第三章 二元合金相图和合金的凝固.ppt

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1、第三章二元合金相图和合金的凝固为了对广泛使用的合金进行熔铸、锻压和热处理，必须首先了解它们的熔点和固态转变温度，并弄清楚它们的凝固过程及凝固后的相和组织结构。相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间的关系的一种图解，又称为状态图或平衡图。利用相图，我们可以了解各种成分的材料在不同温度、压力下的相组成，多种相的成分与相对量及组织的变化规律等。因此，掌握和了解相图的基本知识和分析方法，对制定材料热加工工艺、分析和检测材料的性能以及研究开发新材料等都有重要作用和指导意义。第一节二元合金相图的建立二元系中相的平衡状态与温度、成分的关系可以用平面图形来表示，如图所示。A

2、1083℃B1452℃LL+α温度CuNiNi%Cu-Ni合金相图液相线固相线α一、二元相图的表示方法相图的建立一般采用热分析法，其基本思路是先配制一系列不同成分的给定合金，绘制它们各自的冷却曲线，然后由冷却曲线上的临界点绘制相图。100%Ni温度℃时间Cu20406080NiNi%TNiTCu80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni100%Cu（a）（b）Cu-Ni合金相图的测绘（a）冷却曲线（b）Cu-Ni相图二、二元相图的测定方法1.相律相律是分析和使用相图的重要理论依据，它表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关系式。在衡压条件下，其数

3、学表达式为f=c-p+1式中f－自由度数c－组元数p－平衡相数三、相律及杠杆定律自由度：在保持合金系中相的数目不变的条件下，合金系中可以独立改变的影响合金状态的内部和外部因素的数目。（1）确定系统中可能存在的最多平衡相数（2）解释纯金属与二元合金结晶时的差别相律应用2.杠杆定律合金在结晶过程中，各相的成分及其相对含量都在不断地发生变化。利用相图及杠杆定律，不但能够确定任一成分的合金在任一温度下处于平衡时的两相的成分，而且可以确定两相的相对含量。在Cu-Ni合金中，要想确定含Ni量为C%的合金I在结晶过程中冷却到温度T1后，其组织由哪两个相组成以及各相的成分，可以

4、通过T1作一水平线段arb,arb线与液相线(液相区)相交于a点，与固相线(固相区)相交于b点，也就是表示合金I在温度T1时是由液相L与固相(固溶体)所组成，液相L的成分是含Ni量为CL%，固溶体α的成分是含Ni量为Cα%。杠杆定律的证明及力学比喻合金成分为C，总重量为W。在T温度时，由液相和固相组成,液相的成分为CL，重量为WL，固相成份为Cα，重量为Wα。则W=WL+Wα（1）WL·CL+Wα·Cα=W·C（2）由（1）、（2）可得：WL/Wα=(Cα-C)/(C-CL)故WL/Wα=rb/ar上式还可换写成：WL/W=rb/ab第二节匀晶相图及固溶体的结晶

5、从液相中不断结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。二组元在液态、固态时均能无限互溶的二元合金相图就是匀晶相图。这样的二元合金系称为匀晶系。属于匀晶系的合金系有Cu-Ni、Nb-Ti、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni、Mo-W等。几乎所有二元合金相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类相图是学习二元合金相图的基础。A1083℃B1452℃LL+α温度CuNiNi%Cu-Ni合金相图液相线固相线α两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶的系统称为匀晶系。一、相图分析IA1083℃B1452℃L1L2L3L4α4α3α2LαL+α温度CuXLX0XαNi%Ni时间（a）

6、（b）Cu-Ni合金相图LLααα1t1t2t3、3t4二、固溶体合金的平衡结晶过程平衡结晶是指合金在极其缓慢冷却条件下进行结晶的过程。如图所示Cu-Ni合金的冷却曲线及结晶过程示意图，在红线以上，合金为液相L，缓慢冷却到粉红色线之间，发生匀晶反应(结晶)，从液相中逐渐结晶出固溶体，蓝线以下，合金全部结晶为固溶体，其他合金系结晶过程与此类似。固溶体合金结晶时的两大特点：1.异分结晶（选择结晶）即固溶体结晶出的固相成分与液相成分不同，也就是结晶出的晶体与母体化学成分不同的结晶。（1）溶质重新分配成分不同，肯定存在溶质的重新分配（2）平衡分配系数固相平衡浓度液相平衡

7、浓度2.固溶体合金的结晶需要一定的温度固溶体的结晶过程与纯金属一样，也包括形核与长大两个阶段，但由于合金中存在第二组元，使其凝固过程较纯金属复杂。例如合金结晶出的固相成分与液态合金不同，所以形核时除需要能量起伏、结构起伏外还需要一定的成分起伏（浓度起伏）。另外，固溶体的凝固在一个温度区间内进行，这时液、固两相的成分随温度下降不断地发生变化，因此，这种凝固过程必然依赖于两组元原子的扩散。在凝固时，每一个晶核形成一颗晶粒，由于在每一温度下扩散进行充分，晶粒内的成分是均匀一致的。因此，平衡凝固得到的固溶体显微组织除了晶界外，晶粒之间和晶粒内部的成分一致。需要着重指出的

8、是，在每一温度下，平衡凝