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5/23/20231第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五上講內(nèi)容回顧基本概念：合金、組元、合金系、相、組織合金的相結(jié)構(gòu)合金中相的分類固溶體金屬化合物影響相結(jié)構(gòu)的因素負(fù)電性因素原子尺寸因素電子濃度因素5/23/2023第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五§3-1合金的相結(jié)構(gòu)§3-2二元合金相圖的建立§3-3勻晶相圖§3-4共晶相圖§3-5包晶相圖§3-6其它類型相圖§3-7二元相圖的分析與使用第三章二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶5/23/2023第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五§3-2二元合金相圖的建立主要內(nèi)容一、相圖的基本知識（基礎(chǔ)、掌握）二、二元相圖的建立（掌握）三、相律（重點(diǎn)掌握）返回5/23/2023第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五一、相圖的基本知識相變：相與相之間的轉(zhuǎn)變稱為相變。狀態(tài)：在一定的條件下，合金由哪些相組成，各組成相的成分及比例等稱合金在該條件下的相狀態(tài)。相圖：表示合金系在平衡條件下成分、溫度與各相關(guān)系的圖解。又稱平衡圖、狀態(tài)圖或平衡狀態(tài)圖。所謂平衡是指在一定條件下合金系中參與相變過程的各相的成分和相對重量不再變化所達(dá)到的一種狀態(tài)。此時(shí)合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時(shí)間而改變。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)晶過程，一般可以認(rèn)為是平衡的結(jié)晶過程。5/23/2023第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五純金屬的結(jié)晶過程可用一條冷卻曲線表示，如純鐵的冷卻曲線，冷卻曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折或水平臺階說明有相的變化。這樣一個(gè)溫度軸就把相隨溫度的變化表示清楚了，這種反應(yīng)金屬化學(xué)成分、溫度與相的狀態(tài)的圖就是純金屬的相圖，如圖3-4所示。圖3-4純金屬結(jié)晶冷卻曲線TmTn5/23/2023第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五在常壓下，二元合金的相狀態(tài)決定于溫度和成分。因此二元合金相圖可用溫度—成分坐標(biāo)系的平面圖來表示。圖3-5為Cu-Ni二元合金相圖，它是一種最簡單的基本相圖。圖3-5Cu-Ni相圖

圖中的任一點(diǎn)稱為表象點(diǎn)，表示一定成分的合金在一定溫度時(shí)的穩(wěn)定相狀態(tài)。例如，A點(diǎn)表示含30%Ni的銅鎳合金在1200℃時(shí)處于L＋α兩相狀態(tài)；B點(diǎn)表示，含60%Ni的銅鎳合金在1000℃時(shí)處于單一α固相狀態(tài)。返回5/23/2023第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五二、二元相圖的建立合金發(fā)生相變時(shí)，必然伴隨有物理、化學(xué)性能的變化，因此測定發(fā)生性能變化的溫度和成分范圍，可以確定不同相存在的溫度和成分界限，從而建立相圖。相圖的建立實(shí)驗(yàn)測定和熱力學(xué)計(jì)算兩種方法，目前，合金狀態(tài)圖主要是通過實(shí)驗(yàn)測定的，且測定合金狀態(tài)圖的方法很多（如熱分析法、金相法、膨脹法、電阻法、磁性法、X射線結(jié)構(gòu)分析法等），但應(yīng)用最多的是熱分析法。5/23/2023第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五下面以銅鎳合金系為例，介紹用熱分析法建立相圖的過程。步驟一：配制系列成分的銅鎳合金例如：合金Ⅰ純Cu

合金Ⅱ75%Cu＋25%Ni

合金Ⅲ50%Cu＋50%Ni

合金Ⅳ25%Cu＋75%Ni

合金Ⅴ純Ni5/23/2023第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五步驟二：測出每個(gè)合金的冷卻曲線，找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)（轉(zhuǎn)折點(diǎn)或平臺）的溫度（圖3-6）；

溫度T/℃wNi0%25%75%50%100%時(shí)間t/s圖3-6用熱分析法建立Cu-Ni相圖108314525/23/2023第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五步驟三：在溫度—成分坐標(biāo)系中各合金成分垂線上標(biāo)出臨界點(diǎn)溫度畫（圖3-6）；

圖3-6用熱分析法建立Cu-Ni相圖溫度T/℃wNi0%25%75%50%100%時(shí)間t/sabcdefCu255075NiwNi×1005/23/2023第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五步驟四：將具有相同意義的點(diǎn)連接成線，標(biāo)明各區(qū)域內(nèi)所存在的相，即得到Cu－Ni合金相圖（圖3-6）；

圖3-6用熱分析法建立Cu-Ni相圖10831452溫度T/℃wNi0%25%75%50%100%時(shí)間t/sabcdefCu255075NiwNi×100108314525/23/2023第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五如圖3-7所示，溫度較高的上臨界點(diǎn)的連線表示結(jié)晶開始線，稱為液相線。此線以上溫度為單一液相，溫度較低的臨界點(diǎn)連線表示結(jié)晶終了線，稱為固相線。此線以下為固相，兩線之間為液固兩線共存區(qū)。圖3-7Cu-Ni合金相圖返回1083L＋αLαCu255075Ni

wNi×100

1452溫度T/℃5/23/2023第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五三、相律1.概念相律：是平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)與組元、相數(shù)之間的關(guān)系，是系統(tǒng)平衡條件的表達(dá)式。在平衡條件下合金的狀態(tài)是由內(nèi)因（成分）和外界條件（溫度、壓力）所決定的。當(dāng)這些條件改變時(shí)，液--固兩相共存，溫度改變相數(shù)也會(huì)改變。這種在保持合金系的相數(shù)不變的前提下，合金系中可獨(dú)立改變的影響狀態(tài)的內(nèi)外因素的數(shù)目稱自由度數(shù)。自由度數(shù)最小為零。5/23/2023第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五設(shè)系統(tǒng)的組元為c，平衡條件下相數(shù)為p，自由度數(shù)為f，則相律為：

f=c－p

＋2當(dāng)系統(tǒng)的壓力不變時(shí)，外因可認(rèn)為只有溫度一個(gè)，則

f=c－p＋15/23/2023第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五2.相律的應(yīng)用①可確定系統(tǒng)中最多有幾個(gè)平衡相共存

f=c－p＋1

當(dāng)

f

=0時(shí)，p最大，p=

c+1

純金屬c=1，則p=2；二元合金c=2，則p=3…②可說明純金屬與合金結(jié)晶時(shí)的某些差別

純金屬在恒溫下結(jié)晶：純金屬結(jié)晶時(shí)存在液固兩相p=2，c=1，則f

=c－p

＋1=0，所以純金屬在恒溫下結(jié)晶。在熔點(diǎn)以上p=1，c=1，則f

=1，說明溫度可在一定范圍內(nèi)改變，相的數(shù)目不變。5/23/2023第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五二元合金在變溫下結(jié)晶：二元合金結(jié)晶時(shí)，若是液固兩相：p=2，c=2，則：f=2－2＋1=1，表示有一個(gè)可改變的因素，因而可以在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。如果二元合金結(jié)晶時(shí)出現(xiàn)三相平衡共存，則

f=2－3＋1=0，這種轉(zhuǎn)變只能在恒溫下進(jìn)行。返回5/23/2023第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五§3-3勻晶相圖二元相圖的種類很多，我們先分析幾種簡單的相圖，復(fù)雜相圖實(shí)際上是這些基本的簡單相圖的組合。這些基本相圖有：勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖、形成化合物的相圖、有固態(tài)相變的相圖五類。5/23/2023第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五勻晶相圖：兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶，冷卻時(shí)發(fā)生勻晶反應(yīng)的二元合金系所形成的相圖，稱為勻晶相圖。例如Cu-Ni、Fe-Ni、Cr-Mo、Au-Ag、Mo-W相圖等。勻晶轉(zhuǎn)變：由液態(tài)合金中結(jié)晶出單相固溶體的結(jié)晶過程稱勻晶轉(zhuǎn)變。反應(yīng)式：L→α大多數(shù)合金的相圖中都包含勻晶轉(zhuǎn)變部分。也有一些合金如Cu-Ni等只發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變。5/23/2023第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五現(xiàn)以Cu－Ni合金相圖為例，對勻晶相圖及其合金的結(jié)晶過程進(jìn)行分析。主要內(nèi)容

一、相圖分析二、合金的平衡結(jié)晶過程三、合金的非平衡結(jié)晶過程四、區(qū)域偏析與區(qū)域提純五、成分過冷返回5/23/2023第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五一、相圖分析圖3-8為Cu－Ni相圖兩個(gè)點(diǎn)：a點(diǎn)（1083℃）

b點(diǎn)（1455℃）兩條線：acb線（液相線）

adb線（固相線）三個(gè)區(qū)：液相區(qū)L

固相區(qū)α

液固兩相區(qū)L+α返回圖3-8Cu-Ni合金相圖5/23/2023第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五二、合金的平衡結(jié)晶過程1.平衡結(jié)晶2.相成分3.杠桿定律4.固溶體合金結(jié)晶特點(diǎn)返回5/23/2023第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五1.平衡結(jié)晶合金在極緩慢冷卻條件下進(jìn)行的結(jié)晶過程，稱之。如圖3-9所示。b點(diǎn)(70%Ni)的冷卻曲線和結(jié)晶過程：圖3-9勻晶相圖合金的結(jié)晶過程

1點(diǎn)以上T↓→液相L不變l-2之間勻晶反應(yīng)：L→αT↓→L↓、α↑1點(diǎn)—?jiǎng)蚓мD(zhuǎn)變開始點(diǎn)；2點(diǎn)—?jiǎng)蚓мD(zhuǎn)變終了點(diǎn)。2點(diǎn)以下，α固溶體。返回5/23/2023第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五2.相成分在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時(shí)，兩相的成分是確定的。確定方法：過溫度t1作水平線，分別交液相線和固相線于a1點(diǎn)和b1點(diǎn)，則a1點(diǎn)和b1點(diǎn)在成分軸上的投影點(diǎn)即為L相和α相的成分。圖3-10勻晶相圖隨著溫度的下降，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固根線變化。到溫度t2時(shí)，L相成分及α相成分分別為a2點(diǎn)和b2點(diǎn)在成分軸上的投影。溫度T/℃返回5/23/2023第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五3.杠桿定律在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時(shí)，兩相的質(zhì)量比是一定的。如在t溫度時(shí)，兩相的質(zhì)量比可用下式表達(dá)：WL、Wα為L、α相的質(zhì)量；rb、ar為線段長度，可用其在濃度坐標(biāo)上的數(shù)字來度量。

問題：如何確定相成分？圖3-11杠桿定律證明及力學(xué)比喻trrCLCαWLWαC5/23/2023第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五杠桿定律證明設(shè)合金的總質(zhì)量為W，其Ni含量為C%。在t溫度時(shí)，L相中的Ni含量為CL%，α相中的Ni含量為Cα%。則合金中含Ni的總質(zhì)量＝L相中含Ni的質(zhì)量＋α相中含Ni的質(zhì)量：W·C%

＝WL

·

CL%

＋Wα

·

Cα%

又W＝WL

＋Wα，代入上式，整理得：圖3-11杠桿定律證明及力學(xué)比喻trrCLCαWLWαC5/23/2023第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五圖3-11杠桿定律證明及力學(xué)比喻trrCLCαWLWαC必須注意：杠桿定律只適用于相圖中的兩相區(qū)，并且只能在平衡狀態(tài)下使用。杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度時(shí)兩相的成分點(diǎn)，支點(diǎn)為合金的成分點(diǎn)。返回5/23/2023第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五4.固溶體合金結(jié)晶特點(diǎn)⑴結(jié)晶過程與純金屬一樣，α固溶體從液相中結(jié)晶出來的過程中，也包括有形核與長大兩個(gè)過程。形核需要結(jié)構(gòu)起伏、成分起伏和能量起伏，因此，固溶體結(jié)晶液需要一定的過冷度，且過冷度越大，形核率越大，越容易獲得細(xì)小的晶粒組織。固溶體更趨于呈樹技狀長大。5/23/2023第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五⑵異分結(jié)晶同分結(jié)晶：結(jié)晶出晶體與母相化學(xué)成分完全一樣的結(jié)晶稱為同分結(jié)晶。異分結(jié)晶：結(jié)晶出晶體與母相化學(xué)成分不同的結(jié)晶稱為異分結(jié)晶。平衡分配系數(shù)（k0）：在一定溫度下，固液兩平衡相中的溶質(zhì)濃度之比（Cα/CL）。k0=Cα/CL假定液相線和固相線均為直線，則k0為常數(shù)。5/23/2023第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五k0＜1，液、固相線隨溶質(zhì)濃度的增加而降低

K0↓→液、固相線間水平距離↑k0＞1，液、固相線隨溶質(zhì)濃度的增加而升高

K0↑→液、固相線間水平距離↑k0＜1k0＞1圖3-12分配系數(shù)5/23/2023第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五⑶變溫結(jié)晶在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，即為一個(gè)變溫結(jié)晶過程（圖3-13）。隨著溫度的降低，液相減少，固相增加，兩相成分分別沿各液、固相線連續(xù)改變，直到固相線的成分與原合金成分相同時(shí)，才結(jié)晶完畢。溫度T/℃在整個(gè)結(jié)晶過程中，始終進(jìn)行著溶質(zhì)和溶劑原子的擴(kuò)散過程。平衡凝固得到成分均一的α相是因?yàn)槔鋮s速度極為緩慢，液、固相中的溶質(zhì)原子有足夠的時(shí)間充分?jǐn)U散。圖3-13勻晶相圖5/23/2023第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五⑷與純金屬結(jié)晶的比較