第三章-二元相图和合金的凝固课件.ppt

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1、1,1,3.1 二元相图的建立,一、相图的表示方法对二元合金来说，通常用横坐标表示成分，纵坐标表示温度。坐标平面上的任一点称为表象点，表示合金的成分和温度,2,2,二、相图的建立通过实验测定：先配制一系列成分不同的合金，然后测定这些合金的相变临界点，最后把这些点标在温度成分坐标图上，把各相同意义的点连结成线，这些线就在坐标图上划分出一些区域，即相区，将各相区所存在的相的名称标出，相图的建立工作即告完成。测定临界点方法：热分析法、膨胀法、电阻法、x射线结构分析法等。热分析法测定二元合金相图：1）配制一系列不同成分的合金，测出从液态到室温的冷却曲线。2）将临界点标在温度成分坐标图中，再将相同意义的

2、点连接起来。3）标注相区。,3,3,液相线：表示合金结晶开始的温度或加热过程中熔化终了的温度；固相线：表示合金结晶终了的温度或在加热过程中开始熔化的温度单相固溶体用表示。,+L,4,4,三、相律及杠杆定律（分析相图的两个重要依据）相律：说明合金在平衡结晶过程中温度和相成分的变化；杠杆定律：定量给出结晶过程中两相相对量的变化，最后形成的组织中两相的相对量以及组织的相对量。1、相律及其应用相律：表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系。当系统的压力为常数时：f=c-p+1f为自由度数，c为组元数，p为相数自由度数：结晶过程中保持相数不变的平衡条件下，影响状态的内、外部因素中可以独立

3、发生变动的数目。温度和成分,5,5,纯金属自由度数最多1个（成分固定）；二元合金自由度数最多2个（成分的独立变量只有一个）；三元合金自由度数最多3个（成分的独立变量有两个）；应用：（1）、确定系统中可能存在的最多平衡相数 f最小为0，即f=c-p+1=0 p=c+1纯金属中最多相数为2，二元合金中最多相数为3，依次类推（2）、解释纯金属与二元合金的差别纯金属（c=1）结晶时两相平衡（p=2）f=0，恒温二元合金（c=2）两相平衡（p=2）f=1，一个变量，反应在一个温度范围内进行；三相平衡（p=3）f=0，恒温、成分固定，相图中是一条恒温线,6,6,2、杠杆定律定量确定两相共存状态下两相的相对

4、量，以Cu-Ni合金为例：在T1温度下，成分x的合金处于L+两相共存状态，设液相的量为，固相量为，合金总量为：Ni在合金中的总量等于在L和两相中的量之和：,图3.3 杠杆定理的说明,7,7,以合金成分o为支点,以L相成分a为支点,以相成分b为支点,a,o,b,a,o,b,a,o,b,在二元系合金中，杠杆定律只适用于两相平衡区,8,8,例题：有一成分为0.5B的合金，平衡结晶到某一温度时，液相中含有0.4B，固相中含有0.8B，此时固、液相各占多少分数？,9,9,3.2 二元匀晶相图及固溶体的结晶,匀晶相图：两组元在液态、固态都无限溶解，形成固溶体。例如：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd

5、-Mg、Fe-Ni、Mo-W等匀晶转变：合金结晶时都是从液相中结晶出单相固溶体。一、相图分析以Cu-Ni相图为例：液相线固相线相区,10,10,二、固溶体合金的平衡结晶过程以Cu-0.3Ni为例,Cu-0.3Ni合金的冷却曲线,11,11,固溶体的平衡结晶过程与纯金属相同点：液态合金成分：宏观平均成分，微观角度，微小原子集团偏离平均成分，成分、大小、位置变化不定形核的结构条件要满足结构起伏、能量起伏和成分起伏三个。热力学条件：T rK，GK，固相与母相成分越接近，N，晶粒形核方式匀晶合金在室温下的组织为单相固溶体,图3.6 固溶体合金平衡结晶时组织变化示意图,12,12,固溶体的平衡结晶过程与

6、纯金属不同点：异分结晶（选择结晶）：结晶出的晶体与母相的化学成分不同。同分结晶：纯金属结晶晶体与母相的化学成分完全一样。异分结晶溶质原子重新分配平衡分配系数：一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比，即 假定液相线和固相线为直线，则 为常数。c相线，1，C 反映重新分配的强烈程度,13,13,结晶需要一定的温度范围温度范围内的每一温度下只能结晶出一定数量的固相,Cu-0.3Ni合金的冷却曲线,14,14,结晶过程中，溶质原子重新分配一直在进行 原子扩散合金成分C0温度T1，液相成分C1，固相成分k0C1温度T2，液相成分C2，固相成分k0C2,浓度梯度,图3.8 固溶体合金的平衡结晶,溶质浓度,

7、15,15,温度T1的结晶过程:界面区域浓度梯度原子扩散C1C0（非平衡X）晶体长大C1平衡重新建立浓度梯度原子扩散进一步长大重复进行,（a）,（b）,（c）,（d）,16,16,温度T2的结晶过程:界面区域浓度梯度原子扩散C改变（非平衡X）晶体长大平衡重新建立浓度梯度原子扩散进一步长大重复进行,a,T3,17,17,固溶体的平衡结晶过程：固相成核相内浓度梯度相内扩散 界面浓度不平衡晶体长大重新建立平衡固溶体的平衡结晶过程 原子的扩散过程液相和固相均匀一致 原子的扩散进行完全 缓慢冷却冷却速度大 相内成分不均匀 偏离平衡结晶条件（不平衡结晶）,18,18,三、固溶体合金的不平衡结晶条件：液相完

8、全均匀化，而固相内却来不及进行扩散。平衡：t1:t2:t3:不平衡t1:t2:t3:t4:固相平均成分线 冷却速度,图3.11 匀晶系合金的不平衡结晶,19,19,晶内偏析：晶粒内部化学成分不均匀的现象。（枝晶偏析）,图3.12 固溶体在不平衡结晶时的组织变化示意图,20,20,影响晶内偏析的因素：1）分配系数k0 当k01时，k0值越小，则偏析越大；当k01时，k0越大，偏析也越大。2）溶质原子的扩散能力 结晶的温度较高，溶质原子扩散能力大，则偏析程度较小；反之，则偏析程度较大。3）冷却速度 冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。（一般情况）小铸件冷却速度极快，过冷度很大，到t3才开始结晶 成分

9、均匀严重的晶内偏析机械性能，抗蚀能力消除晶内偏析：扩散退火或均匀退火。高温，长时间保温，缓冷,21,21,四、区域偏析和区域提纯1、区域偏析（宏观偏析）：大范围内化学成分不均匀的现象液相扩散、对流、搅拌，成分均匀，固相无扩散为例：,图3.15 区域偏析的形成过程,22,22,液相只有扩散，成分不均匀，固相无扩散为例：,23,23,1）水平直线a：平衡结晶，相内溶质原子充分混合。2）曲线c：不平衡结晶，固相中无扩散，液相中除了扩散之外，没有对流或搅拌，即液相中的溶质原子混合很差3）曲线b：不平衡结晶，固相中无扩散，液相成分可以借助扩散、对流或搅拌等完全均匀化。4）曲线d：介于b与c情况之间。,2

10、4,24,2、区域提纯依据区域偏析原理可以提纯金属。将杂质富集的末端切去，然后再熔化，再顺序凝固，金属的纯度就可不断地得以提高。区域熔炼技术（区域提纯）,熔化区，效果k0，效果搅拌，效果,25,25,五、成分过冷及其对晶体成长形状的影响固溶体结晶呈树枝状生长，还有的呈胞状生长成分过冷1、形成成分过冷的条件及其影响因素,26,26,形成成分过冷临界条件：G：实际温度梯度，R：结晶速度，m：液相线斜率，D：液相中溶质的扩散系数，k0：分配系数。形成成分过冷的条件影响成分过冷的因素：G，R，C01）对于同种合金：温度梯度G，成分过冷。2）对于不同的合金：k01时k0，k01时，k0，液相线越陡,D，

11、成分过冷。,27,27,2、成分过冷对晶体成长形状的影响1）在温度梯度G1下，界面呈平面状生长。2）在温度梯度下G2，界面呈胞状生长。3）在温度梯度G3下，晶体以树枝状的方式长大。,28,28,29,29,3.2 二元共晶相图及其合金的结晶,二元共晶相图：两组元在液态时相互无限互溶，在固态时有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图。例如：Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi等，Fe-C、Al-Mg有共晶部分。共晶转变：某一定化学成分的合金在一定温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程。共晶反应：共晶组织由两相混合组成，即+,30,30,一、相图分析液相

12、线固相线溶解度曲线共晶反应线共晶点共晶温度共晶合金亚共晶合金过共晶合金相区：单相区双相区三相共存区,31,31,二、典型合金的平衡结晶过程及组织1、成分小于M点的合金以Pb-0.1Sn为例（合金I）,32,32,T1，L12，L+23，34，+脱溶（二次结晶）次生相（二次相）成分在F和M之间的合金，和的相对含量：,33,33,34,34,组织黑色基体为相白色颗粒为,35,35,2、共晶合金（合金II）w（Sn）=61.9%,36,36,TE：TE:+（+）和 的含量：,TE,37,37,38,38,组织：呈层片状交替分布，黑色为相，白色为相共晶组织（+）,39,39,共晶组织的形成：结晶过程

13、形核 领先相 以为例界面富锡 析出界面富铅 长大 两相交替形核和长大，构成共晶组织.片与片，片与片分别互相联系，不需要反复形核，可能一“搭桥”方式形成。,40,40,41,41,影响共晶组织形态的因素：两个组成相的本质是其形态的决定性因素。金属-金属型：大多为层片状或棒状金属-非金属型：表现为针片状或骨骼状等。,42,42,3、亚共晶合金成分在ME之间（合金 w（Sn）=50%）,43,43,1：L;12：L+；2（TE）：两相的成分分别达到M点和E点两相的质量分数：共晶反应前初晶又称先共晶相（先）。TE:先+2:(先+）+（+）,TE,44,44,45,45,暗黑色树枝状晶为先共晶相，其中的

14、白色颗粒为析出的黑白相间分布的为共晶组织,46,46,4、过共晶合金成分在EN之间（合金 w（Sn）=70%）,47,47,1:L;12：L+；2:先+2:(先+）+（+）,TE,48,48,亮白色树枝状晶为先共晶相，其中的黑色颗粒为析出的黑白相间分布的为共晶组织,49,49,小结：1）F-G点间合金：+，相的大小、数量和分布状 况发生很大变化；F-M点间合金：+II；N-G点间合金：+II。2）M-E点间亚共晶合金：+II+共晶组织（+）；E点共晶合金：共晶组织（+）；E-N点间过共晶合金：+II+共晶组织（+）3）、II、II及（+）在显微组织中均能清楚地区分开，是组成显微组织的独立部分，

15、称之为组织组成物。从相的本质看，它们都是由和两相所组成，所以、两相称为合金的相组成物。,50,50,51,51,合金组织组成物与相组成物的相对含量都可以用杠杆定律来计算例如：含锡量为30的亚共晶合金在183共晶转变结束后，先共晶相和共晶组织(+)的含量分别为？相组成物相和相的含量分别为？,52,52,三、不平衡结晶及组织冷却速度快扩散不充分偏离平衡状态1、伪共晶 由非共晶成分的合金经不平衡结晶得到共晶组织.伪共晶区：形成全部共晶组织的成分和温度范围。当液态合金过冷到两条液相线的延长线所包围的影线区时，就可得到共晶组织理论伪共晶区,53,53,实际伪共晶区：对称地扩大：金属-金属型共晶歪斜地扩大

16、：金属-非金属型共晶伪共晶区的形状 两相单独生长的长大速度与过冷度的关系。差别不大对称扩大；差别很大（一个相的长大速度随过冷度的增加下降很快生长被抑制）偏向该相一边,晶体结构界面性质,54,54,Al-Si合金：共晶合金快冷亚共晶组织,55,55,2、离异共晶在先共晶相数量较多而共晶组织甚少的情况下，有时共晶组织中与先共晶相相同的那一相，会依附于先共晶相上生长，剩下的另一相则单独存在于晶界处，从而使共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。平衡结晶（）：越靠近M（或N点）离异共晶不平衡结晶（）：M点以左或N点以右,56,56,离异共晶组织具有不良影响不平衡结晶产生的，经均匀化退火后可

17、变为平衡态的固溶体组织。,57,3.4 包晶相图及其合金的结晶,包晶相图:两组元在液态相互无限互溶、在固态相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合全系相图。例如：Pt-Ag、Sn-Sb、Cu-Sn、Cu-Zn等。包晶转变（包晶反应）：在一定温度下，一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。,57,TD,58,一、相图分析液相线固相线溶解度曲线包晶反应线包晶点包晶温度相区：单相区双相区三相共存区,58,59,二、典型合金的平衡结晶过程及组织1、w（Ag）=42.4%的Pt-Ag合金（合金）成分为D点1:L1-D:L+TDTD:+次生相,TD,60,61,2、成分在P-D

18、之间点的Pt-Ag合金（合金）1:L1-2:L+TD反应结束，过剩2:+II+II,TD,62,63,3、成分在D-C之间点的Pt-Ag合金（合金）1:L1-2:L+TD反应结束，L过剩2-3：L3-4:4:+II,TD,64,65,设wAg20%的合金II进行包晶转变时，L和的相对含量？包晶转变过程中需要多少？包晶转变生成多少？剩余多少？,66,三、不平衡结晶过程及组织包晶转变十分缓慢，在实际生产条件下，冷却速度快，包晶转变将被抑制，剩余的液体在低于包晶转变温度下，直接转变为相。这样一来，在平衡转变时本来不存在的相就被保留下来，同时相的成分也很不均匀。包晶偏析：由于包晶转变不能充分进行而产生

19、的化学成分不均匀现象。温度足够高，扩散足够快，包晶反应有可能彻底完成。不平衡组织：本来不存在的相就被保留下来P点左侧的合金，在不平衡条件下，发生包晶反应，形成不应出现的相消除不平衡组织：长时间扩散退火,67,四、包晶转变的实际应用包晶转变的两个显著特点：1）包晶转变的形成相依附在初晶相上形成；2）包晶转变的不完全性。应用：1）在轴承合金中的应用；2）包晶转变的细化晶粒作用。,68,3.5 其他类型的二元合金相图,一、组元间形成化合物的相图1、形成稳定化合物的相图,69,2、形成不稳定化合物的二元相图,70,二、具有固态转变的二元合金相图1、共析转变：一定成分的固相，在一定温度下分解为另外两个一

20、定成分的固相的转变过程。,71,2、包析转变：在一定温度下，两个一定成分的固相相互作用，形成另一个一定成分的固相的过程。,72,3.7 铸锭的组织与缺陷,一、铸锭三晶区的形成 表层细晶区、中间柱状晶区、心部等轴晶区,图2-34 铸锭组织示意图1-细晶区 2-柱状晶区 3-等轴晶区,73,1、细晶区：表层细晶区的形核数目取决于下列因素：型壁的形核能力 型壁所能达到的过冷度的大小：铸型的表面温度、热传导能力和浇注温度等。2、柱状晶区型壁温度升高，结晶前沿过冷度很小，不能形核，利于长大；垂直于型壁方向散热最快，生长沿散热的反方向；生长速度，一次晶轴最快，平行于散热方向的一次晶轴最快铸造织构固相导热性

21、好，保持定向散热，柱状晶前沿没有新形核的晶粒阻挡，形成穿晶组织。柱晶间界是杂质、气泡、缩孔较富集的地区，是铸锭的脆弱结合面，简称弱面。,3、中心等轴晶区铸锭中心有晶核残片，结晶前沿成分过冷增大，重新形核。中心温度均匀，生长方向一致，所以形成等轴晶。在等轴晶区中，各晶粒的取向不同，没有方向性，没有脆弱面，同时取向不同的晶粒彼此咬合，裂纹不易发展。显微缩孔多，组织不致密。二、铸锭组织的控制,有利于柱状晶区发展的因素,锭模的导热能力要大,高温浇注、高速浇注,高的熔化温度,有利于等轴晶区发展的因素,低温、低速浇注,降低熔化温度,变质处理,搅拌、振动,三、铸锭缺陷,集中缩孔,分散缩孔（缩松）,气孔,夹杂

22、物,外来夹杂物,内生夹杂物,缩孔,76,76,本章小结相图，相律，杠杆定律相图的类型匀晶相图：液态和固态下均无限溶解；共晶相图：液态无限溶解，固态有限溶解，有共晶反应；包晶相图：液态无限溶解，固态有限溶解，有包晶反应；图形特点：匀晶 共晶 包晶,L,L,L,反应特点：匀晶转变：L共晶转变：L+包晶转变：L+固溶体平衡结晶与纯金属结晶的共同点和不同点成分起伏异分结晶用相律说明固溶体结晶需要一定的温度范围固溶体的不平衡结晶枝晶偏析，区域偏析（如何消除？）成分过冷脱溶,T,T,相图的应用和分析二元相图，已知部分相区确定相邻相区，确定双相区和三相区的冷却转变类型和反应式，分析合金冷却时的相变过程及对应的冷却曲线。(匀晶、共晶、包晶)相图中相和组织转变过程，掌握利用杠杆定律计算平衡转变时相组成和组织组成物的相对含量。共晶、包晶合金的非平衡冷却时组织特点。,作业1、6、7、8、9、15、17,