第6章 二元相圖及合金凝固

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)第第6 6章章 二元相圖及其合金的凝固二元相圖及其合金的凝固6.16.1 相圖的表示和測定方法相圖的表示和測定方法6.26.2 相圖熱力學(xué)的基本要點相圖熱力學(xué)的基本要點6.36.3 二元相圖分析二元相圖分析6.46.4 二元合金的凝固理論二元合金的凝固理論 二元相圖是研究二元體系在熱力學(xué)平衡條件二元相圖是研究二元體系在熱力學(xué)平衡條件下下, , 相與溫度、成分之間關(guān)系的有力工具，它相與溫度、成分之間關(guān)系的有力工具，它已在金屬、陶瓷以及高分子材料中得到廣泛的已在金屬、陶瓷以及高分子材料中得到廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用。 利用相圖可了解到不同成分的合金在不同利用相圖可了解到不同成分的合金在不同溫度

2、下的平衡狀態(tài)，存在哪些相，相的成分及溫度下的平衡狀態(tài)，存在哪些相，相的成分及相對含量以及在加熱或冷卻時，可能發(fā)生哪些相對含量以及在加熱或冷卻時，可能發(fā)生哪些轉(zhuǎn)變等轉(zhuǎn)變等。6.1.1 6.1.1 表示方法表示方法：二元相圖是平面圖形二元相圖是平面圖形縱軸表示溫度縱軸表示溫度橫軸表示成分，多以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示橫軸表示成分，多以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示6.1 6.1 相圖的表示和測定方法相圖的表示和測定方法T TA 成分成分w(B)% B6.1.2 6.1.2 測定方法測定方法 二元相圖是根據(jù)各種成分材料的臨界點繪制的，二元相圖是根據(jù)各種成分材料的臨界點繪制的，臨界臨界點點表示表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)轉(zhuǎn)變的相變點物

3、質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)轉(zhuǎn)變的相變點。測定材料。測定材料臨界點的方法有：熱分析法、膨脹法、電阻法、金相法、臨界點的方法有：熱分析法、膨脹法、電阻法、金相法、X X射線法、結(jié)構(gòu)分析等。射線法、結(jié)構(gòu)分析等。 現(xiàn)以現(xiàn)以CuNiCuNi二元合金為例，用二元合金為例，用熱分析法測定臨界點繪熱分析法測定臨界點繪制二元相圖制二元相圖。把各相同意義的點連接成線，就得到把各相同意義的點連接成線，就得到CuNiCuNi 二元相圖。二元相圖。方法：方法：TT50%Ni 70%NiNi30%NiCutCu 30 50 70 N i T L配一系列不同成分的合金；配一系列不同成分的合金； w(Niw(Ni): 0% 30%

4、50% 70% 100%): 0% 30% 50% 70% 100%測出它們的冷卻曲線，得到臨界點；測出它們的冷卻曲線，得到臨界點；把這些點標(biāo)在把這些點標(biāo)在TT成分坐標(biāo)上；成分坐標(biāo)上；若三相共存：若三相共存： f =0，說明：不存在可變因素，三，說明：不存在可變因素，三 相平衡只能處于一條等溫線上。相平衡只能處于一條等溫線上。 由凝固開始溫度連接起來的相界線稱由凝固開始溫度連接起來的相界線稱液相線液相線由凝固終結(jié)溫度連接起來的相界線稱由凝固終結(jié)溫度連接起來的相界線稱固相線固相線由相界線劃分出來的區(qū)域稱由相界線劃分出來的區(qū)域稱相區(qū)相區(qū)。在二元相圖中，。在二元相圖中，有單相區(qū)和雙相區(qū)。根據(jù)相律可知

5、：有單相區(qū)和雙相區(qū)。根據(jù)相律可知：f = c p + 1 = 3 p在單相區(qū)內(nèi)：在單相區(qū)內(nèi)： f =2，說明：，說明：T、成分都能獨立變化、成分都能獨立變化。在兩相區(qū)內(nèi)：在兩相區(qū)內(nèi)： f =1，說明：只有一個獨立變量，說明：只有一個獨立變量，T變成分變；變成分變；T不變成分不變。不變成分不變。XA、XB：摩爾分?jǐn)?shù)；：摩爾分?jǐn)?shù)； 0A、0B：摩爾自由能；：摩爾自由能； R：氣體常數(shù)。：氣體常數(shù)。6.2 相圖熱力學(xué)的基本要點相圖熱力學(xué)的基本要點6.2.1 固溶體的自由能固溶體的自由能成分曲線成分曲線利用固溶體的準(zhǔn)化學(xué)模型利用固溶體的準(zhǔn)化學(xué)模型1.對混合焓對混合焓Hm作近似處理；作近似處理；2.混合

6、后的體積變化混合后的體積變化Vm=0；3.只考慮混合熵（排列方式不同引只考慮混合熵（排列方式不同引 起的），起的）， 不考慮振動熵（溫度引起的）。不考慮振動熵（溫度引起的）。 得固溶體的自由能為得固溶體的自由能為： G =XA0A +XB0B + XAXB + RT(XA lnXA + XBlnXB) G0 Hm TSm ：相互作用參數(shù)，表達(dá)式為：相互作用參數(shù)，表達(dá)式為： = N = NA AZeZeABAB（e eAAAA + e + eBBBB）/2 /2 N NA A：常數(shù)；：常數(shù)；Z Z：配位數(shù)；：配位數(shù)；e eABAB 、e eAAAA 、e eBBBB：結(jié)合能。：結(jié)合能。 可見：可

7、見：G G是是G G0 0，HHm m和和-TS-TSm m三項綜合的結(jié)果三項綜合的結(jié)果， 不同不同作出任意給定溫度下的作出任意給定溫度下的固溶體自由能固溶體自由能成成分曲線不同分曲線不同，見下圖。，見下圖。 (a) 0 (a) 0：eAB （eAA + eBB）/2，AB相互吸相互吸 引，形成引，形成 短程有序短程有序，此時，此時Hm0：eAB （eAA + eBB）/2，AB對結(jié)合不對結(jié)合不 穩(wěn)定，形成穩(wěn)定，形成偏聚狀態(tài)偏聚狀態(tài)，此時，此時Hm0。6.2.26.2.2多相平衡的公切線原理多相平衡的公切線原理 任一相的任一相的G-XG-X曲線曲線上上每一點的切線兩端分別與每一點的切線兩端分別

8、與縱坐標(biāo)軸相截?？v坐標(biāo)軸相截。 A A軸截距軸截距 A A為為A A組元組元在固在固溶體成分為切點成分時的溶體成分為切點成分時的化學(xué)勢化學(xué)勢。 B B軸截距軸截距 B B為為B B組元組元在固在固溶體成分為切點成分時的溶體成分為切點成分時的化學(xué)勢化學(xué)勢。圖圖6.4 6.4 兩相平衡的自兩相平衡的自 由能曲線圖由能曲線圖,兩相平衡時，熱力學(xué)條件為：兩相平衡時，熱力學(xué)條件為： A A = = A A B B = = B B 即兩組元在兩相中的化學(xué)勢相等。因此，即兩組元在兩相中的化學(xué)勢相等。因此，兩相兩相平衡時的成分平衡時的成分由兩相由兩相GxGx曲線的曲線的公切線確定公切線確定，見圖見圖6.46.

9、4。 圖圖6.5 6.5 二元系中三相平衡二元系中三相平衡時的自由能時的自由能- -成分曲線成分曲線 、三相平衡時，熱力學(xué)條件是：三相平衡時，熱力學(xué)條件是： A =A =A B =B =B三相的切線斜率相等，即為它們的公切線，切線所三相的切線斜率相等，即為它們的公切線，切線所示的成分表示示的成分表示、平衡時的成分切線，與平衡時的成分切線，與A、B軸軸的截距是的截距是A、B組元的化學(xué)勢，見圖組元的化學(xué)勢，見圖6.5。分析可知：分析可知：多相平衡時，利用公切線，可確定多相多相平衡時，利用公切線，可確定多相平衡時的成分及平衡時的成分及A、B組元的化學(xué)勢。組元的化學(xué)勢。由上面兩式可得：由上面兩式可得：

10、 = =212211nnxnxn212211nnGmnGmn11xxGmGmxxGmGm226.2.3 6.2.3 混合物的自由能和杠桿法則混合物的自由能和杠桿法則A A、B B兩組元形成兩組元形成 、 兩相兩相: : 相的量為相的量為n n1 1摩爾，摩爾自由能為摩爾，摩爾自由能為GmGm1 1 相的量為相的量為n n2 2摩爾，摩爾自由能為摩爾，摩爾自由能為GmGm2 2設(shè)設(shè) 相中相中B B組元的摩爾分?jǐn)?shù)為組元的摩爾分?jǐn)?shù)為x x1 1 相中相中B B組元的摩爾分?jǐn)?shù)為組元的摩爾分?jǐn)?shù)為x x2 2則混合物中則混合物中B B組元的摩爾分?jǐn)?shù)為：組元的摩爾分?jǐn)?shù)為：x =x = 而混合物的摩爾自由能為

11、：而混合物的摩爾自由能為：Gm =Gm = 此式表明：混合物的摩爾自由能此式表明：混合物的摩爾自由能GmGm與兩相與兩相 、 的摩爾自由能的摩爾自由能GmGm1 1、GmGm2 2在同一直線上，且在同一直線上，且x x位于位于x x1 1和和x x2 2之間，該直線為之間，該直線為 、 兩相平衡時的公切線，兩相平衡時的公切線，見下圖。見下圖。討論：討論：xxxx1 1時時,Gm,Gm GmGmGm , ,穩(wěn)定穩(wěn)定, ,體系處于單相體系處于單相 狀態(tài)。狀態(tài)。x x1 1xxxx2 2時時, ,（+）的）的GmGmGmGm 或或 GmGm , ,（+） 穩(wěn)定。穩(wěn)定。兩相平衡：兩相平衡：n n1 1

12、(x-x(x-x1 1) = n) = n2 2(x (x2 2-x) n-x) n1 1+ n+ n2 2= 1= 1x1 x x2n1 n2122xxxxn1 =121xxxxn2 =為為杠桿法則，杠桿法則，兩相的相對量隨成分兩相的相對量隨成分x x而變。而變。 根據(jù)根據(jù)二元系不同溫度下的二元系不同溫度下的自由能自由能成分成分曲線曲線可畫出二元系相圖可畫出二元系相圖。 見見圖圖6.76.7，根據(jù)公切線可求出體系在某一溫，根據(jù)公切線可求出體系在某一溫度下平衡相的成分。從度下平衡相的成分。從T1、T2、T3、T4、T5下的自由能下的自由能成分曲線可得成分曲線可得A A、B B兩組元完全兩組元完

13、全互溶的相圖?；ト艿南鄨D。圖圖6.76.7由一系列自由能曲線求得兩組元互相完全溶解的相圖由一系列自由能曲線求得兩組元互相完全溶解的相圖 圖圖6.86.8由由5 5個不同溫度下的個不同溫度下的自由能自由能成分曲線得成分曲線得A A、B B兩組兩組元形成的元形成的共晶系相圖共晶系相圖。 圖圖6.86.8由一系列自由能曲線求得兩組元組成共晶系的相圖由一系列自由能曲線求得兩組元組成共晶系的相圖圖圖6.96.9為包晶相圖與自由能為包晶相圖與自由能成分曲線的關(guān)系。成分曲線的關(guān)系。圖圖6.9 6.9 包晶相圖與自由能的關(guān)系包晶相圖與自由能的關(guān)系要求：要求： 已知自由能已知自由能成分曲線成分曲線相圖；相圖；

14、已知相圖已知相圖某一某一T T下，自由能下，自由能成分曲線。成分曲線。 練習(xí)：已知相圖如下，畫出練習(xí)：已知相圖如下，畫出T1T1、T2T2、T3T3、T4T4、 T5T5各溫度下的自由能各溫度下的自由能成分曲線。成分曲線。4. 4.兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與三相等溫線相交，其延長兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與三相等溫線相交，其延長線應(yīng)進(jìn)入兩相區(qū)。線應(yīng)進(jìn)入兩相區(qū)。6.2.5 6.2.5 二元相圖的幾何規(guī)律二元相圖的幾何規(guī)律(P259)(P259)1. 1.相圖中的相圖中的線線代表發(fā)生相轉(zhuǎn)變的代表發(fā)生相轉(zhuǎn)變的溫度溫度和平衡相的和平衡相的成分成分，且平衡相且平衡相成分沿線隨溫度變化成分沿線隨溫度變化。2.

15、2.兩個單相區(qū)之間一定有一個兩相區(qū)，兩個兩相區(qū)之兩個單相區(qū)之間一定有一個兩相區(qū)，兩個兩相區(qū)之間一定有一個單相區(qū)或三相水平線。即間一定有一個單相區(qū)或三相水平線。即相鄰相區(qū)的相鄰相區(qū)的相數(shù)差為相數(shù)差為（點接觸除外），稱為相區(qū)接觸法則。（點接觸除外），稱為相區(qū)接觸法則。3. 3.二元相圖中，二元相圖中，三相平衡為一條水平線三相平衡為一條水平線, , 表示為恒溫表示為恒溫反應(yīng)。點反應(yīng)。點平衡相成分。平衡相成分。 以以勻晶、共晶和包晶相圖勻晶、共晶和包晶相圖為主要研究對象，討論二為主要研究對象，討論二元系在平衡凝固和非平衡凝固下的成分與組織的關(guān)系。元系在平衡凝固和非平衡凝固下的成分與組織的關(guān)系。6.3.

16、1 6.3.1 勻晶相圖與固溶體凝固勻晶相圖與固溶體凝固 兩組元在液態(tài)、固態(tài)均能無限互溶兩組元在液態(tài)、固態(tài)均能無限互溶的二元系所組的二元系所組成的相圖。成的相圖。一一. 相圖分析相圖分析 由液相結(jié)晶出單相固溶體的過程由液相結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為稱為勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變。如：二元合金：如：二元合金：Cu-Ni，Au-Ag，Au-Pt。二元陶瓷。二元陶瓷NiO-CoO，CoO -MgO，NiO-MgO都只發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變。都只發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變。以以Cu-Ni二元合金相圖為例，見二元合金相圖為例，見圖圖6.12。 點：點： T TCuCu、T TNiNi分別為分別為CuCu、NiNi熔點。熔點。線：線： T

17、 TCuCuBTBTNiNi 為液相線。為液相線。 T TCuCuCTCTNiNi為固相線。為固相線。區(qū)：區(qū)： L L、L+L+、 圖圖6.12 Cu-Ni6.12 Cu-Ni相圖相圖30%N i合金合金 固溶體的結(jié)晶過程也是固溶體的結(jié)晶過程也是形核和長大形核和長大的過程。固溶體的過程。固溶體在形核時，即需要在形核時，即需要結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏（以滿足晶核大小超過一（以滿足晶核大小超過一定臨界值的要求），又需要定臨界值的要求），又需要能量起伏能量起伏（以滿足新相對（以滿足新相對形核功的要求），此外還需要形核功的要求），此外還需要成分起伏成分起伏（由于其結(jié)晶（由于其結(jié)晶時，結(jié)晶出的時，結(jié)晶出的 成分

18、與成分與L L成分不同）。成分不同）。 二二. 固溶體的平衡結(jié)晶固溶體的平衡結(jié)晶平衡結(jié)晶平衡結(jié)晶：在極緩慢冷卻條件下進(jìn)行的結(jié)晶。：在極緩慢冷卻條件下進(jìn)行的結(jié)晶。以含以含30%Ni30%Ni合金合金為例分析結(jié)晶過程：為例分析結(jié)晶過程： t1以上為以上為L； t1時，時，L ，成分分別為：，成分分別為：B、C。 t2時，成分為：時，成分為：E、F。 隨隨T，固溶體成分沿固相線變化固溶體成分沿固相線變化，液體成分沿液相液體成分沿液相線變化線變化。 t3時，結(jié)晶終了。得到與合金成分相同的固溶體。時，結(jié)晶終了。得到與合金成分相同的固溶體。 不平衡結(jié)晶不平衡結(jié)晶：偏離平衡條件的結(jié)晶偏離平衡條件的結(jié)晶。在實

19、際生。在實際生產(chǎn)中，由于冷卻速度較快，內(nèi)部原子的擴(kuò)散過產(chǎn)中，由于冷卻速度較快，內(nèi)部原子的擴(kuò)散過程落后于結(jié)晶過程，使合金的成分均勻化來不程落后于結(jié)晶過程，使合金的成分均勻化來不及進(jìn)行。因此，在結(jié)晶過程中，每一溫度下的及進(jìn)行。因此，在結(jié)晶過程中，每一溫度下的固溶體的平均成分都偏離相圖上固相線所對應(yīng)固溶體的平均成分都偏離相圖上固相線所對應(yīng)的成分，見下圖。的成分，見下圖。成分起伏成分起伏：在微小體積內(nèi)成分偏離平均成分的現(xiàn)象。：在微小體積內(nèi)成分偏離平均成分的現(xiàn)象。 固溶體合金的結(jié)晶特點固溶體合金的結(jié)晶特點： 1. 1. 異分結(jié)晶：結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同。異分結(jié)晶：結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同。

20、2. 2. 結(jié)晶需要一定的溫度范圍。結(jié)晶需要一定的溫度范圍。三三. 固溶體的不平衡結(jié)晶固溶體的不平衡結(jié)晶合金合金1 1：t t1 1時，時，1 1， LLLL1 1 t t2 2時，時， 2 22 2, L, L2 2LL2 2 t t3 3時，時， 3 33 3, L, L3 3LL3 3 t t4 4時，時， 4 44 4, L, L4 4LL4 4 消除方法：擴(kuò)散退火（在固相線以下較高溫度經(jīng)過消除方法：擴(kuò)散退火（在固相線以下較高溫度經(jīng)過長時間的保溫，使原子擴(kuò)散充分，使之轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饨M織）長時間的保溫，使原子擴(kuò)散充分，使之轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饨M織） 非平衡態(tài)凝固，先結(jié)晶的部分與后結(jié)晶的部分成非平衡態(tài)凝

21、固，先結(jié)晶的部分與后結(jié)晶的部分成分不同，這種：分不同，這種： 一個晶粒內(nèi)或一個枝晶間化學(xué)成分不同的現(xiàn)象一個晶粒內(nèi)或一個枝晶間化學(xué)成分不同的現(xiàn)象，叫叫枝晶偏析枝晶偏析或或晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析。各晶粒之間化學(xué)成分不均。各晶粒之間化學(xué)成分不均勻勻的現(xiàn)象叫的現(xiàn)象叫晶間偏析晶間偏析 。 偏析的大小取決于：偏析的大小取決于： 1 1）液相線與固相線間的水平距離）液相線與固相線間的水平距離( (成分間距成分間距)，先后，先后 結(jié)晶的成分差別結(jié)晶的成分差別，偏析嚴(yán)重。，偏析嚴(yán)重。 2 2）溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力）溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力，偏析，偏析。 3 3）冷卻速度）冷卻速度，偏析，偏析。一一. . 相圖分析（以相圖分析

22、（以PbSnPbSn為例，見下圖）為例，見下圖） 6.3.2 6.3.2 共晶相圖及其合金的結(jié)晶共晶相圖及其合金的結(jié)晶 兩組元在兩組元在液態(tài)時無限互溶液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限固溶固態(tài)時有限固溶或完或完全不溶，且全不溶，且發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相，形成共晶組織的二元系相圖。圖。11MEN水平線：水平線：共晶線共晶線。凡位于此線上的合金均發(fā)生。凡位于此線上的合金均發(fā)生共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)： LE TE M+N （共晶組織）（共晶組織）這種：這種：由固定成分的由固定成分的L中同時結(jié)晶出兩種成分、結(jié)構(gòu)中同時結(jié)晶出兩種成分、結(jié)構(gòu)均不同均不同 的固相反應(yīng)的固相反應(yīng)，稱為，稱為共晶反應(yīng)

23、共晶反應(yīng)。點：點： t tA：PbPb的熔點。的熔點。 t tB：SnSn的熔點。的熔點。 E E：共晶點。成分為：共晶點。成分為E E的合金為的合金為共晶合金共晶合金。 ：是：是SnSn溶于溶于PbPb的固溶體。的固溶體。 ：是：是PbPb溶于溶于SnSn的固溶體。的固溶體。線：線：AEBAEB：液相線液相線； AMENBAMENB：固相線固相線； MFMF：SnSn在在PbPb中的中的固溶度曲線固溶度曲線； NGNG：PbPb在在SnSn中的中的固溶度曲線固溶度曲線；室溫下，室溫下， 和和 的相對量，可用杠桿定律求出：的相對量，可用杠桿定律求出：w w = = 100% w100% w =

24、 = 100%100%FGG4FGF 4成分位于成分位于MEME之間的合金稱為之間的合金稱為亞共晶合金亞共晶合金。成分位于成分位于ENEN之間的合金稱為之間的合金稱為過共晶合金過共晶合金。區(qū)：區(qū)： 三個單相區(qū)：三個單相區(qū)：L L、 、 三個兩相區(qū)：三個兩相區(qū)：L+L+、L+L+、+二二. 典型合金的平衡結(jié)晶及組織典型合金的平衡結(jié)晶及組織1. W(Sn)共晶組織的量，使共晶組織中與先結(jié)共晶組織的量，使共晶組織中與先結(jié)晶相相同的那一相，依附在先結(jié)晶相上生長，剩下的另晶相相同的那一相，依附在先結(jié)晶相上生長，剩下的另一相則單獨在晶界處凝固，從而使共晶組織特征消失，一相則單獨在晶界處凝固，從而使共晶組織

25、特征消失，這種兩相分離的共晶稱為這種兩相分離的共晶稱為離異共晶離異共晶。2. 2. 離異共晶離異共晶 合金合金：快冷快冷，使先結(jié)晶出的，使先結(jié)晶出的成分偏離固相線，成分偏離固相線，沿虛線變化。當(dāng)冷到沿虛線變化。當(dāng)冷到2點時，還剩一部分液體，當(dāng)點時，還剩一部分液體，當(dāng)冷到共晶溫度以下時，剩余的冷到共晶溫度以下時，剩余的L 發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織。冷到成共晶組織。冷到3點點 以下時以下時L消失。此時，消失。此時，量量（+）量，（）量，（+）中的）中的依附在依附在上生長，上生長，被推被推向晶界處凝固，向晶界處凝固，產(chǎn)生了離異共晶產(chǎn)生了離異共晶。 離異共晶可以在平衡條件下獲得，也可

26、在不平離異共晶可以在平衡條件下獲得，也可在不平衡條件下獲得。如：衡條件下獲得。如：合金合金：緩冷緩冷得得+（+），），量量(+)量，使量，使（+）中的）中的依附在先結(jié)晶的依附在先結(jié)晶的上生長上生長,而而則存在則存在于晶界處，于晶界處，產(chǎn)生了離異共晶產(chǎn)生了離異共晶。一一. .相圖分析相圖分析 以以Pt-AgPt-Ag合金為例合金為例6.3.3 6.3.3 包晶相圖及其合金的結(jié)晶包晶相圖及其合金的結(jié)晶 兩組元液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限互溶，并發(fā)生兩組元液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限互溶，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元系相圖。包晶轉(zhuǎn)變的二元系相圖。這種：在一定的這種：在一定的T T下，由一定成分的固相與一定成下，

27、由一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另一個一定成分固相的反應(yīng)叫分的液相作用，形成另一個一定成分固相的反應(yīng)叫包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)。 點：點：A A：PtPt的熔點的熔點 B B：AgAg的熔點的熔點 P P：包晶點。具有：包晶點。具有D D點成分的合金為點成分的合金為包晶合金包晶合金。線：線：ACBACB：液相線：液相線 ADPBADPB：固相線：固相線 DEDE：AgAg溶于溶于PtPt的固溶度曲線的固溶度曲線 PFPF：PtPt溶于溶于AgAg的固溶度曲線的固溶度曲線 DPCDPC：水平線，叫包晶線，在此線上的合金均發(fā)生：水平線，叫包晶線，在此線上的合金均發(fā)生 包晶反應(yīng)包晶反應(yīng):L :LC

28、 C + + D D P P區(qū)：區(qū)： 三個單相區(qū)：三個單相區(qū)： L L、 、 ：AgAg溶于溶于PtPt中的固溶體。中的固溶體。 ：PtPt溶于溶于AgAg中的固溶體。中的固溶體。 三個兩相區(qū)：三個兩相區(qū)：L+L+、L+L+、+。1. 1. 包晶合金（合金包晶合金（合金）T TP P稍上，稍上，L L、 可用杠桿定律求出：可用杠桿定律求出： w wL L = = 100% w100% wa a = = 100%100%DCDPDCPC二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織2. 2. 過包晶合金（合金過包晶合金（合金）包晶反應(yīng)時有剩余包晶反應(yīng)時有剩余L L相相3. 3.

29、 亞包晶合金（合金亞包晶合金（合金） 包晶反應(yīng)時有剩余包晶反應(yīng)時有剩余 相相 包晶反應(yīng)：包晶反應(yīng)： Pt Pt L LPt PtPt L L中擴(kuò)散中擴(kuò)散 AgAg L LAg L LAg 中擴(kuò)散中擴(kuò)散 但實際中，但實際中，V V冷冷比較快，擴(kuò)散來不及進(jìn)行或比較快，擴(kuò)散來不及進(jìn)行或進(jìn)行不完全，因而得到不平衡組織。進(jìn)行不完全，因而得到不平衡組織。這種：由于包晶轉(zhuǎn)變不能充分進(jìn)行而產(chǎn)生的化這種：由于包晶轉(zhuǎn)變不能充分進(jìn)行而產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，稱為學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，稱為包晶偏析包晶偏析。消除方法消除方法：擴(kuò)散退火。：擴(kuò)散退火。 三、不平衡結(jié)晶及組織三、不平衡結(jié)晶及組織一般：一般： 固溶體擴(kuò)散固溶

30、體擴(kuò)散V V 液相中的擴(kuò)散液相中的擴(kuò)散V V，因而，因而包晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變V V是非常緩慢的。是非常緩慢的。6.3.4 6.3.4 其他類型的二元相圖其他類型的二元相圖 v1. 1. 具有化合物的二元相圖具有化合物的二元相圖va. a. 形成穩(wěn)定化合物的相圖形成穩(wěn)定化合物的相圖 沒有溶解度的化合物在相圖中是一條垂直線，可把他看作沒有溶解度的化合物在相圖中是一條垂直線，可把他看作一個獨立的組元把相圖分為兩個獨立部分。見圖一個獨立的組元把相圖分為兩個獨立部分。見圖7.37p2457.37p245。 MgMg2 2Si Si可看作一個獨立組元把可看作一個獨立組元把Mg-SiMg-Si相圖分為相圖分為M

31、g-MgMg-Mg2 2Si Si和和MgMg2 2Si-SiSi-Si兩個獨立二元相圖。兩個獨立二元相圖。 有溶解度的化合物在相圖中有一定的成分范圍，見有溶解度的化合物在相圖中有一定的成分范圍，見圖圖7.38p2457.38p245。 相有一定的成分范圍。從熔點作垂線也相有一定的成分范圍。從熔點作垂線也可把相圖分為兩個獨立相圖?？砂严鄨D分為兩個獨立相圖。 b. b. 形成不穩(wěn)定化合物的相圖形成不穩(wěn)定化合物的相圖 見圖7.39p246。不穩(wěn)定化合物KNa2加熱到6.9發(fā)生分解：KNa2 K+Na注意：不穩(wěn)定化合物不能作為組元將整個相圖劃分為兩部分。2. 2. 具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖具有偏晶轉(zhuǎn)變的相

32、圖v由一個液相由一個液相L L1 1分解為一個固相和另一個成分的液相分解為一個固相和另一個成分的液相L L2 2的恒溫的恒溫轉(zhuǎn)變，見圖轉(zhuǎn)變，見圖7.40p2467.40p246。在。在955955發(fā)生偏晶轉(zhuǎn)變：發(fā)生偏晶轉(zhuǎn)變： L L3636 Cu +L Cu +L8787v955955等溫線為偏晶線，等溫線為偏晶線，W(PbW(Pb)=36%)=36%的點為偏晶點。的點為偏晶點。3. 3. 具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖v由兩個成分不同的液相由兩個成分不同的液相L L1 1和和L L2 2相互作用形成一個固相，相互作用形成一個固相，見圖見圖7.41p2477.41p247。v在在asba

33、sb溫度發(fā)生合晶轉(zhuǎn)變：溫度發(fā)生合晶轉(zhuǎn)變： L L1a 1a + L + L2b2b s s4. 4. 具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖v由一個固相恒溫分由一個固相恒溫分解為一個液相和另解為一個液相和另一個固相。見圖一個固相。見圖7.42p247Fe-B7.42p247Fe-B相圖。相圖。v在在13811381發(fā)生熔晶發(fā)生熔晶轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變： + L + L5. 5. 具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元相圖具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元相圖v a. a. 具有固溶體多晶型具有固溶體多晶型轉(zhuǎn)變的相圖轉(zhuǎn)變的相圖v體系中組元有同素異構(gòu)體系中組元有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，形成的固溶體轉(zhuǎn)變時，形成的固溶體常有多晶型轉(zhuǎn)變。見圖常有多晶型轉(zhuǎn)變。

34、見圖7.43p248Fe-Ti7.43p248Fe-Ti相圖，相圖，F(xiàn)eFe、TiTi均發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，均發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，所以所以TiTi邊有邊有 相相 相相， FeFe邊有邊有 的固的固溶體多晶型轉(zhuǎn)變。溶體多晶型轉(zhuǎn)變。 vb. b. 具有共析轉(zhuǎn)變的相圖具有共析轉(zhuǎn)變的相圖 由一個固相在恒溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗鈨蓚€固相。見由一個固相在恒溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗鈨蓚€固相。見圖圖7.44 7.44 p248Cu-Snp248Cu-Sn相圖，有四個共析轉(zhuǎn)變：相圖，有四個共析轉(zhuǎn)變： : : + + ： + + ： + + ： + +vc. c. 具有包析轉(zhuǎn)變的相圖具有包析轉(zhuǎn)變的相圖 一個固相與另一個固相反應(yīng)形成第三個

35、固相的恒溫反應(yīng)。一個固相與另一個固相反應(yīng)形成第三個固相的恒溫反應(yīng)。見見圖圖7.44 7.44 p248 Cu-Snp248 Cu-Sn相圖，有兩個包析轉(zhuǎn)變相圖，有兩個包析轉(zhuǎn)變: : : : + : : +vd. d. 具有脫溶過程的相圖具有脫溶過程的相圖 固溶體的固溶度固溶體的固溶度TT而不斷減少的過程。見而不斷減少的過程。見圖圖7.447.44左下左下角。角。 的最大溶解度在的最大溶解度在350350為為11%Sn11%Sn，隨，隨TT而而。 圖圖7.44 Cu-Sn7.44 Cu-Sn相圖相圖6.3.5 6.3.5 復(fù)雜二元相圖的分析方法復(fù)雜二元相圖的分析方法v先看相圖中是否有穩(wěn)定的化合物

36、，如有，把相先看相圖中是否有穩(wěn)定的化合物，如有，把相圖分為幾個區(qū)域分析。圖分為幾個區(qū)域分析。v根據(jù)相區(qū)接觸法則，區(qū)別各相區(qū)。根據(jù)相區(qū)接觸法則，區(qū)別各相區(qū)。v找出三相共存水平線，分析恒溫轉(zhuǎn)變類型，見找出三相共存水平線，分析恒溫轉(zhuǎn)變類型，見表表7.1 7.1 p250p250。 v應(yīng)用相圖分析可分析合金隨應(yīng)用相圖分析可分析合金隨T T改變而發(fā)生相變和改變而發(fā)生相變和組織變化，用杠桿法則可求出兩相的相對量。組織變化，用杠桿法則可求出兩相的相對量。v相圖只給出體系在平衡條件下存在的相和相對相圖只給出體系在平衡條件下存在的相和相對量。量。v可用相律來判斷相圖的建立是否有誤?？捎孟嗦蓙砼袛嘞鄨D的建立是否有

37、誤。 表表7.1 7.1 二元系各類恒溫轉(zhuǎn)變圖型二元系各類恒溫轉(zhuǎn)變圖型1. 1.已知已知A A（熔點（熔點600600）與）與B B（熔點（熔點500500）在液態(tài)）在液態(tài)無限互溶，在無限互溶，在300300時時A A溶于溶于B B的最大溶解度為的最大溶解度為30%30%，室溫時為，室溫時為10%10%，但，但B B不溶于不溶于A A；在；在300300時時含含40%B40%B的液態(tài)合金發(fā)生共晶反應(yīng)，現(xiàn)要求：的液態(tài)合金發(fā)生共晶反應(yīng)，現(xiàn)要求： 作出作出A-BA-B合金相圖；合金相圖； 分析分析20%A20%A，45%A45%A，80%A80%A合金的結(jié)晶過程，合金的結(jié)晶過程，并并 確定室溫下組織

38、及相組成物的相對量。確定室溫下組織及相組成物的相對量。2 2. .一個二元共晶反應(yīng)如下：一個二元共晶反應(yīng)如下：L(75%B) L(75%B) (15%B)+ (95%B)(15%B)+ (95%B)求：求：含含50%B50%B的合金凝固后：的合金凝固后：a. a. 初晶初晶 與共晶體（與共晶體（+）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 （w w =42%=42%，w w（+）=58%=58%）b.b.相與相與 相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 （w w =56%=56%，w w =44% =44% ） 若共晶反應(yīng)后若共晶反應(yīng)后 初晶初晶和（和（+）共晶共晶各占一半，各占一半， 問該合金成分如何？問該合金成分

39、如何？ （85%B85%B）1. 1.根據(jù)相圖判斷合金的使用性能（見圖根據(jù)相圖判斷合金的使用性能（見圖7.47 P280)7.47 P280)相圖與合金硬度、強(qiáng)度及電導(dǎo)率之間的關(guān)系相圖與合金硬度、強(qiáng)度及電導(dǎo)率之間的關(guān)系6.3.5 6.3.5 根據(jù)相圖推測合金的性能根據(jù)相圖推測合金的性能 形成兩相混合物的合金，性能是兩組成相性形成兩相混合物的合金，性能是兩組成相性能的平均值（性能與成分呈線性變化）。固溶體能的平均值（性能與成分呈線性變化）。固溶體的性能隨合金成分呈曲線變化。的性能隨合金成分呈曲線變化。共晶合金：共晶合金： 熔點低，流動性好，易形成集中熔點低，流動性好，易形成集中 縮孔，合金致密，

40、鑄造性能好?？s孔，合金致密，鑄造性能好。固溶體合金：強(qiáng)度低，塑性好，變形均勻，壓固溶體合金：強(qiáng)度低，塑性好，變形均勻，壓 力加工性能好。力加工性能好。2. 2.根據(jù)相圖判別合金的工藝性能根據(jù)相圖判別合金的工藝性能( (見圖見圖7.48 P281)7.48 P281)相圖與流動性、縮孔性之間的關(guān)系相圖與流動性、縮孔性之間的關(guān)系(1)(1)相圖分析：相圖分析： 6.3.6 6.3.6 二元相圖實例分析二元相圖實例分析1.SiO1.SiO2 2-Al-Al2 2O O3 3系相圖系相圖 它對陶瓷和耐火材料的研究十分重要，見下圖。它對陶瓷和耐火材料的研究十分重要，見下圖。有三個化合物：有三個化合物：A

41、l2O3：熔點：熔點：2054; SiO2：熔點：熔點：1726; 莫來石莫來石(A3S2)：熔點：熔點：1828。有兩個恒溫轉(zhuǎn)變：有兩個恒溫轉(zhuǎn)變： 共晶轉(zhuǎn)變：共晶轉(zhuǎn)變：L 1587 SiO2 +莫來石莫來石 包晶轉(zhuǎn)變：包晶轉(zhuǎn)變：L + Al2O3 1828 莫來石莫來石 (2) (2) 結(jié)晶過程分析：結(jié)晶過程分析： a、w w（AlAl2 2O O3 3）10% 10% 的陶瓷（亞共晶）的陶瓷（亞共晶） b b、w w（AlAl2O O3）=10% =10% 的陶瓷（共晶）的陶瓷（共晶） 共晶體中兩相相對量可采用杠桿法則計算。共晶體中兩相相對量可采用杠桿法則計算。 SiOSiO2%= %=

42、100%=86%100%=86% Mullite Mullite%= %= 100%=14%100%=14% 共晶轉(zhuǎn)變后隨共晶轉(zhuǎn)變后隨TSiOTSiO2 2同分異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同分異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 c c、10% w（Al2O3）55% 的陶瓷（過共晶）的陶瓷（過共晶）0721072072010d d、55%w55%w（AlAl2 2O O3 3）72% 72% 的陶瓷見圖（的陶瓷見圖（d d）e e、72% w72% w（AlAl2 2O O3 3）78% 78% 78%的陶瓷。的陶瓷。見圖（見圖（f）5510075100 在在SiOSiO2 2-Al-Al2 2O O3 3二元系中，不同的二元系中，不

43、同的AlAl2 2O O3 3含量對含量對應(yīng)常用的耐火材料制品：硅磚應(yīng)常用的耐火材料制品：硅磚w w（AlAl2 2O O3 3）為）為0.20.21.0%1.0%，粘土磚為，粘土磚為353550%50%，高鋁磚為，高鋁磚為606090%90%。2. 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 研究鐵與碳的相互作用，以便認(rèn)識鐵碳合金的研究鐵與碳的相互作用，以便認(rèn)識鐵碳合金的本質(zhì)，了解鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系。本質(zhì)，了解鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系。 Fe與與C可形成一系列化合物，實際應(yīng)用含可形成一系列化合物，實際應(yīng)用含C量量不超過不超過5%，所以只研究，所以只研究Fe-Fe3C部分。部分。 (1)

44、Fe-Fe3C相圖相圖 (2) (2) 組元組元1) 1) 純鐵純鐵 熔點熔點15381538，具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，使其能合金，具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，使其能合金化和熱處理?；蜔崽幚?。 性能性能：硬度低、塑性好。：硬度低、塑性好。 HB50HB5080,=3080,=3050%50%。2) 2) 滲碳體滲碳體 滲碳體是鐵與碳形成的間隙化合物，含碳量為滲碳體是鐵與碳形成的間隙化合物，含碳量為6.69%6.69%，熔點，熔點12271227。 性能性能：硬而脆，塑性幾乎為零。：硬而脆，塑性幾乎為零。 HB800,0HB800,0。 （3 3）基本相）基本相1) 1) 液相（液相（L L）：）：FeFe、

45、C C的液溶體。的液溶體。2) 2) 相：相：C C溶于溶于-Fe-Fe中形成的間隙固溶體，存在于中形成的間隙固溶體，存在于高溫，又稱高溫，又稱 鐵素體鐵素體。C Cmaxmax%=0.09% %=0.09% 3) 3) 相：相：C C溶于溶于-Fe-Fe中形成的間隙固溶體，稱中形成的間隙固溶體，稱奧氏奧氏體體。用。用 或或A A表示表示。C Cmaxmax%=2.11% %=2.11% 4) 4) 相：相：C C溶于溶于-Fe-Fe中形成的間隙固溶體，稱中形成的間隙固溶體，稱鐵素鐵素體體。用。用 或或F F表示。表示。C Cmaxmax%=0.0218% %=0.0218% 5) Fe5)

46、Fe3 3C C相：它是相：它是FeFe與與C C形成的間隙化合物，也叫形成的間隙化合物，也叫滲碳體滲碳體，含碳量，含碳量6.69%6.69%。 FeFe3 3C C：從：從L L中直接結(jié)晶出中直接結(jié)晶出的的FeFe3 3C C。 FeFe3 3C C：從：從A A中沿晶界析出中沿晶界析出的的FeFe3 3C C。 FeFe3 3C C：從：從F F中沿晶界析出中沿晶界析出的的FeFe3 3C C。 FeFe3 3C C共晶共晶：共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)得到的得到的FeFe3 3C C。 FeFe3 3C C共析共析：共析反應(yīng)共析反應(yīng)得到的得到的FeFe3 3C C。 它們的本質(zhì)是一樣的，只是形狀不同

47、它們的本質(zhì)是一樣的，只是形狀不同。FeFe3 3C C按其來源不同，可分為：按其來源不同，可分為：（4 4） Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖分析相圖分析 1) 點點: A、D、J、C、S、E。2) 區(qū)：五個單相區(qū)：五個單相區(qū)：區(qū)：L Fe3C 七個雙相區(qū)：七個雙相區(qū)：L+ L+ L+ Fe3C + + + Fe3C + Fe3C 3) 線：線： ABCD : 液相線液相線 AHJECF : 固相線固相線 三條水平線三條水平線 HJB HJB 包晶轉(zhuǎn)變線，在包晶轉(zhuǎn)變線，在14951495恒溫下，發(fā)生恒溫下，發(fā)生 包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)： L LB B + +H H 14951495 J JECF

48、 ECF 共晶轉(zhuǎn)變線，在共晶轉(zhuǎn)變線，在11481148恒溫下，發(fā)生恒溫下，發(fā)生 共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)： L LC C 11481148 ( (E E + Fe + Fe3 3C) C) L Ld d 共晶轉(zhuǎn)變所形成的奧氏體和滲碳體的混共晶轉(zhuǎn)變所形成的奧氏體和滲碳體的混合物稱為合物稱為萊氏體萊氏體，用符號，用符號L Ld d表示。表示。 PSK PSK 共析轉(zhuǎn)變線，在共析轉(zhuǎn)變線，在727727恒溫下，發(fā)恒溫下，發(fā)生生共析反應(yīng)共析反應(yīng)： S S 727727 ( (P P + Fe + Fe3 3C)C) P P 共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為珠光體珠光體，用，用P P表示，表示，此線常用此線常

49、用A A1 1表示。表示。 三條析出線三條析出線： CDCD線：是線：是C C在在L L中的固溶度曲線，當(dāng)中的固溶度曲線，當(dāng)T T低于此低于此 線時從線時從L L中結(jié)晶出中結(jié)晶出FeFe3 3C C，此線為，此線為一次一次 滲碳體的開始析出線滲碳體的開始析出線。 ESES線：是線：是C C在在A A中的固溶度曲線，當(dāng)中的固溶度曲線，當(dāng)T T低于此低于此 線時，要從線時，要從A A中析出中析出FeFe3 3C C，此線是，此線是二二 滲碳體的開始析出線滲碳體的開始析出線，也叫，也叫AcmAcm線。線。 PQPQ線：是線：是C C在在F F中的固溶度曲線，隨中的固溶度曲線，隨TT從從F F中中 析

50、出析出FeFe3 3C C，此線為，此線為三次滲碳體的開始三次滲碳體的開始 析出線析出線。 （5 5） 鐵碳合金分類鐵碳合金分類 1) 1)工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵： C0.0218%C0.0218%的的FeFe、C C合金。合金。2) 2)碳鋼碳鋼：0.0218% C 2.11% 0.0218% C 2.11% 的的FeFe、C C合金。合金。 亞共析鋼亞共析鋼 0.02180.02180.77%0.77% 共析鋼共析鋼 0.77%0.77% 過共析鋼過共析鋼 0.770.772.11%2.11%3) 3)白口鑄鐵白口鑄鐵：2.11% C 6.69%2.11% 0.9%0.9%時，時，F(xiàn)eFe3 3

51、C C在晶界處形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)。在晶界處形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)。 、 K K 隨隨C%C%而而。含碳量對工藝性能的影響含碳量對工藝性能的影響v切削加工性切削加工性：低碳，軟，粘刀。：低碳，軟，粘刀。 高碳，硬，磨刀。高碳，硬，磨刀。 中碳中碳，適中，適中，切削性好切削性好。v鍛造性鍛造性：低低C C鋼鍛造性好鋼鍛造性好，隨，隨C%C%，鍛，鍛造造 性變差。性變差。v鑄造性鑄造性：共晶合金鑄造性好共晶合金鑄造性好。流動性流動性 好，縮孔集中。好，縮孔集中。 6.4 6.4 二元合金的凝固理論二元合金的凝固理論 主要討論二元合金在主要討論二元合金在勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變和和共晶共晶轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變中的凝固理論，在此基礎(chǔ)上簡述

52、中的凝固理論，在此基礎(chǔ)上簡述鑄錠鑄錠的組織及缺陷的組織及缺陷。6.4.1 6.4.1 固溶體的凝固理論固溶體的凝固理論正常凝固正常凝固 由于二元合金中第二組元的加入，由于二元合金中第二組元的加入，溶質(zhì)溶質(zhì)原原子要在液、固兩相發(fā)生子要在液、固兩相發(fā)生重新分布重新分布，重新分布的，重新分布的程度程度用平衡分配系數(shù)用平衡分配系數(shù)k k0 0表示表示。k k0 0=W=WS S/W/WL L即平衡凝即平衡凝固時固時固相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比固相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比。討論：討論： k k0 0=W=WS S/W/WL Lk k0 011：WsWWs11：WsWWsWL L，表示隨溶質(zhì)表

53、示隨溶質(zhì)，合金凝固，合金凝固T T開始開始和和T T終結(jié)終結(jié) 見圖（見圖（b b）。）。 k k0 011：表示合金凝固時重新分布的溶質(zhì)成分與原：表示合金凝固時重新分布的溶質(zhì)成分與原 合金成分接近，即重新分布的程度小。合金成分接近，即重新分布的程度小。 以以k k0 011的合金為例，看一下的合金為例，看一下正常凝固正常凝固過程。將過程。將成分為成分為WW0 0溶液置于圓棒形錠內(nèi)，溶液置于圓棒形錠內(nèi)，定向凝固定向凝固。見圖長。見圖長度為度為L L的圓棒形錠子的圓棒形錠子(a)(a)和平衡冷卻示意圖和平衡冷卻示意圖(b)(b)。 v平衡凝固平衡凝固： 固相成分是均勻的，沿固相線變化凝固終結(jié)固相成

54、分是均勻的，沿固相線變化凝固終結(jié)時，固相成分時，固相成分WsWs等于原合金成分等于原合金成分WW0 0。v非平衡凝固非平衡凝固：固相成分隨凝固距離：固相成分隨凝固距離x x而變化。其變化規(guī)而變化。其變化規(guī)律為：律為： s s = k = ko o o o（1 - 1 - ）ko-1ko-1 稱為稱為正常凝固方程正常凝固方程。表示固相的質(zhì)量濃度隨凝固距離。表示固相的質(zhì)量濃度隨凝固距離x x的的變化規(guī)律。變化規(guī)律。 式中式中 s s ：固相的質(zhì)量濃度。：固相的質(zhì)量濃度。 o o ：原合金的質(zhì)量濃度：原合金的質(zhì)量濃度 k ko o ：平衡分配系數(shù)。：平衡分配系數(shù)。 x x ：已凝固距離：已凝固距離

55、L L ：錠長：錠長Lxv固溶體經(jīng)正常凝固后，固溶體經(jīng)正常凝固后，整個錠子的質(zhì)量濃度整個錠子的質(zhì)量濃度分布見右圖，它符合分布見右圖，它符合一般鑄錠中濃度分布，一般鑄錠中濃度分布，因此稱為因此稱為正常凝固正常凝固。v質(zhì)量濃度由錠表面向質(zhì)量濃度由錠表面向中心逐漸增加的不均中心逐漸增加的不均勻分布稱為勻分布稱為正偏析正偏析，用擴(kuò)散退火也難消除。用擴(kuò)散退火也難消除。 正常凝固正常凝固是將質(zhì)量濃度為是將質(zhì)量濃度為 o o的固溶體合金，的固溶體合金，整體整體融化融化定向凝固定向凝固。 區(qū)域熔煉區(qū)域熔煉是將質(zhì)量濃度為是將質(zhì)量濃度為 o o的固溶體合金，的固溶體合金，局部局部融化融化局部凝固局部凝固。以這種方

56、式進(jìn)行，其溶質(zhì)濃。以這種方式進(jìn)行，其溶質(zhì)濃度隨距離的變化又是如何？經(jīng)度隨距離的變化又是如何？經(jīng)一次區(qū)域熔煉一次區(qū)域熔煉后后溶質(zhì)質(zhì)量濃度隨凝固距離的變化規(guī)律為：溶質(zhì)質(zhì)量濃度隨凝固距離的變化規(guī)律為： s s=o o1 -1 -（1 - k1 - ko o）e e 稱為稱為區(qū)域熔煉方程區(qū)域熔煉方程。表示經(jīng)。表示經(jīng)一次區(qū)域熔煉后一次區(qū)域熔煉后隨凝隨凝固距離變化的固溶體質(zhì)量濃度，它只適用于一固距離變化的固溶體質(zhì)量濃度，它只適用于一次區(qū)域熔煉。次區(qū)域熔煉。 2. 2.區(qū)域熔煉區(qū)域熔煉lxko對多次區(qū)域熔煉后溶質(zhì)分布見下圖對多次區(qū)域熔煉后溶質(zhì)分布見下圖 由圖可知：當(dāng)由圖可知：當(dāng)koko11時，凝固時，凝固前

57、端前端部分的部分的溶質(zhì)濃溶質(zhì)濃度度不斷不斷降低降低，后段后段部分不斷的部分不斷的富集富集，這使固溶，這使固溶體經(jīng)體經(jīng)區(qū)域熔煉后區(qū)域熔煉后的的前端前端因溶質(zhì)的減少而得到因溶質(zhì)的減少而得到提提純純，因此，因此區(qū)域熔煉區(qū)域熔煉又稱為又稱為區(qū)域提純區(qū)域提純。 區(qū)域提純區(qū)域提純是應(yīng)用固溶體凝固理論的一個突出是應(yīng)用固溶體凝固理論的一個突出成就。成就。區(qū)域熔化區(qū)域熔化是通過固定的感應(yīng)加熱器來加熱是通過固定的感應(yīng)加熱器來加熱移動的圓棒來實現(xiàn)的。移動的圓棒來實現(xiàn)的。正常凝固與區(qū)域熔煉比較正常凝固與區(qū)域熔煉比較：正常凝固也能起到提純的作用，但整體熔化破壞正常凝固也能起到提純的作用，但整體熔化破壞了前次提純的效果，

58、所以了前次提純的效果，所以用正常凝固方法提純固用正常凝固方法提純固溶體遠(yuǎn)不如用區(qū)域熔煉方法溶體遠(yuǎn)不如用區(qū)域熔煉方法。區(qū)域提純裝置區(qū)域提純裝置見下圖見下圖 (1)(1)成分過冷的形成成分過冷的形成 固溶體合金凝固時，由于液相中溶質(zhì)分布發(fā)生固溶體合金凝固時，由于液相中溶質(zhì)分布發(fā)生變化而改變了凝固溫度，它可由相圖中的液相線變化而改變了凝固溫度，它可由相圖中的液相線來確定，因此，來確定，因此，將界面前沿液體中的實際溫度低將界面前沿液體中的實際溫度低于由溶質(zhì)分布所決定的凝固溫度時產(chǎn)生的過冷，于由溶質(zhì)分布所決定的凝固溫度時產(chǎn)生的過冷，叫叫成分過冷成分過冷。它。它能否產(chǎn)生取決于能否產(chǎn)生取決于液固界面前沿液固

59、界面前沿液體中的溶質(zhì)濃度分布和實際溫度分布液體中的溶質(zhì)濃度分布和實際溫度分布。下圖為。下圖為k ko o11時合金時合金產(chǎn)生成分過冷產(chǎn)生成分過冷示意圖，示意圖，P298P298。3. 3. 合金凝固中的成分過冷合金凝固中的成分過冷 圖圖a a：WoWo成分固溶體合金定向凝固；圖成分固溶體合金定向凝固；圖b b：為：為L L中實際溫度分布；中實際溫度分布；圖圖c c：為固液界面前沿溶質(zhì)濃度分布；圖：為固液界面前沿溶質(zhì)濃度分布；圖d d：為邊界層中的平衡：為邊界層中的平衡結(jié)晶溫度與距離的變化關(guān)系；將圖結(jié)晶溫度與距離的變化關(guān)系；將圖b b和和d d結(jié)合在一起，就構(gòu)成圖結(jié)合在一起，就構(gòu)成圖e e。 純

60、金屬晶體的形態(tài)主要受純金屬晶體的形態(tài)主要受T T梯度的影梯度的影響響（正溫度梯度以平面方式長大，負(fù)溫（正溫度梯度以平面方式長大，負(fù)溫度梯度以枝晶方式長大）。度梯度以枝晶方式長大）。 固溶體合金的形態(tài)，除了受固溶體合金的形態(tài)，除了受T T梯度影響梯度影響外，主要受成分過冷的影響。外，主要受成分過冷的影響。下圖為溫下圖為溫度梯度及成分過冷對晶體生長形態(tài)的影度梯度及成分過冷對晶體生長形態(tài)的影響。響。(2)(2)成分過冷對晶體生長形態(tài)的影響成分過冷對晶體生長形態(tài)的影響L-L-界面前沿界面前沿沒有成分過冷沒有成分過冷，晶，晶體呈體呈平面生長平面生長。長大速度完全。長大速度完全由散熱條件控制。由散熱條件控