金屬學(xué)與熱處理

1、金屬學(xué)與熱處理第三章第三章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)與熱處理金屬學(xué)與熱處理金屬材料加工系金屬材料加工系 劉少平制作劉少平制作材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2 本本 章章 目目 錄錄2-1 2-1 合金中的相合金中的相2-2 2-2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)2-3 2-3 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立2-4 2-4 勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶2-5 2-5 共晶相圖及合金的結(jié)晶共晶相圖及合金的結(jié)晶2-6 2-6 包晶相圖及合金的結(jié)晶包晶相圖及合金的結(jié)晶2-7 2-7 其它類型的二元

2、合金相圖其它類型的二元合金相圖2-8 2-8 二元相圖分析與使用二元相圖分析與使用材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3 本本 章內(nèi)章內(nèi) 容容 提提 示示 純金屬雖具有較高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，但機械性純金屬雖具有較高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，但機械性能較低、價格昂貴。所以工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較少。而能較低、價格昂貴。所以工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較少。而合金不僅有優(yōu)良機械性能，有的還具有強磁性、耐合金不僅有優(yōu)良機械性能，有的還具有強磁性、耐蝕性、耐熱性等特殊的物理、化學(xué)性能，同時還可蝕性、耐熱性等特殊的物理、化學(xué)性能，同時還可以調(diào)整組成比例獲得不同性能，以滿足不同的使用以調(diào)整組成比例獲得不同性能，以滿足不同的使用要求，因此得以廣泛

3、應(yīng)用。要求，因此得以廣泛應(yīng)用。 介紹合金組元間相互作用形成哪些合金相，通介紹合金組元間相互作用形成哪些合金相，通過二元合金相圖研究合金結(jié)晶后過二元合金相圖研究合金結(jié)晶后相形態(tài)相形態(tài)、大小大小、數(shù)數(shù)量及分布量及分布組織形態(tài)，并進一步討論組織形態(tài)，并進一步討論化學(xué)成分、晶化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、組織狀態(tài)和性能之間的變化規(guī)律體結(jié)構(gòu)、組織狀態(tài)和性能之間的變化規(guī)律，為制定，為制定合金熔煉、鑄、鍛焊工藝提供理論依據(jù)。合金熔煉、鑄、鍛焊工藝提供理論依據(jù)。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶42-1 2-1 合金中的相合金中的相 一、基本概念一、基本概念 1、合金合金 兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬，兩種或兩種以

4、上的金屬、或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。性的物質(zhì)。 2、組元組元 組成合金的最基本的獨立的物質(zhì)，簡稱元。組成合金的最基本的獨立的物質(zhì)，簡稱元。一般來說就是組成合金的元素，但也可能是穩(wěn)定一般來說就是組成合金的元素，但也可能是穩(wěn)定的化合物。兩個組元組成的合金稱二元合金，依的化合物。兩個組元組成的合金稱二元合金，依次三元或多元合金。次三元或多元合金。 材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶5 3、合金系合金系 由給定組元可以按不同比例配制成成分不同由給定組元可以按不同比例配制成成分不同的合金就構(gòu)成一個合金系統(tǒng)，稱合金系。兩個組的

5、合金就構(gòu)成一個合金系統(tǒng)，稱合金系。兩個組元構(gòu)成二元系，依次三元系或者多元系，當(dāng)然一元構(gòu)成二元系，依次三元系或者多元系，當(dāng)然一個組元叫單元系。如個組元叫單元系。如 cu-zn不論比例如何都是二不論比例如何都是二元系，類推。已知元系，類推。已知 100 多種元素，除少數(shù)氣體元多種元素，除少數(shù)氣體元素外幾乎都可以配制合金，取素外幾乎都可以配制合金，取80種配制，任取兩種配制，任取兩種可組成種可組成 3160 種二元合金系；任取三種可組成種二元合金系；任取三種可組成82160 種三元合金系。還可調(diào)整比例獲得不同成種三元合金系。還可調(diào)整比例獲得不同成分及性能。分及性能。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶6

6、4、相相 組元組成合金時組元組成合金時，組元間由于物理或化學(xué)組元間由于物理或化學(xué)的性互作用，形成具有一定晶體結(jié)構(gòu)和一定成的性互作用，形成具有一定晶體結(jié)構(gòu)和一定成分的原子聚集狀態(tài)，并以界面分開、均勻的組分的原子聚集狀態(tài)，并以界面分開、均勻的組成部分。成部分。合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一并合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一并以界面互相分開的組成部分，稱之為相。以界面互相分開的組成部分，稱之為相。在固在固態(tài)材料中，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性來分，可態(tài)材料中，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性來分，可分為分為固溶體固溶體和和中間相（中間相（化合物）化合物）兩大類。一種兩大類。一種固相的叫單相合金，幾種不同固相叫做多相合

7、固相的叫單相合金，幾種不同固相叫做多相合金。如金。如cu-zn，30zn是是黃銅單相合金黃銅單相合金；40 zn是兩相是兩相金屬化合物，通過相界面分開。金屬化合物，通過相界面分開。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶7 5、組織組織 由于形成條件不同，形成具有由于形成條件不同，形成具有不同形狀、大不同形狀、大小數(shù)量及分布的小數(shù)量及分布的相相相互結(jié)合而成的綜合體。相互結(jié)合而成的綜合體?？煞挚煞趾暧^組織、金相顯微組織、電子顯微組織等。決宏觀組織、金相顯微組織、電子顯微組織等。決定合金的性能或性質(zhì)，而相是組成組織的基本組定合金的性能或性質(zhì)，而相是組成組織的基本組成部分。成部分。 6、狀態(tài)狀態(tài) 合金在一定條

8、件下，有哪些相組成稱合金在合金在一定條件下，有哪些相組成稱合金在該條件下的狀態(tài)。該條件下的狀態(tài)。如純金屬在如純金屬在tm以上的狀態(tài)是液以上的狀態(tài)是液態(tài)，態(tài)，tm以下是固態(tài)。合金可能出現(xiàn)更多的相，其以下是固態(tài)。合金可能出現(xiàn)更多的相，其狀態(tài)比純金屬復(fù)雜得多。狀態(tài)比純金屬復(fù)雜得多。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶8 二、相的分類二、相的分類 （一）固溶體（一）固溶體 組元以不同比例混合后形成的固相晶體結(jié)構(gòu)組元以不同比例混合后形成的固相晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元相同，這種相稱固溶體。與組成合金的某一組元相同，這種相稱固溶體。溶劑和溶質(zhì)。溶劑和溶質(zhì)。 （注意此概念）（注意此概念） （二）金屬化合物（二）

9、金屬化合物 合金系中，組元相互作用，可能形成一種具合金系中，組元相互作用，可能形成一種具有金屬性質(zhì)的新相，即為金屬化合物。金屬化合有金屬性質(zhì)的新相，即為金屬化合物。金屬化合物具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，而與各組元的晶物具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，而與各組元的晶體結(jié)構(gòu)不同，可用分子是大致表示其組成，例如體結(jié)構(gòu)不同，可用分子是大致表示其組成，例如fe3c、vc等，也稱中間相。等，也稱中間相。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶9 一個合金可由一個單相固溶體或單相化合物一個合金可由一個單相固溶體或單相化合物構(gòu)成（單相合金）構(gòu)成（單相合金），也可以由二個不同的固溶體也可以由二個不同的固溶體或以一個固溶體加兩個或

10、多個化合物構(gòu)成，形成或以一個固溶體加兩個或多個化合物構(gòu)成，形成兩相及多相合金。由于固溶體和化合物在結(jié)構(gòu)特兩相及多相合金。由于固溶體和化合物在結(jié)構(gòu)特別是性能上有很大差異，可通過控制其數(shù)量、大別是性能上有很大差異，可通過控制其數(shù)量、大小、形狀和分布小、形狀和分布（組織）（組織）等來達到調(diào)整性能的目等來達到調(diào)整性能的目的。的。提 示材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶10 三、影響相結(jié)構(gòu)的因素三、影響相結(jié)構(gòu)的因素 （一）組元間電化學(xué)性質(zhì)差異（負電性）（一）組元間電化學(xué)性質(zhì)差異（負電性） 負電性是指吸收電子形成負離子的傾向性。負電性是指吸收電子形成負離子的傾向性。其其差異可反映出它們之間化學(xué)親和力及形成化合

11、物傾差異可反映出它們之間化學(xué)親和力及形成化合物傾向大小。相差越大，形成化合物傾向愈強；反之，向大小。相差越大，形成化合物傾向愈強；反之，則有利于形成固溶體。則有利于形成固溶體。 （二）原子尺寸因素（二）原子尺寸因素 溶質(zhì)溶入溶劑晶格后，原子半徑相差溶質(zhì)溶入溶劑晶格后，原子半徑相差r越大，越大，晶格畸變程度越大、畸變能越高，增加到一定程度晶格畸變程度越大、畸變能越高，增加到一定程度時，固溶體將不再穩(wěn)定，只能形成新相時，固溶體將不再穩(wěn)定，只能形成新相化合物化合物。 材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶11 （三）電子濃度因素（三）電子濃度因素 指合金中價電子數(shù)與原子數(shù)之比：指合金中價電子數(shù)與原子數(shù)之比：

12、 根據(jù)根據(jù)能帶理論能帶理論，一定晶體結(jié)構(gòu)的單位體積內(nèi)，一定晶體結(jié)構(gòu)的單位體積內(nèi)能容納的價電子數(shù)是有一定限度的，超過將引起能容納的價電子數(shù)是有一定限度的，超過將引起結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，直至改組，變成其它晶體結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，直至改組，變成其它晶體結(jié)構(gòu)。其它因素相同，濃度越小越易形成固溶體。它因素相同，濃度越小越易形成固溶體。100rvr)-(100vba電子c物質(zhì)的量比為溶質(zhì)價表示溶劑和溶質(zhì)中原子、brvvba,材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶122-2 2-2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 一、固溶體一、固溶體 （一）固溶體的分類（一）固溶體的分類有序固溶體無序固溶體的相對分布按溶質(zhì)原子與溶劑原子有限固溶

13、體無限固溶體按固溶度大小分間隙固溶體置換式固溶體按溶質(zhì)原子所占位置固溶體材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶13 1、按溶質(zhì)原子在固溶體（溶劑）晶格中所按溶質(zhì)原子在固溶體（溶劑）晶格中所占的位置分占的位置分 （1）置換固溶體）置換固溶體 溶質(zhì)原子取代了部分溶質(zhì)原子取代了部分 溶劑晶格中某些節(jié)點上溶溶劑晶格中某些節(jié)點上溶 劑原子而形成的固溶體。劑原子而形成的固溶體。 溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格的空隙之中，不占據(jù)晶格的空隙之中，不占據(jù)晶格結(jié)點的位置格結(jié)點的位置。 間隙固溶體間隙固溶體（2）間隙固溶體）間隙固溶體材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶14 （1）無限（溶解）固溶體）無限（溶解）固溶體

14、溶質(zhì)可以任意比例溶入溶劑晶格中。構(gòu)成無溶質(zhì)可以任意比例溶入溶劑晶格中。構(gòu)成無限固溶體。通常將含量較高的組元稱為溶劑，含限固溶體。通常將含量較高的組元稱為溶劑，含量較少的組元稱為溶質(zhì)。量較少的組元稱為溶質(zhì)。 （2）有限（溶解）固溶體）有限（溶解）固溶體 溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定限度，如溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定限度，如超過這個限度就會有其它相超過這個限度就會有其它相(另一種固溶體或化合另一種固溶體或化合物物)形成。間隙固溶體都是有限溶解固溶體。形成。間隙固溶體都是有限溶解固溶體。 2、按溶解度分、按溶解度分材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶15 3、按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布特點、按溶質(zhì)原

15、子在溶劑晶格中分布特點 （1）無序固溶體）無序固溶體 溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布是任意的，沒有溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布是任意的，沒有任何規(guī)律性，僅統(tǒng)計角度上是均勻分布的。任何規(guī)律性，僅統(tǒng)計角度上是均勻分布的。 （2）有序固溶體）有序固溶體 溶質(zhì)原子以一定的比例，按一定方向和順序溶質(zhì)原子以一定的比例，按一定方向和順序有規(guī)律地分布在溶劑的晶格間隙中或結(jié)點上。有規(guī)律地分布在溶劑的晶格間隙中或結(jié)點上。 材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶16無限互溶固溶體兩組元原子置換示意圖無限互溶固溶體兩組元原子置換示意圖 在有些材料中，固溶體還存在有序化轉(zhuǎn)變，在有些材料中，固溶體還存在有序化轉(zhuǎn)變，即在一定的條件即在一定的

16、條件(如溫度、壓力如溫度、壓力)下，無序固溶體和下，無序固溶體和有序固溶體之間會發(fā)生相互轉(zhuǎn)變。有序固溶體之間會發(fā)生相互轉(zhuǎn)變。 材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶17 （二）置換固溶體（二）置換固溶體 金屬元素一般都能相互置換，影響因素有：金屬元素一般都能相互置換，影響因素有： 1、尺寸因素、尺寸因素 置換固溶體利于大量固溶條件是置換固溶體利于大量固溶條件是 r 15，即原子半徑差異不大。如即原子半徑差異不大。如fe 為基固溶體為基固溶體 r8、cu為基為基 r1011 且滿足其它條件時且滿足其它條件時, 才能形才能形成無限固溶體。否則有限固溶體或新相。成無限固溶體。否則有限固溶體或新相。 2、負電

17、性因素、負電性因素 相差要小相差要小 3、電子濃度因素、電子濃度因素 c電子電子要小于極限值要小于極限值 4、晶體結(jié)構(gòu)因素、晶體結(jié)構(gòu)因素 相同可能無限相同可能無限 5、溫度的影響、溫度的影響 材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶18大的置換原子大的置換原子小的置換原子小的置換原子材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶19 （三）間隙固溶體（三）間隙固溶體 原子半徑很小溶質(zhì)原子溶入，填入到晶格間原子半徑很小溶質(zhì)原子溶入，填入到晶格間隙中，都是隙中，都是 rb 0.1nm 的非金屬元素，的非金屬元素， 如如h、o、n、c、b 等。而溶劑都是過渡族金屬元素，只有等。而溶劑都是過渡族金屬元素，只有rb/ra 0.5

18、9時，才有可能形成。時，才有可能形成。 固溶度除與溶質(zhì)原子尺寸有關(guān)外，還與晶格固溶度除與溶質(zhì)原子尺寸有關(guān)外，還與晶格類型有關(guān)，溶入使晶格常數(shù)增大，發(fā)生畸變，達類型有關(guān)，溶入使晶格常數(shù)增大，發(fā)生畸變，達到一定值后不穩(wěn)定，到一定值后不穩(wěn)定， rb越小固溶度越大。晶格類越小固溶度越大。晶格類型不同則間隙大小型不同則間隙大小、數(shù)量、形狀也不同，例如面數(shù)量、形狀也不同，例如面心溶入最大的八面體間隙，體心立方密度低、間心溶入最大的八面體間隙，體心立方密度低、間隙多，但數(shù)量多直徑小，沒面心溶解度大。體心隙多，但數(shù)量多直徑小，沒面心溶解度大。體心雖四面體間隙大，但溶入八面體比溶入四面體阻雖四面體間隙大，但溶入

19、八面體比溶入四面體阻力小。所以體心和面心都溶入八面體間隙中。力小。所以體心和面心都溶入八面體間隙中。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶20 （四）固溶體的結(jié)構(gòu)（四）固溶體的結(jié)構(gòu) 1、晶格畸變晶格畸變 由于尺寸差異，溶質(zhì)附近局由于尺寸差異，溶質(zhì)附近局部范圍內(nèi)晶格畸變，形成彈性應(yīng)部范圍內(nèi)晶格畸變，形成彈性應(yīng)力場。力場。 2、偏聚與有序偏聚與有序 微觀存在不均勻性微觀存在不均勻性，并不是并不是統(tǒng)計的、均勻和無序的分布。統(tǒng)計的、均勻和無序的分布。 （1） 同類原子結(jié)合力大于異同類原子結(jié)合力大于異類時，傾向聚集在一起，圖類時，傾向聚集在一起，圖b)； （2）異類結(jié)合力大于同類，）異類結(jié)合力大于同類，趨于按一

20、定規(guī)則有序分布趨于按一定規(guī)則有序分布 ，但，但通常短程有序，圖通常短程有序，圖c)。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶21 3、有序固溶體有序固溶體 短程有序固溶體，當(dāng)短程有序固溶體，當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟鹊陀谀骋粶囟葧r時，可能可能使溶質(zhì)和溶劑原子在整個晶體中都按一定順序排使溶質(zhì)和溶劑原子在整個晶體中都按一定順序排列起來，由列起來，由短程有序變?yōu)殚L程有序短程有序變?yōu)殚L程有序，成為，成為有序固有序固溶體溶體。 當(dāng)加熱到某一溫度，有序又變成無序，冷當(dāng)加熱到某一溫度，有序又變成無序，冷卻到此溫度又變成有序，這一過程叫卻到此溫度又變成有序，這一過程叫有序化有序化，此，此溫度叫溫度叫有序化溫度有序化溫度。 有序化結(jié)

21、果引起晶格類型的改變，硬度脆性有序化結(jié)果引起晶格類型的改變，硬度脆性大大提高，塑和韌性大大降低大大提高，塑和韌性大大降低 ，是介于固溶體和，是介于固溶體和化合物之間更接近于化合物的一種相。化合物之間更接近于化合物的一種相。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶22 例如，例如，cu 和和au都是面心立方，可以形成連都是面心立方，可以形成連續(xù)置換固溶體。在一般情況下，原子都是無規(guī)則續(xù)置換固溶體。在一般情況下，原子都是無規(guī)則的分布在結(jié)點上，這便是一般認為的固溶體，的分布在結(jié)點上，這便是一般認為的固溶體，圖圖a)。但如果這個固溶體的組成為但如果這個固溶體的組成為3 1和和1 1時，時，并在某溫度下進行較長時

22、間退火并在某溫度下進行較長時間退火，則固溶體的結(jié)則固溶體的結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)可轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝行蚪Y(jié)構(gòu)有序結(jié)構(gòu)”。cu3au組成中，所有組成中，所有的的 au 原子占有面心立方晶格的頂角位置，而原子占有面心立方晶格的頂角位置，而cu 原子則占據(jù)面心位置，原子則占據(jù)面心位置，圖圖 b)。同理，如果。同理，如果 au 原原子和子和cu原子分層相間分布原子分層相間分布圖圖c) , 形成形成 “有序結(jié)有序結(jié)構(gòu)構(gòu)”，其相應(yīng)的組成應(yīng)為，其相應(yīng)的組成應(yīng)為cuau。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶23( (a)a)一般固溶體一般固溶體 (b)aucu(b)aucu3 3有序固溶體有序固溶體 (c)aucu(c)aucu有序

23、固溶體有序固溶體材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶24 硬度、屈服強度和抗拉強度總是比組成它的硬度、屈服強度和抗拉強度總是比組成它的純金屬高，隨溶質(zhì)濃度增加，硬度和強度隨之增純金屬高，隨溶質(zhì)濃度增加，硬度和強度隨之增加。同時尺寸差別越大，畸變越大，強化效果越加。同時尺寸差別越大，畸變越大，強化效果越好，稱為好，稱為固溶強化固溶強化，是有效提高金屬材料力學(xué)性，是有效提高金屬材料力學(xué)性能的途徑之一。其中間隙固溶體要比置換固溶體能的途徑之一。其中間隙固溶體要比置換固溶體造成畸變大，效果比之要好。塑韌性如延伸率、造成畸變大，效果比之要好。塑韌性如延伸率、斷面收縮力和沖擊功等，比純金屬要低，但比化斷面收縮力

24、和沖擊功等，比純金屬要低，但比化合物要高得多。合物要高得多。 綜合看，比組成固溶體的純金屬和金屬化合綜合看，比組成固溶體的純金屬和金屬化合物具有物具有優(yōu)越的綜合性能優(yōu)越的綜合性能，都是以固溶體為基。都是以固溶體為基。 物理性能，溶質(zhì)濃度增高，電阻率增加、電物理性能，溶質(zhì)濃度增高，電阻率增加、電阻溫度系數(shù)下降。阻溫度系數(shù)下降。（五）固溶體的性能（五）固溶體的性能材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶25 二、金屬化合物二、金屬化合物 （一）（一） 化合物（中間相）概念化合物（中間相）概念 當(dāng)超過了溶解度極限，將出現(xiàn)新相。若新相當(dāng)超過了溶解度極限，將出現(xiàn)新相。若新相為另一組元晶體結(jié)構(gòu)，則也是固溶體。若其晶

25、體為另一組元晶體結(jié)構(gòu)，則也是固溶體。若其晶體結(jié)構(gòu)與任何組元都不相同，表明生成了新物質(zhì)。結(jié)構(gòu)與任何組元都不相同，表明生成了新物質(zhì)。所以，所以，化合物是構(gòu)成的組元相互作用，生成不同化合物是構(gòu)成的組元相互作用，生成不同與任何組元晶體結(jié)構(gòu)的新物質(zhì)。與任何組元晶體結(jié)構(gòu)的新物質(zhì)。（注意此概念）（注意此概念） 結(jié)構(gòu)特點是：一是有基本固定原子數(shù)目比，結(jié)構(gòu)特點是：一是有基本固定原子數(shù)目比，可以用分子式大致表示，二是晶體結(jié)構(gòu)不同于任可以用分子式大致表示，二是晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元。在相圖中，由于它們的位置都在相圖的一組元。在相圖中，由于它們的位置都在相圖的中間，所以也稱為中間，所以也稱為中間相中間相。 由于具有金

26、屬性質(zhì)，所以稱為由于具有金屬性質(zhì)，所以稱為金屬化合物金屬化合物。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶26 1、正常價化合物正常價化合物 符合原子價規(guī)律符合原子價規(guī)律而生成的化合物。通常是金屬而生成的化合物。通常是金屬元素與非金屬元素組成，組元間負電性差較大，它元素與非金屬元素組成，組元間負電性差較大，它們們符合一般化合物原子價規(guī)律符合一般化合物原子價規(guī)律。如。如mns、al2o3、tin、zro2等，其結(jié)合鍵為等，其結(jié)合鍵為離子鍵離子鍵；也有；也有共價鍵共價鍵，如如 sic；少數(shù)也有；少數(shù)也有金屬鍵金屬鍵結(jié)合，如結(jié)合，如 mg2pb。 多為有多為有色金屬中的強化相，只有色金屬中的強化相，只有mns是

27、鋼中夾雜物。是鋼中夾雜物。 很高的硬度和脆性很高的硬度和脆性。合金中如果彌散分布在固。合金中如果彌散分布在固溶體基體中，將使合金強化，因而溶體基體中，將使合金強化，因而起強化相起強化相作用，作用，（彌散強化或沉淀強化），（彌散強化或沉淀強化），但本身脆性大。但本身脆性大。 （二）金屬化合物的類型（二）金屬化合物的類型材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶27 2、電子化合物電子化合物 大多是由第大多是由第族或過渡族族或過渡族金屬元素金屬元素與第與第至至第第族族金屬元素金屬元素結(jié)合而成。也可用分子式表示，結(jié)合而成。也可用分子式表示，但大多不符合正?；瘜W(xué)價規(guī)律。當(dāng)電子濃度之比但大多不符合正?；瘜W(xué)價規(guī)律。當(dāng)

28、電子濃度之比為某些特定值時形成新的晶體結(jié)構(gòu)，且電子濃度為某些特定值時形成新的晶體結(jié)構(gòu)，且電子濃度不同，其對應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)類型也不同。常見值有：不同，其對應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)類型也不同。常見值有：21/14、21/13、21/12。 由于與電子濃度有關(guān)，稱由于與電子濃度有關(guān)，稱電子化合物電子化合物，主要出現(xiàn)在金屬材料中，屬于主要出現(xiàn)在金屬材料中，屬于金屬金屬鍵鍵。如。如cu31sn8，電子濃度，電子濃度21/13，復(fù)雜立方晶格。，復(fù)雜立方晶格。 成分可在一定范圍變化，可看成以化合物為成分可在一定范圍變化，可看成以化合物為基的固溶體?；墓倘荏w。有很高熔點和硬度，但脆性很大有很高熔點和硬度，但脆性很大。材料加工

29、系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶283、間隙相和間隙化合物間隙相和間隙化合物 受組元原子尺寸因素控制，通常由過渡族金受組元原子尺寸因素控制，通常由過渡族金屬原子與半徑小于屬原子與半徑小于0.1nm非金屬元素碳、氮、氫、非金屬元素碳、氮、氫、氧、硼所組成。氧、硼所組成。 由于非金屬元素（由于非金屬元素（x）與金屬元素（與金屬元素（m）原子半徑）原子半徑比不同，結(jié)構(gòu)也有所不同。比不同，結(jié)構(gòu)也有所不同。 當(dāng)當(dāng) rx/rm 0.59 時，形時，形成具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的間隙成具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的間隙相，反之形成間隙化合物。相，反之形成間隙化合物。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶29 （1）間隙相）間隙相 當(dāng)當(dāng) rx/r

30、m0.59 時，如時，如h、n 和和c與過渡族金與過渡族金屬元素形成的形成氫化物和氮化物，都是具有簡屬元素形成的形成氫化物和氮化物，都是具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的化合物，如體心、面心、密排或簡單晶體結(jié)構(gòu)的化合物，如體心、面心、密排或簡單立方，通常稱它們?yōu)殚g隙相，其分子式也較簡單立方，通常稱它們?yōu)殚g隙相，其分子式也較簡單，如單，如m4x、m2x、mx、mx2等等。成分可在一定成分可在一定范圍內(nèi)變化，相當(dāng)于以間隙相為基的固溶體，稱范圍內(nèi)變化，相當(dāng)于以間隙相為基的固溶體，稱缺位固溶體。缺位固溶體。 極高的熔點和硬度極高的熔點和硬度，有明顯的金屬特性。是，有明顯的金屬特性。是硬質(zhì)合金主要組成相。硬質(zhì)合金主要組

31、成相。 材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶30 fe可被其它金屬原子所可被其它金屬原子所置換（置換（ 如如mn、cr、mo、w等）形成為基固溶體，如等）形成為基固溶體，如(femn)3c、(fecr)3c等等，稱稱合金滲碳體合金滲碳體。 很高熔點和硬度，很高熔點和硬度，是鋼是鋼中重要組成相。中重要組成相。（2）間隙化合物）間隙化合物 當(dāng)當(dāng) rx/rm0.59 時，形成的化合物晶體結(jié)構(gòu)也時，形成的化合物晶體結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，通常稱它們?yōu)殚g隙化合物，相應(yīng)的分子較復(fù)雜，通常稱它們?yōu)殚g隙化合物，相應(yīng)的分子式也較復(fù)雜，如鋼中常見式也較復(fù)雜，如鋼中常見 fe3c、cr7c3、cr23c6 等，等，fe3c 叫滲碳

32、體，鋼鐵材料中一種基本相。叫滲碳體，鋼鐵材料中一種基本相。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶31 4、拓撲密堆相（、拓撲密堆相（tcp相）相） 同種類等直徑原子球堆垛，配位數(shù)最大同種類等直徑原子球堆垛，配位數(shù)最大 12，最大致密度最大致密度0.74。1956年卡斯帕（年卡斯帕（kasper）首先）首先提出：如果都是金屬原子（性質(zhì)接近），盡管尺提出：如果都是金屬原子（性質(zhì)接近），盡管尺寸有一定相差，以大小原子一定比例搭配（固定寸有一定相差，以大小原子一定比例搭配（固定原子比），形成的新相配位數(shù)可達原子比），形成的新相配位數(shù)可達 12、14、15 、18或致密度大于或致密度大于0.74，統(tǒng)稱拓撲密堆結(jié)

33、構(gòu)相。拓，統(tǒng)稱拓撲密堆結(jié)構(gòu)相。拓撲密堆相就是合金中具有這種結(jié)構(gòu)特點的相。撲密堆相就是合金中具有這種結(jié)構(gòu)特點的相。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并已研究過已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并已研究過tcp相有相有cr3si型相，如型相，如（ cr3si、nb3sn、nb3sb 等），拉氏（等），拉氏（laves）相（相（mgcu2、 mgzn2 等等 ）。還有）。還有r 相、相、p相、相、相相 - w結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、 相等。相等。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶32主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1 1、幾種基本相圖：勻晶相圖（、幾種基本相圖：勻晶相圖（cu-nicu-ni合金相合金相圖）、圖）、 共晶相圖（共晶相圖（pb-snpb-sn合金相圖）、包晶相圖合

34、金相圖）、包晶相圖（pt-agpt-ag合金相圖）。合金相圖）。 2 2、相律、杠桿定律及其應(yīng)用。、相律、杠桿定律及其應(yīng)用。 3 3、二元合金相圖中幾種平衡反應(yīng)如：共晶反、二元合金相圖中幾種平衡反應(yīng)如：共晶反應(yīng)、共析反應(yīng)、包晶反應(yīng)、包析反應(yīng)應(yīng)、共析反應(yīng)、包晶反應(yīng)、包析反應(yīng) 、偏晶反、偏晶反應(yīng)、熔晶反應(yīng)、合晶反應(yīng)等。應(yīng)、熔晶反應(yīng)、合晶反應(yīng)等。 4 4、二元合金相圖中合金的結(jié)晶轉(zhuǎn)變過程及轉(zhuǎn)、二元合金相圖中合金的結(jié)晶轉(zhuǎn)變過程及轉(zhuǎn)變組織。變組織。2-3 2-3 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶33 合金結(jié)晶后即可獲得單相的固溶體或金屬化合金結(jié)晶后即可獲得單相的固溶體或

35、金屬化合物，但常見的是兩者混合組織。組元不同固溶合物，但常見的是兩者混合組織。組元不同固溶體或化合物類型也不同；即使組元一定，相的類體或化合物類型也不同；即使組元一定，相的類型及相對含量也隨成分及溫度變化而變化。型及相對含量也隨成分及溫度變化而變化。 為研究不同合金系中的為研究不同合金系中的狀態(tài)狀態(tài) （組成相、相對（組成相、相對含量）與含量）與溫度、成分溫度、成分之間的之間的變化規(guī)律變化規(guī)律 ，要利用相，要利用相圖之一工具。圖之一工具。 相圖相圖是表示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、壓是表示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、壓力與成分之間關(guān)系的一種圖解。力與成分之間關(guān)系的一種圖解。又稱狀態(tài)圖或平又稱狀態(tài)圖或

36、平衡圖。是金相分析以及制定鑄、鍛、焊及熱處理衡圖。是金相分析以及制定鑄、鍛、焊及熱處理工藝重要依據(jù)。工藝重要依據(jù)。一、相圖的概念一、相圖的概念 材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶34 二、二元相圖的表示方法二、二元相圖的表示方法 純金屬冷卻可用純金屬冷卻可用冷卻曲線冷卻曲線表示其轉(zhuǎn)變的臨界表示其轉(zhuǎn)變的臨界點及某一溫度所處的狀態(tài)（不考慮壓力因素），點及某一溫度所處的狀態(tài)（不考慮壓力因素），由于無成分變化，用一個溫度坐標就可表示。由于無成分變化，用一個溫度坐標就可表示。 二元系，除溫度外還有成分和壓力因素，但二元系，除溫度外還有成分和壓力因素，但合金熔煉都在常壓下，則其狀態(tài)由成分和溫度兩合金熔煉都在常

37、壓下，則其狀態(tài)由成分和溫度兩個因素決定，用橫坐標表示成分，縱坐標溫度。個因素決定，用橫坐標表示成分，縱坐標溫度。 橫坐標上任意一點均表示一種合金成分，橫坐標上任意一點均表示一種合金成分，根根據(jù)國標，成分有兩種表示方法：質(zhì)量分數(shù)據(jù)國標，成分有兩種表示方法：質(zhì)量分數(shù) (w) 和和摩爾分數(shù)摩爾分數(shù) (x) 。多數(shù)是以質(zhì)量百分數(shù)表示，在沒。多數(shù)是以質(zhì)量百分數(shù)表示，在沒有特別注明，合金成分都是指質(zhì)量百分數(shù)。有特別注明，合金成分都是指質(zhì)量百分數(shù)。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶35 如如a、b兩組元組成二元合金系，兩組元組成二元合金系，a（100a、0b）、）、c（60a、40b）、）、d點等。點等。 坐標

38、平面上任一點稱坐標平面上任一點稱表象點表象點，其含義為：，其含義為： 任一溫度下任一成分的任一溫度下任一成分的合金，均能在溫度合金，均能在溫度成分坐成分坐標中找出與其相對應(yīng)的點，標中找出與其相對應(yīng)的點，這個這個位于相圖中，并能表示位于相圖中，并能表示合金成分、溫度的點稱合金成分、溫度的點稱表象表象點點。例如例如e點（點（40b、60a、500）等。）等。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶36二元相圖的坐標二元相圖的坐標f材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶37 測定二元合金相圖的具體步驟如下：測定二元合金相圖的具體步驟如下： 1、配制一系列不同成分的同一合金系。、配制一系列不同成分的同一合金系。 2、將

39、合金熔化后，分別測出它們的冷卻曲線。、將合金熔化后，分別測出它們的冷卻曲線。 3、根據(jù)冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點確定各合金的狀態(tài)、根據(jù)冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點確定各合金的狀態(tài)變化溫度變化溫度臨界點臨界點。 4、將上述數(shù)據(jù)引入以溫度（、將上述數(shù)據(jù)引入以溫度（）為縱軸、成分）為縱軸、成分為（重量百分比為單位）橫軸的坐標平面中。為（重量百分比為單位）橫軸的坐標平面中。 5、連接意義相同的點、作出相應(yīng)的曲線，標明、連接意義相同的點、作出相應(yīng)的曲線，標明各區(qū)域所存在的相。便得到合金系相圖。測得各區(qū)域所存在的相。便得到合金系相圖。測得cu-ni合金相圖合金相圖如圖如圖。 三、二元合金相圖的測定方法三、二元合金相圖的測定

40、方法材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶38 如圖可以看出，上臨界點的連線為液相線，如圖可以看出，上臨界點的連線為液相線，表示冷卻時開始結(jié)晶溫度和加熱時熔化的終了溫表示冷卻時開始結(jié)晶溫度和加熱時熔化的終了溫度，下臨界點連線與之相反。相圖中可分三個區(qū)度，下臨界點連線與之相反。相圖中可分三個區(qū)域：域：l、 + l、材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶39臨界點的測定方法臨界點的測定方法 臨界點是表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化臨臨界點是表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化臨界相變點。利用合金在相結(jié)構(gòu)變化時，引起物理界相變點。利用合金在相結(jié)構(gòu)變化時，引起物理性能、力學(xué)性能及金相組織變化的特點來測定。性能、力學(xué)性能及金相組織

41、變化的特點來測定。 （1）動態(tài)法：熱分析法、硬度法、膨脹法、）動態(tài)法：熱分析法、硬度法、膨脹法、電阻法電阻法 、磁性法、磁性法 ； （2）靜態(tài)法：金相法、）靜態(tài)法：金相法、xray 衍射分析法。衍射分析法。 熱分析法為主，其它配合使用，互相核對。熱分析法為主，其它配合使用，互相核對。尤其對固態(tài)下轉(zhuǎn)變熱效應(yīng)很小的合金，常采用后尤其對固態(tài)下轉(zhuǎn)變熱效應(yīng)很小的合金，常采用后幾種方法測定固態(tài)下相變臨界點。目前已開始根幾種方法測定固態(tài)下相變臨界點。目前已開始根據(jù)熱力學(xué)函數(shù)，更加精確的據(jù)熱力學(xué)函數(shù)，更加精確的計算出二元相圖計算出二元相圖。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶40 四、相律及杠桿定律四、相律及杠桿定

42、律 （一）（一）吉布斯吉布斯相律相律 相律相律是表示是表示平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和相數(shù)之間的關(guān)系，是系統(tǒng)平衡條件的數(shù)組元數(shù)和相數(shù)之間的關(guān)系，是系統(tǒng)平衡條件的數(shù)學(xué)表達式。學(xué)表達式。它是檢驗它是檢驗、分析和使用相圖的重要工分析和使用相圖的重要工具具，所測的相圖是否正確，要用相律檢驗，在研所測的相圖是否正確，要用相律檢驗，在研究和使用相圖時，也要用到相律。究和使用相圖時，也要用到相律。 相律可用下式表示：相律可用下式表示： f = c p +2 材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶41 當(dāng)當(dāng)系統(tǒng)的壓力為常數(shù)系統(tǒng)的壓力為常數(shù)時，則為：時，則為： f = c p + 1

43、 式中，式中，c 系統(tǒng)的組元數(shù)，系統(tǒng)的組元數(shù)，p 平衡條件下系統(tǒng)平衡條件下系統(tǒng)中相數(shù)，中相數(shù)， f 為自由度數(shù)。為自由度數(shù)。 自由度自由度是指在保持合金系中是指在保持合金系中相的數(shù)目不變的相的數(shù)目不變的條件下，合金系中可以獨立改變的影響合金狀態(tài)條件下，合金系中可以獨立改變的影響合金狀態(tài)因素的數(shù)目因素的數(shù)目，自由度，自由度 不能為負數(shù)。影響合金狀態(tài)不能為負數(shù)。影響合金狀態(tài)的因素有合金的成分、溫度和壓力，當(dāng)壓力不變的因素有合金的成分、溫度和壓力，當(dāng)壓力不變時，則合金的狀態(tài)由成分和溫度兩個因素確定。時，則合金的狀態(tài)由成分和溫度兩個因素確定。 相律的應(yīng)用相律的應(yīng)用材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶42例例

44、 h2o的相圖分析的相圖分析狀態(tài)點 f = c - p +2 （a）材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶43相圖分析相圖分析3條線：條線：c = 1，p = 2，f = 1 oa是水與冰兩相平衡線是水與冰兩相平衡線 ob是冰與蒸汽兩相平衡線是冰與蒸汽兩相平衡線 oc是水與蒸汽兩相平衡線是水與蒸汽兩相平衡線 3個單相區(qū)：個單相區(qū)： c = 1，p = 1，f = 2 固相區(qū)、液相區(qū)和氣相區(qū)固相區(qū)、液相區(qū)和氣相區(qū) o點是氣、液、固三相的平衡共存點點是氣、液、固三相的平衡共存點 f = 0材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶44 如外界保持一個如外界保持一個大氣壓，則根據(jù)相大氣壓，則根據(jù)相律，律，c=1c=1，

45、p =1 p =1 ，則則f = 1。系統(tǒng)中只。系統(tǒng)中只有一個獨立可變的有一個獨立可變的變數(shù)（溫度）。因變數(shù)（溫度）。因此單元系相圖可以此單元系相圖可以只用一個溫度軸來只用一個溫度軸來表示。表示。 當(dāng)壓力不變時：當(dāng)壓力不變時： f = c - p +1 100 0材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶45 1、可判斷系統(tǒng)最多可能平衡共存的相數(shù)目、可判斷系統(tǒng)最多可能平衡共存的相數(shù)目 當(dāng)組元當(dāng)組元 c 給定時，自由度給定時，自由度 f 越小，平衡共存越小，平衡共存的相數(shù)越多。當(dāng)?shù)南鄶?shù)越多。當(dāng) f0 時，得出：時，得出：p=c2； 當(dāng)壓當(dāng)壓力恒定時：力恒定時： pc1 可見，在可見，在壓力給定壓力給定的條件

46、下，系統(tǒng)中可能出的條件下，系統(tǒng)中可能出現(xiàn)最多平衡相數(shù)比組元數(shù)多現(xiàn)最多平衡相數(shù)比組元數(shù)多1，例如：，例如： 一元系一元系 c=1，p=2, 即最多可以兩相共存。即最多可以兩相共存。 二元系二元系 c2，p=3，最多三相共存，類推。，最多三相共存，類推。 相律的應(yīng)用舉例相律的應(yīng)用舉例材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶46 2、可說明純金屬與合金結(jié)晶時的某、可說明純金屬與合金結(jié)晶時的某 些差別些差別 如純金屬結(jié)晶時存在液、固兩相，即如純金屬結(jié)晶時存在液、固兩相，即p2，則則 f121=0，因此因此，純金屬在結(jié)晶時溫度不純金屬在結(jié)晶時溫度不能改變，能改變，結(jié)晶只能在恒溫下進行結(jié)晶只能在恒溫下進行，冷卻曲線

47、上表，冷卻曲線上表現(xiàn)為水平線段；二元合金結(jié)晶時，如果是固、液現(xiàn)為水平線段；二元合金結(jié)晶時，如果是固、液兩相共存，則兩相共存，則f2211, 有一個自由度數(shù)有一個自由度數(shù) t, 即有一個可以改變的因素（溫度），因而是即有一個可以改變的因素（溫度），因而是在一在一定的溫度范圍內(nèi)進行結(jié)晶定的溫度范圍內(nèi)進行結(jié)晶。如果在二元合金結(jié)晶。如果在二元合金結(jié)晶時出現(xiàn)三相平衡共存，則時出現(xiàn)三相平衡共存，則 f2310，因而，因而這種轉(zhuǎn)變只能在恒溫下進行。這種轉(zhuǎn)變只能在恒溫下進行。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶47 （二）杠桿定律（二）杠桿定律 若確定含若確定含b為為c%合金合金冷冷到到 t1 時組成相及成分，可通

48、過時組成相及成分，可通過 t1 做水平線做水平線 arb，稱連接線。，稱連接線。兩端所交的兩端所交的相區(qū)相區(qū)及及交點交點既是合既是合金金在在t1 時所含的相和相的成時所含的相和相的成分分，即表示合金在時是由液相即表示合金在時是由液相l(xiāng) 和固相和固相 組成，成分分別為組成，成分分別為cl和和c 。 由相律知，二元合金在由相律知，二元合金在兩相區(qū)兩相區(qū)有有 f =1 個，即個，即溫度，若溫度，若t 也固定，則平衡相成分也隨之固定。也固定，則平衡相成分也隨之固定。 1、 確定兩平衡相及其成分確定兩平衡相及其成分材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶48 設(shè)合金設(shè)合金總重量為總重量為1，t1時液相重為時液相重

49、為wl，固相，固相w，則：，則： wl w1 另外在合金另外在合金中，含中，含b量應(yīng)等于液、固兩相中量應(yīng)等于液、固兩相中含含b量之和，則可推導(dǎo)出：量之和，則可推導(dǎo)出：2、確定兩平衡相的相對含量、確定兩平衡相的相對含量 與力學(xué)中的杠桿定律相似。與力學(xué)中的杠桿定律相似。arrbwwabarccccwabrbccccwlllll%100%100材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶49arrbwwabarccccwabrbccccwccwccwccwccwcwccwccwcwllllllllllllll %100 %100 1)(1也可表示為：同理： 設(shè)合金設(shè)合金總重量為總重量為1，t1時液相重為時液相重為

50、wl，固相，固相w，則：，則： wl w1 另合金另合金中，含中，含b量應(yīng)等于液、固兩相中含量應(yīng)等于液、固兩相中含b量之和：量之和：材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶50材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶512-4 2-4 勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶 兩組元在液態(tài)、固態(tài)均無限互溶，冷卻時發(fā)兩組元在液態(tài)、固態(tài)均無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶反應(yīng)（結(jié)晶）的合金系，構(gòu)成勻晶相圖。生勻晶反應(yīng)（結(jié)晶）的合金系，構(gòu)成勻晶相圖。具有這類相圖的二元合金系主要有：具有這類相圖的二元合金系主要有： cu-ni、au-ag、mo-w、fe-cr、cr-mo、fe -ni 等。等。這類合金結(jié)晶時，都是這類合金結(jié)晶

51、時，都是從液從液相結(jié)晶出單相的固溶體，這相結(jié)晶出單相的固溶體，這種結(jié)晶過程稱勻晶轉(zhuǎn)變。種結(jié)晶過程稱勻晶轉(zhuǎn)變。以以cu-ni為例。為例。 材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶52 cu-ni 二元相圖二元相圖如圖，只有如圖，只有 兩條線，兩條線，上一條為液相線，下上一條為液相線，下一條為固相線，將相一條為固相線，將相圖分成三個區(qū)域。圖分成三個區(qū)域。 分分別是液相區(qū)別是液相區(qū) l、 液相液相與固相的共存區(qū)域與固相的共存區(qū)域 l和固相區(qū)和固相區(qū)。一、相圖分析一、相圖分析 ll+材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶53 平衡結(jié)晶指合金從液態(tài)很緩慢地冷卻，使合平衡結(jié)晶指合金從液態(tài)很緩慢地冷卻，使合金在相變過程中有充

52、分時間進行組元間的互相擴金在相變過程中有充分時間進行組元間的互相擴散，每個階段都能達到平衡，達到平衡相均勻成散，每個階段都能達到平衡，達到平衡相均勻成分，見結(jié)晶過程分，見結(jié)晶過程示意圖示意圖。二、固溶體平衡結(jié)晶過程二、固溶體平衡結(jié)晶過程 如如 cu-ni合金在合金在t1 點的溫度以上，合金為液點的溫度以上，合金為液相相 l； 緩慢冷卻到緩慢冷卻到 t1t3 溫度之間，發(fā)生勻晶反溫度之間，發(fā)生勻晶反應(yīng)，從液相中逐漸結(jié)晶出應(yīng)，從液相中逐漸結(jié)晶出 固溶體；固溶體；t3 溫度，合溫度，合金全部結(jié)晶出與給定成分相同的金全部結(jié)晶出與給定成分相同的 固溶體固溶體。其它其它成分及合金系結(jié)晶過程與此類似成分及合

53、金系結(jié)晶過程與此類似。（一）平衡結(jié)晶過程分析（一）平衡結(jié)晶過程分析材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶54 冷卻到冷卻到 t1 時時，結(jié)晶開始結(jié)晶開始，相平衡關(guān)系相平衡關(guān)系 l1 1可見可見1中中 wni 30；緩冷至；緩冷至 t2 時，固相時，固相2 ，液，液相相l(xiāng)2 ，建立新的平衡建立新的平衡 l2 2，為保證平衡，除液為保證平衡，除液相中直接析出相中直接析出2 外，在外，在 t2 溫度原有的溫度原有的 相也要改相也要改變成變成2相同成分，液相變成相同成分，液相變成l2 ，t3結(jié)晶完畢。結(jié)晶完畢。 隨隨t變化，變化，l 沿液相線變，沿液相線變， 沿固相線變化。沿固相線變化。也是形核長大過程，需能

54、量、結(jié)構(gòu)起伏及也是形核長大過程，需能量、結(jié)構(gòu)起伏及rk等。等。 平衡結(jié)晶過程的特點 在一溫度范圍內(nèi)進行。只有在溫度不斷下降在一溫度范圍內(nèi)進行。只有在溫度不斷下降時固溶體才增加，溫度不變，液固數(shù)量維持平衡時固溶體才增加，溫度不變，液固數(shù)量維持平衡不變。凝固過程中液體和固體成分在不斷變化。不變。凝固過程中液體和固體成分在不斷變化。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶55材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶56材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶57 （1）與純金屬一樣，）與純金屬一樣， 固溶體從液相中結(jié)晶固溶體從液相中結(jié)晶出來過程中出來過程中，也包括生核與長大兩個過程，但更也包括生核與長大兩個過程，但更趨向于樹枝狀

55、長大。趨向于樹枝狀長大。 （2）固溶體結(jié)晶是在一個溫度區(qū)間內(nèi)進行，）固溶體結(jié)晶是在一個溫度區(qū)間內(nèi)進行，即為一個變溫結(jié)晶過程。即為一個變溫結(jié)晶過程。 （3）溫度一定，在兩相區(qū)內(nèi)，兩相成分是確）溫度一定，在兩相區(qū)內(nèi)，兩相成分是確定的。定的。 （4）在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時，兩相的質(zhì)量）在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時，兩相的質(zhì)量比是一定的，由杠桿定律可算出液相和固相在合比是一定的，由杠桿定律可算出液相和固相在合金中的質(zhì)量分數(shù)。金中的質(zhì)量分數(shù)。 勻晶轉(zhuǎn)變的特點勻晶轉(zhuǎn)變的特點材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶58 （5）固溶體結(jié)晶時成分是變化的，如果冷卻）固溶體結(jié)晶時成分是變化的，如果冷卻較快，原子擴散不能充分進行，

56、則形成成分不均較快，原子擴散不能充分進行，則形成成分不均勻的固溶體。一個晶粒中先結(jié)晶的樹枝晶晶枝含勻的固溶體。一個晶粒中先結(jié)晶的樹枝晶晶枝含高熔點組元較多，后結(jié)晶的樹枝晶晶枝含低熔點高熔點組元較多，后結(jié)晶的樹枝晶晶枝含低熔點組元較多，結(jié)果造成在一個晶粒內(nèi)化學(xué)成分的分組元較多，結(jié)果造成在一個晶粒內(nèi)化學(xué)成分的分布不均，這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析。消除枝晶偏析布不均，這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析。消除枝晶偏析的方法采用擴散退火。的方法采用擴散退火。勻晶轉(zhuǎn)變特點勻晶轉(zhuǎn)變特點材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶59（二）固溶體與純金屬結(jié)晶主要區(qū)別（二）固溶體與純金屬結(jié)晶主要區(qū)別 1、異分結(jié)晶、異分結(jié)晶 固溶體結(jié)晶過程中，結(jié)

57、晶出的固相與母相成固溶體結(jié)晶過程中，結(jié)晶出的固相與母相成分不同，這種結(jié)晶也稱為分不同，這種結(jié)晶也稱為選擇結(jié)晶。選擇結(jié)晶。 結(jié)晶時依賴結(jié)晶時依賴于原子之間的互于原子之間的互相擴散，必然要相擴散，必然要造成溶質(zhì)原子在造成溶質(zhì)原子在液固之間重新分液固之間重新分配。配。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶60 重新分配程度用平衡分配系數(shù)重新分配程度用平衡分配系數(shù)k0 表示，定義表示，定義為：在一定溫度下，固液平衡相中溶質(zhì)濃度之比為：在一定溫度下，固液平衡相中溶質(zhì)濃度之比值：值： ko=ccl 當(dāng)當(dāng)k01 時，時，越小固、液相差越小固、液相差越大；越大；k01時，時，越大越大固、液固、液相差也相差也越大。反映

58、重新越大。反映重新分配的程度。分配的程度。異分結(jié)晶異分結(jié)晶材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶61 2、固溶體結(jié)晶需要一定的溫度范圍、固溶體結(jié)晶需要一定的溫度范圍 此溫度范圍內(nèi)每一溫度，始終進行液相和固相此溫度范圍內(nèi)每一溫度，始終進行液相和固相內(nèi)原子擴散、由于液固界面的擴散，需足夠時間。內(nèi)原子擴散、由于液固界面的擴散，需足夠時間。 假設(shè)假設(shè) c0合金在合金在t1開始結(jié)晶，形成開始結(jié)晶，形成 k0c1晶核。但晶核。但在在 c0原液中形成，勢必向固液界面排除多余溶質(zhì)原液中形成，勢必向固液界面排除多余溶質(zhì)，液相達到該溫度平衡濃度，而遠液相達到該溫度平衡濃度，而遠處是處是c0，造成液相中濃度梯度，造成液相中

59、濃度梯度，必然引起擴散必然引起擴散 ，使界面處由，使界面處由 c1 降降c0 平衡受到破壞，只有固相平衡受到破壞，只有固相長大排除溶質(zhì)才能保持長大排除溶質(zhì)才能保持c1，又擴，又擴散破壞散破壞，直到液相全達到直到液相全達到c1，lc1 k0c1，t1溫度停止長大。溫度停止長大。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶62固溶體在t1溫度溶質(zhì)再分配示意圖 假設(shè)假設(shè)c0合金在合金在t1開始結(jié)晶，形成開始結(jié)晶，形成k0c1晶核。但在晶核。但在 c0 原液中形成，勢必向固液界面排除多余溶質(zhì)，液原液中形成，勢必向固液界面排除多余溶質(zhì)，液相達到該溫度平衡濃度，而遠處是相達到該溫度平衡濃度，而遠處是 c0，造成液相濃，

60、造成液相濃度梯度，引起擴散，使界面處由度梯度，引起擴散，使界面處由c1 降降 c0 平衡受到平衡受到破壞，只有固相長大排除溶質(zhì)才能保持破壞，只有固相長大排除溶質(zhì)才能保持 c1，又擴散，又擴散直到液相全達到直到液相全達到c1，lc1 k0c1，t1溫度停止長大。溫度停止長大。材料加工系二元合金相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶63 在在t2溫度時的長大情況：溫度時的長大情況： 在溫度在溫度t2時重新形核與長大與時重新形核與長大與 t1相似，差別：相似，差別： 液相成分已變成液相成分已變成c1，新的晶核在，新的晶核在c1的原液的原液中形成，晶核成分為中形成，晶核成分為k0c2，建立新的平衡，建立新的平衡lc2 k0c2