金屬學(xué)與熱處理(第3章)-修改.

1、閆健 1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 雖然純金屬在工業(yè)上獲得了一定的應(yīng)用，但由于其性能的局限性，不能滿足各種使用場合的要求。如何提高金屬材料的性能？實(shí)踐證明，合金化是最主要的途徑。因此，目前應(yīng)用的金屬材料絕大多數(shù)是合金。 合金的定義：由兩種或兩種以上的金屬/金屬或者金屬/非金屬，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法合成的具有金屬特性的材料稱為合金。2第一節(jié)第一節(jié) 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 一、合金中的相 1、合金中組成元素間的交互作用 相的定義：金屬（包括合金）中內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)一致的物質(zhì)稱為相。 要了解合金元素的加入是如何提高金屬的性能，首先要知道合金中各組元之間的交互作

2、用情況，可能形成的合金相及其成分、結(jié)構(gòu)類型和性能特點(diǎn)；然后再來分析合金的組織特征：各組成相的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布，并進(jìn)一步探討組織和性能的關(guān)系。3 相可以由一種或者兩種及兩種以上的元素所組成，前者稱為純金屬相，后者稱為合金相。 2、影響合金相結(jié)構(gòu)的主要因素 （1）電化學(xué)因素 通常用元素的電負(fù)性（指原子吸收外來電子形成負(fù)離子的傾向性）作為合金相組元之間的電化學(xué)親和能力及形成化合物傾向的判據(jù)。4 兩個(gè)組元間的電負(fù)性相差越大，形成中間相的傾向越大。反之，有利于形成固溶體。 電負(fù)性的大?。?元素周期表中，同族元素的電負(fù)性由上至下逐漸減??；而同周期元素的電負(fù)性則由左向右逐漸增大。5 （2）電子濃度因素

3、 電子濃度是指合金中各組元的價(jià)電子總數(shù)e與組元的原子總數(shù)a之比 e/a。 電子濃度 e/a =A(100-X)+BX/100 式中為溶質(zhì)的含量，為溶劑的原子價(jià)，為溶質(zhì)的原子價(jià)。 研究表明，當(dāng)異類原子的價(jià)電子數(shù)之差大時(shí)，有利于形成中間相；反之，有利于形成固溶體。6 （3）原子尺寸因素 經(jīng)常用各組元原子半徑相對差r r=|=|r rB B- -r rA A|/|/r rA A 來表示，其中r rA A為主組元A的原子半徑，r rB B為 副組元B的原子半徑。原子尺寸差因素影響主 要體現(xiàn)在對固溶體類型上。7二、固溶體二、固溶體 固溶體是溶質(zhì)原子溶入溶劑中所形成的均一的合金相，其晶體結(jié)構(gòu)仍保持溶劑原子

4、的晶體結(jié)構(gòu)。 1、固溶體的分類 固溶體的分類方法很多: （1）按溶質(zhì)原子的固溶能力劃分 a、無限固溶體（連續(xù)固溶體）兩組元在固態(tài)呈現(xiàn)無限互溶時(shí)所形成的固溶體。 B、有限固溶體（端際固溶體）兩組元在固態(tài)呈現(xiàn)部分溶解時(shí)所形成的固溶體。8 （2）按溶質(zhì)原子在固溶體結(jié)構(gòu)中的位置劃分 a、置換固溶體 溶質(zhì)原子置換了溶劑點(diǎn)陣中的一些溶劑原子。 B、間隙固溶體 溶質(zhì)原子存在于溶劑點(diǎn)陣的間隙處。 有些固溶體同時(shí)兼有這兩種方式，例如鋼中鐵素體，它既是置換固溶體又是間隙固溶體，Mn、Si、Cr等原子以置換方式溶于Fe中，而C則是以間隙方式溶入。9 （3）按溶質(zhì)原子在固溶體結(jié)構(gòu)中的分布劃分 a、無序固溶體 溶質(zhì)原子

5、以隨機(jī)方式無規(guī)則地分布于固溶體的點(diǎn)陣中。 b、有序固溶體（超結(jié)構(gòu)） 溶質(zhì)原子按一定組成比在固溶體點(diǎn)陣中的特定位置呈有規(guī)則分布。10 2、置換固溶體 形成置換固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子替代了一部分溶劑原子而占據(jù)了本應(yīng)該由溶劑原子占據(jù)的位置，此時(shí)由于溶質(zhì)原子與溶劑原子的半徑尺寸差異，將引起晶格畸變，即在溶質(zhì)原子周圍產(chǎn)生了晶格的彈性應(yīng)變。 溶質(zhì)原子所引起的點(diǎn)陣畸變將波及一定的范圍；此外，點(diǎn)陣畸變還將引起固溶體的能量增加畸變能。11影響置換固溶體溶解度大小影響置換固溶體溶解度大小的因素的因素（1）點(diǎn)陣類型的影響 組元的點(diǎn)陣類型是決定能否形成無限固溶體和影響有限固溶體溶解度的重要因素。 形成無限固溶體的組元間必

6、須具有相同的點(diǎn)陣類型（是必要條件，但不是充分條件）。 對于有限固溶體來說，具有同樣點(diǎn)陣類型或點(diǎn)陣類型相近的組元之間相互溶解度就大一些；否則反之。例如W、Mo、Cr具有bcc結(jié)構(gòu)，它們在體心立方的Fe中的溶解度高于它們在Fe（fcc點(diǎn)陣）中的溶解度。而具有fcc點(diǎn)陣的Co、Ni等在 Fe中的溶解度大于在Fe中的溶解度。12 （2）原子尺寸因素 組元原子間的相對尺寸大小是決定溶解度的以個(gè)重要因素，在其它條件相近的情況下，溶質(zhì)與溶劑原子半徑相對差r(r=|rB-rA|/rA)越大，其溶解度越小。 研究表明，當(dāng)r15%時(shí)，只能形成溶解度很小的固溶體。尺寸因素是決定固溶度的一個(gè)必要條件，而不是充分條件。

7、13 （3）化學(xué)親和力（電負(fù)性因素） 溶質(zhì)元素與溶劑之間的化學(xué)親和力對固溶體的溶解度有顯著的影響，如果兩者之間的化學(xué)親和力很強(qiáng)，則傾向于形成化合物而不利于形成固溶體；生成的化合物越穩(wěn)定，則固溶體的溶解度就越小。因此，只有電負(fù)性相近的元素才可能具有大的溶解度。14 （4）電子濃度因素 原子尺寸因素有利時(shí)，在一價(jià)的面心立方結(jié)構(gòu)的金屬Cu、Ag、Ag為基的固溶體中，溶質(zhì)原子的原子價(jià)越高，則其溶解度越小。 如以原子百分?jǐn)?shù)表示，各元素在Cu中的最大溶解度為： 2價(jià)鋅 3價(jià)鎵 4價(jià)鍺 5價(jià)砷 38%Zn 20%Ga 12%Ge 7%As 下列元素在Ag中的溶解度為： 2價(jià)鎘 3價(jià)銦 4價(jià)錫 5價(jià)銻 42%

8、Cd 20%In 12%Sn 7%Sb15 如果以電子濃度來表示溶解度極限，則可發(fā)現(xiàn)它們的溶解度極限幾乎是相同的。對于上述的合金計(jì)算可發(fā)現(xiàn)它們的數(shù)值都接近于1.4。 電子濃度 e/a =A(100-X)+BX/100 X為溶質(zhì)的含量（原子百分?jǐn)?shù)），A為溶劑的原子價(jià)，B為溶質(zhì)的原子價(jià)。 此外，當(dāng)兩種原子價(jià)不同的組元形成固溶體時(shí)，彼此間的溶解能力與相對價(jià)效應(yīng)有關(guān)。通常低價(jià)組元在高價(jià)組元之中的溶解度遠(yuǎn)小于相反情況下的溶解度。例如，在Cu-Si合金中，Cu（1價(jià)）在Si（4價(jià)）中的溶解度2%（mol），而Si在Cu中的溶解度可達(dá)14%（mol）。1617 3、間隙固溶體 有些元素的原子半徑比較小，它們

9、加入到溶劑中時(shí)，由于與溶劑的原子半徑相差較大，無法形成置換固溶體，但如果這些原子尺寸接近溶劑晶體中某些間隙的大小時(shí)，則可處于間隙位置，形成間隙固溶體。 由于間隙的數(shù)量是有限的，所以，間隙固溶體都是有限固溶體。18 溶質(zhì)原子進(jìn)入點(diǎn)陣間隙處，若不使點(diǎn)陣發(fā)生過大的點(diǎn)陣畸變就要求具備下列兩個(gè)條件： （1）溶質(zhì)原子尺寸比較小； （2）點(diǎn)陣中存在較大的間隙。 因此，間隙固溶體中的溶質(zhì)原子都是原子結(jié)構(gòu)中電子層較少，位于周期表前端的元素，即原子序數(shù)較小的元素，它們的原子半徑都小于0.1nm，是一些非金屬元素H、B、C、N、O。19 經(jīng)驗(yàn)證明，形成間隙固溶體的溶質(zhì)與溶劑元素的原子半徑之比應(yīng)滿足下式： r溶質(zhì)/r

10、溶劑0.59 C、N與Fe形成的間隙固溶體是鋼中的重要合金相。 面心立方的-Fe中，八面體間隙比較大， C、N存在于Fe的八面體中。20 在體心立方的-Fe中，雖然四面體間隙比八面體間隙大，但C、N原子依然存在于八面體間隙中，這是因?yàn)榘嗣骟w間隙是不對稱的，在方向比較小，只有0.154R，而在方向間隙半徑為0.633R，當(dāng)C填入八面體間隙時(shí)受到方向上的2個(gè)原子壓力較大，而受到方向上的4個(gè)原子壓力較小。總的來說， C、N原子進(jìn)入八面體間隙所受到的阻力比溶入四面體間隙所受到的壓力小。 由于-Fe 八面體間隙大于-Fe，因此， C在-Fe 中的最大溶解度2.11%遠(yuǎn)大于-Fe的0.0218%。21 4

11、、有序固溶體（超結(jié)構(gòu)、超點(diǎn)陣） 某些固溶體在一定的成分和冷卻條件下，出現(xiàn)溶質(zhì)原子在點(diǎn)陣中有規(guī)律的排列，這種固溶體稱為有序固溶體。 在有序固溶體的X射線衍射底片上出現(xiàn)了點(diǎn)陣晶面以外的附加線條超結(jié)構(gòu)線條。所以，有序固溶體又稱為超結(jié)構(gòu)或超點(diǎn)陣。2223 (1)有序固溶體的主要類型 超結(jié)構(gòu)的類型很多，但主要形成于面心立方、體心立方或密排六方三類結(jié)構(gòu)的固溶體中。 A、體心立方固溶體中形成的超結(jié)構(gòu) CuZn型 CuZn合金相在高于470以上具有無序的排列，當(dāng)緩慢冷卻到470以下時(shí)，組元原子呈有序排列。 許多合金具有CuZn型超結(jié)構(gòu)，如AgZn、AgMg、FeTi、CoTi、NiTi、FeAl等。2425

12、Fe3Al型 該類結(jié)構(gòu)的晶胞可以視為由8個(gè)體心立方晶胞組成，F(xiàn)e原子占據(jù)了8個(gè)小立方體的所有頂角以及4個(gè)不相鄰的體心位置，而Al原子則占據(jù)其余4個(gè)不相鄰的體心處。 具有Fe3Al型結(jié)構(gòu)的合金還有Fe3Si、Mg3Li、Cu3Al等。2627 B、面心立方固溶體中形成的超結(jié)構(gòu) Cu3Au型 Cu3Au合金相在高于390以上具有無序的面心立方結(jié)構(gòu)。當(dāng)緩慢冷卻到390以下時(shí)，Cu、Au原子呈現(xiàn)有序排列，其中Au原子位于面心立方晶胞的頂角處，Cu原子則占據(jù)所有面心位置。 具有這類超結(jié)構(gòu)的合金相還有FeNi3、MnNi3、Co3V、TiZn3等。2829 CuAu型 成分相當(dāng)于CuAu的合金，在385以

13、上呈現(xiàn)無序分布，緩慢冷卻到385以下時(shí)形成CuAu型超結(jié)構(gòu)。其中Au原子位于晶胞頂角和上、下底面面心位置，而Cu原子占據(jù)其余4個(gè)側(cè)面面心位置。 Cu原子和Au原子按層排列于（001）晶面上，一層Cu原子，相鄰一層全部是Au原子。 具有這類超結(jié)構(gòu)的合金相還有AgTi、AlTi、CoPt等。3031（2）有序化及其）有序化及其影響因素影響因素 A、有序化 溶質(zhì)原子在固溶體中的分布，由無序狀態(tài)向長程有序轉(zhuǎn)變的過程稱為有序化。 有序化的基本條件是異類原子間的相互吸引大于同類原子間的吸引作用，從而使有序固溶體的自由能低于無序狀態(tài)。 若以EAA、EBB、EAB分別表示A-A、B-B、A-B原子間的交互作用

14、能，那么有： EAB （EAA+EBB）/23233 當(dāng)滿足此條件時(shí)，成分達(dá)到某些比值的合金就能在低于一定溫度時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槌Y(jié)構(gòu)。 通常用“長程有序度參數(shù)S”表示有序化程度，定義如下： S = (PNA)/(1NA) 式中P表示在完全有序時(shí)A原子應(yīng)占據(jù)的位置出現(xiàn)A原子的幾率；NA為A原子在合金中的原子分?jǐn)?shù)。 討論：完全有序時(shí)，P=1，有序度參數(shù)S=1。 完全無序時(shí)，P=NA ，有序度參數(shù)S=0。34B、影響有序化的、影響有序化的因素因素 合金的有序度主要與溫度、冷卻速度、合金成分等因素有關(guān)。 隨著T原子運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，S,到某一臨界溫度，呈現(xiàn)完全無序狀態(tài)。 有序化是一個(gè)依賴于原子遷移的過程，所以有序化與

15、冷卻速度有關(guān)，快速冷卻將抑制有序化進(jìn)行。 從成分方面考慮，當(dāng)合金的成分偏離理想成分時(shí)，就不能產(chǎn)生完全的有序結(jié)構(gòu)，成分偏離程度決定了有序化程度的高低。35C、有序化對于合金性能的、有序化對于合金性能的影響影響 有序化使得電阻率急劇降低，例如Cu3Au合金有序時(shí)的電阻為無序的1/2，CuAu合金有序時(shí)為無序的1/3。 有序化可以提高合金的硬度，例如CuPt合金，無序時(shí)HB130，5001h退火形成超結(jié)構(gòu)，HB260。原因是提高了塑形變形阻力。 有序化對于某些材料磁性產(chǎn)生影響，例如Ni3Mn在無序時(shí)為順磁性，但在形成超結(jié)構(gòu)后成為鐵磁性物質(zhì)。365、固溶體的性能、固溶體的性能 一般來說，固溶體的硬度、

16、強(qiáng)度總是比純金屬要高。溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大，強(qiáng)化效果就越好。 綜合來看，固溶體比純金屬具有更加優(yōu)越的綜合力學(xué)性能，因此，幾乎所有的金屬材料都是以固溶體為基體相。373839三、中間相三、中間相金屬間化合物金屬間化合物 兩組元A和B組成合金時(shí)，除了可以形成以A為基或者以B為基的固溶體以外，當(dāng)超過固溶體的溶解度極限時(shí)，還可能形成晶體結(jié)構(gòu)既不同于A又不同于B的新相；新相有多種類型，但它們在二元相圖上所處的位置總是在兩個(gè)固溶體區(qū)域之間的位置，故稱為中間相。401、中間相的分類及其、中間相的分類及其特點(diǎn)特點(diǎn) （1）正常價(jià)化合物組元間的結(jié)合服從原子價(jià)化合規(guī)律。 （2）電子化合物 組元間的結(jié)合取

17、決于電子濃度因素。 （3）間隙相和間隙化合物小尺寸原子與過渡族金屬之間形成的。 （4）拓?fù)涿芏呀Y(jié)構(gòu)組元間的結(jié)合與原子尺寸因素有關(guān)。 中間相通常是按一定的原子比結(jié)合起來的，可以用化學(xué)分子式來表示。中間相的性能與組元不同，但一般仍保留金屬特性。412、正常價(jià)化合物、正常價(jià)化合物 可以用化學(xué)式表示，一般硬度高，脆性大。42（1）NaCl型型 兩種離子各自構(gòu)成的面心立方點(diǎn)陣彼此穿插而成為，常見的有MgSe、CaSe等。43（2）CaF2型型 其中Ca離子構(gòu)成面心立方結(jié)構(gòu)，而F離子位于面心立方晶胞的8個(gè)四面體間隙中心。具有CaF2型結(jié)構(gòu)的化合物有PtSn2、AuAl2等。44（3）立方）立方ZnS型型

18、由兩種原子的各自面心立方點(diǎn)陣彼此穿插而成，坐標(biāo)相差1/4,1/4,1/4，具有立方ZnS型的化合物有MnS、SiC等。453、電子化合物、電子化合物 休姆羅塞里（Hume - Rothery）在研究貴金屬Cu、Ag、Au與Zn、Sn、Al等（B次族）元素組成的合金系時(shí)發(fā)現(xiàn)合金相結(jié)構(gòu)與電子濃度有一定的對應(yīng)關(guān)系。 例如，Cu-Zn合金中，根據(jù)成分的不同，可分別形成具有體心立方結(jié)構(gòu)的CuZn電子化合物，電子濃度為3/2(21/14)，稱為黃銅。當(dāng)Zn含量更高時(shí)，出現(xiàn)具有復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)的Cu5Zn8電子化合物，電子濃度為21/13，稱為黃銅。進(jìn)一步提高Zn含量，出現(xiàn)密排六方結(jié)構(gòu)的CuZn3電子化合物，電

19、子濃度7/4(21/12），稱為黃銅。46電子化合物電子化合物4748 電子化合物雖然可以用化學(xué)式表示，但其成分可以在一定的范圍內(nèi)變化，因此，可以把它看作是以化合物為基的固溶體。 電子化合物具有很高的熔點(diǎn)和硬度，但脆性很大。4950 例如CuZn e/a=(50Cu+50Zn)/100=(501+502)/100 =3/2 = 21/14Cu5Zn8e/a=(15/13+28/13) = 21/13CuZn3e/a=(11/4+23/4) = 7/4 = 21/12514、間隙相和間隙化合物、間隙相和間隙化合物 過渡族金屬（Fe、Mn、Cr、Mo、W、V等）能與H、B、C、N等原子半徑小的非金

20、屬形成化合物，它們具有金屬的性質(zhì)，具有很高的熔點(diǎn)和極高的硬度。 當(dāng)金屬（M）與非金屬（X）的原子半徑比值 rX/ rM 0.59時(shí)，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，稱為間隙化合物。52A、間隙相、間隙相 間隙相具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，金屬原子位于面心立方或者密排六方結(jié)構(gòu)的正常位置上（少數(shù)情況也有位于體心立方或簡單六方結(jié)構(gòu)的位置上），而非金屬原子則位于該結(jié)構(gòu)的間隙位置，從而構(gòu)成了一種新的晶體結(jié)構(gòu)。 間隙相的分子式一般為：M4X、M2X、MX、MX2四種。53（1）MX型型 大多數(shù)具有面心立方結(jié)構(gòu)，非金屬分布在八面體全部間隙中，故間隙相成分恰好是MX 。54（2）MX2型型 具有面心立方結(jié)構(gòu)，當(dāng)非金屬填滿全部四面

21、體間隙時(shí)，即形成CaF2型結(jié)構(gòu)，分子式為MX2 。55（3）M4X型型 具有面心立方結(jié)構(gòu)，非金屬原子處于晶胞中的一個(gè)八面體間隙中。主要有Fe4N、Mn4N等。56（4）M2X型型 大多數(shù)具有密排六方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，非金屬原子位于八面體間隙，有Fe2N等。5758B、間隙化合物、間隙化合物 當(dāng)rM/rX 0.59時(shí)，所形成的化合物結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，稱為間隙化合物。 合金鋼中常遇到的間隙化合物有M3C、M7C3、M23C6 、 M6C型，M為一種或幾種合金元素，C原子排列在間隙處。 間隙相也具有很高的熔點(diǎn)和硬度，但與間隙相相比數(shù)值要低一些。596061第二節(jié)第二節(jié) 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立 由兩

22、種組元（金屬金屬、金屬非金屬、金屬化合物）構(gòu)成的合金稱為二元合金。 為了研究合金組織與性能之間的關(guān)系，就必須了解合金中各種組織的形成及變化規(guī)律，合金相圖是研究這些規(guī)律的有效工具。 合金相圖是利用圖解方法表示合金系中相成分、組織與溫合金相圖是利用圖解方法表示合金系中相成分、組織與溫度之間的關(guān)系度之間的關(guān)系。 相圖有助于了解合金的組織狀態(tài)、預(yù)測性能、研究新合金相圖有助于了解合金的組織狀態(tài)、預(yù)測性能、研究新合金。生產(chǎn)實(shí)踐中為制定合金熔鑄、鍛造、熱處理工藝的重要。生產(chǎn)實(shí)踐中為制定合金熔鑄、鍛造、熱處理工藝的重要依據(jù)。依據(jù)。62一、二元相圖的表示一、二元相圖的表示方法方法 通常用橫坐標(biāo)表示成分，縱坐標(biāo)表

23、示溫度。 二、二元相圖的測定方法 建立相圖的方法有理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測定兩種。目前，所用的相圖大多是根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法建立起來的。 測定合金相圖的實(shí)驗(yàn)方法主要有熱分析法、電阻法、膨脹法、磁性法、金相法等。 下面以CuNi合金為例說明二元相圖的建立過程。636465時(shí)間時(shí)間溫度溫度溫度溫度成分成分熱分析法建立熱分析法建立Cu-Ni相圖相圖固相線固相線液相線液相線66相圖的功能相圖的功能67 由相圖某成分合金在某溫度時(shí)的相由相圖某成分合金在某溫度時(shí)的相 由相圖確定給定合金的相變溫度由相圖確定給定合金的相變溫度 由相圖某成分合金在某溫度時(shí)的兩個(gè)平衡相的成分和相由相圖某成分合金在某溫度時(shí)的兩個(gè)平衡相的成分和相對

24、質(zhì)量對質(zhì)量杠桿定律杠桿定律三、三、相律相律 相律是判別系統(tǒng)中相平衡條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式，吉布斯相律用文字?jǐn)⑹鋈缦拢涸谥皇芡饨鐪囟群蛪毫τ绊懙钠胶庀到y(tǒng)中，它的自由度數(shù)等于系統(tǒng)的組元數(shù)和相數(shù)之差再加上2。 f = C P + 2 式中f為系統(tǒng)的自由度數(shù)， C為系統(tǒng)的組元數(shù)， P為相數(shù)。68 相律的推導(dǎo)如下： 假設(shè)有一個(gè)平衡的多相系統(tǒng)，相數(shù)為P，組元數(shù)為C。對于每個(gè)相來說，獨(dú)立可變因素只是溫度、壓力和其成分。確定每個(gè)相的成分需要確定（C1）個(gè)組元濃度，現(xiàn)有P個(gè)相，故有P（C1）個(gè)濃度變量。 而在平衡條件下，各相的溫度和壓力都相同，所以，描述整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)共需要P（C1）+2個(gè)變量。69 然而這些變量并不

25、都是完全獨(dú)立的，因?yàn)槠胶鈺r(shí)每一組元在各相中的分配符合下列條件： 組元i偏摩爾自由能（化學(xué)位）在各相中相等 所以，用來確定系統(tǒng)狀態(tài)的那些變量中，有C（P1）個(gè)濃度變量不能獨(dú)立變化。這樣整個(gè)系統(tǒng)的自由度數(shù)為： f = P(C1)+2 C(P1) = PC P+2 PC+C = C P + 270對于不含氣相的凝聚系統(tǒng)，通常范圍的壓力改變對平衡系統(tǒng)影響很小，可以忽略不計(jì)，所以有 f = C P + 1.對于純金屬凝固時(shí)：f = 1 2 + 1=0 故恒溫凝固。對于二元合金凝固：f = 2 2 + 1=1 故變溫凝固。71四、杠桿定律（法則）四、杠桿定律（法則） 在合金的結(jié)晶過程中，隨著結(jié)晶過程的進(jìn)行

26、，合金中各個(gè)相的成分以及相對含量都在不斷地發(fā)生著變化。在某一溫度我們不僅需要知道各相的成分，還需要了解各相的相對含量?？梢杂谩案軛U定律”來進(jìn)行計(jì)算。72 設(shè)合金的質(zhì)量為Q合金 , 其中 Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為b%, 在 T1溫度時(shí), L相中的 Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為a%, 相中的Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c%。73返回返回742.2.2 2.2.2 相圖的使用相圖的使用 所以所以化簡后得化簡后得75第三節(jié)第三節(jié) 勻晶相圖及其合金組織的形成勻晶相圖及其合金組織的形成 一、勻晶相圖 由液相結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。 絕大多數(shù)的二元合金相圖都包括勻晶轉(zhuǎn)變部分，有些二元合金（例如CuNi）只發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變。 有的合金還可

27、以具有極小點(diǎn)或極大點(diǎn)的勻晶相圖，對于極小點(diǎn)或極大點(diǎn)成分的合金，由于液相線和固相線在此重合，即在恒溫下結(jié)晶。767778798081828384二、固溶體的平衡結(jié)晶及其組織二、固溶體的平衡結(jié)晶及其組織8586三、固溶體的非平衡結(jié)晶及其組織三、固溶體的非平衡結(jié)晶及其組織878889909192第四節(jié)第四節(jié) 合金凝固時(shí)溶質(zhì)原子分布合金凝固時(shí)溶質(zhì)原子分布 及成分過冷及成分過冷 一、合金凝固時(shí)溶質(zhì)原子在液-固兩相中的重新分配 合金凝固時(shí)，溶質(zhì)原子在液、固兩相中發(fā)生重新分配，而兩相界面前沿液體中的溶質(zhì)原子分布規(guī)律，則是研究合金凝固的核心問題之一。939495 合金凝固時(shí)所結(jié)晶出的固相成分與液相的成分不同，

28、這種結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同的結(jié)晶稱為選擇結(jié)晶。 Ko的數(shù)值大小與液固相線偏離程度有關(guān)，即反映了溶質(zhì)原子的重新分配能力。若粗略地認(rèn)為液相線、固相線為直線，則Ko便為常數(shù)，與濃度無關(guān)。大多數(shù)合金屬于Ko 1的情況，也就是隨著溶質(zhì)濃度增加，液相線、固相線下降。 為了便于研究，假設(shè)液態(tài)合金只通過模壁左端垂直散熱冷卻，隨著液固相界面自左向右推移，合金逐漸凝固。969798二、溶質(zhì)在液相中的混合與分布二、溶質(zhì)在液相中的混合與分布 當(dāng)Co成分的單相合金開始凝固后，由于溶質(zhì)原子在液、固兩相中的不同分配，不僅造成界面前沿液體與內(nèi)部液體之間溶質(zhì)原子的差別，而且，先后凝固的固體與剩余液體也各自存在著濃度的不

29、同。若凝固速度十分緩慢，溶質(zhì)原子可以在液、固兩相中充分?jǐn)U散，即當(dāng)平衡凝固結(jié)束后，沿整個(gè)試棒長度均為Co成分。而實(shí)際上平衡凝固是難以達(dá)到的，尤其是凝固過程中沒有足夠的時(shí)間使尤其是凝固過程中沒有足夠的時(shí)間使得固相中成分?jǐn)U散均勻化。得固相中成分?jǐn)U散均勻化。99 所以，在分析實(shí)際凝固問題時(shí)，往往不考慮固相內(nèi)部的擴(kuò)散，而僅僅探討液相中的擴(kuò)散以及液體的對流所造成的溶質(zhì)混合情況，通常稱這樣的凝固過程為正常凝固過程。合金的正常凝固過程大致可歸納為以下三種情況： 1、液體中溶質(zhì)完全（充分）混合的情況 如果凝固過程緩慢，并存在良好的對流、擴(kuò)散條件下，成分Co的合金凝固時(shí)排入液相中的溶質(zhì)原子可以完全混合均勻，在界面

30、不斷推移的過程中，伴隨(CL)i的提高，(CS)i也相應(yīng)增加。1001011022、液體中溶質(zhì)部分（不充分）混合的、液體中溶質(zhì)部分（不充分）混合的情況情況 液體中溶質(zhì)的完全混合只有在非常慢的凝固條件下才可能實(shí)現(xiàn)。在凝固速度較大時(shí)，液體中溶質(zhì)只能是部分混合。合金凝固時(shí)溶質(zhì)的混合通過對流和擴(kuò)散兩種方式實(shí)現(xiàn)的，比較起來，擴(kuò)散速度更慢。但是，對流作用在液固相界面受到妨礙。這樣在邊界層中產(chǎn)生溶質(zhì)的富集，邊界層中溶質(zhì)原子可以通過擴(kuò)散傳輸?shù)酵饷鎸α鲗又小?031041051063、液體中溶質(zhì)僅通過擴(kuò)散而混合的情、液體中溶質(zhì)僅通過擴(kuò)散而混合的情況況 在凝固速度很快，且無對流的情況下，當(dāng)成分為Co的合金擴(kuò)散凝固

31、時(shí)，其固相成分為KoCo，而溶質(zhì)原子排入界面液體將引起富集。故在界面前沿液體中形成一定厚度的溶質(zhì)富集擴(kuò)散邊界層。隨著生長的進(jìn)行，由于溶質(zhì)的富集使得(CL)i增加，(CS)i也必然相應(yīng)升高，當(dāng)(CL)i達(dá)到Co/Ko時(shí)， (CS)i達(dá)到Co，由于擴(kuò)散很慢，離開界面較遠(yuǎn)處液體濃度依然為Co，而液相濃度(CL)i = Co/Ko也不再改變。107108109110111三、區(qū)域熔煉與提純?nèi)?、區(qū)域熔煉與提純 正常凝固可以圓棒一端獲得提純的效果，上個(gè)世紀(jì)50年代以來，人們應(yīng)用這個(gè)原理發(fā)展了區(qū)域熔煉技術(shù)，獲得了極好的提純效果。112 若Ko1，那么溶質(zhì)將富集在棒的左端。 區(qū)域熔煉時(shí)的溶質(zhì)分布方程式： Cs

32、=Co1(1Ko)exp(KoZ/L) 式中Co為圓棒的原始溶質(zhì)含量，L為液相區(qū)長度，Z為重新凝固區(qū)的長度。113 以上是每經(jīng)過一次區(qū)域熔煉后的金屬棒溶質(zhì)分布公式。對于Ko=0.1的材料，只需進(jìn)行5次提純，即可將棒的前半部分的雜志含量降低1000倍左右（為原來的千分之一）。因此，區(qū)域熔煉技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于提純半導(dǎo)體（硅、鍺等）、金屬、有機(jī)和無機(jī)化合物等，可使純度達(dá)到很高的水平。114115116四、成分過冷四、成分過冷 1、成分過冷的概念 純金屬溶液在凝固時(shí)理論凝固溫度（熔點(diǎn)）是不變的，過冷度完全取決于實(shí)際溫度分布，這樣的過冷稱為熱過冷。在合金的凝固過程中，雖然實(shí)際溫度分布一定，但由于液相中

33、溶質(zhì)分布發(fā)生變化，改變了液相的熔點(diǎn)，此時(shí)過冷是由成分變化與實(shí)際溫度分布這兩個(gè)因素共同決定的，稱為成分過冷。117 設(shè)有一Ko1的合金，其相圖的一角如圖（a）所示，溶液中的實(shí)際溫度分布如圖(d)所示。由于在實(shí)際凝固過程中，不可能通過擴(kuò)散而達(dá)到均勻一致的成分。在凝固過程中液體中假定只有擴(kuò)散的情況，液體內(nèi)溶質(zhì)按照如圖(b)所示的曲線分布,對應(yīng)的熔點(diǎn)如圖(c)所示的曲線分布。將(c)疊加到(d)中陰影區(qū)即為成分過冷區(qū)。1182 2、產(chǎn)生成分過冷的條件及影響因素、產(chǎn)生成分過冷的條件及影響因素1192 2、產(chǎn)生成分過冷的條件及、產(chǎn)生成分過冷的條件及影響因素影響因素 成分過冷的條件： 臨界條件： B、影響成

34、分過冷的因素120 合金本身：（1）液相線越陡，即m值越大，成分過冷傾向；（2）合金溶質(zhì)濃度Co越高，成分過冷傾向；（3）液體中擴(kuò)散系數(shù)D越小，成分過冷傾向；（4）ko1時(shí)，Ko值越大，成分過冷傾向。外界條件：（1）溫度梯度G越平緩，成分過冷傾向；（2）凝固速度R越大，成分過冷傾向。1213、成分過冷對單相合金凝固時(shí)液固相、成分過冷對單相合金凝固時(shí)液固相界面形貌的影響界面形貌的影響122123124125126127128第五節(jié)第五節(jié) 共晶相圖及其合金組織的形成共晶相圖及其合金組織的形成 一、共晶相圖 大多數(shù)二元合金的組元之間在液態(tài)無限互溶，而在固態(tài)時(shí)只能有限溶解，當(dāng)溶質(zhì)含量超出固溶體的溶解度

35、限制時(shí)，有些合金溶液在結(jié)晶過程中可能發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。 共晶轉(zhuǎn)變 ： L + 由一個(gè)液相同時(shí)結(jié)晶出兩種成分不同的固相的轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為兩個(gè)固相的混合物，稱為共晶組織。129PbSnSn%T, C液相線液相線L固相線固相線 + L+ L+ 固溶線固溶線 固溶線固溶線ABEMNFG共晶相圖簡介共晶相圖簡介130PbSnT, CL + L+ L+ 共晶反應(yīng)線共晶反應(yīng)線表示從表示從M點(diǎn)到點(diǎn)到N點(diǎn)點(diǎn)范圍的合金，在范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)該溫度上都要發(fā)生不同程度上的生不同程度上的共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)。ce共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)表示表示E點(diǎn)成分的合點(diǎn)成分的合金冷卻到此溫度金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共上發(fā)生

36、完全的共晶轉(zhuǎn)變。晶轉(zhuǎn)變。dLE M+ NABEMNFG131PbSnT, CL + L+ L+ 183ced1.1.共晶轉(zhuǎn)變在恒溫共晶轉(zhuǎn)變在恒溫下進(jìn)行。下進(jìn)行。2.2.轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出種液相中結(jié)晶出兩個(gè)不同的固相兩個(gè)不同的固相。3.3.存在一個(gè)確定的存在一個(gè)確定的共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。凝固溫度最低。4.4.成分在共晶線范成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。歷共晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變要點(diǎn)須知共晶轉(zhuǎn)變要點(diǎn)須知132二、共晶系合金的平衡結(jié)晶及其組織二、共晶系合金的平衡結(jié)晶及其組織13313413513613713813914014114214

37、3144145146147148149150151152153154155156157158 三、非平衡結(jié)晶及組織 前面討論了共晶系合金在平衡條件下的結(jié)晶過程，而實(shí)際生產(chǎn)中鑄錠和鑄件都是非平衡結(jié)晶；因此，有必要了解這方面規(guī)律。 1、偽共晶 在平衡結(jié)晶條件下，只有共晶成分才能獲得100%的共晶組織，然而在非平衡結(jié)晶時(shí)，成分點(diǎn)在共晶點(diǎn)附近的合金也能夠獲得全部共晶組織，這種由非共晶成分的合金所得到的共晶組織稱為偽共晶。159160 2、離異共晶 對于某些成分遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)的亞共晶與過共晶合金，在初晶相數(shù)量較多而共晶體數(shù)量很少的情況下，組成共晶的兩相將發(fā)生離異分布的變化，其中與先共晶相相同的那個(gè)相往往依附于初晶上生長，從而使得另外一相沿著初晶的晶粒邊界處分布，失去了兩相混合的共晶組織特征。離異共晶既可以在平衡結(jié)晶條件下形成，也可以在非平衡結(jié)晶條件下形成。161162 3、不平衡共晶 理論上M點(diǎn)以左的合金在凝固時(shí)不會(huì)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，但由于不平衡凝固，使其冷卻到共晶溫度時(shí)仍然有少量液相存在，這部分液相將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，而使組織中出現(xiàn)共晶組織。163比重偏析和區(qū)域偏析比重偏析和區(qū)域偏析 1