1、主要内容：主要内容：l二元相图的建立l二元相图的基本类型与分析l合金的结晶 重要概念：重要概念：l 相图相图（Phase Diagram） 描述在平衡条件下合金的状态、温度、压力及成分之间关系的一种描述在平衡条件下合金的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解。又称为状态图。图解。又称为状态图。l 状态状态（State） 指系统中各相的凝聚态、相的类型等。指系统中各相的凝聚态、相的类型等。l 相变相变（Phase Transformation） 合金中的相从一种类型转变为另一种类型的过程。合金中的相从一种类型转变为另一种类型的过程。l 相平衡相平衡（Phase Equilibrium）如果系统
2、中的各相在较长时间内不互相转化，则称该系统处于相平如果系统中的各相在较长时间内不互相转化，则称该系统处于相平衡状态，或达到了相平衡。衡状态，或达到了相平衡。 第三章 二元相图及应用第三章 二元相图及应用相图是在热力学平衡的条件下建立起来的。相图是在热力学平衡的条件下建立起来的。平衡平衡是指在一定条件下合金系中参与相变的各相的成分和相对量不发是指在一定条件下合金系中参与相变的各相的成分和相对量不发生变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。生变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。测定相图最常用的方法是热分析法，它要求在测定相图最常用的方法是热分析法，它要求
3、在合金冷却时，其冷却速合金冷却时，其冷却速度非常缓慢，使合金在相变过程中有充分时间进行组元间的互相扩散，度非常缓慢，使合金在相变过程中有充分时间进行组元间的互相扩散，每个阶段都能达到平衡，达到平衡相的均匀成份每个阶段都能达到平衡，达到平衡相的均匀成份。因此相图又称为平衡。因此相图又称为平衡相图，平衡图相图，平衡图（Equilibrium Diagram）。 相图的作用：相图的作用：利用相图，可以了解不同成分的材料在不同条件下：利用相图，可以了解不同成分的材料在不同条件下：存在哪些相；存在哪些相；各相的相对量；各相的相对量；成分、温度变化时材料中发生的相变。成分、温度变化时材料中发生的相变。第三
4、章 二元相图及应用3.1 3.1 二元相图的建立二元相图的建立第一节二元相图的建立第一节二元相图的建立一、二元合金相图的测定方法一、二元合金相图的测定方法建立相图的方法有实验测定和理论计算两种，目前，最常用的方法是建立相图的方法有实验测定和理论计算两种，目前，最常用的方法是热分析法热分析法（Thermal Analysis）。 Cu-NiCu-Ni二元合金相图的测定步骤：二元合金相图的测定步骤：配制一系列不同成分的配制一系列不同成分的Cu-NiCu-Ni合金；合金； 例如：例如：100%Cu、80%Cu-20%Ni、60%Cu-40%Ni、40%Cu-60%Ni、 20%Cu-80%Ni、10
5、0%Ni等等6个合金。个合金。分别测定上述合金的冷却曲线；分别测定上述合金的冷却曲线；在冷却曲线上找出合金的各个临界点；在冷却曲线上找出合金的各个临界点；临界点指合金在冷却时凝固开始和凝固终了的温度点。临界点指合金在冷却时凝固开始和凝固终了的温度点。将各临界点标在相图的坐标平面上；将各临界点标在相图的坐标平面上；二元相图的坐标平面，其纵座标为温度，横座标为成分。二元相图的坐标平面，其纵座标为温度，横座标为成分。在相图平面上将性质相同的临界点分别连接起来，即建立起相图。在相图平面上将性质相同的临界点分别连接起来，即建立起相图。CuNi20406080wNi（%）时间时间温度温度wNi=100%w
6、Ni=80%wNi=60%wNi=40%wNi=20%Cu-Ni二元合金相图的建立二元合金相图的建立wCu=100%第三章 二元相图及应用3.1 3.1 二元相图的建立二元相图的建立第三章 二元相图及应用3.1 3.1 二元相图的建立二元相图的建立二、相律及其应用二、相律及其应用相律表示系统在平衡条件下，自由度数、组元数和相数之间的关系。相律表示系统在平衡条件下，自由度数、组元数和相数之间的关系。1.1.吉布斯相律吉布斯相律（Gibbs Phase Rule）吉布斯在研究相平衡问题时发现，处于平衡状态的合金中可能存在的相吉布斯在研究相平衡问题时发现，处于平衡状态的合金中可能存在的相数有一定的限
7、制，即数有一定的限制，即FCP2式中，式中，F F系统的自由度数，系统的自由度数，是指在保持系统的相数和状态不变的条件是指在保持系统的相数和状态不变的条件 下，系统的独立可变因素下，系统的独立可变因素( (如温度、压力、成分等如温度、压力、成分等) )的数目；的数目； C C系统的组元数；系统的组元数；P P系统的相数；系统的相数；2 2外界温度因素和压力因素。外界温度因素和压力因素。通常情况下，压力的改变对合金的相平衡影响极小，一般可以忽略，吉通常情况下，压力的改变对合金的相平衡影响极小，一般可以忽略，吉布斯相律可以改写为布斯相律可以改写为FCP12.2.相律的应用相律的应用确定系统中可能存
8、在的最多平衡相数；确定系统中可能存在的最多平衡相数；解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别。解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别。第二节匀晶相图及固溶体合金的结晶第二节匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图：匀晶相图：两组元在液态和固态下均能无限互溶，冷却时发生匀晶反应的相图。两组元在液态和固态下均能无限互溶，冷却时发生匀晶反应的相图。 匀晶反应匀晶反应（Isomorphous Reaction）：从液相中直接结晶出固溶体的反应。又称匀晶转变从液相中直接结晶出固溶体的反应。又称匀晶转变。L L 具有匀晶相图的二元合金系：具有匀晶相图的二元合金系：Cu-NiCu-Ni、Au-AgAu-Ag、Fe-Ni
9、Fe-Ni、Cu-AuCu-Au、Cr-MoCr-Mo等。等。第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶一、一、Cu-Ni合金相图分析合金相图分析1.1.相图的基本分析相图的基本分析分析相图中各重要的点、各重要的线和各个面（区域）。分析相图中各重要的点、各重要的线和各个面（区域）。2.2.典型合金的平衡结晶过程分析典型合金的平衡结晶过程分析分析典型合金从高温缓慢冷却至室温的过程中所发生的各种转变。分析典型合金从高温缓慢冷却至室温的过程中所发生的各种转变。合金结晶开始的温度连线合金结晶开始的温度连线合金结晶终了的温度连线合金结晶终了的温度连线液相线液相
10、线（Liquidus Line）固相线固相线（Solidus Line）ABLL Cu-Ni合金相图合金相图t1t4t2t3213相图基本分析和典型合金平衡结晶过程分析：相图基本分析和典型合金平衡结晶过程分析：第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶a1a2a3l1l2l3l4a4二、固溶体合金的平衡结晶二、固溶体合金的平衡结晶 1.1.固溶体合金平衡结晶的特点固溶体合金平衡结晶的特点固溶体合金的结晶过程与固溶体合金的结晶过程与纯金属一样，也是形核和长大的过程。纯金属一样，也是形核和长大的过程。 固溶体合金的形核需要固溶体合金的形核需要3个起伏：个
11、起伏：F结构起伏；结构起伏；F能量起伏；能量起伏；F成分（浓度）起伏。成分（浓度）起伏。 成分（浓度）起伏成分（浓度）起伏（Composition (concentration) Fluctuation）：由于原子热运动的结果，在任一瞬间，液相中总会有某些微小区域，其成由于原子热运动的结果，在任一瞬间，液相中总会有某些微小区域，其成分偏离液相的平均成分，并且这些微小区域的成分、大小和位置都处在不断分偏离液相的平均成分，并且这些微小区域的成分、大小和位置都处在不断地变化中，这种现象称为成分起伏或浓度起伏。地变化中，这种现象称为成分起伏或浓度起伏。固溶体合金结晶时，随着温度的降低，液相的成分沿着液
12、相线变化，固固溶体合金结晶时，随着温度的降低，液相的成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化。相的成分沿着固相线变化。第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶固溶体合金的结晶为异分结晶固溶体合金的结晶为异分结晶 异分结晶异分结晶（Selective Crystallization）：合金结晶时，析出的固相与液相成分不同，这种结晶称为异分结晶，又合金结晶时，析出的固相与液相成分不同，这种结晶称为异分结晶，又称为选分结晶、选择结晶。称为选分结晶、选择结晶。如果结晶出的晶体与母相的化学成分完全一样，这种结晶就称为同分结如果结晶出的晶体与母相的化学成分
13、完全一样，这种结晶就称为同分结晶。纯金属的结晶就属于同分结晶。晶。纯金属的结晶就属于同分结晶。第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶平衡分配系数平衡分配系数k01C 固溶体合金结晶时溶质原子的重新分配：固溶体合金结晶时溶质原子的重新分配：平衡分配系数平衡分配系数k0 0在一定温度下，固、液两相中的溶质浓度之比，反映在一定温度下，固、液两相中的溶质浓度之比，反映了溶质原子重新分配的强弱程度。了溶质原子重新分配的强弱程度。F当当k0 01 1时，时，k0 0值越小，液相线值越小，液相线和固相线之间的水平距离越大；和固相线之间的水平距离越大；F当当k0
14、 01 1时，时，k0 0值越大，液相线值越大，液相线和固相线之间的水平距离越大。和固相线之间的水平距离越大。L0CCk第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶固溶体合金结晶时发生的溶质原子的重新分配，必然导致在结晶过程中，固溶体合金结晶时发生的溶质原子的重新分配，必然导致在结晶过程中，在固相和液相中以及固液相之间，发生两组元原子的相互扩散。在固相和液相中以及固液相之间，发生两组元原子的相互扩散。固溶体合金的平衡结晶过程：固溶体合金的平衡结晶过程：在每一温度下，固溶体合金平衡结晶包括三个过在每一温度下，固溶体合金平衡结晶包括三个过程：程：F液相内的
15、组元的原子扩散过程；液相内的组元的原子扩散过程；F固相的继续长大；固相的继续长大；F固相内的组元的原子扩散过程。固相内的组元的原子扩散过程。固溶体合金的平衡结晶固溶体合金的平衡结晶固溶体合金在固溶体合金在t1温度时的结晶过程温度时的结晶过程第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶固溶体合金的结晶是固溶体合金的结晶是在一个温度范围内进行的。在一个温度范围内进行的。只有在温度不断下降时，固相只有在温度不断下降时，固相 的相对量才增加，温度不变，液相的相对量才增加，温度不变，液相L L和固相和固相 的相对量保持不变，即达到平衡状态。的相对量保持不变，即达
16、到平衡状态。固溶体合金的平衡结晶固溶体合金的平衡结晶固溶体合金在固溶体合金在t2温度时的结晶过程温度时的结晶过程2.2.杠杆定律杠杆定律（Lever Rule）又称杠杆法则，用于计算二元合金处于又称杠杆法则，用于计算二元合金处于两相平衡时，两个相的相对量。两相平衡时，两个相的相对量。xx1x2x1xx2%100122LxxxxQ%100121xxxxQtQLQ xx1x2杠杆定律的力学比喻杠杆定律的力学比喻第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶三、固溶体合金的非平衡结晶三、固溶体合金的非平衡结晶实际生产时，由于冷却速度较快，合金的结晶过程往往是非
17、平衡的。实际生产时，由于冷却速度较快，合金的结晶过程往往是非平衡的。平衡结晶：平衡结晶：合金平衡结晶时，晶体在长大过程中，组元的原子（例如合金平衡结晶时，晶体在长大过程中，组元的原子（例如CuCu原子和原子和NiNi原原子）在析出的固相中不断的发生迁移或扩散，如果冷却速度非常缓慢，则子）在析出的固相中不断的发生迁移或扩散，如果冷却速度非常缓慢，则原子可以通过扩散而达到浓度处处相等。原子可以通过扩散而达到浓度处处相等。非平衡结晶：非平衡结晶：在实际生产中，冷却速度往往较快，且原子在固相中的扩散相对于在液在实际生产中，冷却速度往往较快，且原子在固相中的扩散相对于在液相中要缓慢得多，因此，扩散尚未充
18、分进行，温度就继续下降，从而使结相中要缓慢得多，因此，扩散尚未充分进行，温度就继续下降，从而使结晶过程偏离了平衡结晶条件，其结果就是，在先结晶出的固溶体与后结晶晶过程偏离了平衡结晶条件，其结果就是，在先结晶出的固溶体与后结晶出的固溶体中，组元原子分布不均匀，即出现浓度的差异。出的固溶体中，组元原子分布不均匀，即出现浓度的差异。第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶固溶体合金的非平衡结晶固溶体合金的非平衡结晶固相平均成分线固相平均成分线液相平均成分线液相平均成分线
19、1.1.固溶体合金的非平衡结晶过程固溶体合金的非平衡结晶过程2.2.固溶体合金非平衡结晶的特点固溶体合金非平衡结晶的特点固相平均成分线和液相平均成分线与固相线和液相线不同，后者的位固相平均成分线和液相平均成分线与固相线和液相线不同，后者的位置与冷却速度无关，而前者则与冷却速度有关，且冷却速度越快，它们偏置与冷却速度无关，而前者则与冷却速度有关，且冷却速度越快，它们偏离固、液相线越严重；反之，冷却速度越慢，它们越接近固、液相线。当离固、液相线越严重；反之，冷却速度越慢，它们越接近固、液相线。当冷却速度极其缓慢时，它们与固、液相线重合。冷却速度极其缓慢时，它们与固、液相线重合。非平衡结晶总是导致结
20、晶终了的温度低于平衡结晶时的终了温度。非平衡结晶总是导致结晶终了的温度低于平衡结晶时的终了温度。非平衡结晶时，先结晶部分与后结晶部分非平衡结晶时，先结晶部分与后结晶部分存在成分差异，即产生存在成分差异，即产生偏析偏析（Segregation）。晶内偏析晶内偏析（Intracrystalline Segregation）：发生在晶粒内部的偏析称为晶内偏析，即在一个晶粒内出现成分不均匀发生在晶粒内部的偏析称为晶内偏析，即在一个晶粒内出现成分不均匀的现象。的现象。先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多。先结晶部分含高熔点组元多，后结晶部分含低熔点组元多。枝晶偏析枝晶偏析（Dendrite
21、 Segregation）：合金在结晶时通常是树枝状长大，非平衡结晶时，将造成枝间与晶轴在合金在结晶时通常是树枝状长大，非平衡结晶时，将造成枝间与晶轴在成分上的差异，即产生枝晶偏析。枝晶偏析属于晶内偏析。成分上的差异，即产生枝晶偏析。枝晶偏析属于晶内偏析。第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶影响晶内偏析大小的因素：影响晶内偏析大小的因素：l平衡分配系数平衡分配系数k0 0偏析的最大程度：偏析的最大程度：当当k0 1时，时，k0值越小，则偏析越大；值越小，则偏析越大；当当k01时，时，k0值越大，则偏析越大。值越大，则偏析越大。即液、固相线之间的
22、水平距离越大，偏析越严重。即液、固相线之间的水平距离越大，偏析越严重。l溶质原子的扩散能力溶质原子的扩散能力当结晶温度较高时，溶质原子扩散能力越大，偏析越小；当结晶温度较高时，溶质原子扩散能力越大，偏析越小；当结晶温度较低时，溶质原子扩散能力越小，偏析越大。当结晶温度较低时，溶质原子扩散能力越小，偏析越大。l冷却速度冷却速度冷却速度越大，偏析越严重。冷却速度越大，偏析越严重。但冷却速度极大时，由于过冷度极大，晶粒更加细小，反而成分均匀。但冷却速度极大时，由于过冷度极大，晶粒更加细小，反而成分均匀。晶内偏析（枝晶偏析）是一种冶金缺陷，对合金的性能影响很大。可以通晶内偏析（枝晶偏析）是一种冶金缺陷
23、，对合金的性能影响很大。可以通过均匀化退火（或称扩散退火）予以减轻或消除。过均匀化退火（或称扩散退火）予以减轻或消除。第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶)1 (0000001kCCkCCC固溶体合金的平衡结晶固溶体合金的平衡结晶Cu-Ni合金铸态合金铸态（枝晶偏析，非平衡组织）（枝晶偏析，非平衡组织）Cu-Ni合金退火态合金退火态（平衡组织）（平衡组织）第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶四、区域偏析和区域提纯四、区域偏析和区域提纯1.1.区域偏析区域偏析（Zone Segregation）（
24、宏观偏析（宏观偏析(Macro Segregation)）第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶区域偏析形成过程（区域偏析形成过程（k01）2.2.区域提纯区域提纯（Zone Refining）第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶区域提纯原理区域提纯原理将含有杂质（即溶质组元）的合金棒作定向凝固，即使金属棒从一端向将含有杂质（即溶质组元）的合金棒作定向凝固，即使金属棒从一端向另一端顺序地进行局部熔化，凝固过程也随之顺序地进行。由于固溶体为另一端顺序地进行局部熔化，凝固过程也随之顺序地进行。由于固溶
25、体为选择结晶，溶质原子将重新分配，对于选择结晶，溶质原子将重新分配，对于k0 0的合金，先结晶的晶体将杂的合金，先结晶的晶体将杂质排入熔化部分的液体中。如此当熔化区走过一遍之后，圆棒中的杂质就质排入熔化部分的液体中。如此当熔化区走过一遍之后，圆棒中的杂质就富集于另一端，重复多次，即可达到提纯的目的。富集于另一端，重复多次，即可达到提纯的目的。影响提纯效果的因素影响提纯效果的因素F熔化区的长度熔化区的长度越短，提纯效果越好；越短，提纯效果越好；F搅拌或对流搅拌或对流搅拌、对流越激烈，提纯效果越好。搅拌、对流越激烈，提纯效果越好。F平衡分配系数平衡分配系数k0 0对于对于k0 0的合金，越小，提纯
26、效果越好；的合金，越小，提纯效果越好；对于对于k0 0的合金，越大，提纯效果越好。的合金，越大，提纯效果越好。区域提纯示意图区域提纯示意图五、成分过冷及其对晶体生长形态的影响五、成分过冷及其对晶体生长形态的影响第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶1.1.成分过冷成分过冷(Constitutional Supercooling)合金结晶时，过冷由成分变化与实际温度合金结晶时，过冷由成分变化与实际温度分布两个因素共同决定，这种过冷称为成分分布两个因素共同决定，这种过冷称为成分过冷。过冷。对于对于k01的成分为的成分为C0 0的合金，一方面，当的合金
27、，一方面，当温度降至温度降至t0时，结晶出的固相的成分为时，结晶出的固相的成分为k0C0，小于合金的成分小于合金的成分C0 0，这意味着在固相结晶出，这意味着在固相结晶出来并随后逐渐长大的过程中，溶质将从固相来并随后逐渐长大的过程中，溶质将从固相中被不断地排出，由于实际结晶时扩散不充中被不断地排出，由于实际结晶时扩散不充分，排出的溶质只能堆集在固液界面处的分，排出的溶质只能堆集在固液界面处的液相中，而远离界面的液相的成分仍为液相中，而远离界面的液相的成分仍为C0 0，这样就在固液界面前沿的液相中形成了浓这样就在固液界面前沿的液相中形成了浓度梯度，即度梯度，即靠近界面的液相中溶质浓度随距靠近界面
28、的液相中溶质浓度随距界面的距离界面的距离x增大而减小增大而减小。k0C0另一方面，对于另一方面，对于k01的合金，在结晶时，随着温度的降低，合金液相中的合金，在结晶时，随着温度的降低，合金液相中的溶质浓度沿着液相线逐渐升高。液相线，即是合金的平衡结晶温度，可的溶质浓度沿着液相线逐渐升高。液相线，即是合金的平衡结晶温度，可见，见，合金的平衡结晶温度随着合金液相中的溶质浓度的升高而不断降低合金的平衡结晶温度随着合金液相中的溶质浓度的升高而不断降低。由于在固液界面前沿的液相中溶质浓度随距界面的距离由于在固液界面前沿的液相中溶质浓度随距界面的距离x增大而减小，增大而减小，因此，在因此，在靠近界面处的液
29、相的平衡结晶温度随靠近界面处的液相的平衡结晶温度随x的增大而升高的增大而升高。如果液相中的实际温度为正温度梯度分布，则它与由于液相中的成分变如果液相中的实际温度为正温度梯度分布，则它与由于液相中的成分变化而引起的平衡结晶温度叠加在一起，因实际温度低于平衡结晶温度，就化而引起的平衡结晶温度叠加在一起，因实际温度低于平衡结晶温度，就在固液界面前沿的液相中出现了成分过冷区。在固液界面前沿的液相中出现了成分过冷区。第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶k01的合金的成分过冷的形成的合金的成分过冷的形成第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金
30、的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶2.2.成分过冷形成的条件及影响因素成分过冷形成的条件及影响因素 成分过冷形成的临界条件：成分过冷形成的临界条件：RG0001kkDmC式中，式中，G G 实际温度梯度；实际温度梯度；R R 晶体长大速度；晶体长大速度；m m 液相线的斜率；液相线的斜率；C C 0 0合金的成分；合金的成分；D D 液相中溶质的扩散系数；液相中溶质的扩散系数；k k 0 0 分配系数。分配系数。F对一定的合金系，对一定的合金系，m，k0 ，D为定值，则：为定值，则：G G越小，越小，R R越大，越大，C C 0 0越大，成分过冷越容易形成；越大，成分过冷越容易形成；F对不同的合
31、金系，则：对不同的合金系，则：mm越大，越大，D D越小，越小，k k 0 0 1 1时时k k 0 0值越小，或值越小，或k k 0 0 1 1时时k k 0 0值越大，产生成分值越大，产生成分 过冷的倾向越大。过冷的倾向越大。第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶3.3.成分过冷对晶体生长形态的影响成分过冷对晶体生长形态的影响胞状胞状（cellular）晶的形成过程（晶的形成过程（k01）G1，没有成分过冷，晶体生长成平面晶；，没有成分过冷，晶体生长成平面晶；G2，成分过冷较小，晶体生长成胞状晶；，成分过冷较小，晶体生长成胞状晶；G3，成分过
32、冷较大，晶体生长成树枝晶。，成分过冷较大，晶体生长成树枝晶。固溶体晶体的生长形态与成分过冷的关系：固溶体晶体的生长形态与成分过冷的关系：随成分过冷的增大，固溶体晶体的形态由随成分过冷的增大，固溶体晶体的形态由平面状平面状 胞状胞状 树枝状树枝状G对成分过冷的影响对成分过冷的影响第三章 二元相图及应用.2 .2 匀晶相图及固溶体合金的结晶匀晶相图及固溶体合金的结晶钢的焊缝组织和性能的控制：钢的焊缝组织和性能的控制：焊缝组织中可能同时出现胞状晶和树枝晶，对钢焊缝组织中可能同时出现胞状晶和树枝晶，对钢的性能有不同影响。控制焊接工艺参数，改变的性能有不同影响。控制焊接工艺参数，改变值，值，能够在一定程
33、度上控制焊缝组织和性能。能够在一定程度上控制焊缝组织和性能。如适当加快焊接速度，可以避免粗大树枝晶的形如适当加快焊接速度，可以避免粗大树枝晶的形成，从而改善焊缝组织，提高焊件性能。成，从而改善焊缝组织，提高焊件性能。平面晶平面晶胞状晶胞状晶树枝晶树枝晶 和和C0对固溶体对固溶体晶体生长形态的影响晶体生长形态的影响GR/GR/第三节共晶相图及其合金的结晶第三节共晶相图及其合金的结晶一、共晶相图及合金的平衡结晶一、共晶相图及合金的平衡结晶 共晶相图：共晶相图：两组元在液态无限互溶、固态有限互溶或完全不互溶，冷却时发生共晶两组元在液态无限互溶、固态有限互溶或完全不互溶，冷却时发生共晶反应的相图。反应
34、的相图。 共晶反应共晶反应（Eutectic Reaction）：在一定温度下，从一定成分的液相中同时结晶出成分一定的两种不同的在一定温度下，从一定成分的液相中同时结晶出成分一定的两种不同的固相的反应。又称共晶转变。固相的反应。又称共晶转变。L L 共晶转变的产物称为共晶组织或共晶体共晶转变的产物称为共晶组织或共晶体（Eutecticum）。具有共晶相图的二元合金系：具有共晶相图的二元合金系：Pb-SnPb-Sn、Al-AgAl-Ag、Al-SiAl-Si、PbPb-Bi-Bi等。等。以下以下以以Pb-SnPb-Sn合金合金为例对相图进行分析。为例对相图进行分析。第三章 二元相图及应用3.33
35、.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶 L L L Pb-Sn合金相图合金相图第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶 1. 1.相图分析相图分析3 3种单相种单相液相液相L L；固溶体固溶体 （以（以PbPb为溶剂、为溶剂、SnSn为溶质）；为溶质）；固溶体固溶体 （以以SnSn为溶剂、为溶剂、PbPb为溶质）为溶质）。重要的点重要的点A A点点：PbPb的熔点；的熔点；B B点点：SnSn的熔点；的熔点；E E点点：共晶点：共晶点（Eutectic Point）。合金液相在合金液相在E E点将发生共晶反应：点将发生共晶反应：Pb-Sn合金相图
36、合金相图L LE E M NtE第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶Pb-Sn合金相图合金相图 相图分析（续）相图分析（续）重要的线重要的线AEBAEB：液相线液相线； AMENBAMENB：固相线固相线；MENMEN：共晶线共晶线（Eutectic LineEutectic Line）；MFMF： 相的固溶度曲线；相的固溶度曲线；温度降至温度降至MFMF线时，从线时，从 中析出中析出 ：NGNG： 相的固溶度曲线。相的固溶度曲线。温度降至温度降至NGNG线时，从线时，从 中析出中析出 ：相区相区（Phase Field）3 3个单相区个单相区： L
37、L、 、 ；3 3个两相区个两相区：L L 、L L 、 ；1 1三相区三相区：L L ，即共晶线，即共晶线MENMEN。 第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶2.2.典型合金的平衡结晶过程及组织分析：典型合金的平衡结晶过程及组织分析：第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶l 合金合金（2 wSn19）的结晶过程及室温组织的结晶过程及室温组织Pb-Sn合金相图合金相图1234合金合金结晶完成后在室温下的组织：结晶完成后在室温下的组织： L L 第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合
38、金的结晶第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶wSn10%的的Pb-Sn合金的显微组织，合金的显微组织， II IIPb-Sn合金相图合金相图l 合金合金（wSn= 61.9）的结晶过程及室温组织的结晶过程及室温组织 共晶合金共晶合金（Eutectic Alloy）12合金合金结晶完成后在室温下的组织：结晶完成后在室温下的组织：（ ）21 L L 第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶Pb-Sn合金的共晶组织，（合金的共晶组织，（ ）第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶第三
39、章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶共晶组织的形态：共晶组织的形态：共晶组织的形态取决于组成相的本质、冷却速度、组成相的相对量等。共晶组织的形态取决于组成相的本质、冷却速度、组成相的相对量等。形态主要有：形态主要有：a a）层片状；）层片状；b b）棒状；）棒状；c c）球状；）球状；d d）针状；）针状；e e）螺旋状；）螺旋状；f f）蛛网状；）蛛网状；g g）放射状。）放射状。l金属金属型：层片状、棒状等。金属金属型：层片状、棒状等。l金属非金属型：树枝状、针片状、骨骼状等。金属非金属型：树枝状、针片状、骨骼状等。几种共晶组织的立体模型几种共晶组织的
40、立体模型层片状共晶层片状共晶棒状共晶棒状共晶球状共晶球状共晶第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶各种形态的共晶组织各种形态的共晶组织一些合金中的共晶组织一些合金中的共晶组织第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶共晶组织的形成机理：共晶组织的形成机理：层片状共晶交替形核生长机制层片状共晶交替形核生长机制层片状共晶生长时的横向扩散层片状共晶生长时的横向扩散领先相领先相层片状共晶形核生长的层片状共晶形核生长的“搭桥搭桥”机制机制共晶领域（共晶
41、团）共晶领域（共晶团）（Eutectic Colony）第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶层片状共晶层片状共晶(Lamellar eutectic )的层片间距及其影响因素：的层片间距及其影响因素：层片状共晶组织的层片间距层片状共晶组织的层片间距 层片间距与过冷度层片间距与过冷度 T 密切相关：密切相关： kR-n式中：式中： 层片间距层片间距k系数，依合金而异；系数，依合金而异；R冷却速度，冷却速度，R 大，则大，则 T T 大；大；n系数系数, , 对一般合金对一般合金, , n0.40.40.50.5。层片间距随冷却速度的增加而减小。层片间距随
42、冷却速度的增加而减小。层片间距对合金力学性能的影响：层片间距对合金力学性能的影响：层片间距越小，即共晶组织越细，则合金的强度越高。层片间距越小，即共晶组织越细，则合金的强度越高。霍尔霍尔-配奇（配奇（Hall-Pech）公式：）公式： * k 1/2式中：式中： 屈服强度；屈服强度； *与材料有关的常数；与材料有关的常数；k 常数常数Pb-Sn合金相图合金相图l 合金合金（19 wSn61.9 ）的结晶过程及室温组织的结晶过程及室温组织 亚共晶合金亚共晶合金（Hypoeutectic Alloy）12合金合金结晶完成后在室温下的组织：结晶完成后在室温下的组织： （ ） L L L L 3第三章
43、 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶先共晶先共晶 或初晶或初晶 Pb-Sn合金的亚共晶组织合金的亚共晶组织 （ ） 第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶 II（ ） (Pro-eutectic )第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶先共晶先共晶(初晶初晶)相的形态：相的形态：先共晶相的形态取决于固先共晶相的形态取决于固-液界面的微观结构：液界面的微观结构：l粗糙界面粗糙界面 ：一般呈树枝状：一般呈树枝状例如先共晶相为固溶体。例如先共晶相为固溶体。l光滑界面光滑界面 ：一般具有
44、较规则的外形：一般具有较规则的外形例如先共晶相为半金属或非金属例如先共晶相为半金属或非金属（如如Sb、Bi、Si等等）。过共晶过共晶Pb-Sn合金的显微组织合金的显微组织过共晶过共晶Pb-Sb合金的显微组织合金的显微组织3Pb-Sn合金相图合金相图l 合金合金（61.9 wSn 97.5）的结晶过程及室温组织的结晶过程及室温组织 过共晶合金过共晶合金（Hypereutectic Alloy）合金合金结晶完成后在室温下的组织：结晶完成后在室温下的组织： （ ） L L L L 123第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶Pb-Sn合金的过共晶组织合金的过共
45、晶组织 （ ） 第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶 II Pb-SnPb-Sn合金平衡结晶后的室温组织：合金平衡结晶后的室温组织： 合金合金结晶完成后在室温下的组织：结晶完成后在室温下的组织： 合金合金结晶完成后在室温下的组织：结晶完成后在室温下的组织：（ ） 合金合金结晶完成后在室温下的组织：结晶完成后在室温下的组织： （ ） 合金合金结晶完成后在室温下的组织：结晶完成后在室温下的组织： （ ） 相组成物相组成物（Phase Constituent）：相组成物是指构成合金的基本的相，简称相。相组成物是指构成合金的基本的相，简称相。如如Pb-SnPb
46、-Sn合金中的合金中的 、 。组织组成物组织组成物（Structural Constituent）：组织组成物是指构成合金的、在显微镜下具有一定形态特征的单元，简组织组成物是指构成合金的、在显微镜下具有一定形态特征的单元，简称组织。称组织。如如Pb-SnPb-Sn合金中的合金中的 、 、 、 、共晶体、共晶体（ ）等。等。第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶按组织组成物填写的按组织组成物填写的Pb-Sn合金相图合金相图PbSn20406080wSn(%)AB L L L ( ) MNFGE( ) ( ) 第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合
47、金的结晶共晶相图及其合金的结晶二、共晶合金的非平衡结晶二、共晶合金的非平衡结晶1.1.伪共晶伪共晶（Pseudo-eutectic） 在非平衡结晶条件下，成分在共晶点附在非平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金也可能获得全部共晶组织，这种近的合金也可能获得全部共晶组织，这种非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。伪共晶。 伪共晶区的形状：伪共晶区的形状：第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶MENLIIIt1AFGBABwB温度温度伪共晶区示意图伪共晶区示意图伪共晶区伪共晶区两类伪共晶区两类伪共晶区对称型：对称型：
48、共晶体中的两个组共晶体中的两个组成相熔点相差不大。成相熔点相差不大。如金属金属型：如金属金属型：Pb-SnPb-Sn、Ag-CuAg-Cu。不对称型：不对称型：两组成相熔点相两组成相熔点相差悬殊差悬殊, 共晶点偏向低熔点相，共晶点偏向低熔点相，伪共晶区则偏向高熔点相。伪共晶区则偏向高熔点相。 如金属非金属型：如金属非金属型：Al-SiAl-Si、Fe-CFe-C。 不对称伪共晶区的形成原因：不对称伪共晶区的形成原因：第三章 二元相图及应用3.33.3共晶相图及其合金的结晶共晶相图及其合金的结晶共晶中的两组成相熔点相差悬殊时，共晶点一般偏向低熔点相，由于两共晶中的两组成相熔点相差悬殊时，共晶点一
49、般偏向低熔点相，由于两个组成相的成分都与液相不同，它们的形核与生长都需要组元的扩散。若个组成相的成分都与液相不同，它们的形核与生长都需要组元的扩散。若某组成相的成分与液相差别较大，则通过扩散而能达到其要求的成分就较某组成相的成分与液相差别较大，则通过扩散而能达到其要求的成分就较困难，于是其结晶速度较低，而另一个组成相的结晶速度就较快，就会单困难，于是其结晶速度较低，而另一个组成相的结晶速度就较快，就会单独生长而成为先共晶相，这样就导致了伪共晶区偏向了高熔点相一侧。独生长而成为先共晶相，这样就导致了伪共晶区偏向了高熔点相一侧。 不对称伪共晶合金的结晶：不对称伪共晶合金的结晶：共晶成分的共晶成分的
50、Al-Si合金在非平衡结晶情况合金在非平衡结晶情况下会得到亚共晶组织，即其组织由先共晶下会得到亚共晶组织，即其组织由先共晶和细小的共晶体组成。和细小的共晶体组成。合金过冷致合金过冷致t t1 1温度时，液相的表象点温度时，液相的表象点a尚尚未在伪共晶区内，只有先析出未在伪共晶区内，只有先析出 相，使液相相，使液相成分右移至成分右移至b点时，才会发生共晶转变。点时，才会发生共晶转变。Al-Si合金的伪共晶区合金的伪共晶区t1 2. 2.离异共晶离异共晶（Divorced Eutectic） 成分远离共晶点的合金，由于先共晶相数量很多而共晶体数量很少，共成分远离共晶点的合金，由于先共晶相数量很多而
