第七章 二元相图及其合金的凝固课件.ppt

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1、绪论第一章原子结构与键合第二章固体结构第三章晶体缺陷第四章固体中原子及分子的运动第五章材料的形变与再结晶第六章单组元相图及纯晶体的凝固第七章二元相图及其合金的凝固材料科学基础第七章二元相图及其合金的凝固在实际工业中，广泛使用的不是前述的单组元材料，而是由二种以上组元组成的多元系材料。二元相图研究二元体系在热力学平衡条件下，不同相与温度、成分之间的关系。二元系相图的材料包括金属、陶瓷、高分子等。本章重点讲述二元合金。7.1二元相图的表示和测定方法7.2相图热力学的基本要点（简介）7.3二元相图分析

2、【本章内容】【本章重点】简单描述二元相图的表示和测定方法；着重对不同类型的相图特点及其相应的组织进行分析；介绍合金铸件的组织与缺陷；对各种材料成型的工艺方法进行简要介绍。7.4二元合金的凝固理论二元相图中的成分在国家标准有两种表示方法：质量分数（ω）和摩尔分数（x）。本教材未特别说明情况下的二元相图均以质量分数表示。7.1二元相图的表示和测定方法二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点。用热分析测量临界点来绘制二元相图的过程。（BS）典型匀晶相图L+液相

3、线固相线在二元相图中有单相区和两相区。由相率可知，二元系最多只能三相共存，且在相图上为水平线，如图7.2。f=0f=2f=1f=1其中：C=2单相区：f=2两相区：f=1三相共存：f=0（恒温）在常温或常压下：在相图中任何一两平衡相共存状态时，多相的成分遵循杠杆法则：在α和β两相共存时，对应着某一成分，可用杠杆法则求出两相的相对量：α相的相对量为：，β相的相对量为：；两相的相对量随体系的成分x而变。两相平衡的杠杆法则二元相图的几何规律根据热力学的基本原理，可导出相图应遵循的一些几何规律，由此能帮助我

4、们理解相图的构成。(1)相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分，相界线是相平衡的体现，平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化。(2)两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区把它们分开，而不能以一条线接界。两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开。(3)二元相图中的三相平衡必为一条水平线，表示恒温反应。(4)当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区内。7.3二元相图分析匀晶转变及典型相图共晶转变及典型相图包晶转变及典型相图混溶间隙形成

5、化合物偏晶转变合晶转变熔晶转变固态转变二元相图实例分析7.3.1匀晶相图和固溶体凝固由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。L->二元合金如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt等；二元陶瓷如NiO-CoO、NiO-MgO等1.典型匀晶相图固态无限互溶的条件：晶体结构相同；原子半径相近，尺寸差小于15%。有相同的原子价和相似的电负性。NiO、MgO均为NaCl晶体结构Ni、Mg离子半径接近Ni、Cu均为面心立方晶体结构两者原子半径接近匀晶相图还可有其他形式，如Au-Cu，Fe-Co等在相图上具有极小

6、点，而在Pb—T1等相图上具有极大点，两种类型相图分别如图7．14(a)和(b)所示。极点处：f=0（恒温转变）合金熔点降低合金熔点升高2.固溶体的平衡凝固平衡凝固：是指凝固过程中的每个阶段都能达到平衡，即在相变过程中有充分时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。即在每一温度下，平衡凝固实质包括三个完整的过程：①液相内的扩散过程。②固相的继续长大。⑦固相内的扩散过程。以ω(Ni)为30％的Cu-Ni合金为例来描述平衡凝固过程。该合金整个凝固过程中的组织变化示于图中。1245ºC1210ºC3.固溶

7、体的非平衡凝固在实际工业生产中，合金溶液浇涛后的冷却速度较快，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡凝固。下图是非平衡凝固时液、固两相成分变化的示意图。富Ni富Cu固溶体通常以树枝状生长方式结晶，非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的技间的成分不同，故称为枝晶偏析。树枝状形态已消失，电子探针微区分析的结果也证实了枝晶偏析已消除由于枝干和枝间的成分差异，引起浸蚀后颜色的深浅不同。7.3.2共晶相图及其合金凝固1.共晶相图由液相同时结晶出两种固相的过程称为共晶转变。共晶合金的特点：熔点低->易熔化；流动性好-

8、>铸造性能好；恒温转变、同时凝固->减少缺陷；复合型共晶组织->性能优异。条件：两组元在固态部分互溶或不溶二元合金如Al-Si、Pb-Sb、Pb-Sn、Ag-Cu、Fe-C等Pb-Sn相图是一个典型的二元共晶相图。该共晶反应可写成：以Pb-Sn合金为例，分别讨论各种典型成分合金的平衡凝固及其显微组织。a.ω(Sn)<19%的合金（完全固溶）图7．21为ω(Sn)＝10％的Pb-Sn合金平衡凝固过程示意图。2．共晶合金的平衡凝固及其组织b.ω(Sn)=61.9%的共晶合