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1、第七章第七章 二元系相图和合二元系相图和合金的凝固与制备原理金的凝固与制备原理Binary equilibrium phase diagrams and principles of solidification and preparation of alloys 主要内容：主要内容：合金相结构；合金相结构；相律和杠杆定律；相律和杠杆定律；常见的二元合金相图常见的二元合金相图匀晶、共晶、匀晶、共晶、包晶、共析；包晶、共析；根据相图分析平衡结晶过程；根据相图分析平衡结晶过程；非平衡结晶及其组织。非平衡结晶及其组织。重要概念：重要概念：2、合金合金两种或两种以上的金属，或金属与两种或两种以上的金属，
2、或金属与非金属元素组成的具有非金属元素组成的具有金属特性金属特性的物质。有的物质。有二元、三元等。二元、三元等。1、组元组元组成合金最基本、独立的物质。组成合金最基本、独立的物质。组元可以是组成合金的元素，可以是化合物。组元可以是组成合金的元素，可以是化合物。3、合金系合金系由给定组元配置成的一系列成由给定组元配置成的一系列成 分不同的合金，组成一个合金系统。分不同的合金，组成一个合金系统。5、组织组织是由不同相组成的具有一定成分、分布形态是由不同相组成的具有一定成分、分布形态和性能的机械混合物。和性能的机械混合物。用用肉眼或借助不同放大倍数的肉眼或借助不同放大倍数的显微镜所观察到的金属材显微
3、镜所观察到的金属材料料内部内部情景情景，包括，包括晶粒大小、形状、种类及晶粒的相对晶粒大小、形状、种类及晶粒的相对数量和分布。数量和分布。4、相相指合金组织中具有同一聚集状态、同一晶体指合金组织中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。-是合金组织最基本组成部分。是合金组织最基本组成部分。复习复习 合金的相结构合金的相结构晶体结构、原子结构、组元相互作用不同晶体结构、原子结构、组元相互作用不同不同的相结构不同的相结构固溶体固溶体金属化金属化合物合物置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体正常价化合物正常价化合物电子化合物电子
4、化合物间隙化合物间隙化合物间隙相间隙相复杂结构间隙化合物复杂结构间隙化合物基基本本相相结结构构一、固溶体一、固溶体组元相互溶解，溶质原子溶入组元相互溶解，溶质原子溶入固态溶剂固态溶剂特点：特点：保持保持溶剂晶格类型溶剂晶格类型。1 1、固溶体的分类、固溶体的分类、按溶质原子在晶格中的位置：、按溶质原子在晶格中的位置：间隙固溶体、置换固溶体间隙固溶体、置换固溶体组成合金的元素互相溶解，形成一种与某一元素组成合金的元素互相溶解，形成一种与某一元素的晶体结构相同，并包含有其它元素的合金固相，的晶体结构相同，并包含有其它元素的合金固相，称为固溶体。其中，与合金晶体结构相同的元素称为固溶体。其中，与合金
5、晶体结构相同的元素称为溶剂，其它元素称为溶质。称为溶剂，其它元素称为溶质。间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体通常，当溶剂与溶质原子尺寸相近，直径差别较小，容通常，当溶剂与溶质原子尺寸相近，直径差别较小，容易形成置换固溶体；当直径差别大于易形成置换固溶体；当直径差别大于15%时，就很难形时，就很难形成置换固溶体了。成置换固溶体了。、按固溶度：、按固溶度：有限固溶体、无限固溶体有限固溶体、无限固溶体固溶度：固溶度：溶质原子溶入固溶体中的数量称为固溶体溶质原子溶入固溶体中的数量称为固溶体的浓度，在一定条件下的极限浓度叫做溶解度或固溶度。的浓度，在一定条件下的极限浓度叫做溶解度或固溶度。如果固溶
6、体的溶解度有一定的限度，这叫做如果固溶体的溶解度有一定的限度，这叫做有限固溶体有限固溶体。当置换固溶体的溶质原子与溶剂原子直径差别很小，且当置换固溶体的溶质原子与溶剂原子直径差别很小，且晶体结构相同，在周期表中的位置又靠得较近，则它们晶体结构相同，在周期表中的位置又靠得较近，则它们就可能以任何成分比例形成固溶体，这种固溶体叫做就可能以任何成分比例形成固溶体，这种固溶体叫做无无限固溶体限固溶体。、按相对分布：、按相对分布：有序固溶体、无序固溶体有序固溶体、无序固溶体无无序序分分布布偏偏聚聚分分布布短程有序分布短程有序分布2、固溶体的性能、固溶体的性能固溶强化：固溶强化：产生原因：产生原因：1)、
7、晶格畸变，位错运动受阻；、晶格畸变，位错运动受阻；2)、位错钉扎。、位错钉扎。溶入溶质原子形成固溶体而使金属溶入溶质原子形成固溶体而使金属强度、硬度强度、硬度 溶质原子溶质原子%b、HB ，而，而、k 。固溶强化效果：间隙固溶体固溶强化效果：间隙固溶体 置换固溶体置换固溶体三种强化：三种强化：细晶强化、形变强化、固溶强化细晶强化、形变强化、固溶强化二、金属化合物二、金属化合物n 晶格类型与性能均不同于任一组元；晶格类型与性能均不同于任一组元；n 一般可用分子式表示；一般可用分子式表示；n 具有一定的金属特性；具有一定的金属特性；n 性能特点：三高性能特点：三高(高熔点、高硬度、高脆性高熔点、高
8、硬度、高脆性)1、正常价化合物、正常价化合物具有严格的化合比，可用分子式表示。受具有严格的化合比，可用分子式表示。受电电负性负性因素控制。因素控制。2、电子化合物、电子化合物按照电子浓度的比值形成化合物，不遵守原按照电子浓度的比值形成化合物，不遵守原子价规律子价规律。受受电子浓度电子浓度因素控制因素控制3、间隙化合物、间隙化合物过渡族金属与原子半径很小的非金属元素组成，过渡族金属与原子半径很小的非金属元素组成，如如H、N、C、B等。等。受受原子尺寸原子尺寸因素控制。因素控制。间隙相：间隙相：原子半径比原子半径比rX/rM0.59如：如：Fe3C珠光体片层结构珠光体片层结构珠光体中，珠光体中，F
9、+Fe3C组元间既不溶解，也不反应组元间既不溶解，也不反应机械混合物机械混合物三、机械混合物三、机械混合物组元之间相互溶解组元之间相互溶解固溶体固溶体：铁素体铁素体(F)，奥氏体，奥氏体(A)组元之间相互反应组元之间相互反应金属化合物金属化合物：渗碳体渗碳体(Fe3C)间隙固溶体与间隙相的区别：间隙固溶体与间隙相的区别：后者为化合物，具有与组元完全不同的晶后者为化合物，具有与组元完全不同的晶体结构，而前者保持溶剂组元的晶格类型。体结构，而前者保持溶剂组元的晶格类型。7.1 相图的表示和测定方法相图的表示和测定方法Expression and measurement of phase diagr
10、ams相组成相组成合金成分合金成分温度温度,压力压力相图相图相相图图：描描述述系系统统的的状状态态（相相组组成成）、温温度度、压压力力及及合合金成分之间关系的图解。金成分之间关系的图解。一、相图的表示方法一、相图的表示方法一、热分析法测定相图一、热分析法测定相图冷却曲线冷却曲线相图相图二、相律二、相律f=c-p+2或或 f=c-p+1 (常压常压)合金系的最大自由度数：合金系的最大自由度数：纯金属：纯金属：fmax=1(成分固定不变成分固定不变0，温度，温度1)二元合金：二元合金：fmax=2(成分独立变量成分独立变量1，温度，温度1)三元合金：三元合金：fmax=3(成分独立变量成分独立变量
11、2，温度，温度1)三、相律的实际应用三、相律的实际应用1、确定系统最多有几相共存：、确定系统最多有几相共存：f=0，Pmax=c+1纯金属：纯金属：pmax=2 ；二元合金：二元合金：pmax=32、说明纯金属结晶与合金结晶时的某些差别、说明纯金属结晶与合金结晶时的某些差别纯金属结晶：纯金属结晶：f=1-2+1=0恒温进行恒温进行二元合金结晶：二元合金结晶：f=2-2+1=1一定温度范围一定温度范围四、杠杆定律四、杠杆定律1、确定两平衡相的成分：、确定两平衡相的成分：CL、C杠杠杆杆定定律律的的证证明明2、确定两平衡相的相对重量、确定两平衡相的相对重量杠杆定律的力学比喻杠杆定律的力学比喻7.2
12、 相图热力学的基本要点相图热力学的基本要点第三节第三节 匀晶相图匀晶相图一、相图分析一、相图分析线：线：液相线、固相线液相线、固相线区：区：液相液相(L)区、固相区、固相()区、液固两相区、液固两相共存共存(L+)区区二、平衡结晶过程二、平衡结晶过程L LL L 1、tt1:L2、t=t1:L 3、t3tt1:L,共存共存4、t=t3:结晶完成结晶完成5、tt3:固溶体固溶体三、非平衡结晶及其组织三、非平衡结晶及其组织V冷却冷却 ，原子扩散速度原子扩散速度结晶速度结晶速度 富富NiNi富富CuCuCu-NiCu-Ni合金晶内偏析的组织合金晶内偏析的组织晶内偏析：晶内偏析：晶粒内部成分不均匀；晶
13、粒内部成分不均匀；偏析程度：偏析程度：与相图形状、原子扩散能力、与相图形状、原子扩散能力、冷却速度有关。冷却速度有关。1.液相线与固相线的液相线与固相线的水平距离水平距离和和垂直距离垂直距离 2.偏析原子扩散能力偏析原子扩散能力3.V冷却冷却偏析程度偏析程度消除办法：扩散退火消除办法：扩散退火7.3.2 共晶相图及其合金共晶相图及其合金凝固凝固共晶转变共晶转变 一个液相在冷却时同时结晶出两个结构不同、成分固定的固相的转变称为共晶转变。如Pb-Sn、Al-Si、Al-Mg、Cu-Ag、Mg-Si等。具有共晶转变的相图。共晶相图 共晶产物共晶转变产物（两相混合物）（1）比纯组元熔点低，简化了熔化和
14、铸造的操作。（2）共晶合金比纯金属的流动性好，不易产生枝晶。（3）恒温转变，偏聚不会缩孔。（4）获得多种形态的显微组织。PbSnWSn(%)T L 183327.5231.9BA1997.5MNGFL+L+61.9E PbSn相图相图7点：点：共晶点共晶点(E)7线：线：液相线液相线AEB 固相线固相线AMENB 溶解度线溶解度线MF,NG 共晶转变线共晶转变线MEN7个区：个区：L、L+、L+、+、L+共晶转变：共晶转变：L61.919 97.5一、相图分析一、相图分析PbWSn(%)TL 183327.5A19MFL+61.9E Lt1t1L +t/sT/共晶合金结晶过程分析共晶合金结晶过
15、程分析二、共晶平衡结晶过程及室温平衡组织：二、共晶平衡结晶过程及室温平衡组织：共晶温度以上：共晶温度以上：共晶温度：共晶温度：共晶温度以下：共晶温度以下：室温组织：室温组织：液态液态L61.9共晶转变共晶转变 L61.919 97.5二二次结晶次结晶 ，（+）共晶共晶 由于由于 和和 常与共晶常与共晶 和和 相连，相连，显微镜下很难分辨，室温组织为：显微镜下很难分辨，室温组织为：（+）共晶共晶（Pb-Sn）共晶组织（层片状）共晶组织（层片状）层片状（Al-CuAl2，定向凝固）棒状或条状（Sb-MnSb，横截面）螺旋状（Zn-Mg）灰铁 针状（ZL102未变质）短棒状或颗粒（Cu-CuO）常见
16、合金的共晶组织常见合金的共晶组织 铝硅针状共晶组织铅铋树枝状共晶组织Cu-Cu3P放射状共晶组织铝钍螺旋状共晶组织PbSnWSn(%)TMENBAGF三、亚共晶和过共晶平衡结晶过程三、亚共晶和过共晶平衡结晶过程 及室温平衡组织及室温平衡组织PbWSn(%)TL 183327.5A19MFL+61.9E t/sT/LL 50%Sn的亚共晶合金的结晶过程分析的亚共晶合金的结晶过程分析 +（+)共共 初初+t1t2t1t2t2+L +亚共晶合金平衡结晶过程为：亚共晶合金平衡结晶过程为：t1温度以上：温度以上：t1 t2温度：温度：t2温度时发生共晶反应：温度时发生共晶反应：室温组织：室温组织：t2温
17、度以下：温度以下：液态液态 L50液相中析出液相中析出 ，LL61.9 19 97.5 初初 初初+（+）共晶共晶亚共晶组织亚共晶组织(50%Sn 的的Pb-Sn合金合金)共晶共晶()初生初生 WSn(%)G t1t2t/sT/t1t2t2L +SnPb L BAMNFL+L+ET（+）70%Sn的过共晶合金的结晶过程分析的过共晶合金的结晶过程分析L L +过共晶合金平衡结晶过程为：过共晶合金平衡结晶过程为：t1温度以上：温度以上：t1 t2温度：温度：t2温度时发生共晶反应：温度时发生共晶反应：室温组织：室温组织：t2温度以下：温度以下：液态液态 L70液相中析出液相中析出 ，L L61.9
18、 19 97.5 初初 初初 +（+）共晶共晶过共晶平衡组织过共晶平衡组织(70%Sn 的的Pb-Sn合金合金)共晶共晶()初生初生 PbSnWSn(%)T183327.5231.9BA1997.5MNGF61.9E 四、相组成物和组织组成物的质量分数计算四、相组成物和组织组成物的质量分数计算L+L+（+）+(+）L +(+)+标明组织组成物的标明组织组成物的Pb-Sn合金相图合金相图组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注LL+L+(+)+(+)(+)+PbSnSn,%温度，相组成物标注相图相组成物标注相图组织质量分数计算组织质量分数计算LL+L+PbSnB%T 1997.561.9
19、MENFG50%+(+）(+)共晶共晶%=L61.9%=M2/ME100%=(50-19)/(61.9-19)100%=72%一次杠杆一次杠杆室温组织：室温组织：初初+(+)共共晶晶 初初%M2=L61.9%2E2 初初=28%P L共晶共晶2MELL+L+PbSnB%T 1997.561.9MENFG50%+(+）2%=1-(+)共晶共晶%-初初F%(初初F+)%=2E/ME100%SFG二次杠杆二次杠杆 初初F%FS=%SG 初初F%=(初初F+)%SG/FG100%=(2E/ME)(SG/FG)100%初初M 初初F+sP相的质量百分数：相的质量百分数：%=PG/FG100%=FP/FG
20、100%五、不平衡结晶及组织五、不平衡结晶及组织伪共晶：伪共晶：在共晶点附近的在共晶点附近的非共晶成分的的合金非共晶成分的的合金得到的全部共晶组织得到的全部共晶组织离异共晶：两相分离的共晶。离异共晶：两相分离的共晶。易产生离异共晶的区域易产生离异共晶的区域合金合金：平衡条件下得到。平衡条件下得到。合金合金：不平衡条件系得到。不平衡条件系得到。7.3.3 包晶相图及其合金包晶相图及其合金凝固凝固 已结晶的固相与剩余液相反应形成另一个固相的恒温转变。如Fe-C、Cu-Zn、Ag-Sn、Ag-Sn、Ag-Pt等。具有包晶转变的相图。包晶转变包晶转变包晶相图包晶相图点：点：D区区：单相区单相区L、双相
21、区双相区L 、L+、+线：线：液相线液相线APB 固相线固相线ACDB 包晶线包晶线CDP L P+C D 固溶度曲线固溶度曲线 CE、DF Pt-Ag合金相图合金相图EFC10.51186BAP66.31772962温温度度PtAg一、相图分析一、相图分析 L L L+D42.4二、包晶合金平衡结晶过程与室温组织二、包晶合金平衡结晶过程与室温组织T/t/s1DDLL L +包晶合金包晶合金的平衡结晶过程的平衡结晶过程EFC10.51186BAP66.3温温度度D42.4 L1 +只有P点成分的合金才能在包晶反应后得到100的相，P点左侧会有相剩余，P点右侧会有L相剩余。Sb（锑）（锑）-16
22、%Fe合金包晶组织合金包晶组织 三、不平衡结晶与包晶偏析三、不平衡结晶与包晶偏析L Pt原子原子 Ag原子原子消除办法：扩散退火消除办法：扩散退火7.3.5 其他类型的二元相图其他类型的二元相图一、形成化合物的相图一、形成化合物的相图 （1 1）稳定化合物）稳定化合物（2）.形成不稳定化合物的相图 不稳定化合物加热至一定温度时，不是发生本身的熔化，而是分解为两个相，所生成的液相与原化合物显然不同。64二、具有三相平衡的二元相图二、具有三相平衡的二元相图1、分解型、分解型（1）共共析转变析转变共析线共析线共析点共析点在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相。1+2（2
23、）偏晶转变）偏晶转变L分解为另一个液相与新固相分解为另一个液相与新固相L Cu+L267（3）熔晶转变）熔晶转变一个固相，部分转变为新固相，部分熔化。一个固相，部分转变为新固相，部分熔化。+L2、合成型、合成型（1）包析转变）包析转变两个固相合成两个固相合成一个新固相。一个新固相。r+Fe2B70（2）合晶转变）合晶转变L1a+L2b=s两两个互不溶液相共同生个互不溶液相共同生成一个固相成一个固相三、有序无序转变三、有序无序转变四、同素异晶转变四、同素异晶转变 五、五、二元相图各类等温反应总结二元相图各类等温反应总结73具有三种恒温转变的相图包晶转变包晶转变(HJB水平线水平线)共晶转变共晶转
24、变(ECF水平线水平线)共析转变共析转变(PSK水平线水平线)垂直线垂直线(Fe3C)Fe 06.69 Fe3CTemperature(C)Temperature(C)PSK0.77727 CECF4.32.111148 CHJBANGQD LC,wt%1495 C1538 C1394 C912 C六、二元相图分析方法六、二元相图分析方法（1 1）以稳定的化合物）以稳定的化合物-分割相图；分割相图；（2 2）根根据据相相区区接接触触法法则则，区区别别各各相相区区（确确定定各各点点、线线、区区的意义）；的意义）；（3 3）找出三相共存水平线，分析恒温转变。）找出三相共存水平线，分析恒温转变。注注
25、：虚虚线线、点点划划线线的的意意义义尚尚未未准准确确确确定定的的数数据据、磁磁学学转转变变线线、有有序序无序转变线。无序转变线。（4 4）应应用用相相图图分分析析具具体体合合金金随随温温度度改改变变而而发发生生的的相相转转变变和和组织变化规律组织变化规律 a a、单相区，该相的成分和原合金相同、单相区，该相的成分和原合金相同 b b、两相区，不同温度下两相成分分别沿其相界线变化。、两相区，不同温度下两相成分分别沿其相界线变化。c c、三三相相共共存存时时，三三个个相相的的成成分分是是固固定定的的，可可以以用用杠杠杆杆定定律律计计算算恒恒温温转转变变后的组成相的相对量。后的组成相的相对量。767
26、.3.7 合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系合金性能合金性能组织性质组织性质组成相性质组成相性质一、判断合金的力学性能和物理性能一、判断合金的力学性能和物理性能二、判断合金的铸造性能二、判断合金的铸造性能流动性流动性缩孔缩孔热裂倾向热裂倾向根据相图判断材料的工艺性能根据相图判断材料的工艺性能 铸造性能：根据液固相线之间的距离铸造性能：根据液固相线之间的距离X X X X越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）；越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）；X X越大，流动性越差（因为枝晶发达）；越大，流动性越差（因为枝晶发达）；X X越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。