1、相图的建立及匀晶相图分析相图的建立及匀晶相图分析（1 1）相图表示方法）相图表示方法组元数组元数 C=2 根据相律：根据相律：F=2-P+2在一个大气压的状态下在一个大气压的状态下若同时考虑成分、温度和压力，则二元相图若同时考虑成分、温度和压力，则二元相图必为三维立体相图。必为三维立体相图。F=2-P+1=3-P仅考虑成分和温度两个变量。仅考虑成分和温度两个变量。二元二元Pb-Sb合金相图合金相图 n二元合金相图常用温度、成分相图，表示合金的二元合金相图常用温度、成分相图，表示合金的状态随成分和温度变化而发生变化的情况。状态随成分和温度变化而发生变化的情况。n在相图中，任意一点都在相图中，任意
2、一点都叫叫“表象点表象点”。n一个表象点的坐标值反一个表象点的坐标值反映一个给定合金的映一个给定合金的成分成分和和温度温度。n在相图中，由表象点所在的相区可以判定在该温在相图中，由表象点所在的相区可以判定在该温度下合金由哪些相组成。度下合金由哪些相组成。n二元合金在两相共存时，两个相的成分可由过表二元合金在两相共存时，两个相的成分可由过表象点的水平线与相界线的交点确定。象点的水平线与相界线的交点确定。n二元相图中的成分按国家标准有两种表示法：二元相图中的成分按国家标准有两种表示法：质量分数（质量分数（w）：）：摩尔分数（摩尔分数（x）：）：式中：式中：wA、wB分别为分别为A、B组元的质量分数
3、；组元的质量分数；xA、xB分别为分别为A、B组元的摩尔分数，组元的摩尔分数，RA、RB分别为分别为A、B组元的相对原子质量。组元的相对原子质量。n建立相图的关键是要准确地测出各成分合金的建立相图的关键是要准确地测出各成分合金的相相变临界点（临界温度）变临界点（临界温度）。n临界点临界点：物质结构状态发生本质变化的相变点。：物质结构状态发生本质变化的相变点。n测临界点的方法通常有测临界点的方法通常有热分析法热分析法、硬度法硬度法、金相金相分析分析、X射线结构分析射线结构分析、磁性法磁性法、膨胀法膨胀法、电阻法电阻法等。等。n由于合金凝固时的结晶潜热较大，结晶时冷却曲由于合金凝固时的结晶潜热较大
4、，结晶时冷却曲线上的转折比较明显，因此常用热分析法来测合线上的转折比较明显，因此常用热分析法来测合金的结晶温度，即测金的结晶温度，即测液相线、固相线液相线、固相线。（2 2）相图的建立）相图的建立 利用合金在转变时伴有热学性能变化的特性，通利用合金在转变时伴有热学性能变化的特性，通过测量系统温度的变化来得到临界温度，从而建立起过测量系统温度的变化来得到临界温度，从而建立起相图。相图。热分析法建立二元合金相图的步骤热分析法建立二元合金相图的步骤n将给定两组元配制成一系列不同成分的合金；将给定两组元配制成一系列不同成分的合金；n将它们分别熔化后在缓慢冷却的条件下，分别测出它们将它们分别熔化后在缓慢
5、冷却的条件下，分别测出它们的冷却曲线；的冷却曲线；n找出各冷却曲线上的相变临界点（曲线上的转折点）；找出各冷却曲线上的相变临界点（曲线上的转折点）；n将各临界点注在温度将各临界点注在温度成分坐标中相应的合金成分线成分坐标中相应的合金成分线上；上；n连接具有相同意义的各临界点，并作出相应的曲线；连接具有相同意义的各临界点，并作出相应的曲线；n用相分析法测出相图中各相区（由上述曲线所围成的区用相分析法测出相图中各相区（由上述曲线所围成的区间）所含的相，将它们的名称填入相应的相区内，即得间）所含的相，将它们的名称填入相应的相区内，即得到一张完整的相图。到一张完整的相图。铜铜-银合金相图银合金相图 热
6、膨胀法测定相图热膨胀法测定相图 利用材料在发生转变时伴随有体积变化的特性，利用材料在发生转变时伴随有体积变化的特性，通过测量试样长度随温度的变化得到临界点，从而作通过测量试样长度随温度的变化得到临界点，从而作出相图。出相图。电阻法测定相图电阻法测定相图利用材料电阻率随温度的变化来建立相图的。利用材料电阻率随温度的变化来建立相图的。n 杠杆定理是利用相图确定和计算合金在两相区中，杠杆定理是利用相图确定和计算合金在两相区中，两平衡相的成分和相对量的方法，由于它与力学中两平衡相的成分和相对量的方法，由于它与力学中的杠杆定律很相似，故称为的杠杆定律很相似，故称为杠杆定律杠杆定律。WLWSa(X1)b(
7、X2)o(X2)（3 3）杠杆法则）杠杆法则 n相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分，所以相界线是相平衡的体现，平衡相成相的成分，所以相界线是相平衡的体现，平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化；分必须沿着相界线随温度而变化；（4 4）二元相图中的几何规律）二元相图中的几何规律n两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区把它两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区把它们分开，而不能以一条线接界，两个两相区必须以单相们分开，而不能以一条线接界，两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开，也就是说，在二元相图中，相邻区或三相水平线隔开，也
8、就是说，在二元相图中，相邻相区的相数差为相区的相数差为1(点接触情况除外点接触情况除外)，这个规则称为，这个规则称为相区相区接触法则接触法则；n二元相图中的三相平衡必为一条水平线，表示恒温二元相图中的三相平衡必为一条水平线，表示恒温反应，在这条水平线上存在三个表示平衡相的成分反应，在这条水平线上存在三个表示平衡相的成分点，其中两点应在水平线的两端，另一点在端点之点，其中两点应在水平线的两端，另一点在端点之间，水平线的上下方分别与三个两相区相接；间，水平线的上下方分别与三个两相区相接；n当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入另
9、一两相区内，而不会进入分界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区内。单相区内。n由液相结晶出单相固溶由液相结晶出单相固溶体的过程称为体的过程称为匀晶转变匀晶转变。n两组元在液态无限溶解，两组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并且发在固态无限固溶，并且发生匀晶反应的相图，称为生匀晶反应的相图，称为匀晶相图匀晶相图。（1 1）相图分析）相图分析TbTan点点：相图中：相图中Ta，Tb点分别为纯组元点分别为纯组元Cu，Ni的熔点。的熔点。n线线：TaTb凸曲线为液相线。各不同成分的合金加热凸曲线为液相线。各不同成分的合金加热到该线以上时全部转变为液相，而冷却到该线时开到该线以上时全部转变为液
10、相，而冷却到该线时开始凝固出始凝固出固溶体。固溶体。TaTb凹曲线为固相凹曲线为固相线。各不同成分的线。各不同成分的合金加热到该线时合金加热到该线时开始熔化，而冷却开始熔化，而冷却到该线时全部转变到该线时全部转变为为固溶体。固溶体。TbTan相区相区：在：在TaTb凸曲线以上为液相的单相区，用凸曲线以上为液相的单相区，用L表表示；在示；在TaTb凹曲线以下为固相的单相区，用凹曲线以下为固相的单相区，用表示；表示；是是Cu-Ni互溶形成的置换式无限固溶体。在互溶形成的置换式无限固溶体。在 TaTb凸凸曲线和曲线和TaTb凹曲线之间为液、固两相平衡区，用凹曲线之间为液、固两相平衡区，用L+表示。表
11、示。TbTa平衡结晶平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。（2 2）固溶体合金的平衡凝固及组织）固溶体合金的平衡凝固及组织平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析n 冷却曲线：温度时间曲线；冷却曲线：温度时间曲线；n当合金缓慢冷却至当合金缓慢冷却至L1点以前时，均为单一点以前时，均为单一的液相的液相;n冷却到冷却到L1点时，开始点时，开始从液相中析出从液相中析出固溶体，固溶体，冷却到冷却到a3点时，合金点时，合金全部转变为全部转变为固溶体固溶体;n若继续从若继续从a3点冷却到点冷却到室温，为单一的室温，为单一的固溶固溶体。体。匀晶转变过程中原子扩散示意图匀晶转变过
12、程中原子扩散示意图 0%a a1 1100%L1t1a a2 2L2t2a a3 3成分成分变化趋势变化趋势温度温度100%0%L3t3变化趋势变化趋势质量分数质量分数质量分数质量分数成分成分n在液固两相共存区，随着温度的降低，液相的量在液固两相共存区，随着温度的降低，液相的量不断减少，固相的量不断增多，同时液相的成分不断减少，固相的量不断增多，同时液相的成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。（）异分结晶（）异分结晶n固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分不同，固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分不同，这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶
13、称为这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结异分结晶晶，或称，或称选择结晶选择结晶。（）固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围（）固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围n固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行，在此温固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行，在此温度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数量的固相。度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数量的固相。n随着温度的降低，固相的数量增加，同时固相和液相的成随着温度的降低，固相的数量增加，同时固相和液相的成分分别沿着固相线和液相线而连续地改变，直至固相的成分分别沿着固相线和液相线而连续地改变，直至固相的成分与原合金的成分相同时，才
14、结晶完成。分与原合金的成分相同时，才结晶完成。n 相同点：基本过程：形核长大；相同点：基本过程：形核长大；n 热力学条件：热力学条件：T0T0；n 能量条件：能量起伏；能量条件：能量起伏；n 结构条件：结构起伏。结构条件：结构起伏。n 不同点：合金在一个温度范围内结晶不同点：合金在一个温度范围内结晶n 可能性：相律分析；可能性：相律分析；n 必要性：成分均匀化。必要性：成分均匀化。n 合金结晶是异分结晶：需成分起伏。合金结晶是异分结晶：需成分起伏。n实际上，达到平衡凝固的条件是极为困难的。在实际上，达到平衡凝固的条件是极为困难的。在实际冷却过程中，凝固常常在数小时甚至几分钟实际冷却过程中，凝固
15、常常在数小时甚至几分钟内完成，固溶体成分来不及扩散至均匀。先结晶内完成，固溶体成分来不及扩散至均匀。先结晶的部分含高熔点的组分多，后结晶的部分含低熔的部分含高熔点的组分多，后结晶的部分含低熔点的组分多，溶液只能在固态表层建立平衡。点的组分多，溶液只能在固态表层建立平衡。n实际生产中的凝固是在偏离平衡条件下进行的，实际生产中的凝固是在偏离平衡条件下进行的，这种凝固过程被称为这种凝固过程被称为不平衡凝固不平衡凝固。（3 3）固溶体合金的非平衡凝固及组织）固溶体合金的非平衡凝固及组织n（1 1）原因）原因:冷速快冷速快(假设液相成分均匀、固相成假设液相成分均匀、固相成分不均匀分不均匀)。n（2 2）
16、结晶过程特点：固相成分按）结晶过程特点：固相成分按平均成分线平均成分线变变化（但每一时刻符合相图）；化（但每一时刻符合相图）；n 结晶的温度范围增大；结晶的温度范围增大；n 组织多为树枝状。组织多为树枝状。匀晶系合金的不平衡凝固匀晶系合金的不平衡凝固 t54L4t4平平均均3L3t32L2t21L1t1L平平均均L温温度度n如果将各温度下固溶体和液相的平均成分点分别如果将各温度下固溶体和液相的平均成分点分别连接成线，则该线分别称为连接成线，则该线分别称为固相平均成分线固相平均成分线和和液液相平均成分线相平均成分线。凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线；凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、
17、固相线；凝固过程进行到一更低的温度才能完成；凝固过程进行到一更低的温度才能完成；生成固体的成分是不均匀的。随着冷却速度的加大，生成固体的成分是不均匀的。随着冷却速度的加大，这些差别特点表现的愈明显。这些差别特点表现的愈明显。n不平衡凝固过程中通常先结晶的固溶体内部含高熔点组元，不平衡凝固过程中通常先结晶的固溶体内部含高熔点组元，而后结晶的外部则富含低熔点组元。这种在晶粒内部出现的而后结晶的外部则富含低熔点组元。这种在晶粒内部出现的成份不均匀现象称为成份不均匀现象称为晶内偏析晶内偏析。如果固溶体是以树枝状结晶。如果固溶体是以树枝状结晶长大的，则枝干与枝间会出现成份差别，称为长大的，则枝干与枝间会
18、出现成份差别，称为枝晶偏析枝晶偏析。Cu-Ni铸态组织铸态组织相图中液相图中液固相线相距愈远，固相线相距愈远，组元元素原子的迁移能力愈组元元素原子的迁移能力愈低低(扩散系数小扩散系数小)，冷却速度愈，冷却速度愈大，造成的晶内偏析将愈严大，造成的晶内偏析将愈严重。重。消除偏析的方法：消除偏析的方法：均匀化退均匀化退火。火。n平衡分配系数平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。中溶质浓度的比值。表明表明k0的示意图的示意图(a)k01；(b)k01（4 4）固溶体合金凝固时的溶质分布）固溶体合金凝固时的溶质分布冷却速度无限慢冷却速度无限慢有扩散和对流
19、有扩散和对流液、固相内液、固相内溶质完全混合（平衡凝固）溶质完全混合（平衡凝固）冷却速度非常慢冷却速度非常慢有扩散和对流有扩散和对流固相不混合、固相不混合、液相完全混合液相完全混合冷却速度一般冷却速度一般部分扩散和对流部分扩散和对流固相不混合、固相不混合、液相部分混合液相部分混合 冷却速度很大冷却速度很大仅有扩散仅有扩散固相不混合、液相固相不混合、液相完全不混合完全不混合形核形核相界平衡相界平衡扩散破坏平衡扩散破坏平衡长大长大相界平衡相界平衡 如果有一长度为如果有一长度为L的杆形凝固体，假设凝固过程为一端散热，的杆形凝固体，假设凝固过程为一端散热，并且液体中原子扩散和对流可达到成分均匀，而固体
20、中迁移慢并且液体中原子扩散和对流可达到成分均匀，而固体中迁移慢设为凝固后基本不能变。当合金的成分为设为凝固后基本不能变。当合金的成分为C0，开始析出的固体开始析出的固体成分为成分为k0C0，变化趋势如图。已经凝固距离变化趋势如图。已经凝固距离X后，在凝固后，在凝固dx时，时，按溶质的变化有：按溶质的变化有：定向凝固后得到的溶质分布曲线定向凝固后得到的溶质分布曲线a-a-平衡凝固，平衡凝固，b-b-液相完全混合液相完全混合c-c-液相完全不混合，液相完全不混合，d-d-液相部分混合液相部分混合又称区域提纯。是用以又称区域提纯。是用以提纯提纯金属金属、半导体半导体、有有机化合物机化合物的的方法方法
21、。将将材料材料制成细棒，用高频感应加热，使一小段制成细棒，用高频感应加热，使一小段固体固体熔融熔融成成液态液态。熔融区慢慢从放置材料的一端向。熔融区慢慢从放置材料的一端向另一端移动。在熔融区的末端，固体另一端移动。在熔融区的末端，固体重结晶重结晶，而含，而含杂质杂质部分因比纯质的熔点略低，较难部分因比纯质的熔点略低，较难凝固凝固，便，便富集富集于前端。于前端。此法可是此法可是纯度纯度达达99.999%的材料，且一次达不的材料，且一次达不到要求，可以重复操作。此法设备与操作简单，且到要求，可以重复操作。此法设备与操作简单，且可可自动化自动化。区域熔化示意图区域熔化示意图 经一个熔区一次通过后溶质
22、的近似分布经一个熔区一次通过后溶质的近似分布 多次通过多次通过(n1)提纯示意图提纯示意图 在正温度梯度下，纯金属的生长方式为平面推在正温度梯度下，纯金属的生长方式为平面推进，而固溶体凝固时，却有树枝状生长和胞状生长进，而固溶体凝固时，却有树枝状生长和胞状生长存在，这是由于凝固过程中，成分是在不断变化，存在，这是由于凝固过程中，成分是在不断变化，液体和固体的成分均不能达到平衡状态，产生了液体和固体的成分均不能达到平衡状态，产生了成成分过冷现象分过冷现象。n凝固时，开始析出的固凝固时，开始析出的固相为相为k0C0n多余的多余的B组元排放到液组元排放到液体中，在界面处体中，在界面处B组元组元的浓度
23、高于平均值，逐的浓度高于平均值，逐渐向液体中扩散。渐向液体中扩散。n到到B组元的扩散量和固组元的扩散量和固体排放平衡时，析出固体排放平衡时，析出固体的成分也为体的成分也为C0，这时这时的成分分布如图的成分分布如图b所示。所示。n液体的开始凝固温度随液体的开始凝固温度随着液体的成分变化而变着液体的成分变化而变化化nG2为实际温度，对比为实际温度，对比可以看出在界面前沿的可以看出在界面前沿的液体中的一小区域内，液体中的一小区域内，尽管温度比界面处高，尽管温度比界面处高，却存在一定的过冷度，却存在一定的过冷度，这种由成分的不均匀而这种由成分的不均匀而产生的过冷度称为产生的过冷度称为成分成分过冷过冷。
24、不同成分过冷下的晶体生长方式不同成分过冷下的晶体生长方式 成分过冷对凝固过程的影响成分过冷对凝固过程的影响 由于不同的固溶体对应的相图形式不同，不同组由于不同的固溶体对应的相图形式不同，不同组元的扩散能力各自不同，加上凝固过程的实际温度分元的扩散能力各自不同，加上凝固过程的实际温度分布也不相同，成分过冷的影响也必然存在差别，凝固布也不相同，成分过冷的影响也必然存在差别，凝固后的组织也各不相同。后的组织也各不相同。n 实际温度梯度实际温度梯度较大，在凝固过较大，在凝固过程中程中不出现成分不出现成分过冷现象过冷现象。n 成分过冷区较小成分过冷区较小，界面处的不平衡生长的凸起始终，界面处的不平衡生长
25、的凸起始终处在领先的状态，但这个凸起既不会消失，也不能发处在领先的状态，但这个凸起既不会消失，也不能发展到成分过冷区外，凸起和底部的微小成分有一定差展到成分过冷区外，凸起和底部的微小成分有一定差别而发展成胞状组织。别而发展成胞状组织。n中区域的成分过冷中区域的成分过冷可能生成胞状到树枝晶的各种可能生成胞状到树枝晶的各种过渡组织。过渡组织。n 成分过冷区较大成分过冷区较大，凸起发展较长，在凸起上再生，凸起发展较长，在凸起上再生新的凸起，就可生成树枝晶。新的凸起，就可生成树枝晶。n 如果如果成分过冷区域特别大成分过冷区域特别大，得到的成分过冷度也十，得到的成分过冷度也十分大，若达到形核要求的过冷度
26、时，在成分过冷区可分大，若达到形核要求的过冷度时，在成分过冷区可能形成新的晶核，新晶核的生长阻碍原晶粒生长，对能形成新的晶核，新晶核的生长阻碍原晶粒生长，对柱状晶的发展产生隔断作用。柱状晶的发展产生隔断作用。温度梯度温度梯度与单相合金液与单相合金液-固界面的关系固界面的关系 镍钢的胞状晶、胞状枝晶及树枝晶镍钢的胞状晶、胞状枝晶及树枝晶 -本节要点本节要点n概念：匀晶转变、平衡凝固、非平衡凝固、概念：匀晶转变、平衡凝固、非平衡凝固、成分过冷、枝间偏析成分过冷、枝间偏析n匀晶相图的分析匀晶相图的分析n固溶体的凝固过程固溶体的凝固过程下节内容下节内容：共晶相图及其合金凝固1.二元合金相图的坐标系为二
27、元合金相图的坐标系为2.A 压力压力温度；温度；B 压力压力成分；成分；C 温度温度成分。成分。思考题思考题 答案：答案：C单元系相图一般采用单元系相图一般采用“压力压力温度温度”坐标系统，二元系坐标系统，二元系相图则采用相图则采用“温度温度成分成分”坐标系统。坐标系统。2.杠杆定律仅适用于平衡相图的二相区。杠杆定律仅适用于平衡相图的二相区。A.是是B.否否思考题思考题 答案：答案：A 杠杆定律只能在平衡相图的二相区应用。杠杆定律只能在平衡相图的二相区应用。思考题思考题 答案：答案：A 匀晶合金的室温组织为单相固溶体，即使是非平衡凝匀晶合金的室温组织为单相固溶体，即使是非平衡凝固的匀晶合金也是
28、如此。固的匀晶合金也是如此。3.匀晶合金的室温组织为单相固溶体。匀晶合金的室温组织为单相固溶体。A.是是B.否否4.下述哪些下列说法哪些是正确的下述哪些下列说法哪些是正确的?A 温度高于液相线的合金为液态；温度高于液相线的合金为液态；B 温度低于液相线的合金为固态；温度低于液相线的合金为固态；C 温度低于固相线的合金为固态温度低于固相线的合金为固态;D 温度高于固相线的合金为液态。温度高于固相线的合金为液态。思考题思考题 答案：答案：AC 5.当非平衡凝固的匀晶合金一般会出现什么现象当非平衡凝固的匀晶合金一般会出现什么现象?A 组织、成分均匀化；组织、成分均匀化；B 成分不均匀，出现树枝状偏析
29、；成分不均匀，出现树枝状偏析；C 与平衡凝固的合金组织、成分一样，没有区别。与平衡凝固的合金组织、成分一样，没有区别。思考题思考题 答案：答案：B匀晶合金非平衡凝固时，由于冷却速度快，原子来不匀晶合金非平衡凝固时，由于冷却速度快，原子来不及充分扩散，所以最后得到的合金成分不均匀，出现及充分扩散，所以最后得到的合金成分不均匀，出现树枝状偏析。通过均匀化退火可以消除树枝状偏析。树枝状偏析。通过均匀化退火可以消除树枝状偏析。6.A-B二元匀晶合金相图如右图所示。二元匀晶合金相图如右图所示。应用杠杆定应用杠杆定律计算，当成分为律计算，当成分为40%B的合金冷却到的合金冷却到1000C时，结时，结晶出了多少固相？剩余多少液相（相对量）？晶出了多少固相？剩余多少液相（相对量）？思考题思考题
