金屬與熱處理第1頁，共88頁，2023年，2月20日，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：成分和溫度坐標(biāo)平面上的點。第2頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四二、二元合金相圖的測定方法1）實驗測定；2）理論計算實驗測定法：先配制一系列成分不同的合金，然后測定這些合金的相變臨界點，最后把這些點標(biāo)在溫度—成分坐標(biāo)圖上，把各相同意義的點連結(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)所存在的相的名稱標(biāo)出，相圖的建立工作即告完成。測定臨界點方法：熱分析法、金相法、x射線結(jié)構(gòu)分析法等。第3頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四熱分析法測定二元合金相圖：1）配制一系列不同成分的合金，測出從液態(tài)到室溫的冷卻曲線。2）將臨界點標(biāo)在溫度—成分坐標(biāo)圖中，再將相應(yīng)的臨界點連接起來。3）標(biāo)注相區(qū)。液相線：表示合金結(jié)晶的開始溫度或加熱過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程中開始熔化的溫度。動畫3-1Cu-Ni合金冷卻曲線的測定

3-2Cu-Ni相圖第4頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四三、相律及杠桿定律1.相律及其應(yīng)用相律：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f=c-p+2當(dāng)系統(tǒng)的壓力為常數(shù)時f=c-p+1c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，共88頁，2023年，2月20日，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。對純金屬而言，成分固定不變，只有溫度可以獨立改變，所以純金屬的自由度數(shù)最多只有1個；對二元合金來說，已知—個組元的含量，則合金的成分即可確定，因此合金成分的獨立變量只有一個，再加上溫度因素，所以二元合金的自由度數(shù)最多為2個。三元系合金的自由度數(shù)最多為3個，四元系為4個…。第6頁，共88頁，2023年，2月20日，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)。對單元系來說，組元數(shù)c＝1，由于自由度不可能出現(xiàn)負(fù)值，所以當(dāng)f=0時，同時共存的平衡相數(shù)應(yīng)具有最大值，代入相律公式f=c-p+1，即得P＝1-0+1＝2即單元系同時共存的平衡相數(shù)不超過2個。例如，純金屬結(jié)晶時，溫度固定不變，自由度為零，同時共存的平衡相為液、固兩相。對二元系來說，組元數(shù)c＝2，當(dāng)f＝0時，P=2－0＋1＝3，說明二元系中同時共存的平衡相數(shù)最多為3個。第7頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四(2)利用相律可以解釋純金屬與二元合金結(jié)晶時的一些差別。純金屬結(jié)晶時存在液、固兩相，其自由度為零，說明純金屬在結(jié)晶時只能在恒溫下進(jìn)行。二元合金結(jié)晶時，在兩相平衡條件下，其自由度f＝2－2＋1，說明此時還有一個可變因素(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，則其自由度f＝2－3＋1＝0，說明此時的溫度不但恒定不變，而且三個相的成分也恒定不變，結(jié)晶只能在各個因素完全恒定不變的條件下進(jìn)行。第8頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2.杠桿定律杠桿定律：用于計算相的成分及其相對含量。在二元系合金中，杠桿定律只適用于兩相區(qū)。要確定相的相對含量，首先必須確定相的成分。根據(jù)相律可知，當(dāng)二元系處于兩相共存時，f=c-p+1，其自由度為1，這說明只有一個獨立變量，如溫度可變，那么兩個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應(yīng)的。當(dāng)溫度恒定時，自由度為零，兩個平衡相的成分也即隨之固定不變。兩個相成分點之間的連線(等溫線)稱為連接線。實際上兩個平衡相成分點即為連接線與平衡曲線的交點。第9頁，共88頁，2023年，2月20日，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，處于兩相平衡狀態(tài)，即L，要確定液相L和固相的成分，可通過溫度t1作一水平線段arb，分別與液、固相線相交于a和b，a、b兩點在成分坐標(biāo)上的投影CL和C，即分別表示液、固兩相的成分。第10頁，共88頁，2023年，2月20日，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

wL＋w＝1合金I中的含鎳量等于液相和固相中鎳的含量之和，即wLCL＋wC＝1C由以上兩式可以得出第11頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四將合金I成分C的r點看作支點，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。將上式稱為杠桿定律。上式可以換寫成下列形式動畫3-3杠桿定律證明第12頁，共88頁，2023年，2月20日，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)無限互溶、固態(tài)也無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)晶過程。主要二元合金系：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、Mo-W等。第13頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四一、相圖分析

Cu-Ni二元合金相圖:液相線+固相線三個區(qū)域：液相區(qū)L固相區(qū)液、固兩相區(qū)L＋第14頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四二、固溶體合金的平衡結(jié)晶過程平衡結(jié)晶：合金在極緩慢冷卻條件下進(jìn)行結(jié)晶的過程。1）tl時固溶體成分:11含Ni量30%；tl時，含量為零，結(jié)晶剛剛開始。第15頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2）t2時固溶體成分：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，共88頁，2023年，2月20日，星期四3）t3時結(jié)晶終了得到了與原合金成分相同的固溶體。第17頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四合金平衡結(jié)晶時的組織變化過程動畫3-4Cu-Ni相圖及冷卻分析3-5Cu-Ni合金勻晶相圖第18頁，共88頁，2023年，2月20日，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)晶時所結(jié)晶出固相成分與原液相的成分不同。形核地點：結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏和成分起伏都要滿足要求的地方。過冷度越大，臨界晶核半徑越小，滿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)晶出來的固相成分和原液相成分越接近，越容易滿足對成分起伏的要求。第19頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四固溶體合金結(jié)晶特點：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，共88頁，2023年，2月20日，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，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，共88頁，2023年，2月20日，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，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，共88頁，2023年，2月20日，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)晶過程需要足夠長的時間---保證平衡結(jié)晶過程的進(jìn)行。固溶體合金在結(jié)晶時，始終進(jìn)行著溶質(zhì)和溶劑原子的擴(kuò)散過程：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）固相與液相通過界面進(jìn)行原子的互擴(kuò)散第23頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四固溶體合金的平衡結(jié)晶過程：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，共88頁，2023年，2月20日，星期四在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的相平衡關(guān)系，只有使界面向液相中移動，即晶體長大，而晶體長大所排出的溶質(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)一步長大，直到液相成分全部變到Cl為止。第25頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2）溫度自t1降至t2在t2時的重新形核和長大過程與t1時的相似，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)一步長大，以排出一部分溶質(zhì)原子，達(dá)到相平衡時所需要的溶質(zhì)濃度。過程反復(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，液相和固相內(nèi)的相互擴(kuò)散過程才會停止。原子在液相中擴(kuò)散較快，液相成分較快達(dá)到均勻時，固相內(nèi)還在不斷地進(jìn)行擴(kuò)散過程，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)晶過程也就完成了。第26頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)晶過程的進(jìn)一步進(jìn)行，有待于進(jìn)一步降低溫度。第27頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2）溫度t3溫度到t3時，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。固溶體結(jié)晶過程概述：固溶體晶核的形成(或原晶體的長大)，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，晶體必須長大，才能使相界面處重新達(dá)到平衡?？梢姽倘荏w晶體的長大過程是平衡不平衡平衡不平衡的辯證發(fā)展過程。第28頁，共88頁，2023年，2月20日，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)晶在實際生產(chǎn)中，液態(tài)合金澆入鑄型之后，冷卻速度較大，在一定溫度下擴(kuò)散過程尚未進(jìn)行完全時溫度就繼續(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，共88頁，2023年，2月20日，星期四固溶體的不平衡結(jié)晶過程：條件：設(shè)液相成分可以借助擴(kuò)散、對流或攪拌等完全均勻化，固相內(nèi)卻來不及進(jìn)行擴(kuò)散。1）t1，固相為1，液相為L1；2）t2，固相為2，整個已結(jié)晶固相成分為1和2的平均值2‘，液相為L2；此時，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，整個固體的實際成分為1、2、3的平均值3‘，液相為L3。第30頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四晶內(nèi)偏析：一個晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象枝晶偏析：固溶體樹枝狀晶體枝干和枝間化學(xué)成分不同的現(xiàn)象第31頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四影響晶內(nèi)偏析的因素：

1）分配系數(shù)k0當(dāng)k01時，k0值越小，則偏析越大；當(dāng)k01時，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，共88頁，2023年，2月20日，星期四四、區(qū)域偏析和區(qū)域提純1.區(qū)域偏析：固溶體合金在不平衡結(jié)晶時造成的大范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。區(qū)域偏析形成過程：t1溫度結(jié)晶出的固相成分為k0Cl，液相成分為Cl，t2時析出固相成分為k0C2，液相為C2，t3時，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)原子越來越富集，結(jié)晶出來的固相成分也越來越高，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，共88頁，2023年，2月20日，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，固相中無擴(kuò)散，液相中除了擴(kuò)散之外，沒有對流或攪拌，即液相中的溶質(zhì)原子混合很差。3）曲線b：不平衡結(jié)晶，固相中無擴(kuò)散，液相成分可以借助擴(kuò)散、對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，共88頁，2023年，2月20日，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，共88頁，2023年，2月20日，星期四五、成分過冷及其對晶體成長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)呈樹枝狀成長，還有的呈胞狀成長成分過冷1.形成成分過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，無對流或攪拌圖3.19(a)分配系數(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，共88頁，2023年，2月20日，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x＝0處，溶質(zhì)濃度最高，其值為C0/k0，見圖3.19(c)，相應(yīng)地結(jié)晶溫度也最低，見圖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．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，實際溫度低于平衡結(jié)晶溫度，形成過冷區(qū)域。成分過冷：由液相成分變化而引起的過冷度。第37頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四形成成分過冷極限條件：G：實際溫度梯度，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)。形成成分過冷的條件：影響成分過冷的因素：1）對于同種合金：溫度梯度G越小，成長速度R和溶質(zhì)的濃度C0越大，越有利于形成成分過冷。2）對于不同的合金：k01時k0越小，k01時，k0越大，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)D越小，成分過冷傾向越大。第38頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2.成分過冷對晶體成長形狀的影響金屬界面為粗糙界面1）正溫度梯度下，沒有成分過冷，固液界面呈平面狀成長2）正溫度梯度下，有成分過冷時，界面呈胞狀成長或樹枝狀成長。1）在溫度梯度G1下，界面呈平面狀生長。2）在溫度梯度下G2，界面呈胞狀生長。3）在溫度梯度G3下，晶體以樹枝狀的方式長大。第39頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四影響成分過冷因素：1）合金成分C02）液相內(nèi)溫度梯度G3）凝固速度R第40頁，共88頁，2023年，2月20日，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)時相互無限互溶，在固態(tài)時有限互溶，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：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，共88頁，2023年，2月20日，星期四共晶轉(zhuǎn)變相律：f＝2－3＋1=0，轉(zhuǎn)變在恒溫下進(jìn)行，而且三個相的成分應(yīng)為恒定值。特征：三個相區(qū)與水平線只有一個接觸點，其中液體單相區(qū)在中間，位于水平線之上，兩端是兩個固相單相區(qū)。共晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，由—定成分的液相同時結(jié)晶出兩個成分一定的固相的轉(zhuǎn)變過程。共晶組織：共晶轉(zhuǎn)變形成的兩相混合物動畫3-6Pb-Sn共晶第42頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四共晶線：相圖中的MEN水平線共晶點：E點共晶溫度：E點對應(yīng)的溫度共晶合金：成分對應(yīng)于共晶點的合金亞共晶合金：成分位于共晶點以左、M點以右的合金過共晶合金：成分位于共晶點以右、N點以左的合金三相平衡時，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，共88頁，2023年，2月20日，星期四二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織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點時，開始從液相中結(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點時，結(jié)晶完畢，全部結(jié)晶成固溶體，其成分與原始的液相成分相同。第44頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四在2~3點溫度范圍內(nèi)，固溶體不發(fā)生變化。當(dāng)溫度下降到了3點以下時，錫在固溶體中呈過飽和狀態(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，析出的相的成分為h，與成分為k的相維持平衡。第45頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四脫溶：由固溶體中析出另一個固相的過程，也稱之為二次結(jié)晶。次生相：二次結(jié)晶析出的相，也稱之為二次相。次生固溶體以II表示，II優(yōu)先從相晶界析出，有時也從相晶粒內(nèi)的缺陷部位析出。第46頁，共88頁，2023年，2月20日，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，共88頁，2023年，2月20日，星期四合金冷卻曲線第48頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四平衡結(jié)晶過程示意圖第49頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四成分位于F與M之間的所有合金，顯微組織：由＋I(xiàn)I兩相所組成，只是兩相的相對含量不同。合金成分越靠近M點，II的含量越多。兩相含量可用杠桿定律求出，合金I的和II相的含量分別為第50頁，共88頁，2023年，2月20日，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，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，這個轉(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兩個相的混合物，稱為共晶組織。M和N相的含量分別為第51頁，共88頁，2023年，2月20日，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，共88頁，2023年，2月20日，星期四合金的冷卻曲線：有冷卻平臺第53頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四合金平衡結(jié)晶過程示意圖第54頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四共晶組織的形成過程：共晶轉(zhuǎn)變形核、長大形核---存在領(lǐng)先相---兩相交替形核長大。共晶組織中，片與片、片與片分別互相聯(lián)系，共同構(gòu)成一個共晶領(lǐng)域。兩個相不需要反復(fù)形核，以“搭橋”方式形成的。第55頁，共88頁，2023年，2月20日，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，共88頁，2023年，2月20日，星期四影響共晶組織形態(tài)的因素：兩個組成相的本質(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，共88頁，2023年，2月20日，星期四3.亞共晶合金IIIwSn50％的合金III的結(jié)晶過程1點，結(jié)晶出固溶體。在1~2點內(nèi)，相和液相成分分別沿AM和AE線變化。2點時，相和剩余液相的成分分別到達(dá)M點和E點，兩相的含量分別為動畫3-7Pb-Sn相圖亞共晶分析第58頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四在溫度tE、成分為E點的液相便發(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點以下繼續(xù)冷卻時，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，共88頁，2023年，2月20日，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，共88頁，2023年，2月20日，星期四合金冷卻曲線：有冷卻平臺第61頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四合金平衡結(jié)晶過程示意圖第62頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四先共晶相形態(tài)：如果是固溶體，則一般呈樹枝狀。若先共晶相為亞金屬和非金屬或化合物時，則一般具有較規(guī)則的外形。如在Pb-Sb二元系合金中，過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，見圖3.33。第63頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四4.過共晶合金IV過共晶合金平衡結(jié)晶過程先共晶相是，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，共88頁，2023年，2月20日，星期四小結(jié)：1）F~G點間合金：+，相的大小、數(shù)量和分布狀況發(fā)生很大變化；F~M點間合金：+II；N~G點間合金：+II。2）亞共晶合金：+II+共晶組織（+）；共晶合金：共晶組織（+）；過共晶合金：+II+共晶組織（+）3）、、II、II及（+）在顯微組織中均能清楚地區(qū)分開，是組成顯微組織的獨立部分，稱之為組織組成物。從相的本質(zhì)看，它們都是由和兩相所組成，所以、兩相稱為合金的相組成物。第65頁，共88頁，2023年，2月20日，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在合金相圖上。第66頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四合金組織組成物與相組成物的相對含量都可以用杠桿定律來計算例如：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，共88頁，2023年，2月20日，星期四三、不平衡結(jié)晶及組織實際生產(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，成分在共晶點附近的亞共晶或過共晶合金，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，共88頁，2023年，2月20日，星期四由于冷速較大，將會產(chǎn)生過冷，當(dāng)液態(tài)合金過冷到兩條液相線的延長線所包圍的影線區(qū)時，就可得到共晶組織。因為此時的液態(tài)合金對于相和相都是過飽和的，所以既可以結(jié)晶出，又可以結(jié)晶出，它們同時結(jié)晶出來就形成了共晶組織。當(dāng)亞共晶合金I過冷至t1溫度以下結(jié)晶時就可以得到全部的共晶組織。第69頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四實際偽共晶區(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）對稱，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：共晶組織中兩個相單獨生長時的長大速度和過冷度的關(guān)系。如果兩個相單獨生長時的長大速度與過冷度的關(guān)系差別不大，偽共晶區(qū)對稱；如果兩個相的長大速度與過冷度的關(guān)系相差很大，其中一個相的長大速度隨過冷度的增加下降很快，此時該相的生長就會被抑制，使偽共晶區(qū)歪斜地偏向該相一邊。影響相長大速度因素：各相本身的晶體結(jié)構(gòu)及其固液界面的性質(zhì)。第70頁，共88頁，2023年，2月20日，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，有時共晶組織中與先共晶相相同的那一相，會依附于先共晶相上生長，剩下的另一相則單獨存在于晶界處，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，共88頁，2023年，2月20日，星期四在合金成分偏離共晶點很遠(yuǎn)的亞共晶(或過共晶)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，此時如果冷卻速度十分緩慢，過冷度很小，那么共晶中的相如果在已有的先共晶相上長大，要比重新形核再長大容易得多。這樣，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(或N點)時(見圖3.39合金I)，越易發(fā)生離異共晶。第72頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四M點左面的合金II在平衡冷卻時，不可能存在共晶組織，但在不平衡結(jié)晶時，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仍有少量的液相存在。此時的液相成分接近于共晶成分，這部分剩余液體將會發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織。此時先共晶相數(shù)量很多，共晶組織中的相可能依附于先共晶相上長大，形成離異共晶。第73頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四wCu40%的A1-Cu合金在鑄造條件下，將會出現(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，共88頁，2023年，2月20日，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、相圖分析三個單相區(qū)：L、、三個兩相區(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動畫3-8

包晶反應(yīng)第75頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四PDC線：包晶轉(zhuǎn)變線，D點稱為包晶點，D點所對應(yīng)的溫度(tD)稱為包晶溫度，PDC線稱為包晶線。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，形成另一個一定成分的固相的轉(zhuǎn)變過程。包晶轉(zhuǎn)變特征：反應(yīng)相是液相和一個固相，其成分點位于水平線的兩端，所形成的固相位于水平線中間的下方。第76頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四二、典型合金的平衡結(jié)晶過程及組織1.wAg42.4％Pt-Ag合金I1點時，開始從液相中結(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，合金中相的成分達(dá)到P點，液相的成分達(dá)到C點，各自含量為動畫3-9Pt-Ag包晶轉(zhuǎn)變第77頁，共88頁，2023年，2月20日，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，不斷地從相中析出次生相II。合金的室溫組織為＋I(xiàn)I相依附在相上生核并長大，并將相包圍起來，L和被相隔開，相中的鉑原子通過向中擴(kuò)散，液相中的銀原子通過向相中擴(kuò)散，不斷消耗L相和相而生長，直到把液相和相全部消耗完畢為止。第78頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四2.wAg10.5％~42.4%的合金II1點時，結(jié)晶出初晶；2點時，相和液相的成分分別為P點和C點，各自含量分別為tD（2點）時，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溫度時的相的相對量較多，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：＋＋I(xiàn)I＋I(xiàn)I。動畫3-10Pt-Ag亞包晶轉(zhuǎn)變第79頁，共88頁，2023年，2月20日，星期四設(shè)wAg