同的液相相互作用形成一個固相的轉(zhuǎn)變稱為合晶轉(zhuǎn)變。即L1+L2→γ具有合晶轉(zhuǎn)變的二元系：

Na－Zn、K-Zn等L1+L2

γ第一百零四頁，共一百一十七頁，編輯于2023年，星期日（3）具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖偏晶轉(zhuǎn)變（monotecticreaction）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L1和L2。偏晶轉(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