二元合金的相结构与合金
第三章二元合金的相结构与合金
本章重点与难点：
①合金的相结构；
②二元合金相图的建立及杠杆定律；
③几种典型而元合金相图及合金的结晶：匀晶、共晶、包晶相图等；
④二元合金相图的分析及使用。
内容提要：
相图就是用来表示系统中相的状态与成分之间关系的综合图形，其中最简单、最基本的相图是二元相图。对材料工作者来说，相图是一种不可缺少的重要工具。本章的重点是较详细的介绍了匀晶、共晶、包晶三种基本相图和它们的平衡及不平衡结晶过程，结晶后的组织形态，相与组织的相对量计算，以及组织对性能的影响规律等。在介绍基本相图的同时，还介绍了其它类型的二元相图，包括包析、共析、形成化合物的相图及具有有序-无序转变的相图等；讨论了相图与合金性能之间的关系，包括使用性能和工艺性能。
本章的难点，一是固溶体合金凝固时的溶质分布，它把偏析的概念和合金凝固时界面前沿液相中溶质的混合程度从定性的分析走向半定量分析的方向；二是相图的热力学，试图通过相平衡时的自由能-成分曲线，来计算相图。
基本要求：
1. 弄清相、组织、组织组成物等基本概念；
2. 熟悉匀晶、共晶、共析、包晶等相图，并能应用他们分析相应合金的结晶过程；
3. 掌握典型的几种二元相图，利用相图能分析任一合金平衡态的组织及推断不平衡态可能的组织变化；
4. 能利用相图与性能的关系，预测材料性能；
5. 理解成分过冷的形成及影响成分过冷的因素；成分过冷对组织形态的影响。
第一节合金中的相
合金（Alloy）的概念：在金属中加入一种或一种以上的金属或非金属元素而组成的物质，其结合键主要是金属键。在广义范围，金属、合金、金属材料三者之间可以不加区别。组成合金中最基本、独立的物质，不同的组元间由于物理化学的相互作用，形成具有一定晶体结构、化学成分的相。相的数量、形体、分布不同形成了不同的组织。
相（Phase）：在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分称为相，体系内相的数目用p表示。
组元（Component）：足以确定平衡体系中的所有各相组成所需的最少数目的独立物质称为独立组元，简称组元，其数目称为组元数，用c表示。
第二节合金的相结构
根据合金相在相图中的位置，可以将其分为固溶体（Solid Solution）和中间相（Intermediate Phase）。位于相图端部的合金相和纯组元相连接，它的晶体结构保持纯组元的晶体结构，这类固溶体称为端际固溶体（Terminal Solid Solution），或一次固溶体（Primary Solid Solution）简称固溶体；通常说的固溶体就是指的这一类。一次固溶体以外的其它相，在相图中的位置不和端部相连，都是化合物，它们的晶体结构和组成它们的组元不相同，称为金属化合物（Metallic Compound）或中间相。中间相也可能有一定的固溶度（Solid Solubility），这种固溶体称为二次固溶体（Secondary Solid Solution）。
金属化合物是金属元素与其它元素所形成的化合物，一般指无机化合物，这里的其它元素包括金属及非金属。而金属间化合物（Intermetallic Compound）则只包括金属与金属之间所形成的化合物。中间相是指含有金属组元的相图中，端际固溶体之间的各种相，它与金属
化合物的含义相同。
1 固溶体
1.1固溶体的分类
固溶体就是固体溶液。保留其晶体结构的组元称溶剂，其它的组元即为溶质。有时，溶剂和溶质可以互相转化，它们是相对的。
根据溶质原子在溶剂晶格中的位置，可以将固溶体分为置换（或代位）固溶体（Substitutional Solid Solution）和间隙固溶体（Interstitial Solid Solution）。
根据固溶度的变化范围可以将固溶体分为有限固溶体和无限固溶体。无限固溶体也称为连续固溶体（Continuous （Series of）Solid Solution or Unbroken Solid Solution Series）。
由于晶体的间隙是有限的，所以，间隙固溶体必定是有限固溶体。无限固溶体一定是置换固溶体。但是，并不是所有有限固溶体都是间隙固溶体，也并不是所有置换固溶体都是无限固溶体。
此外，还有缺位固溶体，它属于中间相，但成分偏离了理想化合物的比例。有序固溶体的溶质原子按适当比例并按一定方向和顺序，围绕着溶剂原子分布。
1.2 置换固溶体
置换固溶体的固溶度可以从0～1变化。影响固溶度的因素有以下几方面：
（1）原子尺寸因素：组元之间原子尺寸的相对大小对固溶度影响较大。因为原子半径不同而产生晶格畸变。原子半径相对差Δr=1-rB/rA。Δr越小，固溶度越大；Δr越大，固溶度越小。当Δr＞0.15时，只能形成固溶度很小的有限固溶体。Δr＜0.15时，对形成固溶度较大的固溶体有利。但尺寸因素只是决定固溶度的一个必要条件，而不是充分条件。
（2）负电性因素：组元之间负电性差大，化学亲和力就大，容易形成稳定的化合物，则固溶度就很低。当负电性差Δx＜0.4～0.5时，才有可能出现较大的固溶度。
（3）电子浓度因素：溶质在溶剂中的固溶度受电子浓度的控制，固溶体的电子浓度有一极限值，超过此极限值，固溶体就不稳定，而要形成新的相。这个极限电子浓度值与固溶体的晶体结构有关。
（4）晶体结构因素：如果形成无限固溶体，则两组元的晶体结构类型必须相同。在有限固溶体中，如果溶质与溶剂的晶体结构类型相同，则可能具有较大的溶解度，否则反之。
总之，固溶体也是符合相似相容原则的。
1.3 间隙固溶体
间隙原子都是一些半径比较小的原子，是非金属元素，如C、N、H、O、B等，其原子半径都小于0.1nm。溶剂大多是过渡族金属。
金属大多具有紧密堆剁结构，间隙尺寸比金属原子尺寸小很多。溶质进入间隙，必将产生晶格畸变。间隙固溶体都是有限固溶体。它的固溶度与溶质原子半径，溶剂的晶格类型有关。
尽管fcc的γ-Fe的致密度大于bcc的α-Fe的，但是，C、N在γ-Fe中的固溶度大于在α-Fe中的。这是因为bcc的间隙比较分散，即每个间隙的相对体积比较小，因此在bcc中可能填入的溶质原子数量比fcc的少。
1.4 固溶体的结构
⑴晶格畸变
不论是间隙固溶体，还是置换固溶体，在溶质原子附近的局部范围内都存在晶格畸变，产生有弹性应力场。晶格常数的变化反映了畸变的大小。对间隙固溶体，晶格常数随溶质原子浓度的增大而增大。所以，测定晶格常数可以推测溶质的浓度。
⑵偏聚与有序
溶质原子总在一定程度上偏离完全无序状态，存在分布的不均匀性：偏聚区和短程有序。
⑶有序固溶体
1.5 固溶体的性能
固溶体的强度、硬度往往高于各组元的，而塑性则较低，这种现象就叫固溶强化（Solid Solution Strengthening）。强化效果与晶格畸变的程度有关。置换固溶体的溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶强化效果越显著。间隙原子产生的强化效果比置换原子的更显著。
2金属化合物（中间相）
在金属化合物中的结合键有离子键、共价键、金属键，但以金属键为主。金属化合物的种类很多，结构也比较复杂。这里只讨论间隙化合物。
间隙化合物通常是由原子半径比较大的过渡族金属（M）与原子半径比较小的非金属元素（X=H、B、C、N、O）等组成的化合物。非金属原子占据金属晶体结构的间隙位置。rX/rM=0.23，非金属原子占据四面体间隙，配位数CN=4。rX/rM=0.41～0.59，非金属原子占据八面体间隙，配位数CN=6。rX/rM＞0.59，形成复杂结构。
间隙化合物可以用分子式表示，但它的成分可以在一定范围内波动。这是由于间隙化合物的晶格中的间隙未填满，即某些本应为非金属原子占据的位置出现了空位，相当于以间隙化合物为基的固溶体，这种一缺位方式形成的固溶体称为缺位固溶体。
间隙化合物可以溶解组元元素。一种间隙化合物可以溶解另一种间隙化合物。有些结构相同的间隙化合物甚至可能形成无限固溶体。
间隙化合物一般具有高熔点、高硬度。弥散分布在基体中起弥散强化（Dispersion Strengthening）作用，是重要的强化相。还可以起细化晶粒的作用。
某些间隙化合物具有超导性，某些间隙化合物可以通过快冷成为非晶态材料。
第三节二元合金相图的建立
1二元相图的表示方法
合金的状态可有合金的温度和成分两个因素确定。对于二元合金相图，横坐标表示成分，纵坐标表示温度。
2二元相图的测定方法
3相律和杠杆定理
3.1相律及其应用
相律是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关系式。
f = c – p + 2
f为系统的自由度数；c为组元数；P为平衡相数。
对于凝聚态体系，外压对相平衡体系的影响不大，此时可以看作只有温度是影响平衡的外界条件，此时相律为：f=c-p-1。
利用相律可以确定体系中可能存在的最多平衡相数，可以解释纯金属和二元合金结晶时的一些差别。
3.2杠杆定理
研究材料，不仅要知道材料中各种相的成分，还要知道各种相的相对含量。相图中的相线表示成分随温度变化的平衡曲线。应用杠杆定律，可以确定在某一平衡温度，已知成分的合金中，处于平衡的两相的相对量。
图3-1 杠杆定律的证明
如图3-1为A-B 二元合金相图，合金Ⅰ的成分为C ，在T1温度时，成分为CL 的液相L 与成分为C α的固相α相平衡。假设合金总量为1，在T1温度时液相L 的量为WL ，固相α的量为W α。根据质量守恒定律，得：
WL+W α=1。
合金Ⅰ中B 组元的含量等于其在液相L 和固相α中的含量之和，即：
WL ·CL+W α·C α=C 。
∵WL ·CL+（1-WL ）C α=C ，
∴WL=（C-C α）/（CL-C α）。
又∵（1-W α）CL+W α·C α=C ，
∴W α=（C-CL ）/（C α-CL ）。
∴WL/W α=（C-C α）/（CL-C ）=（C α-C ）/（C-CL ）=br/ra ，
或WL ·ra=W α·br 。
它与力学中的杠杆平衡原理相似，所以叫杠杆定律。
在上述推导过程中，没有涉及具体相图的性质，而是基于质量守恒定理导出的，所以具有普遍性。
第四节 匀晶相图及固溶体的结晶
1 相图分析
由液相结晶出单相固溶体的过程被称为匀晶转变。
2固溶体的平衡结晶过程
平衡凝固是指凝固过程中每个阶段都能达到平衡，因此平衡凝固是在极其缓慢的冷速下实现的。
3固溶体的不平衡结晶过程
在实际冷却过程中，凝固常常在几分钟甚至数小时内完成，固溶体成分来不及扩散至均匀。 这种凝固过程被称为不平衡凝固。
不平衡凝固的组织，合金内部成分不均匀的现象被称为“偏析”。而晶粒内部成分不均匀的现象被称为“晶内偏折”．树枝晶内的偏析被称为“枝晶偏析”。
设合金的浓度为CO ，当合金冷却到温度To 时．液相的浓度为CL ，固相约浓度为Cs ，那么这两种浓度的比值K 0被称为平衡分配系数。K 0 = Cs / CL ，偏析的大小与分配系数有关。 4 区域偏析与区域提纯
4.1 区域偏析
L αT T
4.2 区域提纯
5．成分过冷及对晶体成长形状和铸锭组织的影响
在液态合金的凝固过程中，即使溶液的实际温度分布一定，由于溶液中溶质分布的变化，改变了熔点，此时过冷是由成分变化和实际温度分布两个因素来决定的。这种过冷称为成分过冷。
5.1形成成分过冷的条件及影响因素
在实际铸锭中，结晶是从铸锭模壁开始的，结晶方向平行于散热方向．液相的热量经由已结晶的固相散出，离相界面越远，液体的温度越高。由于结晶出来的固溶体中含有的B 组元远低于液相中的B组元量，所以，在液固相界面上的液相中含有较高的B组元，随着与相界面距离的增加，液相中B组元的含量逐渐降低，直至降低到与原液相的成分Co相同为止。此时过冷是由成分变化和实际温度分布两个因素来决定的。温度梯度越平缓，成份过冷区就越大。
5.2成分过冷对晶体成长形状和铸锭组织的影响
当成份过冷区很小时，形成胞状组织；成份过冷区越大，形成树枝晶组织。
第五节共晶相图及其合金的结晶
1 相图分析
液相在恒温下同时结晶出两个固相的转变称为共晶转变。
2 典型合金的平衡结晶相图及其组织
2.1 Pb—sn合金的平衡凝固
2.2共晶合金(含61．9％Sn)
2.3亚共晶合金
2.4过共晶合金
3 不平衡结晶及其组织
3.1伪共晶
在非平衡凝固条件下，成份接近共晶成份的亚共晶或过共晶和金，凝固后的组织却可以可以全部是共晶体体。这种非共晶合金得到完全的共晶组织称为伪共晶。
3.2离异共晶
在不平衡凝固时其形成的共晶组织所占的体积分数很小，而先共晶相所占体积分数很大，这时与先共晶相相同的组成相就会依附于先共晶长大，把另一相弧立出来，结果形成了以先共晶相为基体，另一组成相连续地或继续地分布在先共晶相晶粒的边界上。这种两相分离的共晶组织叫离异共晶。
4 比重偏析和区域偏析
4.1比重偏析
在合金的结晶过租中，如果结晶出来的晶体与剩余的液体的比重相差较大，则它会在液体中上浮或下沉．从而导致合金结晶后上、下部分的化学成分不一致．这种比重不同而造成的化学成分不均匀的现象称为比重偏析。比重偏析不能通过热处理消除或减轻，只能在其结晶过程中采取相应的措施加以防止。
4.2区域偏析
合金的铸件或铸锭中存在的区域性的化学成分不均匀观象，称为区域偏析。区域偏析会强烈地降低钢的质量．它不能通过扩散退火来加以消除，只有通过一定的浇注措施尽量避免产生。
第六节包晶相图及其合金的结晶
1 相图分析
一个液相与一个固相在恒温下生成另一个固相的转变被称为包晶转变。
2 典型合金的平衡结晶相图及其组织
2.1含42．4％Ag的Pt—Ag合金(合金I)
2.2 42．4％＜Ag<66．8％的Pt—Ag合金
2.3 10．5％＜Ag<42．4％的Pt—Ag合金(合金Ⅲ)
3．具有包晶转变的合金的不平衡凝固及其组织
4 包晶转变的实际应用
4.1在轴承合金中的应用
4.2细化晶粒作用
第七节其他类型的二元相图
1 组元间形成化合物的相图
1.1 形成稳定化合物的相图
1.2形成不稳定化合物的相图
2 偏晶、熔晶和合晶相图
2.1偏晶转变相固
偏晶转变是一个被相LI分解为一个因相和另一成分的液相L2的转变。
2.2熔晶转变相图
一个固相在恒温下转变为一个液相和另—个固相的转变成为溶晶转变。的熔晶转变，的溶晶转变
2.3合晶转变相图
3 具有固态转变的二元合金相图
3.1 共析转变
一定成分的固相在恒温下生成另外两个一定成分的固相的转变叫共析转变。
3.2 包析转变相图
两个一定成分的固相，在恒温下，转变为一个新的固相的转变叫作包析转变。
3.3 固溶体的同素异构转变
3.4 有序-无序转变
3.5 磁性转变
第八节二元相图的分析及使用
1．二元相图的分析步骤
2 应用相图时要注意的问题
(1)相图只能给出合金在平衡条件下存在的相和相对量，并不表示相的形状、大小和分布
(2)相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条件下，合金很少能达到平衡状态。
3 根据相图判断合金的性能
二元合金相图
第二章二元合金相图 纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。二元以上的合金称多元合金。合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。 合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。 本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。 2.1 合金中的相及相图的建立 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。相与相之间的转变称为相变。在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。由不同组织构成的材料具有不同的性能。如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。如含30%Zn的铜锌合金的组织由α相单相组成；含38%Zn的铜锌合金的组织由α和β相双相组成。这两种合金的机械性能大不相同。 合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。 2.1.1 固溶体与复杂结构的间隙化合物 2.1.1.1 固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶 体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多； 另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等 符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A （B），其中A为溶剂，B为溶质。例如铜锌合金中 锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示，亦可表示 为Cu（Zn）。图2.1 置换与间隙固溶体示意图 ⑴固溶体的分类 ①按溶质原子在溶剂晶格中的位置（如图2.1）分为：
二元合金相图的绘制与应用
二元合金相图的绘制与应用 实验二元合金相图的绘制与应用 一、目的要求 1、理解步冷曲线，学会用热分析方法测绘Sn-Bi 二元合金相图 2、学会铂电阻的测温技术，尝试用金属相图测量装置测量温度的方法 3、掌握微电脑控制器的使用方法 4、理解产生过冷现象的原因及避免产生过冷现象的方法 二、基本原理 相图是用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图。对蒸气压较小的二组分凝聚体系，常以温度-组成图来描述。热分析方法与步冷曲线 热分析方法是绘制相图常用的基本方法之一。将两种金属按一定比例配成并把它加热成均匀的液相体系，然后让它在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间（例如0.5min 或1min ）记录一次温度，以温度T 为纵坐标，以时间t 为横坐标，做出温度-时间（T-t ）曲线，称为步冷曲线。若体系均匀冷却时，冷却过程不发生相变化，则体系的温度随时间的变化是均匀的，则步冷曲线不出现转折或平台，而是一条直线，冷却速度快。若冷却过程中发生了相变化，由于相变化过程中伴随有热效应，发生相变热，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减缓，步冷曲线就出现转折或平台。测定一系列组成不同的样品的步冷曲线，从曲线上找出各相对应体系发生相变的温度，就可以绘制出被测系统的相图。这就是用热分析法绘制液固相图的概要. 如图所示： T /℃ t Bi-Cd 合金冷却曲线 曲线1、5是纯物质的步冷曲线。当系统从高温冷却时，开始没有发生相变化，温度 下降比较快，步冷曲线较陡；冷却到A 的熔点时，固体A 开始析出，系统出现两相平衡（固体A 和溶液平衡共存），根据相律，此时f= k-?+1=1-2+1=0，系统温度维持不变， 步冷曲线出现bc 的水平线段；直到液相完全凝固后，温度又继续下 降。 曲线2、4是A 与B 组成的混合物的步冷曲线。与纯物质的步冷曲线不同。系统从高温冷却到温度b ’时, 开始有固体A 不断析出，这时体系呈两相，溶液中含A 的量随之
第四章 二元合金相图与合金凝固答案教学内容
第四章二元合金相图与合金凝固答案
第四章二元合金相图与合金凝固 一、本章主要内容： 相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律； 二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析 固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼； 二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面； 共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶； 二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析 其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变 二元相图总结及分析方法 二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图， 相图与合金性能的关系 相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图 二、 1.填空 1 相律表达式为___f=C-P+ 2 ___。 2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分 _______起伏。 3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。 5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。 6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。 7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶。 8 共晶，包晶，偏晶，熔晶反应式分别为_______L1→α+β______, __ L+α→β ____, ______ L1—L2＋α________, ___________γ→α+ L _______。 10 共析，偏析，包析反应式分别为______γ→α+β________，______ α1—α2＋β________，_______α+β→γ______。 11 固溶体合金凝固时，溶质分布的有效分配系数k0=__ C s/C l __ 14 固溶体合金定向凝固时，液相中溶质混合越充分，则凝固后铸锭成分_偏析最严重__。 15. 在二元相图中，L1→α+L2叫___偏晶___反应，β→L+α称为___熔晶__转变，而反应α１—α２＋β称为____偏析___反应，α+β→γ称为___包析___反应。19 Fe-Fe3C相图中含碳量小于__ 0.0218-2.11% __为钢，大于___ 2.11% __为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由_______F______和____ Fe3C __________两个基本相组成；根据溶质原子的位置，奥氏体其晶体结构是____ FCC __________，是____间隙________固溶体，铁素体是_____ ____间隙固溶体 ______固溶体，其晶体结构是__ BCC ____，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含C量是___ 2.11 _______；珠光体是由___铁素体____和__渗碳体__组成的两相混合物；莱氏体的含碳量_____ 4.3% ____；在常温下，亚共析钢的平衡组织是___ P+F ___，过共析钢的平衡组织是____ P+Fe3C II ____，亚共晶白口铸铁的平
第三章 二元合金相图和合金的凝固
第三章二元合金相图和合金的凝固 一．名词解释 相图、相律、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、异晶转变、平衡结晶、不平衡结晶、异分结晶、平衡分配系数、晶内偏析、显微偏析、区域偏析、区域提纯、成份过冷、胞状组织、共晶组织、亚共晶组织、过共晶组织、伪共晶、离异共晶、 二．填空题 1.相图可用于表征合金体系中合金状态与和之间的关系。 2.最基本的二元合金相图有、、。 3.根据相律，对于给定的金属或合金体系，可独立改变的影响合金状态的内部因 素和外部因素的数目，称为，对于纯金属该数值最多为，而对于二元合金该数值最多为。 4.典型的二元合金匀晶相图，如Cu-Ni二元合金相图，包含、两 条相线，、、三个相区。 5.同纯金属结晶过程类似，固溶体合金的结晶包括和两 个基本过程。 6.勻晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为________ 。 7.共晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为___________ _。 8.共析反应的特征为_____________，其反应式可描述为_____________。 9.金属或合金在极缓慢冷却条件下进行的结晶过程称为。纯金属结 晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为；而固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为。 10.固溶体合金经不平衡结晶所产生的两类成分偏析为、。 11.固溶体合金产生晶内偏析的程度受到溶质原子扩散能力的影响，若结晶温度较 高，溶质原子的扩散能力小，则偏析程度。如磷在钢中的扩散能力较硅小，所以磷在钢中的晶内偏析程度较，而硅的偏析较。 12.固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，结晶树枝主轴含有较多的________组元。 严重的晶内偏析降低合金的，为消除枝晶偏析，工业生产中广泛采用的方法。 13.根据区域偏析原理，人们开发了，除广泛用于提纯金属、金属化合物 外，还应用于半导体材料及有机物的提纯。通常，熔化区的长度，液体
第7章 二元系相图和合金的凝固与制备原理 笔记及课后习题详解 (已整理 袁圆 2014.8.7)
第七章二元系相图和合金的凝固与制备原理 7．1 复习笔记 一、相图的表示和测定方法 二元相图中的成分有两种表示方法：质量分数（w）和摩尔分数（x）。两者换算如下： 二、相图热力学的基本要点 1．固溶体的自由能一成分曲线
图7-1 固溶体的自由能一成分曲线示意图（a）Ω<0（b）Ω=0（c）Ω>0 相互作用参数的不同，导致自由能一成分曲线的差异，其物理意义为： （1）当Ω<0，即e AB＜(e AA＋e BB)/2时，A-B对的能量低于A-A和B-B对的平均能量，所以固溶体的A，B组元互相吸引，形成短程有序分布，在极端情况下会形成长程有序，此时△Hm＜0。 （2）当Ω=0，即e AB＝(e AA＋e BB)/2时，A-B对的能量等于A-A和B-B对的平均能量， H=0。 组元的配置是随机的，这种固溶体称为理想固溶体，此时△m （3）当Ω>0，即e AB＞(e AA＋e BB)/2时，A-B对的能量高于A-A和B-B对的平均能量，意味着A-B对结合不稳定，A，B组元倾向于分别聚集起来，形成偏聚状态，此时△Hm＞0。 2．多相平衡的公切线原理 两相平衡时的成分由两相自由能—成分曲线的公切线所确定，如图7-2所示。 对于二元系，在特定温度下可出现三相平衡，如图7-3所示。 图7-2两相平衡的自由能曲线图7-3二元系中三相平衡时的自由能成分曲线3．混合物的自由能和杠杆法则 混合物中B组元的摩尔分数
而混合物的摩尔吉布斯自由能 由上两式可得 上式表明，混合物的摩尔吉布斯自由能G m 应和两组成相和的摩尔吉布斯自由能G m1和G m2在同一直线上。该直线即为相α和β相平衡时的共切线，如图7-4所示。 图7-4 混合物的自由能 两平衡相共存时，多相的成分是切点所对应的成分1x 和2x ，即固定不变。此时可导出： 此式称为杠杆法则，在α和β两相共存时，可用杠杆法则求出两相的相对量，α相的相对量为 122x x x x --，β相的相对量为1 21 x x x x --，两相的相对量随体系的成分x 而变。 4．二元相图的几何规律 （1）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，平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化。 （2）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区或三相水平线隔开。即在二元相图中，相邻相区的相数差为l （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，它表示恒温反应。 （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。
第四章 二元合金相图与合金凝固答案
第四章二元合金相图与合金凝固 一、本章主要内容： 相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律； 二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼； 二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面； 共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶； 二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析 其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变 （ 二元相图总结及分析方法 二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图， 相图与合金性能的关系 相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图 二、 1.填空 1 相律表达式为___f=C-P+ 2 ___。 2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分_______起伏。 3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。 4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。 > 5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。 6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。 7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶。 8 共晶，包晶，偏晶，熔晶反应式分别为_______L1→+β______, __ L+→____, ______ L1—L2＋________, ___________γ→+ L _______。
二元合金相图的定义、作用及建立(精)
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库 金属材料与热处理课程 二元合金相图的定义、作 用及建立 主讲教师：张琳 西安航空职业技术学院
二元合金相图的定义、作用及建立合金的结晶同纯金属的结晶一样，也遵循形核与长大的基本规律。但由于合金成分中包含有两个以上的组元，其结晶过程除受温度影响外，还受到化学成分及组元间不同作用等因素的影响，故结晶过程比纯金属复杂。通常用合金相图来分析合金的结晶过程。 合金相图也称为平衡图或状态图。它是表示在平衡条件下（极其缓慢冷却）合金状态、成分和温度之间关系的图形。根据相图可以了解在平衡状态下不同成分合金在不同温度下所存在的相，还可以了解合金在缓慢加热和冷却过程中的相变规律。根据组元数, 相图分为二元相图、三元相图和多元相图，如图1所示。 （a） Fe-Fe3C二元相
（b ） 三元相图 图1 相图的分类 在生产实践中，相图是分析合金组织及变化规律的重要工具，也是确定热加工工艺的重要依据。它具有下列用途： 由材料的成分和温度预知平衡相； 材料的成分一定而温度发生变化时分析其他平衡相变化的规律； 估算平衡相的数量； 预测材料的组织和性能。 常压下，二元合金的结晶状态取决于温度和成分两个因素，所以二元合金相图一般用温度及成分组成的平面坐标系表示。二元合金相图建立的方法有热分析法、热膨胀法、金相分析法、磁性法、电阻法、X 射线晶体结构分析法等，其中最常用的是热分析法，图2为热分析法绘制的相图。 下面以Cu-Ni 合金为例，介绍利用热分析法建立二元合金相图的过程: （1）配制一系列不同成分的铜-镍合金：①Cu w =100％；②Cu w =80％，Ni w =20％；③Cu w =60％，Ni w =40％；④Cu w =40％，Ni w =60％；⑤Cu w =20％，
二元合金相图的绘制与应用
实验 二元合金相图的绘制与应用 一、目的要求 1、理解步冷曲线，学会用热分析方法测绘Sn-Bi 二元合金相图 2、学会铂电阻的测温技术，尝试用金属相图测量装置测量温度的方法 3、掌握微电脑控制器的使用方法 4、理解产生过冷现象的原因及避免产生过冷现象的方法 二、基本原理 相图是用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图。对蒸气压较小的二组分凝聚体系，常以温度-组成图来描述。 热分析方法与步冷曲线 热分析方法是绘制相图常用的基本方法之一。将两种金属按一定比例配成并把它加热成均匀的液相体系，然后让它在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间（例如0.5min 或1min ）记录一次温度，以温度T 为纵坐标，以时间t 为横坐标，做出温度-时间（T-t ）曲线，称为步冷曲线。若体系均匀冷却时，冷却过程不发生相变化，则体系的温度随时间的变化是均匀的，则步冷曲线不出现转折或平台，而是一条直线，冷却速度快。若冷却过程中发生了相变化，由于相变化过程中伴随有热效应，发生相变热，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减缓，步冷曲线就出现转折或平台。测定一系列组成不同的样品的步冷曲线，从曲线上找出各相对应体系发生相变的温度，就可以绘制出被测系统的相图。这就是用热分析法绘制液固相图的概要.如图所示： Bi-Cd 合金冷却曲线 T /℃ t
曲线1、5是纯物质的步冷曲线。当系统从高温冷却时，开始没有发生相变化，温度下降比较快，步冷曲线较陡；冷却到A的熔点时，固体A开始析出，系统出现两相平衡（固体A和溶液平衡共存），根据相律，此时f= k-?+1=1-2+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现bc的水平线段；直到液相完全凝固后，温度又继续下降。 曲线2、4是A与B组成的混合物的步冷曲线。与纯物质的步冷曲线不同。系统从高温冷却到温度b’时,开始有固体A不断析出，这时体系呈两相，溶液中含A 的量随之减少，由于不断放出凝固热，所以温度下降速度变慢，曲线的斜率变小（b’c’段）。当体系温度到达低共熔温度c’时，固体A、B与组成为E%的溶液三相平衡共存，根据相律，f=k-?+1=2-3+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现水平线段c’d’，直到液相完全凝固后，温度又继续下降。 曲线3是表示其组成恰为最低共熔混合物的步冷曲线，其图形与纯物质的步冷曲线相似，但在水平段对应的温度时，系统是三相平衡共存。 对纯净金属或由纯净金属组成的合金，当冷却十分缓慢、又无振动时，有过冷现象出现。液体的温度可下降至比正常凝固点更低温度才开始凝固，固相析出后又逐渐使温度上升到正常的凝固点。如图所示： 曲线Ⅱ就表示纯金属有过冷现象时的步冷曲线，b’为过冷温度，b’’为正常相变温度；而Ⅰ为无过冷现象时的步冷曲线。 用步冷曲线绘制相图是以横坐标表示混合物的组成，在对应的纵坐标开始出现相变（即步冷曲线上的转折点或平台）的温度，把这些点连接起来即得相图。 从相图的定义可知，用热分析方法测绘相图要注意以下问题： 测量体系要尽量接近平衡态，故要求冷却时温度下降不能过快；如晶形转变时，相变热较小，此方法不宜采用；对样品的均匀性与纯度也要充分考虑，一定要防止样品的氧化和混有杂质，否则会变成另一多元体系（高温影响下特别容易出现此类现象）；为了保证样品均匀冷却，加热温度稍高一些为好；铂电阻放入样品中的部位与深度要适当；测量仪器的热容及热传导也会造成热损耗，其对精确测定也有较大影响，试验中必须注意，否则会出现较大的误差，使测量结果失真。 三、仪器与试剂 金属相图实验炉（800ｗ），炉体上有装有电压调节器 微电脑控制器; 宽肩硬质玻璃样品管或不锈钢样品管 铂电阻Ｐt100; 铂电阻套管不锈钢; 皮塞 锡,铋 ;铅在高温下挥发气体有毒,使工作人员头晕,建议采用锡铋合金. 四、实验步骤 1、配制样品 用电子天平配制不同质量分数的Sn-Bi混合物各100克，其中含Bi分别为0%,20%,38.1%,60%，80%,100%，分别装入不同硬质试管中，在表面加入少量石墨
7第七章合金与相图
第七章二元合金的相结构与结晶 (一)填空题 1 合金的定义是 2．合金中的组元是指。 3．固溶体的定义是 4．Cr、V在γ-Fe中将形成固溶体。C、N则形成固溶体。 5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要些。 6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的组元。 7．共晶反应的特征是，其反应式为 8．匀晶反应的特征是，其反应式为 9．共析反应的特征是，其反应式为 10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为，按原子溶入量可以分为和11．合金的相结构有和两种，前者具有较高的性能，适合于做相；后者有较高的性能，适合于做相 12．看图4—1，请写出反应式和相区： ABC ；DEF ；GHI ； ①；②；③；④；⑤；⑥； 13．相的定义是，组织的定义是 14．间隙固溶体的晶体结构与相同，而间隙相的晶体结构与不同。 15．根据图4—2填出： 水平线反应式；有限固溶体、无限固溶体。 液相线，固相线，固溶线、 16．接近共晶成分的合金，其性能较好；但要进行压力加工的合金常选用的合金。17．共晶组织的一般形态是。 18.固溶体合金，在铸造条件下，容易产生_______ 偏析，用__________ 方法处理可以消除。 19.AL－CuAL2共晶属于_ _ 型共晶，AL-Si共晶属于__型共晶，Pb－Sn共晶属于_ _型共晶。 20.固溶体合金凝固时有效分配系数ke的定义 是_ _。当凝固速率无限缓慢时，ke趋于_ _；当凝固速率很大时，则ke趋于__ 。 21.K0<1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越小，成分偏析越____ , 提纯效果越_____；而K0>1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越大，成分偏析越____ , 提纯效果越_____。 22.固溶体合金_____ 凝固时成分最均匀，液相完全混合时固溶体成分偏析（宏观偏析）最___ ，液相完全无混合时固溶体成分偏析最____ ，液相部分混合时固溶体成分偏析_________。 (二)判断题 1．共晶反应和共析反应的反应相和产物都是相同的。( ) 2．铸造合金常选用共晶或接近共晶成分的合金，要进行塑性变形的合金常选用具有单相( ) 固溶体成分的合金。( ) 3．合金的强度与硬度不仅取决于相图类型，还与组织的细密程度有较密切的关。( ) 4．置换固溶体可能形成无限固溶体，间隙固溶体只可能是有限固溶体。( ) 5．合金中的固溶体一般说塑性较好，而金属化合物的硬度较高。( ) 6．共晶反应和共析反应都是在一定浓度和温度下进行的。( )