《工程材料》合金的結(jié)晶

3.2.1二元合金相圖的建立名稱A金屬B金屬晶格類型bccbcc熔點高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%3.2合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶過程比純金屬復雜，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（℃）CuNiCu-Ni合金相圖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。熱分析法相圖的建立時間溫度90705030AB溫度A溫度B溫度abab:液相線ab

:固相線LL+SSL:液相區(qū)S:固相區(qū)L+S:液固共存區(qū)AB溫度TLTSTnbacABabLS溫度3.2.2二元合金相圖的基本類型（一）勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固態(tài)均無限互溶的二元合金系所形成的相圖。（如Cu-NiCu-AuAu-AgFe-Ni等）a、b：純組元A、B的熔點液相線：acb固相線：adb兩個單相區(qū)：L、α一個兩相區(qū)：L+α1、相圖分析銅-鎳合金勻晶相圖CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+純銅熔點純鎳熔點液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)銅鎳合金相圖相區(qū)分析

相圖分析(點、線、區(qū))

兩點：純組元的熔點兩線：L,S相線三區(qū)：L,α,L+α。2、平衡結(jié)晶過程分析相圖由兩條線構(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LL+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。勻晶反應成分變化是通過原子擴散完成的。當合金冷卻到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。

杠桿定律處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量。現(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導杠桿定律：①確定兩平衡相的成分：設合金成分為x，過x做成分垂線。在成分垂線相當于溫度t

的o點作水平線，其與液固相線交點a、b所對應的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。12t則

QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程組得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的長度。②確定兩平衡相的相對重量設合金的重量為1，液相重量為QL，固相重量為Q。因此兩相的相對重量百分比為：兩相的重量比為：上式與力學中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠的成分線段之比。在杠桿定律中，杠桿的支點是合金的成分，杠桿的端點是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相區(qū)。例（如圖）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)。

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，而且與液固相線的間距有關。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、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。Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織平衡組織枝晶偏析組織2、二元共晶相圖當兩組元在液態(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（℃）PbSn共晶反應⑴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。。

⑤共晶線：水平線CED叫做共晶線。在共晶線對應的溫度下（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。L+CDAB共晶反應的產(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⑵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：LE?(C+D)

。19.2wt%Sn溫度,℃1’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。共晶組織形態(tài)

層片狀(Al-CuAl2定向凝固)條棒狀(Sb-MnSb橫截面)螺旋狀（Zn-Mg）Pb-Sn共晶組織共晶組織形態(tài)針狀共晶樹枝狀共晶放射狀共晶螺旋狀共晶在共晶轉(zhuǎn)變過程中，L、

、三相共存,三個相的量在不斷變化，但它們各自成分是固定的。共晶組織中的相稱共晶相.共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時，和相的相對重量百分比為：E(61.9)D(97.5)C(19.2)共晶結(jié)束后，隨溫度下降，和的成分分別沿CF線和DG線變化，并從共晶

中析出Ⅱ

，從共晶中析出Ⅱ

，由于共晶組織細，Ⅱ與共晶結(jié)合，

Ⅱ與共晶

結(jié)合，共晶合金的室溫組織仍為(+)共晶體。室溫下兩相的相對重量百分比是多少？Pb-Sn共晶合金組織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：

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。Pb-Sn合金的結(jié)晶過程共晶白口鑄鐵結(jié)晶亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶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3、二元共析相圖

高溫形成的固溶體，在冷卻至某一溫度時，固溶體又將發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成兩種成分一定且不相同的新的固相。這種相圖稱為二元共析相圖。共析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，由成分一定的固相同時析出兩種成分一定且不相同的新固相的轉(zhuǎn)變，稱為共析轉(zhuǎn)變（或共析反應）。cd+e恒溫共析反應共析相圖與共晶相圖相似，對應的有共析線(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)。鐵碳合金相圖共析鋼結(jié)晶LL＋+時間溫度LL(+)1231233’共析轉(zhuǎn)變示意圖共析反應的產(chǎn)物是共析體（鐵碳合金中的共析體稱珠光體），也是兩相的機械混合物（鐵素體+滲碳體)。與共晶反應不同的是，共析反應的母相是固相，而不是液相。另外，由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過冷度大，因而共析組織比共晶組織細。珠光體二元相圖的分析步驟實際二元相圖往往比較復雜，可按下列步驟進行分析。⒈分清相圖中包括哪些基本類型相圖⒉確定相區(qū)⑴相區(qū)接觸法則相鄰兩個相區(qū)的相數(shù)差為1⑵單相區(qū)的確定①液相線以上為液相區(qū)；Fe-Fe3C相圖②

靠純組元的封閉區(qū)是以該組元為基單相固溶體區(qū)；③

相圖中的垂線可能是穩(wěn)定化合物（單相區(qū)），也可能是相區(qū)分界線；④

相圖中部出現(xiàn)的成分可變的單相區(qū)是以化合物為基的單相固溶體區(qū)；⑤

相圖中每一條水平線必定與三個單相區(qū)點接觸。Cu-Zn相圖+⑶兩相區(qū)的確定：兩個單相區(qū)之間夾有一個兩相

區(qū)，該兩相區(qū)的相由兩相鄰單相區(qū)的相組成。⑷三相區(qū)的確定：二元相圖中的水平線是三相區(qū)，其三個相由與該三相區(qū)點