二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶4/2/20231第1頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三上講內(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4/2/2023第2頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§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4/2/2023第3頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§3-2二元合金相圖的建立主要內(nèi)容一、相圖的基本知識(shí)（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4/2/2023第4頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、相圖的基本知識(shí)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(guò)程的各相的成分和相對(duì)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(guò)程，一般可以認(rèn)為是平衡的結(jié)晶過(guò)程。4/2/2023第5頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三純金屬的結(jié)晶過(guò)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(tái)階說(shuō)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TmTn4/2/2023第6頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在常壓下，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(lái)表示。圖3-5為Cu-Ni二元合金相圖，它是一種最簡(jiǎn)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4/2/2023第7頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、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(cè)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(cè)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，且測(cè)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。4/2/2023第8頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三下面以銅鎳合金系為例，介紹用熱分析法建立相圖的過(guò)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Ni4/2/2023第9頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三步驟二：測(cè)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(tái)）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108314524/2/2023第10頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三步驟三：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(huà)（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×1004/2/2023第11頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三步驟四：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×100108314524/2/2023第12頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如圖3-7所示，溫度較高的上臨界點(diǎn)的連線表示結(jié)晶開(kāi)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/℃4/2/2023第13頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、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。4/2/2023第14頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三設(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＋14/2/2023第15頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.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(shuō)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(shuō)明溫度可在一定范圍內(nèi)改變，相的數(shù)目不變。4/2/2023第16頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二元合金在變溫下結(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4/2/2023第17頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§3-3勻晶相圖二元相圖的種類很多，我們先分析幾種簡(jiǎn)單的相圖，復(fù)雜相圖實(shí)際上是這些基本的簡(jiǎn)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。4/2/2023第18頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三勻晶相圖：兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)也無(wú)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(guò)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。4/2/2023第19頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三現(xiàn)以Cu－Ni合金相圖為例，對(duì)勻晶相圖及其合金的結(jié)晶過(guò)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(guò)程三、合金的非平衡結(jié)晶過(guò)程四、區(qū)域偏析與區(qū)域提純五、成分過(guò)冷返回4/2/2023第20頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、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4/2/2023第21頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、合金的平衡結(jié)晶過(guò)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4/2/2023第22頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.平衡結(jié)晶合金在極緩慢冷卻條件下進(jìn)行的結(jié)晶過(guò)程，稱之。如圖3-9所示。b點(diǎn)(70%Ni)的冷卻曲線和結(jié)晶過(guò)程：圖3-9勻晶相圖合金的結(jié)晶過(guò)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(kāi)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4/2/2023第23頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.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(guò)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(zhǎng)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4/2/2023第24頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.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(zhǎng)、α相的質(zhì)量；rb、ar為線段長(zhǎng)度，可用其在濃度坐標(biāo)上的數(shù)字來(lái)度量。

問(wèn)題：如何確定相成分？圖3-11杠桿定律證明及力學(xué)比喻trrCLCαWLWαC4/2/2023第25頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三杠桿定律證明設(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trrCLCαWLWαC4/2/2023第26頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖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4/2/2023第27頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.固溶體合金結(jié)晶特點(diǎn)⑴結(jié)晶過(guò)程與純金屬一樣，α固溶體從液相中結(jié)晶出來(lái)的過(guò)程中，也包括有形核與長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)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(guò)冷度，且過(guò)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(shù)技狀長(zhǎng)大。4/2/2023第28頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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)。4/2/2023第29頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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)4/2/2023第30頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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(guò)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(guò)程中，始終進(jìn)行著溶質(zhì)和溶劑原子的擴(kuò)散過(guò)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4/2/2023第31頁(yè)，共35頁(yè)，2023年，2月20日，星期三⑷與純金屬結(jié)晶的比