金屬與熱處理

1、金屬與熱處理第1頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四3.1 二元合金相圖的建立一、二元相圖的表示方法1）決定合金存在狀態(tài)的因素：成分、溫度和壓力，常壓下，合金狀態(tài) 可由成分和溫度兩個(gè)因素確定。2）二元相圖的表示方法：橫坐標(biāo)表示成分，縱坐標(biāo)表示溫度。3）表象點(diǎn)：成分和溫度坐標(biāo)平面上的點(diǎn)。第2頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四二、二元合金相圖的測(cè)定方法1）實(shí)驗(yàn)測(cè)定；2）理論計(jì)算實(shí)驗(yàn)測(cè)定法：先配制一系列成分不同的合金，然后測(cè)定這些合金的相變臨界點(diǎn)，最后把這些點(diǎn)標(biāo)在溫度成分坐標(biāo)圖上，把各相同意義的點(diǎn)連結(jié)成線，這些線就在坐標(biāo)圖劃分出一些區(qū)域，即相區(qū)，將各相區(qū)

2、所存在的相的名稱(chēng)標(biāo)出，相圖的建立工作即告完成。測(cè)定臨界點(diǎn)方法：熱分析法、金相法、x射線結(jié)構(gòu)分析法等。第3頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四熱分析法測(cè)定二元合金相圖：1）配制一系列不同成分的合金，測(cè)出從液態(tài)到室溫的冷卻曲線。2）將臨界點(diǎn)標(biāo)在溫度成分坐標(biāo)圖中，再將相應(yīng)的臨界點(diǎn)連接起來(lái)。3）標(biāo)注相區(qū)。液相線：表示合金結(jié)晶的開(kāi)始溫度或加熱過(guò)程中熔化終了的溫度；固相線：表示合金結(jié)晶終了的溫度或在加熱過(guò)程中開(kāi)始熔化的溫度。動(dòng)畫(huà)3-1 Cu-Ni合金冷卻曲線的測(cè)定 3-2 Cu-Ni相圖第4頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四三、相律及杠桿定律1. 相律及其應(yīng)用

3、相律：在平衡條件下，表示系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和相數(shù)之 間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。當(dāng)系統(tǒng)的壓力不為常數(shù)時(shí)f=c-p+2當(dāng)系統(tǒng)的壓力為常數(shù)時(shí)f=c-p+1 c是系統(tǒng)組元數(shù)，P為平衡條件下系統(tǒng)中的相數(shù)，f為自由度數(shù)。第5頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四自由度：在保持合金系中相的數(shù)目不變的條件下，合金系中可以獨(dú)立改變的影響合金狀態(tài)的內(nèi)部和外部因素的數(shù)目。對(duì)純金屬而言，成分固定不變，只有溫度可以獨(dú)立改變，所以純金屬的自由度數(shù)最多只有1個(gè)；對(duì)二元合金來(lái)說(shuō)，已知個(gè)組元的含量，則合金的成分即可確定，因此合金成分的獨(dú)立變量只有一個(gè)，再加上溫度因素，所以二元合金的自由度數(shù)最多為2個(gè)。三元系合

4、金的自由度數(shù)最多為3個(gè)，四元系為4個(gè)。第6頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四相律的應(yīng)用(1)利用相律可以確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)。對(duì)單元系來(lái)說(shuō)，組元數(shù)c1，由于自由度不可能出現(xiàn)負(fù)值，所以當(dāng)f=0時(shí)，同時(shí)共存的平衡相數(shù)應(yīng)具有最大值，代入相律公式f=c-p+1，即得P1-0+12即單元系同時(shí)共存的平衡相數(shù)不超過(guò)2個(gè)。例如，純金屬結(jié)晶時(shí)，溫度固定不變，自由度為零，同時(shí)共存的平衡相為液、固兩相。 對(duì)二元系來(lái)說(shuō)，組元數(shù)c2，當(dāng)f0時(shí)，P=2013，說(shuō)明二元系中同時(shí)共存的平衡相數(shù)最多為3個(gè)。第7頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四(2)利用相律可以解釋

5、純金屬與二元合金結(jié)晶時(shí)的一些差別。純金屬結(jié)晶時(shí)存在液、固兩相，其自由度為零，說(shuō)明純金屬在結(jié)晶時(shí)只能在恒溫下進(jìn)行。二元合金結(jié)晶時(shí)，在兩相平衡條件下，其自由度f(wàn)221，說(shuō)明此時(shí)還有一個(gè)可變因素(溫度)，因此，二元合金將在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶。二元合金三相平衡共存時(shí)，則其自由度f(wàn)2310，說(shuō)明此時(shí)的溫度不但恒定不變，而且三個(gè)相的成分也恒定不變，結(jié)晶只能在各個(gè)因素完全恒定不變的條件下進(jìn)行。第8頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四2. 杠桿定律 杠桿定律：用于計(jì)算相的成分及其相對(duì)含量。在二元系合金中，杠桿定律只適用于兩相區(qū)。要確定相的相對(duì)含量，首先必須確定相的成分。根據(jù)相律可知，當(dāng)二

6、元系處于兩相共存時(shí)， f=c-p+1，其自由度為1，這說(shuō)明只有一個(gè)獨(dú)立變量，如溫度可變，那么兩個(gè)平衡相的成分均隨溫度的變化而變化。兩平衡相的成分和溫度必須是一一相對(duì)應(yīng)的。當(dāng)溫度恒定時(shí)，自由度為零，兩個(gè)平衡相的成分也即隨之固定不變。兩個(gè)相成分點(diǎn)之間的連線(等溫線)稱(chēng)為連接線。實(shí)際上兩個(gè)平衡相成分點(diǎn)即為連接線與平衡曲線的交點(diǎn)。第9頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四在Cu-Ni二元合金相圖中，液相線是表示液相的成分隨溫度變化的平衡曲線，固相線是表示固相的成分隨溫度變化的平衡曲線。合金I在溫度t1時(shí)，處于兩相平衡狀態(tài)，即L，要確定液相L和固相的成分，可通過(guò)溫度t1作一水平線段a

7、rb，分別與液、固相線相交于a和b，a、b兩點(diǎn)在成分坐標(biāo)上的投影CL和C，即分別表示液、固兩相的成分。第10頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四設(shè)合金的總質(zhì)量為1，液相的質(zhì)量為wL，固相的質(zhì)量為w，則有 wLw1合金I中的含鎳量等于液相和固相中鎳的含量之和，即 wLCLw C1C由以上兩式可以得出第11頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四將合金I成分C的r 點(diǎn)看作支點(diǎn)，將wL、w看作作用于a和b的力，則按力學(xué)杠桿原理可得出上式。將上式稱(chēng)為杠桿定律。上式可以換寫(xiě)成下列形式動(dòng)畫(huà)3-3 杠桿定律證明第12頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，

8、星期四3.3 勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶勻晶相圖：兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶、固態(tài)也無(wú)限互溶的二元合 金相圖。勻晶轉(zhuǎn)變:從液相結(jié)晶出單相固溶體的結(jié)晶過(guò)程。主要二元合金系：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、 Mo-W等。第13頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四一、相圖分析 Cu-Ni二元合金相圖:液相線+固相線三個(gè)區(qū)域：液相區(qū)L固相區(qū)液、固兩相區(qū)L第14頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四二、固溶體合金的平衡結(jié)晶過(guò)程平衡結(jié)晶：合金在極緩慢冷卻條件下進(jìn)行結(jié)晶的過(guò)程。1）tl時(shí)固溶體成分:11含Ni量30%；tl時(shí)，含量為零，結(jié)晶剛剛開(kāi)始

9、。第15頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四2）t2時(shí)固溶體成分：2液相成分：L2原有的1相改變?yōu)榕c2相同的成分。溫度下降，相的成分沿固相線變化，液相成分沿液相線變化。第16頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四3）t3時(shí)結(jié)晶終了得到了與原合金成分相同的固溶體。第17頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四合金平衡結(jié)晶時(shí)的組織變化過(guò)程 動(dòng)畫(huà)3-4 Cu-Ni相圖及冷卻分析 3-5 Cu-Ni合金勻晶相圖第18頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四成分起伏：液相中成分、大小和位置不斷變化著的 微小體積。固溶體結(jié)晶時(shí)所

10、結(jié)晶出固相成分與原液相的成分不同。形核地點(diǎn)：結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏和成分起伏都要滿(mǎn) 足要求的地方。過(guò)冷度越大，臨界晶核半徑越小，滿(mǎn)足形核尺寸要求的結(jié)構(gòu)起伏數(shù)量越多，形核所需的能量起伏越小，結(jié)晶出來(lái)的固相成分和原液相成分越接近，越容易滿(mǎn)足對(duì)成分起伏的要求。第19頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四固溶體合金結(jié)晶特點(diǎn)：1. 異分結(jié)晶，2. 在一定的溫度范圍 1. 異分結(jié)晶異分結(jié)晶（選擇結(jié)晶）：結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同的結(jié)晶。同分結(jié)晶：結(jié)晶出的晶體與母相的化學(xué)成分完全相同的結(jié)晶。平衡分配系數(shù)k0：在一定溫度下，溶質(zhì)原子在液相和固相之間重新分配程度，即固液兩平衡相中溶質(zhì)濃度之比

11、值。 k0= C/CLC和CL為固相和液相的平衡濃度，假定液相線和固相線為直線，則k0為常數(shù)。第20頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四1）當(dāng)液相線和固相線隨著溶質(zhì)濃度的增加而降低時(shí)，k0 1，k0 越小，則液相線和固相線之間的水平距離越大；第21頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四2）當(dāng)液相線和固相線隨著溶質(zhì)濃度的增加而升高時(shí)，k01，k0越大，則液相線和固相線之間的水平距離也越大。第22頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四2. 固溶體合金在一定溫度范圍結(jié)晶在每一溫度下，只能結(jié)晶出一定數(shù)量的固相。結(jié)晶過(guò)程需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間-保證

12、平衡結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行。固溶體合金在結(jié)晶時(shí)，始終進(jìn)行著溶質(zhì)和溶劑原子的擴(kuò)散過(guò)程：1）液相內(nèi)部原子的擴(kuò)散2）固相內(nèi)部原子的擴(kuò)散3）固相與液相通過(guò)界面進(jìn)行原子的互擴(kuò)散第23頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四固溶體合金的平衡結(jié)晶過(guò)程：1）t1溫度固體晶核成分為k0Cl，是在成分C0液相中形成，多余溶質(zhì)原子通過(guò)固液界面向液相中排出，界面處液相成分達(dá)到該溫度下的平衡成分Cl，遠(yuǎn)離界面液相成分保持原來(lái)成分C0，在界面鄰近區(qū)域形成濃度梯度，引起液相內(nèi)溶質(zhì)B和溶劑A原子的相互擴(kuò)散，界面處溶質(zhì)原子濃度自Cl降至C0， C0 C0。 第24頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星

13、期四在tl溫度下，只能存在 的相平衡，界面處液相成分的任何偏離都將破壞這一相平衡關(guān)系。為了保持界面處原來(lái)的相平衡關(guān)系，只有使界面向液相中移動(dòng)，即晶體長(zhǎng)大，而晶體長(zhǎng)大所排出的溶質(zhì)原子使相界面處的液相濃度恢復(fù)到平衡成分Cl，又造成液相成分的不均勻，出現(xiàn)濃度梯度，又引起原子的擴(kuò)散，破壞相平衡，晶體進(jìn)一步長(zhǎng)大，直到液相成分全部變到Cl為止。第25頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四2）溫度自t1降至t2在t2時(shí)的重新形核和長(zhǎng)大過(guò)程與t1時(shí)的相似，液相成分為Cl，晶核成分為k0C2，與其相鄰的液相成分為C2，建立了新的相平衡： 遠(yuǎn)離固液界面的液相成分仍為C1。k0C1k0C2，新舊

14、固相成分不均勻，在液相與固相內(nèi)都形成了濃度梯度，使相界面處液相和固相的濃度都發(fā)生改變，破壞相界面處的相平衡關(guān)系。為了建立此溫度下的相平衡關(guān)系，結(jié)晶固相進(jìn)一步長(zhǎng)大，以排出一部分溶質(zhì)原子，達(dá)到相平衡時(shí)所需要的溶質(zhì)濃度。過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直到液相成分完全變?yōu)镃2，固相成分完全變?yōu)閗0C2時(shí)，液相和固相內(nèi)的相互擴(kuò)散過(guò)程才會(huì)停止。原子在液相中擴(kuò)散較快，液相成分較快達(dá)到均勻時(shí)，固相內(nèi)還在不斷地進(jìn)行擴(kuò)散過(guò)程，使固溶體的成分和數(shù)量逐浙達(dá)到平衡狀態(tài)所要求的那樣，在t2下的結(jié)晶過(guò)程也就完成了。 第26頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)一步進(jìn)行，有待于進(jìn)一步降低溫度。第27頁(yè)，共88

15、頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四2）溫度t3溫度到t3時(shí)，最后一滴液體結(jié)晶成固體，固溶體的成分完全與合金成分一致，成為均勻（C0）的單相固溶體組織時(shí)。固溶體結(jié)晶過(guò)程概述：固溶體晶核的形成(或原晶體的長(zhǎng)大)，產(chǎn)生相內(nèi)(液相或固相)的濃度梯度，從而引起相內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程，這就破壞了相界面處的平衡(造成不平衡)，因此，晶體必須長(zhǎng)大，才能使相界面處重新達(dá)到平衡?？梢?jiàn)固溶體晶體的長(zhǎng)大過(guò)程是平衡不平衡平衡不平衡的辯證發(fā)展過(guò)程。第28頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四三、固溶體的不平衡結(jié)晶不平衡結(jié)晶：偏離平衡結(jié)晶條件的結(jié)晶在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)合金澆入鑄型之后，冷卻速度較大，

16、在一定溫度下擴(kuò)散過(guò)程尚未進(jìn)行完全時(shí)溫度就繼續(xù)下降，使液相尤其是固相內(nèi)保持著一定的濃度梯度，造成各相內(nèi)成分的不均勻。第29頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四固溶體的不平衡結(jié)晶過(guò)程：條件：設(shè)液相成分可以借助擴(kuò)散、對(duì)流或攪拌等完全均勻化，固相內(nèi)卻來(lái)不及進(jìn)行擴(kuò)散。1）t1，固相為1 ，液相為L(zhǎng)1；2）t2，固相為2，整個(gè)已結(jié)晶固相成分為1和2的平均值2，液相為L(zhǎng)2 ；此時(shí)，已結(jié)晶的固相平均成分不是3，與合金的成分C0不同，因此，仍有一部分液體尚未結(jié)晶，一直要到t4溫度才能結(jié)晶完畢。3）t3，固相為3，整個(gè)固體的實(shí)際成分為1、2、3的平均值3，液相為L(zhǎng)3。第30頁(yè)，共88頁(yè)，20

17、22年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四晶內(nèi)偏析：一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象枝晶偏析：固溶體樹(shù)枝狀晶體枝干和枝間化學(xué)成分不同的現(xiàn)象第31頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四影響晶內(nèi)偏析的因素： 1）分配系數(shù)k0 當(dāng)k01時(shí)，k0值越小，則偏析越大； 當(dāng)k01時(shí)，k0越大，偏析也越大。 2）溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力 結(jié)晶的溫度較高，溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力又大，則偏析程度較??；反之，則 偏析程度較大。 3）冷卻速度 冷卻速度越大，晶內(nèi)偏析程度越嚴(yán)重。削除晶內(nèi)偏析的方法： 擴(kuò)散退火或均勺化退火第32頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四四、區(qū)域偏析和區(qū)域提純1.

18、區(qū)域偏析：固溶體合金在不平衡結(jié)晶時(shí)造成的大范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。區(qū)域偏析形成過(guò)程：t1溫度結(jié)晶出的固相成分為k0Cl，液相成分為Cl，t2時(shí)析出固相成分為k0C2，液相為C2，t3時(shí)，晶體成分為C0，液相為C0/K0。先后結(jié)晶的固相成分依次為k0Clk0C2C0。液相溶質(zhì)原子越來(lái)越富集，結(jié)晶出來(lái)的固相成分也越來(lái)越高，以至最后結(jié)晶的固相成分往往要比原合金成分高好多倍。第33頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四1）水平直線a：平衡結(jié)晶，在液、固相內(nèi)溶質(zhì)原子均可以充分進(jìn)行混合。2）曲線c：平衡結(jié)晶，固相中無(wú)擴(kuò)散，液相中除了擴(kuò)散之外，沒(méi)有對(duì)流或 攪拌，即液相中的溶質(zhì)原子混合

19、很差。 3）曲線b：不平衡結(jié)晶，固相中 無(wú)擴(kuò)散，液相成分可 以借助擴(kuò)散、對(duì)流或 攪拌等完全均勻化。4）曲線d：介于b與c情況之間。第34頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四2. 區(qū)域提純依據(jù)區(qū)域偏析原理可以提純金屬。將雜質(zhì)富集的末端切去，然后再熔化，再凝固，金屬的純度就可不斷地得以提高。第35頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四五、成分過(guò)冷及其對(duì)晶體成長(zhǎng)形狀的影響固溶體合金結(jié)晶即使正溫度梯度也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)呈樹(shù)枝狀成長(zhǎng)，還有的呈胞狀成長(zhǎng) 成分過(guò)冷1.形成成分過(guò)冷的條件及其影響因素C0成分的固溶體合金定向凝固，液體中只有擴(kuò)散，無(wú)對(duì)流或攪拌圖3.19(a)分配

20、系數(shù)k01，溫度分布如圖3.19(b)所示，界面處的溶質(zhì)分布情況如圖3.19(c)所示。第36頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四溶質(zhì)濃度隨x增加而減小，平衡結(jié)晶溫度將隨距離x的增加而上升。邊界層中的平衡結(jié)晶溫度與距離x的變化關(guān)系示于圖3.19(d)中。在x0處，溶質(zhì)濃度最高，其值為C0/k0，見(jiàn)圖3.19(c)，相應(yīng)地結(jié)晶溫度也最低，見(jiàn)圖3.19(a)、(d)，此后隨x的增加，溶質(zhì)濃度不斷降低，平衡結(jié)晶溫度也隨之增高，至達(dá)到原合金成分C0時(shí)相應(yīng)地，其平衡結(jié)晶溫度升至t0。將3.9(b)和(d)疊加在一起，就構(gòu)成了圖3.9(e)。在固液界面前方一定范圍內(nèi)的液相中，實(shí)際溫度

21、低于平衡結(jié)晶溫度，形成過(guò)冷區(qū)域。成分過(guò)冷：由液相成分變化而引起的過(guò)冷度。第37頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四形成成分過(guò)冷極限條件：G：實(shí)際溫度梯度，R：結(jié)晶速度，m：液相線斜率，D：液相中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，k0：分配系數(shù)。形成成分過(guò)冷的條件：影響成分過(guò)冷的因素：1）對(duì)于同種合金：溫度梯度G越小，成長(zhǎng)速度R和溶質(zhì)的濃度C0越大，越有利于形成成分過(guò)冷。2）對(duì)于不同的合金：k01時(shí)k0越小，k01時(shí)，k0越大，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)D越小，成分過(guò)冷傾向越大。第38頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四2. 成分過(guò)冷對(duì)晶體成長(zhǎng)形狀的影響 金屬界面為粗糙界面1）

22、正溫度梯度下，沒(méi)有成分過(guò)冷，固液界面呈平面狀成長(zhǎng)2）正溫度梯度下，有成分過(guò)冷時(shí)，界面呈胞狀成長(zhǎng)或樹(shù)枝狀成長(zhǎng)。1）在溫度梯度G1下，界面呈平面狀生長(zhǎng)。2）在溫度梯度下G2，界面呈胞狀生長(zhǎng)。3）在溫度梯度G3下，晶體以樹(shù)枝狀的方式長(zhǎng)大。第39頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四影響成分過(guò)冷因素：1）合金成分C02）液相內(nèi)溫度梯度G3）凝固速度R第40頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四3.4 共晶相圖及其合金的結(jié)晶二元共晶相圖：兩組元在液態(tài)時(shí)相互無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)有限互溶，發(fā)生共 晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相圖。一、相圖分析液相線：AE、BE， 固相線

23、：AMNB， 溶解度曲線：MF、NG，單相區(qū)：L、， 兩相區(qū)：L、L、。三相共存區(qū)：MEN線表示L。第41頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四共晶轉(zhuǎn)變 相律：f231=0，轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵逻M(jìn)行，而且三個(gè)相的成分應(yīng)為恒定值。特征：三個(gè)相區(qū)與水平線只有一個(gè)接觸點(diǎn)，其中液體單相區(qū)在中間，位于水平線之上，兩端是兩個(gè)固相單相區(qū)。共晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，由定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分一定的固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程。共晶組織：共晶轉(zhuǎn)變形成的兩相混合物動(dòng)畫(huà)3-6 Pb-Sn共晶第42頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四共晶線：相圖中的MEN水平線 共晶點(diǎn)：E點(diǎn) 共晶溫度：E點(diǎn)對(duì)

24、應(yīng)的溫度共晶合金：成分對(duì)應(yīng)于共晶點(diǎn)的合金亞共晶合金：成分位于共晶點(diǎn)以左、M點(diǎn)以右的合金過(guò)共晶合金：成分位于共晶點(diǎn)以右、N點(diǎn)以左的合金三相平衡時(shí)，其中任意兩相之間也平衡，即-L、-L、-之間也存在著相互平衡關(guān)系，ME、EN和MN分別為它們之間的連接線。第43頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四二、典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織 1. 含錫量小于wsn19的合金I 以wsn10的合金I為例。當(dāng)合金I緩慢冷卻到1點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始從液相中結(jié)晶出固溶體。隨著溫度的降低，固溶體的數(shù)量不斷增多，而液相的數(shù)量不斷減少，它們的成分分別沿固相線AM和液相線AE發(fā)生變化。合金冷卻到2點(diǎn)時(shí)，結(jié)晶完畢，全

25、部結(jié)晶成固溶體，其成分與原始的液相成分相同。第44頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四在23點(diǎn)溫度范圍內(nèi)，固溶體不發(fā)生變化。當(dāng)溫度下降到了3點(diǎn)以下時(shí)，錫在固溶體中呈過(guò)飽和狀態(tài)，多余的錫就以固溶體的形式從固溶體中析出。隨著溫度的繼續(xù)降低，固溶體的溶解度逐漸減小，相和相的成分分別沿MF線和NG線變化，如在溫度t時(shí)，析出的相的成分為h，與成分為k的相維持平衡。第45頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四脫溶：由固溶體中析出另一個(gè)固相的過(guò)程，也稱(chēng)之為二次結(jié)晶。次生相：二次結(jié)晶析出的相，也稱(chēng)之為二次相。次生固溶體以II表示，II優(yōu)先從相晶界析出，有時(shí)也從相晶粒內(nèi)

26、的缺陷部位析出。第46頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四合金結(jié)晶結(jié)束后形成以相為基體的兩相組織。顯微組織：圖中的黑色基體為相，白色顆粒為II。II分布在相的晶界上，或在相晶粒內(nèi)析出。第47頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四合金冷卻曲線第48頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四平衡結(jié)晶過(guò)程示意圖第49頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四成分位于F與M之間的所有合金，顯微組織：由II兩相所組成，只是兩相的相對(duì)含量不同。合金成分越靠近M點(diǎn)，II的含量越多。兩相含量可用杠桿定律求出，合金I的和II相的含量分別為

27、第50頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四2. 共晶合金IIwsn=61.9的合金II緩慢冷卻至溫度tE(183)時(shí)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，這個(gè)轉(zhuǎn)變一直在共晶溫度tE(183)下進(jìn)行，直到液相完全消失為止。組織: M和N兩個(gè)相的混合物，稱(chēng)為共晶組織。M和N相的含量分別為第51頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四繼續(xù)冷卻，析出次生相II和II，這些次生相常與共晶組織中的同類(lèi)相混在一起，在顯微鏡下難以分辨。圖3.27是Pb-Sn共晶合金的顯微組織，和呈層片狀交替分布，其中黑色的為相，白色的為相。第52頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四合金

28、的冷卻曲線：有冷卻平臺(tái)第53頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四合金平衡結(jié)晶過(guò)程示意圖第54頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四共晶組織的形成過(guò)程：共晶轉(zhuǎn)變形核、長(zhǎng)大形核-存在領(lǐng)先相-兩相交替形核長(zhǎng)大。共晶組織中，片與片、片與片分別互相聯(lián)系，共同構(gòu)成一個(gè)共晶領(lǐng)域。兩個(gè)相不需要反復(fù)形核，以“搭橋”方式形成的。第55頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四共晶組織的形態(tài)：層片狀、棒狀(條狀或纖維狀)、球狀(短棒狀)、針片狀、 螺旋狀等。第56頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四影響共晶組織形態(tài)的因素：兩個(gè)組成相的本

29、質(zhì)是其形態(tài)的決定性因素。金屬-金屬型：大多為層片狀或棒狀金屬-非金屬型：表現(xiàn)為針片狀或骨骼狀等。第57頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四3. 亞共晶合金IIIwSn50的合金III的結(jié)晶過(guò)程1點(diǎn)，結(jié)晶出固溶體。在12點(diǎn)內(nèi)，相和液相成分分別沿AM和AE線變化。2點(diǎn)時(shí)，相和剩余液相的成分分別到達(dá)M點(diǎn)和E點(diǎn)，兩相的含量分別為動(dòng)畫(huà)3-7 Pb-Sn相圖亞共晶分析第58頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四在溫度tE、成分為E點(diǎn)的液相便發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變先共晶相：共晶轉(zhuǎn)變前形成的初晶。亞共晶合金共晶轉(zhuǎn)變剛結(jié)束之后的組織:先共晶相+共晶組織(+)在2點(diǎn)以下繼續(xù)冷卻時(shí)，

30、將從相(包括先共晶相和共晶組織中的相)和(共晶組織中的)分別析出次生相II和II。第59頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四在顯微鏡下，只有從先共晶相中析出的II可能觀察到，共晶組織析出的II和II一般難以分辨。圖中暗黑色樹(shù)枝狀晶部分是先共晶相，之中的白色顆粒為II，黑白相間分布的是共晶組織。 第60頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四合金冷卻曲線：有冷卻平臺(tái)第61頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四合金平衡結(jié)晶過(guò)程示意圖第62頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四先共晶相形態(tài)：如果是固溶體，則一般呈樹(shù)枝狀。

31、若先共晶相為亞金屬和非金屬或化合物時(shí)，則一般具有較規(guī)則的外形。如在Pb-Sb二元系合金中，過(guò)共晶合金的先共晶相是銻晶體，它呈灰黑色有規(guī)則的片狀外形，見(jiàn)圖3.33。第63頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四4. 過(guò)共晶合金IV過(guò)共晶合金平衡結(jié)晶過(guò)程先共晶相是，圖3.34是wSn70的合金IV的顯微組織，圖中亮白色卵形部分為初晶，其余為共晶組織。第64頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四小結(jié)：1）FG點(diǎn)間合金：+，相的大小、數(shù)量和分布狀 況發(fā)生很大變化；FM點(diǎn)間合金：+II；NG點(diǎn)間合金：+II。2）亞共晶合金：+II+共晶組織（+）；共晶合金：共晶組織

32、 （+）；過(guò)共晶合金：+II+共晶組織（+）3）、II、II及（+）在顯微組織中均能清楚地區(qū)分開(kāi)，是組成顯微組織的獨(dú)立部分，稱(chēng)之為組織組成物。從相的本質(zhì)看，它們都是由和兩相所組成，所以、兩相稱(chēng)為合金的相組成物。第65頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四為分析組織方便，常常把合金平衡結(jié)晶后的組織直接填寫(xiě)在合金相圖上。第66頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四合金組織組成物與相組成物的相對(duì)含量都可以用杠桿定律來(lái)計(jì)算例如：含錫量為30的亞共晶合金在183共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，先共晶相和共晶組織(+)的含量分別為 相組成物相和相的含量分別為第67頁(yè)，共88頁(yè)，20

33、22年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四三、不平衡結(jié)晶及組織實(shí)際生產(chǎn) 冷卻速度快 原子擴(kuò)散不充分共晶合金結(jié)晶過(guò)程和顯微組織與平衡狀態(tài)偏離 1. 偽共晶不平衡結(jié)晶時(shí)，成分在共晶點(diǎn)附近的亞共晶或過(guò)共晶合金，也可能得到全部共晶組織。偽共晶：由非共晶成分合金經(jīng)不平衡結(jié)晶得到共晶組織。偽共晶區(qū)：形成全部共晶組織的成分和溫度范圍。 第68頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四由于冷速較大，將會(huì)產(chǎn)生過(guò)冷，當(dāng)液態(tài)合金過(guò)冷到兩條液相線的延長(zhǎng)線所包圍的影線區(qū)時(shí)，就可得到共晶組織。因?yàn)榇藭r(shí)的液態(tài)合金對(duì)于相和相都是過(guò)飽和的，所以既可以結(jié)晶出，又可以結(jié)晶出，它們同時(shí)結(jié)晶出來(lái)就形成了共晶組織。當(dāng)亞共晶

34、合金I過(guò)冷至t1溫度以下結(jié)晶時(shí)就可以得到全部的共晶組織。第69頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四實(shí)際偽共晶區(qū)與理論偽共晶區(qū)有不同程度的偏離。偽共晶區(qū)形狀：1）對(duì)稱(chēng)，金屬-金屬型共晶；2）偏向一邊，金屬-非金屬。影響偽共晶區(qū)形狀的因素：共晶組織中兩個(gè)相單獨(dú)生長(zhǎng)時(shí)的長(zhǎng)大速度和過(guò)冷度的關(guān)系。如果兩個(gè)相單獨(dú)生長(zhǎng)時(shí)的長(zhǎng)大速度與過(guò)冷度的關(guān)系差別不大，偽共晶區(qū)對(duì)稱(chēng)；如果兩個(gè)相的長(zhǎng)大速度與過(guò)冷度的關(guān)系相差很大，其中一個(gè)相的長(zhǎng)大速度隨過(guò)冷度的增加下降很快，此時(shí)該相的生長(zhǎng)就會(huì)被抑制，使偽共晶區(qū)歪斜地偏向該相一邊。影響相長(zhǎng)大速度因素：各相本身的晶體結(jié)構(gòu)及其固液界面的性質(zhì)。第70頁(yè)，共88頁(yè)，

35、2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四2. 離異共晶 離異共晶：在先共晶相數(shù)量較多而共晶組織甚少的情況下，有時(shí)共晶組織中與先共晶相相同的那一相，會(huì)依附于先共晶相上生長(zhǎng)，剩下的另一相則單獨(dú)存在于晶界處，從而使共晶組織的特征消失，這種兩相分離的共晶稱(chēng)為離異共晶。離異共晶可以在平衡條件下獲得，也可以在不平衡條件下獲得。第71頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四在合金成分偏離共晶點(diǎn)很遠(yuǎn)的亞共晶(或過(guò)共晶)合金中，它的共晶轉(zhuǎn)變是在已存在大量先共晶相的條件下進(jìn)行的，此時(shí)如果冷卻速度十分緩慢，過(guò)冷度很小，那么共晶中的相如果在已有的先共晶相上長(zhǎng)大，要比重新形核再長(zhǎng)大容易得多。這樣，

36、 相易于與先共晶相合為一體，而相則存在于相的晶界處。當(dāng)合金成分越接近M點(diǎn)(或N點(diǎn))時(shí)(見(jiàn)圖3.39合金I)，越易發(fā)生離異共晶。 第72頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四M點(diǎn)左面的合金II在平衡冷卻時(shí)，不可能存在共晶組織，但在不平衡結(jié)晶時(shí)，其固相的平均成分線將偏離平衡固相線，如圖3.39中的虛線所示，于是合金冷卻至共晶溫度時(shí)仍有少量的液相存在。此時(shí)的液相成分接近于共晶成分，這部分剩余液體將會(huì)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織。此時(shí)先共晶相數(shù)量很多，共晶組織中的相可能依附于先共晶相上長(zhǎng)大，形成離異共晶。第73頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四wCu40%的A

37、1-Cu合金在鑄造條件下，將會(huì)出現(xiàn)離異共晶，如圖3.40所示。在鋼中因偏析而形成的Fe-FeS共晶，也往往是離異共晶，其中FeS分布在晶界上。第74頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四3.5 包晶相圖及其合金的結(jié)晶 包晶相圖:兩組元在液態(tài)相互無(wú)限互溶、在固態(tài)相互有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合全系相圖。一、相圖分析三個(gè)單相區(qū)：L、三個(gè)兩相區(qū)：L+、L+、+三相(L、)共存水平線：PDC液相線:ACB固相線:APDB溶解度曲線：PE、DF動(dòng)畫(huà)3-8 包晶反應(yīng)第75頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四PDC線：包晶轉(zhuǎn)變線，D點(diǎn)稱(chēng)為包晶點(diǎn)，D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度

38、(tD)稱(chēng)為包晶溫度，PDC線稱(chēng)為包晶線。成分介于P與C之間的合金在此溫度發(fā)生三相平衡的包晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，由一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另一個(gè)一定成分的固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程。包晶轉(zhuǎn)變特征：反應(yīng)相是液相和一個(gè)固相，其成分點(diǎn)位于水平線的兩端，所形成的固相位于水平線中間的下方。第76頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四二、典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織1. wAg42.4Pt-Ag合金I1點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始從液相中結(jié)晶出相；繼續(xù)冷卻，相和液相成分分別沿固相線AP和液相線AC線變化；tD時(shí)，合金中相的成分達(dá)到P點(diǎn)，液相的成分達(dá)到C點(diǎn)，各自含量為動(dòng)畫(huà)3-9 Pt-Ag包晶

39、轉(zhuǎn)變第77頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四在溫度tD，液相L和固相發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變結(jié)束后，液相和相消失，全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w。合金繼續(xù)冷卻時(shí)，不斷地從相中析出次生相II。合金的室溫組織為II相依附在相上生核并長(zhǎng)大，并將相包圍起來(lái)，L和被相隔開(kāi)，相中的鉑原子通過(guò)向中擴(kuò)散，液相中的銀原子通過(guò)向相中擴(kuò)散，不斷消耗L相和相而生長(zhǎng)，直到把液相和相全部消耗完畢為止。第78頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)14分，星期四2.wAg10.542.4%的合金II1點(diǎn)時(shí)，結(jié)晶出初晶；2點(diǎn)時(shí)，相和液相的成分分別為P點(diǎn)和C點(diǎn)，各自含量分別為tD（2點(diǎn)）時(shí)，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w；與合金I相比，合金II在tD溫度時(shí)的相的相對(duì)量較多，包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，還有剩余；tD溫度以下，不斷析出II、II，合金室溫組織為：IIII。動(dòng)畫(huà)3-10 Pt-Ag亞包晶轉(zhuǎn)變第79頁(yè)，共88頁(yè)，2022年，5月20日，1