第三章2008二元合金的相結構

1、第三章第三章 二元合金的相結構與結晶二元合金的相結構與結晶概念概念 合金合金: 兩種或者兩種以上的金屬、或金屬與非金屬，兩種或者兩種以上的金屬、或金屬與非金屬， 經過熔煉或燒經過熔煉或燒結、或用其他方法組合而成的具有金屬特性的物質。結、或用其他方法組合而成的具有金屬特性的物質。 組元組元： 組成合金最基本的、獨立的物質。一般說，組元就是組成合金最基本的、獨立的物質。一般說，組元就是組成合金的元素，也可以是穩(wěn)定的化合物。組成合金的元素，也可以是穩(wěn)定的化合物。 二元合金二元合金：由兩個組元組成的合金。：由兩個組元組成的合金。 合金系合金系：由給定的組元以不同的比例配置成一系列成分不同：由給定的組元

2、以不同的比例配置成一系列成分不同的合金，這一系列合金就構成一個合金系。的合金，這一系列合金就構成一個合金系。相相：合金中結構相同、成分和性能均一并以界面相互分開：合金中結構相同、成分和性能均一并以界面相互分開的組成部分。的組成部分。分類分類: 固溶體固溶體：合金的組元間以不同的比例相互混合，混合后：合金的組元間以不同的比例相互混合，混合后形成的晶體結構與某一組元的晶體結構相同，這種相就形成的晶體結構與某一組元的晶體結構相同，這種相就是固溶體，這種組元叫溶劑，其他的組元叫溶質。是固溶體，這種組元叫溶劑，其他的組元叫溶質。金屬化合物金屬化合物：在合金系中，組元間發(fā)生相互作用，形成：在合金系中，組元

3、間發(fā)生相互作用，形成一種具有金屬性質的新相。它具有獨立的晶體結構和性一種具有金屬性質的新相。它具有獨立的晶體結構和性質，與各個組元的晶體結構和性質都不同。質，與各個組元的晶體結構和性質都不同。影響相結構的因素影響相結構的因素: 負電性負電性,原子尺寸原子尺寸,電子濃度電子濃度.3.1 合金中的相合金中的相3.2 合金的相結構合金的相結構一。固溶體一。固溶體分類：分類：1.位置：置換，間隙。位置：置換，間隙。2.固溶度：有限固溶，固溶度：有限固溶， 無限固溶。無限固溶。3.相對分布：無序，有序。相對分布：無序，有序。結構結構 ：晶格畸變、偏聚與有序：晶格畸變、偏聚與有序性能性能 : 強度、硬度高

4、，塑性、韌性差。強度、硬度高，塑性、韌性差。二。金屬化合物（中間相）二。金屬化合物（中間相）分類：分類： 1.正價化合物、正價化合物、 2.電子化合物、電子化合物、 3.間隙相（間隙相（rx/rm0.59 ）。三。間隙相與間隙固溶體區(qū)別三。間隙相與間隙固溶體區(qū)別 間隙相是一種化合物，它具有與其他組元完全不同的晶體結構；而間隙間隙相是一種化合物，它具有與其他組元完全不同的晶體結構；而間隙固溶體仍保持著溶劑組元的晶格類型。固溶體仍保持著溶劑組元的晶格類型。3.3 3.3 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立一一. . 二元相圖的表示方法二元相圖的表示方法二二. . 二元相圖的測定方法二元相圖的測定

5、方法三三. . 相律和杠桿定律相律和杠桿定律( (一一) )杠桿定律杠桿定律:W:WL L/W/Wa a=rb/ar=rb/ar( (二二) )相律相律: : f=c-p+2 f=c-p+2C:C:系統(tǒng)的組元數(shù)系統(tǒng)的組元數(shù); P:; P:平衡條件下系統(tǒng)的相數(shù)平衡條件下系統(tǒng)的相數(shù); f: ; f: 自由度數(shù)自由度數(shù); ;常數(shù)常數(shù)2 2代表代表: : 溫度和壓力溫度和壓力. .當壓力為常數(shù)時當壓力為常數(shù)時: : f=c-p+1 f=c-p+1C:C:系統(tǒng)的組元數(shù)系統(tǒng)的組元數(shù); P:; P:平衡條件下系統(tǒng)的相數(shù)平衡條件下系統(tǒng)的相數(shù); f: ; f: 自由度數(shù)自由度數(shù). .（三）相律的應用（三）相律的

6、應用：確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù).單元系: C=1, 當f f =0時, P=1-0+1=2, 說明同時共存的相最多兩個.二元系: C=2, 當f f =0時, P=2-0+1=3, 說明同時共存的相最多三個.解釋純金屬與二元合金結晶時的一些差別解釋純金屬與二元合金結晶時的一些差別單元系: C=1, p=2 時, f =0, 說明純金屬結晶時只能在恒溫下.二元系: C=2, P =2 時, f =1, 說明二元合金在一個溫度范圍內進行; 當三相共存(P P =3)時, f f =0, 說明結晶只能在各個因素完全不變的條件下進行.3.4 勻晶相圖及固溶體的結

7、晶勻晶相圖及固溶體的結晶一一.相圖分析相圖分析 勻晶相圖勻晶相圖: 兩組元在液相和固相都無限互溶的二元合金所形成的相圖兩組元在液相和固相都無限互溶的二元合金所形成的相圖.在在t1-t3間間:f=c-p+1=2-2+1=1二二. 固溶體合金的平衡結晶過程固溶體合金的平衡結晶過程1.概念概念:平衡結晶平衡結晶: 合金在極其緩慢的冷卻條件下進行結晶的過程合金在極其緩慢的冷卻條件下進行結晶的過程.成分起伏成分起伏:雖然液態(tài)合金在宏觀上成分平均雖然液態(tài)合金在宏觀上成分平均, 但是在微觀上但是在微觀上, 由于原子由于原子運動的結果運動的結果, 在任一瞬間在任一瞬間, 液相中總有些微小體積可能偏離液相的平液

8、相中總有些微小體積可能偏離液相的平均成分均成分, 這些微小的體積的成分、大小、位置都是在不斷地變化的。這些微小的體積的成分、大小、位置都是在不斷地變化的。異分結晶異分結晶（選擇結晶）：結晶的晶體同液態(tài)母相化學成分不同的結（選擇結晶）：結晶的晶體同液態(tài)母相化學成分不同的結晶。晶。同分結晶同分結晶：結晶的晶體同液態(tài)母相化學成分完全相同的結晶。：結晶的晶體同液態(tài)母相化學成分完全相同的結晶。2.固溶體形核的條件：固溶體形核的條件： 結構起伏，結構起伏， 能量起伏，能量起伏， 成分起伏。成分起伏。3.固溶體結晶特點固溶體結晶特點 異分結晶異分結晶平衡分配系數(shù)：平衡分配系數(shù)：k0=C /CLC 、 CL為

9、固相和液相的平衡濃度。為固相和液相的平衡濃度。 K0 的大小反映了溶質組元重新分配的大小反映了溶質組元重新分配的強弱程度。的強弱程度。需要一定溫度范圍需要一定溫度范圍 （下頁）（下頁）固溶體的結晶過程固溶體的結晶過程 固溶體晶核的形成（或原晶體的長大）造成相內（液相固溶體晶核的形成（或原晶體的長大）造成相內（液相或固相）的濃度梯度，從而引起相內的擴散過程，這就破壞或固相）的濃度梯度，從而引起相內的擴散過程，這就破壞了相界面處的平衡，因此晶體必須長大，才能使相界面處重了相界面處的平衡，因此晶體必須長大，才能使相界面處重新達到平衡。新達到平衡。 固溶體晶體的長大過程：平衡固溶體晶體的長大過程：平衡

10、-不平衡不平衡-平衡平衡-不平衡。不平衡。三三. 固溶體合金的不平衡結晶過程固溶體合金的不平衡結晶過程不平衡結晶不平衡結晶：偏離平衡結晶條件的結晶。：偏離平衡結晶條件的結晶。晶內偏析晶內偏析(枝晶偏析枝晶偏析)：在一個晶粒內化學成分不均勻的現(xiàn)象，叫晶內偏析。由于：在一個晶粒內化學成分不均勻的現(xiàn)象，叫晶內偏析。由于固體晶體通常呈樹枝狀，使樹干和樹枝間的化學成分不同，所以又叫枝晶偏析。固體晶體通常呈樹枝狀，使樹干和樹枝間的化學成分不同，所以又叫枝晶偏析。假設：液體內充分混合，假設：液體內充分混合， 而固相內沒有擴散而固相內沒有擴散。偏析的大小與偏析的大小與k0有關。有關。偏析的最大值偏析的最大值(

11、液固相線間的水平液固相線間的水平距離距離)：C0-C 0= C0 - C0 K0= C0 （1- K0 ）影響偏析的因素：溶質擴散能力，影響偏析的因素：溶質擴散能力，冷卻速度。冷卻速度。消除偏析的方法消除偏析的方法 : 均勻化退火均勻化退火(低低于固相線于固相線100-200C,長時間保溫長時間保溫).四四.區(qū)域偏析和區(qū)域提純區(qū)域偏析和區(qū)域提純(一一)區(qū)域偏析：固溶體合金不平衡結晶中造成的大范圍內化學成分不均勻現(xiàn)象。區(qū)域偏析：固溶體合金不平衡結晶中造成的大范圍內化學成分不均勻現(xiàn)象。區(qū)域偏析的形成區(qū)域偏析的形成情況情況1。假定：液體內化學成分充分混合（靠擴散、對流和攪拌），。假定：液體內化學成分

12、充分混合（靠擴散、對流和攪拌）， 而固相內無擴散。而固相內無擴散。情況情況2。假定：液體內溶質原子僅靠擴散混合（無對流和攪拌）。假定：液體內溶質原子僅靠擴散混合（無對流和攪拌） 固相內無擴固相內無擴散。散。情況情況3。實際不平衡結晶如曲線。實際不平衡結晶如曲線d.(二二)區(qū)域提純區(qū)域提純五五.成分過冷及其對晶體成長形狀和鑄錠組織的影響成分過冷及其對晶體成長形狀和鑄錠組織的影響思考問題：固溶體的晶體生長形態(tài)是什么樣？（固液界面前液體分別在正、思考問題：固溶體的晶體生長形態(tài)是什么樣？（固液界面前液體分別在正、負溫度梯度下）負溫度梯度下）(一一) 形成成分過冷的條件及其影響因素形成成分過冷的條件及其

13、影響因素成分過冷成分過冷：固溶體合金在結晶時，溶質組元重新分布，在固液界面處形：固溶體合金在結晶時，溶質組元重新分布，在固液界面處形成溶質的濃度梯度，產生一個過冷區(qū)，由于這個過冷度是由液相中成分成溶質的濃度梯度，產生一個過冷區(qū)，由于這個過冷度是由液相中成分的變化引起的，所以叫。的變化引起的，所以叫。1。純金屬固液界面的溫度梯度對結晶形狀的影響。純金屬固液界面的溫度梯度對結晶形狀的影響平面生長平面生長樹枝狀生長樹枝狀生長(二二)固溶體合金的成分過冷對晶體生長形狀的影響固溶體合金的成分過冷對晶體生長形狀的影響2。固溶體合金的成分過冷對晶體生長形狀的影響。固溶體合金的成分過冷對晶體生長形狀的影響G1

14、:平面生長G2: 生長方式G3:樹枝生長3.5 共晶相圖及合金的結晶概念: 共晶相圖： 共晶轉變：由一個液相同時結晶出兩個固相的過程。一. 相圖分析MF、NG固溶度曲線；固溶度曲線；AE、BE液相線；液相線；AMNB固相線；固相線；三個單相區(qū)；三個兩相區(qū)；一個三相共存區(qū)三個單相區(qū)；三個兩相區(qū)；一個三相共存區(qū)MEN。共晶轉變（反應）：共晶轉變（反應）：LE M+ N共晶線共晶線MEN；共晶點；共晶點E；共晶溫度；共晶合金；過共晶合金；亞共晶合金。；共晶溫度；共晶合金；過共晶合金；亞共晶合金。二.典型合金的平衡結晶極其組織合金合金IL L+ + IIw = 100%xF4/FGW = 100%x4

15、G/FG脫溶過程脫溶過程(二次結晶二次結晶); 二次相二次相. 共晶合金(合金II)共晶轉變（反應）：共晶轉變（反應）：LE M+ Nw M = 100%xME/MNW N= 100%xEN/MNL- + - ( + ) + ( II + II)通常下：通常下：( II + II)省略。所以組織：省略。所以組織： + 共晶組織的生長方式共晶組織的生長方式:片層狀生長片層狀生長 亞共晶合金(合金III)L-L+ - +( + ) - +( + ) + II先共晶相和剩余液體質量比先共晶相和剩余液體質量比:W = 100%xE2/MEWL = 100%xM2/ME過共晶合金(合金IV)L-L+ -

16、 +( + ) - +( + ) + II 不同合金的組織組成物2點點: 先共晶相和共晶組織含量先共晶相和共晶組織含量: w = 100%x2E/ME W + = 100%x2M/ME 相組成物的含量相組成物的含量: W = 100%x2N/MN w = 100%xM2/MN三. 非平衡結晶極其組織(一)偽共晶偽共晶 在不平衡結晶條件下,成分在共晶點附近的亞(過)共晶合金,也能得到全部共晶組織,這種非共晶成分的合金所得到的共晶組織,叫偽共晶.離異共晶離異共晶 在先共晶相數(shù)量較多而共晶組織較少情況下,有時共晶組織中與先共晶相相同的那一相,會依附于先共晶相上生長,剩下的另一相則單獨存在于相界處,從

17、而使共晶組織的特征消失,這種兩相分離的共晶叫離異共晶會給合金性能帶來不良影響離異共晶會給合金性能帶來不良影響.對不平衡組織可用均勻化退火消除對不平衡組織可用均勻化退火消除.四四.比重偏析和區(qū)域偏析比重偏析和區(qū)域偏析包晶相圖及其合金的結晶包晶相圖及其合金的結晶包晶相圖包晶反應（轉變）一. 相圖分析PEDF固溶度曲線；固溶度曲線；ACB液相線；液相線；APDB固相線；固相線；三個單相區(qū)；三個兩相區(qū)；一個三相三個單相區(qū)；三個兩相區(qū)；一個三相(L、 、 ）共存區(qū)共存區(qū)PDC。包晶反應（轉變）：包晶反應（轉變）：Lc+ p D包晶點包晶點D，包晶溫度，包晶溫度tD，包晶線，包晶線PDC。二.典型合金的平

18、衡結晶過程及組織(一).合金I結晶過程:L-L+- + IID點:WL =100% x PD/PC W =100% x DC/PC包晶反應包晶反應(二).合金II結晶過程結晶過程:L-L+ - + - + + II+ II包晶反應包晶反應2點:WL =100% x PH/PC W =100% x HC/PC(二).合金III結晶過程結晶過程:L-L+ - +L - - + II包晶反應包晶反應2點點:WL =100% x 2D/DC W =100% x 2C/DC三三.不平衡結晶及組織不平衡結晶及組織包晶偏析包晶偏析:包晶轉變的不平衡組織可用長時間擴散退火消除包晶轉變的不平衡組織可用長時間擴散退火消除.四.包晶轉變的實際應用在軸承合金中細化晶粒作用3.7 二元相圖的分析和使用二元相圖的分析和使用一一.相圖分析步驟相圖分析步驟(1).看是否存在穩(wěn)定化合物看是否存在穩(wěn)定化合物,將相圖分解將相圖分解.(2).確定單相區(qū)、兩相區(qū)和三相區(qū)。確定單相區(qū)、兩相區(qū)和三相區(qū)。(3).確定三相平衡轉變性質確定三相平衡轉變性