單元四 合金的結(jié)晶

單元四合金的結(jié)晶一、二元相圖的建立二、二元相圖的基本類型與分析1、二元勻晶相圖2、二元共晶相圖3、二元包晶相圖4、形成穩(wěn)定化合物的二元相圖5、具有共析反應(yīng)的二元相圖6、二元相圖的分析步驟7、相圖與合金性能之間的關(guān)系合金的結(jié)晶過程比純金屬復(fù)雜，常用相圖進行分析.相圖是用來表示合金系中各合金在緩冷條件下結(jié)晶過程的簡明圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。合金系是指由兩個或兩個以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。組元是指組成合金的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質(zhì)。多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素。但對于既不發(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。Cu-Ni合金相圖L

成分（wt%Ni）溫度（℃）CuNi相圖表示了在緩冷條件下不同成分合金的組織隨溫度變化的規(guī)律，是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。根據(jù)組元數(shù),分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。Fe-C二元相圖三元相圖一、二元相圖的建立幾乎所有的相圖都是通過實驗得到的，最常用的是熱分析法。二元相圖的建立步驟為：[以Cu-Ni合金(白銅)為例]1.配制不同成分的合金，測出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點（停歇點或轉(zhuǎn)折點）。2.將臨界點標在溫度-成分坐標中的成分垂線上。3.將垂線上相同意義的點連接起來，并標上相應(yīng)的數(shù)字和字母。相圖中，結(jié)晶開始點的連線叫液相線。結(jié)晶終了點的連線叫固相線。Cu-Ni合金相圖測定二、二元相圖的基本類型與分析兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時所構(gòu)成的相圖稱二元勻晶相圖。以Cu-Ni合金為例進行分析。

Cu-Ni合金相圖1、二元勻晶相圖相圖由兩條線構(gòu)成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個相區(qū)，液相線以上為液相區(qū)L，固相線以下為

固溶體區(qū)，兩條線之間為兩相共存的兩相區(qū)（L+）。

LL+

成分（wt%Ni）溫度（℃）CuNi液相線固相線⑴合金的結(jié)晶過程除純組元外，其它成分合金結(jié)晶過程相似，以Ⅰ合金為例說明。當(dāng)液態(tài)金屬自高溫冷卻到t1溫度時，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L

L+隨溫度下降，固溶體重量增加，液相重量減少。同時，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)。成分變化是通過原子擴散完成的。當(dāng)合金冷卻到t3時，最后一滴L3成分的液體也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，此時

固溶體的成分又變回到合金成分

3上來。液固相線不僅是相區(qū)分界線,也是結(jié)晶時兩相的成分變化線；勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變。合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻條件下才能得到成分均勻的固溶體。但實際冷速較快，結(jié)晶時固相中的原子來不及擴散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。（2）

枝晶偏析在一個枝晶范圍內(nèi)或一個晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析。不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴重。枝晶偏析會影響合金的力學(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℃長時間保溫，以使原子充分擴散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴散退火。2、二元共晶相圖當(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)生共晶反應(yīng)時所構(gòu)成的相圖稱作共晶相圖。以Pb-Sn

相圖為例進行分析。Pb-Sn合金相圖成分（wt%Sn）溫度（℃）PbSn⑴相圖分析①相：相圖中有L、

、

三種相,

是溶質(zhì)Sn在

Pb中的固溶體，

是溶質(zhì)Pb在Sn中的固溶體。②相區(qū)：相圖中有三個單相區(qū)：L、

、

；三個兩相區(qū)：

L+

、L+

、+；一個三相區(qū)：即水平線CED。AB④固溶線:溶解度點的連線稱固溶線。相圖中的CF、DG線分別為Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶線。固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。③液固相線：液相線AEB，固相線ACEDB。A、B分別為Pb、Sn的熔點。AB在一定溫度下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩個成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變稱作共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。。

⑤共晶線：水平線CED叫做共晶線。在共晶線對應(yīng)的溫度下（183

℃），E點成分的合金同時結(jié)晶出C點成分的

固溶體和D點成分的

固溶體，形成這兩個相的機械混合物：LE

?(

C+

D)AB共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機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稱共晶點。Pb-Sn共晶組織共晶體長大示意圖

Sn原子擴散Pb原子擴散具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點以左的合金稱亞共晶合金，位于共

晶點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都將發(fā)生共晶反應(yīng)。L+

CDAB⑵合金的結(jié)晶過程①

含Sn量小于C點合金(Ⅰ合金)的結(jié)晶過程在3點以前為勻晶轉(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。H由于二次相析出溫度較低，一般十分細小。室溫下

Ⅱ的相對重量百分比為：由

析出的二次

用

Ⅱ

表示。隨溫度下降，

和

相的成分分別沿CF線和DG線變化，

Ⅱ的重量增加。Ⅰ合金室溫組織為

+

Ⅱ

。成分大于D點合金結(jié)晶過程與Ⅰ合金相似，室溫組織為

+

Ⅱ

。ABCDEFG②共晶合金(Ⅱ合金)的結(jié)晶過程液態(tài)合金冷卻到E點時同時被Pb和Sn飽和,發(fā)生共晶反應(yīng)：LE?(

C+

D)

。19.2wt%Sn溫度,℃1’層片狀(Al-CuAl2定向凝固)條棒狀(Sb-MnSb橫截面)螺旋狀（Zn-Mg）Pb-Sn共晶組織析出過程中兩相相間形核、互相促進、共同長大，因而共晶組織較細，呈片、棒、點球等形狀。③亞共晶合金(Ⅲ合金)的結(jié)晶過程合金液體在2點以前為勻晶轉(zhuǎn)變。冷卻到2點，固相成分變化到C點，液相成分變化到E點,

此時兩相的相對重量為：在2點，具有E點成分的剩余液體發(fā)生共晶反應(yīng)：

L?(

+

)

，轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織，共晶體的重量與轉(zhuǎn)變前的液相重量相等,即QE=QL反應(yīng)結(jié)束后，在共晶溫度下

、

兩相的相對重量百分比為：溫度繼續(xù)下降，將從一次

和共晶

中析出

Ⅱ，從共晶

中析出

Ⅱ。其室溫組織為

Ⅰ+(

+

)+

Ⅱ。亞共晶合金的結(jié)晶過程如何求室溫下三種組織組成物的相對重量？④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

Ⅱ室溫組織為

Ⅰ+(

+

)+

Ⅱ。⑶組織組成物在相圖上的標注組織組成物是指組成合金顯微組織的獨立部分。

Ⅰ和

Ⅰ,

Ⅱ和

Ⅱ,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

Ⅰ

、

Ⅱ和共晶

的結(jié)構(gòu)成分相同，屬同一個相，但它們的形態(tài)不同，分屬不同的組織組成物。將組織組成物標注在相圖中，可使所標注的組織與顯微鏡下觀察到的組織一致。Pb-Sn亞共晶組織組織組成物在相圖上的標注4、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(代表一個單相區(qū))。垂足是其

成分,頂點是其熔點,結(jié)晶過程同純金屬.分析這類相圖時，可把穩(wěn)定化合物當(dāng)作純組元看待，將相圖分成幾個部分進行分析.Mg2SiMg2Si+SiMg+Mg2SiSiL+Mg2SiL+SiL+Mg2SiL+Mg共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。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

。5、具有共析反應(yīng)的二元相圖共析反應(yīng)(共析轉(zhuǎn)變)是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結(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，對應(yīng)的有共析線(PSK線)、共析點(S點)、共析溫度、共析成分、共析合金(共析成分合金)、亞共析合金(共析線上共析點以左的合金)、過共析合金(共析線上共析點以右的合金)。鐵碳合金相