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1、第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 第七章第七章:二元相图及其合金的凝固二元相图及其合金的凝固Chapter7:Binary phase diagram and its solidification 1第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 本章章节结构本章章节结构7.1 相图的表示和测定方法相图的表示和测定方法 7.2 相图热力学的基本要点相图热力学的基本要点 7.3 二元相图分析二元相图分析 7.4 二元合金的凝固理论二元合金的凝固理论 2第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 二元相图特点；二元相图特点；影响因素：影响因素：温度，压力，
2、组分温度，压力，组分。相图应为复杂的三维立体相图，。相图应为复杂的三维立体相图，所以一般研究一个大气压下；所以一般研究一个大气压下；f=c-P+1；橫坐标为组分，纵坐标为温度；橫坐标为组分，纵坐标为温度；组分表示有两种：组分表示有两种：质量分数质量分数(一般一般)和摩尔分数和摩尔分数。7.1 相图的表示和测定方法相图的表示和测定方法 3第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.1 相图的表示和测定方法4第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 相图的绘制（临界点）相图的绘制（临界点）l动态法动态法如热分析、膨胀法、电阻法等；如热分析、膨胀法、电阻法等；l静态法静
3、态法金相法、金相法、X X射线结构分析等。射线结构分析等。7.1相图的表示和测定方法5利用不同成分对应的冷却曲线利用不同成分对应的冷却曲线来绘制相图来绘制相图为保证平衡，为保证平衡，冷却速率要慢冷却速率要慢第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 相区：由相界线划分出来的区域；相区：由相界线划分出来的区域；一相区：一相区：f=2两相区：两相区：f=1三相区：三相区：f=0，三相水平线，三相水平线二元相图中，最多只能三相共存；二元相图中，最多只能三相共存；7.1相图的表示和测定方法6第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.2、相图热力学的基本要点、相图热力学的基
4、本要点 利用相图热力学，计算相图；利用相图热力学，计算相图；应用相图的热力学的基本原理来分析相图。应用相图的热力学的基本原理来分析相图。7第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.2.1 7.2.1 固溶体固溶体的自由能的自由能-成分曲线成分曲线 固溶体的准化学模型固溶体的准化学模型只考虑最近邻原子间的键能溶质和溶剂原子半径相同，晶体结构相同无限互溶，体积无变化只考虑混合熵，忽略振动熵固溶体相的吉布斯自由能，比纯金属更复杂，不仅随温度变化，固溶体相的吉布斯自由能，比纯金属更复杂，不仅随温度变化，而且因成分不同。设二组元混合前的吉布斯自由能为而且因成分不同。设二组元混合前的吉布
5、斯自由能为G0，混合，混合后为后为Gs，则：，则：7.2.1 自由能-成分曲线8第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 根据以上假设，固溶体溶质溶剂原子半径相同，晶体结构相同，无限互溶，混合前后无体积变化，则：即焓变主要反映在内能变化上，内能变化主要由最临近原子的结合键能的变化引起。9第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.2.1 自由能-成分曲线10混合后的总的自由能为：混合后的总的自由能为：所以，固溶体的自由能是三项的综合结果，是温度和成分的函数，可按三种不同的情况，得到三种类型的自由能组分曲线。第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固（1
6、）有序固溶体）有序固溶体当异类原子的结合能低于同类原子；0，H0，H0;即同类原子偏聚，形成不均匀固溶体，混合中有吸热反应，焓增大。口朝上的W型线。有两个最小值，之间的体系，都会分解成两个成分不同的固溶体。7.2.1 自由能-成分曲线13第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 已知自由能-成分曲线,求成分为x的溶体中A、B组元的化学位 A=Aa B=Bb 单相时各组分的化学位单相时各组分的化学位7.2.2 多相平衡公切线原理14第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.2.2 7.2.2 多相平衡多相平衡的公切线原理的公切线原理用用表示化学势，则表示化学势，则
7、A表示表示A组元在组元在相中相中的化学势。的化学势。从热力学角度分析相平衡。从热力学角度分析相平衡。相平衡的热力学条件是合金中某组元在各平衡相中的化相平衡的热力学条件是合金中某组元在各平衡相中的化学势（偏摩尔自由能）彼此相等。学势（偏摩尔自由能）彼此相等。从动力学角度讲，相平衡是一种动态平衡。从动力学角度讲，相平衡是一种动态平衡。15第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 多相平衡的公切线法则多相平衡的公切线法则 一定温度下，对多相的自由能曲线作公切线；切点成分满足同一组元在各相中化学位相等；多相平衡的条件。图中在纵坐标上的截距图中在纵坐标上的截距即化学势即化学势 7.2.2
8、多相平衡公切线原理16两相平衡自由能曲线两相平衡自由能曲线第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.2.3 7.2.3 混合物的自由能和杠杆法则混合物的自由能和杠杆法则杠杆法则怎么来的？理论依据？17Gm1GmGm2xx2x1第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 设存在设存在、相，物质的量分别相，物质的量分别为为n1和和n2,x1和和x2是是、相中相中B组组元的摩尔分数：元的摩尔分数：则混合物中则混合物中B的摩尔分数：的摩尔分数：混合物的摩尔吉布斯自由能：混合物的摩尔吉布斯自由能：7.2.3 自由能和杠杆法则18Gm1GmGm2xx2x1第 七 章 金属学原
9、理金属学原理二元相图及其合金的凝固 Gm位于同一直线上；位于同一直线上；并且并且x在在x1和和x2之间；之间；该直线即为该直线即为和和相平衡时相平衡时的公切线。的公切线。7.2.3 自由能和杠杆法则19Gm1GmGm2xx2x1第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 平衡成分：平衡成分：左边：左边：右边：右边：中间：中间：+杠杆：杠杆：与与 相对量相对量7.2.3 自由能和杠杆法则20Gm1GmGm2xx2x1第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.2.4 7.2.4 从自由能从自由能-成分曲线推测相图成分曲线推测相图 根据公切线原理可求出体系在某一温度下平
10、衡相的成分。根据二元系的不同温度下的自由能一成分曲线可画出二元系相图。21第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.2.4 推测相图固溶体相图固溶体相图第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.2.4 推测相图共晶相图共晶相图第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.2.4 推测相图24包晶相图包晶相图第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.2.5 7.2.5 二元相图的几何规律二元相图的几何规律判断相图正确的规则(1)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。(2)在二元相图中，相邻相区的相数差为1(
11、点接触情况除外)，这个规则称为相区接触法则。(3)二元相图中的三相平衡必为一条水平线。水平线的上下方共与3个两相区相接。(4)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一两相区内，而不会进入单相区内。25第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 检验一下四大规律检验一下四大规律7.2.5 二元相图的几何规律26第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 a、任何温度下所作的连接线、任何温度下所作的连接线两端必须分别相交于液相线和两端必须分别相交于液相线和固相线，不能相交于单一液相固相线，不能相交于单一液相线或单一固相线。线或单一固相线。b、A组
12、元的凝固温度恒定，则组元的凝固温度恒定，则液、固相线在液、固相线在A成分处要相交成分处要相交于一点。于一点。c、在两元系中，三相平衡时的、在两元系中，三相平衡时的成分是唯一的。成分是唯一的。d、在两元系只能出现三相平、在两元系只能出现三相平衡反应。衡反应。7.2.5 二元相图的几何规律27例题：指出例题：指出下列相图中的错误，如图所示，并加以下列相图中的错误，如图所示，并加以改正。改正。第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.3 二元相图分析二元相图分析 主要研究匀晶，共晶和包晶匀晶，共晶和包晶3种基本相图；讨论凝固过程及得到的组织，系统认识在平衡凝固和非平衡凝固下的成分与
13、组织；对溶混间隙和相应的调幅分解进行分析；根据相图初步分析合金的使用性能和工艺性能。能够能够进行实例进行实例分析分析!28第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.3.17.3.1 匀晶相图和固溶体凝固匀晶相图和固溶体凝固 1、匀晶相图 2、固溶体的平衡凝固 3、固溶体的非平衡凝固29第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 1、匀晶相图、匀晶相图由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所形成的相图。绝大多数的二元相图都包括匀晶转变部分。7.3.1匀晶相图和固溶体凝固30相图分析相图分析 两条曲线：两条
14、曲线：三个区域：三个区域：第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 Cu-Ni,Au-Ag,Au-Pt,NiO-CoO,NiO-MgO;要形成无限合金固溶所需条件：晶体结构相同；晶体结构相同；尺寸相近尺寸相近(15%)；原子价相同，电负性相近。原子价相同，电负性相近。也适于以离子离子晶体化合物为组元的固溶体。7.3.1匀晶相图和固溶体凝固31第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 具有极小点和极大点的相图（Au-Cu；Fe-Co）在极值点上，液固的成分相同在极值点上，液固的成分相同自由度自由度f=07.3.1匀晶相图和固溶体凝固32第 七 章 金属学原理金属学原理
15、二元相图及其合金的凝固 固溶体合金凝固的特点：固溶体合金凝固的特点：形核与长大形核与长大l异分结晶异分结晶：平衡凝固的固相成分与液相成分不同，：平衡凝固的固相成分与液相成分不同，这种结晶出的晶体和母相化学成分不同的结晶溶质原子的重新分配溶质原子的重新分配，所以形，所以形核需要能量起伏和成分起伏。核需要能量起伏和成分起伏。平衡分配系数平衡分配系数0：在一定的温度下，固液两平衡相中的溶质浓度：在一定的温度下，固液两平衡相中的溶质浓度之比值之比值0反映了溶质组元重新分配的强弱程度。反映了溶质组元重新分配的强弱程度。7.3.1匀晶相图和固溶体凝固2、固溶体的平衡凝固、固溶体的平衡凝固33 k01 第
16、七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 l凝固是在一个温度区间进行，每个温度下两相的成分达到平衡。平衡凝固的三个过程液相内的扩散。液相内的扩散。固相的长大。固相的长大。固相内的扩散。固相内的扩散。三个过程速度不同7.3.1匀晶相图和固溶体凝固34第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 平衡凝固过程平衡凝固过程:（b）（c）（e）（d）（f）（g）（a）形核相界平衡扩散破坏平衡长大相界平衡 7.3.1匀晶相图和固溶体凝固35第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 对于平衡凝固每一个晶核形成一颗成分均匀的晶粒。每一个晶核形成一颗成分均匀的晶粒。在实际生产
17、中要达到这种绝对平衡很难在实际生产中要达到这种绝对平衡很难!7.3.1匀晶相图和固溶体凝固36第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 3、固溶体的非平衡凝固、固溶体的非平衡凝固在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡凝固非平衡凝固；成分偏离液固相线；固相中扩散慢，偏离固相线更大一些。7.3.1匀晶相图和固溶体凝固37第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.3.1匀晶相图和固溶体凝固38第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 非平衡凝固过程的分析的几点结论:（1）固液相平均成分线冷却速度有关，冷却速度越快，偏离越严
18、重。（2）先结晶部分总是富高熔点组元（Ni），后结晶的部分是富低熔点组元（Cu）。（3）凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。7.3.1匀晶相图和固溶体凝固39第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 固溶体通常以树枝状生长结晶 枝晶偏析非平衡凝固的结果。非平衡凝固的结果。枝晶偏析属于晶内偏析。是非平衡凝固的产物，在热力学上是不稳定的。是非平衡凝固的产物，在热力学上是不稳定的。怎么消除？怎么消除？均匀化退火或扩散退火！均匀化退火或扩散退火！7.3.1匀晶相图和固溶体凝固40第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.3.27.3.2 共共晶相图及其合金凝固晶相图及
19、其合金凝固共晶相图平衡凝固及组织非平衡凝固41第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 1.共晶相图共晶相图 液态下无限互溶，固态部分或者不能互溶；混合使合金的熔点更低，中间凹下，共晶温度。共晶温度下同时结晶出两相，形成共晶组织。7.3.2共晶相图及其合金凝固42第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 共晶的特殊性质：共晶的特殊性质：(铸造工业铸造工业)比纯组元熔点低；比纯金属有更好的流动性；恒温转变减少了铸造缺陷，如偏析和缩孔；获得多种形态的显微组织：尤其是规则排列的层状或杆状共晶组织。437.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及
20、其合金的凝固 2.共晶合金的平衡凝固及其组织共晶合金的平衡凝固及其组织447.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 a.w(Sn)19%的合金的合金 次生次生 优先在晶界上优先在晶界上形核。形核。过程中的杠杆过程中的杠杆最终组织：最终组织：+II457.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 b.共共晶合金晶合金过程中的杠杆过程中的杠杆共晶完毕时共晶完毕时得到的是完全的共晶组织！得到的是完全的共晶组织！最终组织：最终组织：(+)+II+II次生相与共晶组织结次生相与共晶组织结合一起难分辨！合一起难分辨！467
21、.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 计算一下，计算一下，E点时共晶前点时共晶前/后的成分？如求后的成分？如求 初初，(+)/初初=?最终相：最终相：初初+(+)+II+II因因 II一般很难看出一般很难看出室温组织：室温组织：初初+(+)+II477.3.2共晶相图及其合金凝固c.亚共晶亚共晶第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 d.过过共晶共晶与亚共晶类似。虽然不同成分的合金，得到的相组成相同，但是可以通过调整各相比例、分布，获得不同性能的材料。487.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金
22、的凝固 亚共晶亚共晶 Al 75,Cu 25(wt%),hypoeutectic alloy497.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 共晶：共晶：Al 67,Cu 33(wt%),eutectic alloy 507.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 过共晶过共晶Al 64,Cu 36(wt%),hypereutectic alloy 517.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 计算：含锡量为Sn=30%的亚共晶合金在183共晶转变结束后，先析出相和共晶
23、组织的含量是多少？相组成物的含量是多少？杠杆法则的应用杠杆法则的应用Pb-Sn相图相图527.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 初生相和共晶组织（+）的含量：相组成物相和相的相对含量：Answer:537.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 3.共共晶合金的非平衡凝固晶合金的非平衡凝固 a.伪共晶伪共晶由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。在相图中的分布分为两种：对称和非对称。共晶系合金的不平衡凝固共晶系合金的不平衡凝固547.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图
24、及其合金的凝固 对称分布对称分布两组元熔点相近时两组元熔点相近时557.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 两组元熔点相差很大时，共晶点偏向低熔点一侧，伪晶区则偏两组元熔点相差很大时，共晶点偏向低熔点一侧，伪晶区则偏向高熔点组元一侧。向高熔点组元一侧。铝铝-硅合金系的伪共晶区硅合金系的伪共晶区567.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 b.非平衡共晶组织非平衡共晶组织某些合金在平衡凝固条件下获得单相固溶体，在快冷时可能出现少量的非平衡共晶体。577.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学
25、原理二元相图及其合金的凝固 离异共晶离异共晶：由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的相依附于初生相生长，将共晶体中另一相推到最后凝固的晶界上，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称之为离异共晶。消除方法：消除方法：扩散退火扩散退火。5%Cu-Al 铸造合金中的离异共晶铸造合金中的离异共晶晶界上的相为晶界上的相为 Al2Cu 200587.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 Al 95,Cu 5(wt%),microsegregation-cored dendrites597.3.2共晶相图及其合金凝固第 七 章 金属学原理
26、金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.3.3 7.3.3 包晶相图及其合金凝固包晶相图及其合金凝固包晶相图包晶相图平衡凝固及平衡组织平衡凝固及平衡组织非平衡凝固非平衡凝固60第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 1、包晶相图包晶相图 两组元，液态无限互溶，固态部分互溶。在二元相图中，包晶转变就是已结晶的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转变。LC+D=P液相线：液相线：ACB 固相线：固相线：ADPBDE-银溶于铂中的溶解度曲线银溶于铂中的溶解度曲线PF-铂溶于银中的溶解度曲线铂溶于银中的溶解度曲线三个单相区：三个单相区：L、三个两相区：三个两相区：L+、L+、+三相共存水
27、平线：三相共存水平线：DPC包晶转变线包晶转变线7.3.3包晶相图和固溶体凝固61第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 2、包晶合金的凝固及其平衡组织包晶合金的凝固及其平衡组织a.I w(Ag)=42.4 PtL Ag为什么叫包晶为什么叫包晶?物质的扩散情况物质的扩散情况（Ag）=42.4%的的Pt-Ag合金平衡凝固示意图合金平衡凝固示意图最终组织最终组织7.3.3包晶相图和固溶体凝固62第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 b.II 42.4w(Ag)66.3%最终组织：+II42.4%（Ag）66.3%的的Pt-Ag合金平衡凝固示意图合金平衡凝固示意图7
28、.3.3包晶相图和固溶体凝固63第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 c.III 10.5%w(Ag)42.4最终组织：+II+II II,II10.5%（Ag）42.4%的的Pt-Ag合金平衡凝固示意图合金平衡凝固示意图7.3.3包晶相图和固溶体凝固64第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 3、包晶合金的非平衡凝固、包晶合金的非平衡凝固 相包围，使液相与相隔开；新相内的扩散速率将影响包晶转变能否进行完全；包晶反应的不完全性，容易发生在包晶转变温度低或扩散速率小的合金中。（包晶偏析）本应消失的相本应消失的相(芯部的初相芯部的初相)得以保留；得以保留；L Ag
29、Pt7.3.3包晶相图和固溶体凝固65第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 出现某些在平衡状态下不应出现的相包晶转变产生的不平衡组织，可采用长时间的扩散退火来减少或消除。7.3.3包晶相图和固溶体凝固66第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.3.4 7.3.4 溶混间隙相图与调幅分解溶混间隙相图与调幅分解 不相混溶性LL1+L2 1+27.3.4 溶混间隙和调幅分解67第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 1+2转变方式：转变方式：形核长大，克服能垒；形核长大，克服能垒；调幅分解：无形核阶段的不稳定分解调幅分解：无形核阶段的不稳定分解
30、物理意义物理意义不稳定范围？不稳定范围？7.3.4 溶混间隙和调幅分解68第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.3.4 溶混间隙和调幅分解69第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 为什么？为什么？从热力学角度来解释！从热力学角度来解释！7.3.4 溶混间隙和调幅分解70第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固设母相成分为设母相成分为x，分解的两个相成分为，分解的两个相成分为x+x及及x-x，则，则任何成分变动（起伏）都会使体系自由能减小，任何成分变动（起伏）都会使体系自由能减小，所以母相不稳定，通过所以母相不稳定，通过上坡扩散上坡扩散，形成
31、新相。，形成新相。（调幅分解）（调幅分解）任何成分变动（起伏）都会使体系自由能增大，任何成分变动（起伏）都会使体系自由能增大，这个区域，要形成新相必须克服能垒。这个区域，要形成新相必须克服能垒。7.3.4 溶混间隙和调幅分解71第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.3.5 7.3.5 其他类型的二元相图其他类型的二元相图 1、具有化合物的二元相图2、具有偏晶转变的相图3、具有合晶转变的相图4、具有熔晶转变的相图5、具有固态转变的二元相图72第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 1、具有化合物的二元相图、具有化合物的二元相图 中间相中间相。根据稳定性可分为
32、稳定化合物稳定化合物是指有确定的熔点，可熔化成与固态相同成分是指有确定的熔点，可熔化成与固态相同成分液体的那类化合物；液体的那类化合物；不稳定化合物不稳定化合物不能熔化成与固态相同成分的液体，当加热不能熔化成与固态相同成分的液体，当加热到一定温度时会发生分解，转变为两个相。到一定温度时会发生分解，转变为两个相。7.3.5 其它类型的二元相图73第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 l形成稳定化合物的相图形成稳定化合物的相图 无溶解度无溶解度化合物可看作独立组元，将相图分为独立两部分；化合物可看作独立组元，将相图分为独立两部分；Mg-Si相图相图7.3.5 其它类型的二元相图7
33、4第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 化合物对组元有一定的溶解度化合物对组元有一定的溶解度即化合物在相图中有一定的成分范围，形成以化合物为基的固溶即化合物在相图中有一定的成分范围，形成以化合物为基的固溶体：体：Cd-Sb相图和相图和Mg-Cu相图。相图。也可将相图分为两个独立的相图。也可将相图分为两个独立的相图。Cd-Sb相图相图L+L+7.3.5 其它类型的二元相图75第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 具有共析转变的相图共析转变：一个固相在恒温下转变为另两个固相的过程 7.3.5 其它类型的二元相图76第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金
34、的凝固 7.3.6 7.3.6 复杂二元相图的分析方法复杂二元相图的分析方法1、分析方法：1）先看相图中是否存在稳定化合物，如有，则以化合物为界，把相图分成几个区域；2）根据相区接触法则，区别各相区；3）找出三相共存水平线，分析这些恒温转变的类型；4）应用相图分析具体合金随着温度改变而发生的相变和组织变化的规律；2、应用相图时要注意的问题1）相图反映的是在平衡条件下相的平衡，而不是组织的平衡；2）相图给出的是平衡状态的情况；77第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 复杂二元相图的分析方法复杂二元相图的分析方法二元相图各类恒温转变图型7.3.6 二元相图的分析方法78第 七 章
35、 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 Cu-Sn二元相图分析二元相图分析.包晶转变：包晶转变：L+.包晶转变：包晶转变：L+.包晶转变：包晶转变：L+.共析转变：共析转变：+.共析转变：共析转变：+.共析转变：共析转变：+.共析转变：共析转变：+.包析转变：包析转变：+.包析转变：包析转变：+.熔晶转变：熔晶转变：+L.共晶转变：共晶转变：L+7.3.6 二元相图的分析方法79第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.3.7 7.3.7 根据相图推测合金的性能根据相图推测合金的性能1、根据相图判断合金的使用性能 (a)(b)(c)(d)(e)相图与合金硬度、强度及导电
36、性之间的关系相图与合金硬度、强度及导电性之间的关系 80第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 2、根据相图判别合金的工艺性能相图与合金铸造性能之间的关系相图与合金铸造性能之间的关系 7.3.7 根据相图推测性能81共晶合金：共晶合金：熔点低、恒温转变，流动好；凝固后形成集中缩孔，致密度高，适合铸造。固溶体合金：固溶体合金：流动性差，分散缩孔，不致密。第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.3.87.3.8二元相图实例分析二元相图实例分析Fe-C系82第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 三个重要反应三个重要反应：五个基本组织五个基本组织：
37、五条特征线五条特征线:第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 一、五个单相一、五个单相（1）液相液相；（2）-相相：碳在：碳在-Fe中的固溶体，称高温铁素体，体心立方结构，中的固溶体，称高温铁素体，体心立方结构，在在1394C以上存在；以上存在；（3）相相：碳在：碳在-Fe中的固溶体，称为奥氏体，常用中的固溶体，称为奥氏体，常用A表示，面心立表示，面心立方结构，在方结构，在727C以上存在，在以上存在，在1148C时有最大的碳溶解度为时有最大的碳溶解度为2.1%；（4）相相：碳在：碳在-Fe中的固溶体，称为铁素体，体心立方，在中的固溶体，称为铁素体，体心立方，在912C以下存在
38、，在以下存在，在727C时碳溶解度最大为时碳溶解度最大为0.02%，在室温下，仅为，在室温下，仅为0.008%常用常用F表示；表示；(5）Fe3C：中间相，属于间隙相，复杂正交结构，称为渗碳体。：中间相，属于间隙相，复杂正交结构，称为渗碳体。第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 二、三条水平线二、三条水平线（1）HB线线 包晶转变包晶转变 L+（2）EF线线 共晶转变共晶转变 L +Fe3C 共晶体称为莱氏体。共晶体称为莱氏体。（3）PK线线 共析转变共析转变 +Fe3C共共析体称为珠光体。析体称为珠光体。1495C1148C727C第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及
39、其合金的凝固 三、三、ES线线 ES线是线是相中碳的溶解度极限，这是一条很重要的线，在相中碳的溶解度极限，这是一条很重要的线，在1148C时，时，中碳的溶解度最高，达中碳的溶解度最高，达2.11%，随温度下降，溶解，随温度下降，溶解度大幅度减小，度大幅度减小，727C时仅时仅0.77%。四、四、Fe3C的形成条件的形成条件 （1）含碳）含碳4.3%至至6.69%的合金凝固时在液相线的合金凝固时在液相线CD以下，从以下，从液体中结晶出液体中结晶出Fe3C，称为，称为一次渗碳体一次渗碳体，记作，记作Fe3CI；（2）含碳）含碳0.77%至至2.11%的合金，从的合金，从相冷却低于相冷却低于ES线时
40、，由线时，由于于相中碳过饱和，从而从相中碳过饱和，从而从相中析出相中析出Fe3C称为称为二次渗碳体二次渗碳体，记，记为为Fe3C；（3）含碳）含碳0.008%至至0.02%的的相，当冷至相，当冷至PQ线以下时，从过线以下时，从过饱和的饱和的相中析出的相中析出的Fe3C称为三次渗碳体，记作称为三次渗碳体，记作Fe3C。三次。三次渗碳体由于数量及少，一般可以忽略。渗碳体由于数量及少，一般可以忽略。第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 铁碳合金中的相及组织铁碳合金中的相及组织珠光体珠光体PF与与 Fe3C的机械混合物，强度、硬度较高。的机械混合物，强度、硬度较高。铁素体铁素体F()
41、C在在-Fe中的间隙固溶体，体心立方结构中的间隙固溶体，体心立方结构,强度强度低塑性韧性好、钢中软韧相。低塑性韧性好、钢中软韧相。铁素体铁素体C在在-Fe中的间隙固溶体，体心立方结构，与中的间隙固溶体，体心立方结构，与性性能相似能相似 渗碳体渗碳体Fe3C 间隙化合物，具有复杂晶体结构。间隙化合物，具有复杂晶体结构。很硬、很很硬、很脆，塑韧性几乎为零。钢中强化相，其粗细程度、分布状态脆，塑韧性几乎为零。钢中强化相，其粗细程度、分布状态对钢的性能影响很大。对钢的性能影响很大。奥氏体奥氏体A(r)C在在r-Fe中的间隙固溶体，面心立方结构，塑中的间隙固溶体，面心立方结构，塑性好，具有顺磁性。性好，
42、具有顺磁性。莱氏体莱氏体Ldr与与Fe3C机械混合物。机械混合物。第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 共析钢共析钢Fe,C 0.8(wt%),eutectoid transformation-pearlite(coarse)7.3.8 二元相图实例分析88第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 亚共析钢亚共析钢1（Etched in 3%nital）Fe,C 0.1(wt%),hypoeutectoid alloy光学显微镜图片光学显微镜图片7.3.8 二元相图实例分析89第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 亚共析钢亚共析钢2（Etche
43、d in 3%nital）Fe,C 0.1(wt%),hypoeutectoid alloy7.3.8 二元相图实例分析90第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 过共析钢过共析钢1（Etched in 3%nital）Fe,C 1.0(wt%),hypereutectoid alloy光学显微镜照片光学显微镜照片7.3.8 二元相图实例分析91第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 过共析钢过共析钢2（Etched in 3%nital）Fe,C 1.0(wt%),hypereutectoid alloySEMSEM照片照片7.3.8 二元相图实例分析92第
44、七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.4 7.4 二元合金的凝固理论二元合金的凝固理论固溶体的凝固理论共晶凝固理论合金铸锭的组织与缺陷二元系统的凝固的特点：二元系统的凝固的特点：遵循金属结晶的一般规律；遵循金属结晶的一般规律；存在共晶、包晶。；存在共晶、包晶。；组织结构也会多种多样。组织结构也会多种多样。93第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 1、正常凝固2、区域熔炼7.4.1 固溶体的凝固理论固溶体的凝固理论94第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 1、正常凝固、正常凝固凝固时到某个温度时，溶质会在液固两相中重新分布。凝固时到某个温度时
45、，溶质会在液固两相中重新分布。如何来表征这种分布？如何来表征这种分布？7.4.1 固溶体的凝固理论95第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 平衡平衡凝固凝固时，溶质会重新分布，程度可用时，溶质会重新分布，程度可用平衡分配系数平衡分配系数K0表示。表示。k01：随溶质增加，合金凝固的开始温度和终结温度：随溶质增加，合金凝固的开始温度和终结温度升高。升高。若固液相线为直线,则k0为常数;K0越接近于1，则液固成分与原合金成分越接近，重新分布程度越小。k01 7.4.1 固溶体的凝固理论96第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 平衡凝固过程中：平衡凝固过程中：不同
46、温度下都有k0；不同温度结晶出的固相成分不同；已凝固的固相成分是均匀的；最终得到的成分仍为w0。为什么？为什么？液固相有充足的时间扩散达到平衡！液固相有充足的时间扩散达到平衡！7.4.1 固溶体的凝固理论97第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 非平衡条件下：非平衡条件下：液固无充分的时间来交换物质，所以成分随液固无充分的时间来交换物质，所以成分随x x而变化！而变化！7.4.1 固溶体的凝固理论98第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 五五个假设个假设 液液相成分相成分均匀；均匀；固相固相内不内不扩散；扩散；液液固界面固界面平直；平直；界面界面处满足处满足
47、k0为为常数；常数；液液固密度固密度相同。相同。推导：非平衡凝固时，推导：非平衡凝固时，质量浓度质量浓度随随x的变化规律？的变化规律？7.4.1 固溶体的凝固理论99第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.4.1 固溶体的凝固理论100第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 正常凝固方程：正常凝固方程：固相质量浓度随凝固距离的变化规律。固相质量浓度随凝固距离的变化规律。7.4.1 固溶体的凝固理论101第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 固溶体经正常凝固后整个铸锭的质量浓度分布如图所示：这种溶质质量浓度由锭表面向中心逐渐增加的不均匀分布称
48、为正偏析，它是宏观偏析的一种，这种偏析通过扩散退火也难以消除。7.4.1 固溶体的凝固理论102第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 2、区域熔炼、区域熔炼目前用于制造半导体器件的材料有：元素半导体（Si Ge）化合物半导体（GaAs InSb）本征半导体：不含任何杂质的纯净半导体，其纯度在99.999999%（810个9）。掺杂半导体：半导体材料对杂质的敏感性非常强，例如在Si中掺入千万分之一的磷(P)或者硼（B），就会使电阻率降低20万倍。7.4.1 固溶体的凝固理论103第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 前述的正常凝固是把质量浓度为0的固溶体合金整
49、体熔化后进行定向凝固。区域熔炼则是由左向右的局部熔化。7.4.1 固溶体的凝固理论104第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.4.1 固溶体的凝固理论105第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 7.4.1 固溶体的凝固理论106第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 区域熔炼方程区域熔炼方程，讨论：表示经过一次区域熔炼得到的溶质质量分布。不能用于n1的分布，因为成分不再均匀。不能用于最后一个熔区。7.4.1 固溶体的凝固理论107第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 多次区域熔炼后的分布为：多次区域熔炼后的分布为：区域提
50、纯区域提纯7.4.1 固溶体的凝固理论正常凝固提纯效果远不如正常凝固提纯效果远不如区域熔炼！区域熔炼！108第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 3、表征液体混合程度的有效分配系数、表征液体混合程度的有效分配系数ke前面推导时，采用了液体的浓度是均匀的。实际情况并非如此。液相传质的一个主要方式：对流液相传质的一个主要方式：对流界面上液体的流动：界面上液体的流动：7.4.1 固溶体的凝固理论109第 七 章 金属学原理金属学原理二元相图及其合金的凝固 实际情况下，液固界面上均存在着层流层。如果液固界面上有传质，通过什么方式？扩散！LSv分布分布扩散扩散7.4.1 固溶体的凝固理