第三章 二元合金相图和合金的凝固 §3.2 匀晶相图及固溶体的结晶 《金属学与热处理》 教学课件
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第三章 合金的相结构和结晶
3.2 合金的相结构
固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化 合物两大类。
3.2.1固溶体
合金的组元之间以不同比例相互混合后形 成的固相，其晶体结构与组成合金的某一组元 的相同，这种相称为固溶体。与固溶体结构相 同的组元为溶剂，另一组元为溶质。碳钢和合 金钢，均以固溶体为基体相。
一、固溶体的分类
1、按溶质原子在溶剂晶格中所占位置分类 置换固溶体和间隙固溶体
相图是表示在平衡条件下合金系中合金的状态与温 度、成分间关系的图解，也称为平衡图或状态图。 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各 相的成分和质量分数不再变化所达到的一种状态。
一、二元相图的表示方法
合金存在的状态通常 由合金的成分、温度 和压力三个因素确定。 常压 表象点
二、二元合金相图的测定方法
第三章 二元合金的相结构与结晶
合金：指两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔 炼或烧结，或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。 纯金属和合金的比较： 纯金属强度一般较低，不适合做结构材料 因此目前应用的金属材料绝大多数是合金，如应用最广泛的 碳钢和铸铁就是铁和碳的合金，黄铜就是铜和锌的合金。 合金性能优良的原因： 合金的相结构 合金的组织状态：合金相图
2、固溶体合金的结晶需要一定的温 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。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，直至固相的成分与原合金的成分相同时， 才结晶完毕。这就意味着，固溶体合金在结晶时， 始终进行着溶质和溶剂原子的扩散过程，其中不但 包括液相和固相内部原子的扩散，而且包括固相与 液相通过界面进行原子的互扩散，这就需要足够长 的时间，才得以保证平衡结晶过程的进行。
第三章二元相图和合金的凝固
固溶体的平衡结晶过程： 固相成核
相内浓度梯度 相内扩散
界面浓度不平衡 晶体长大
重新建立平衡 固溶体的平衡结晶过程 原子的扩散过程 液相和固相均匀一致 原子的扩散进行完全 缓慢冷却 冷却速度大 相内成分不均匀 偏离平衡结晶条件（不平衡
结晶）
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三、固溶体合金的不平衡结晶
条件：液相完全均匀化，而固相内却来不及进行扩散。
C1平衡重新建立→浓度梯度→原子
扩散→进一步长大
C1
→重复进行
溶 质
LC1
浓
k0C1
度
k 0C1
L
（a）
温
度
L
k0C1 T1
C1
k0C2 T2
C2
L+
C0
C0
溶
C0’
质
浓
k0C1
度
பைடு நூலகம்
L
C1
溶 C0’ 质
浓
k0C1
度
L
C1 溶
质
浓 度
k0C1
L
（b）
（c）
（d） 15
温度T2的结晶过程: LC 2 k 0C 2
§3.1 二元相图的建立
一、相图的表示方法 对二元合金来说，通常用横 坐标表示成分，纵坐标表示 温度。 坐标平面上的任一点称为表 象点，表示合金的成分和温度
1
二、相图的建立
通过实验测定：
先配制一系列成分不同的合金，然后测定这些合金的相变临 界点，最后把这些点标在温度—成分坐标图上，把各相同 意义的点连结成线，这些线就在坐标图上划分出一些区域， 即相区，将各相区所存在的相的名称标出，相图的建立工 作即告完成。
25
形成成分过冷临界条件：G mC 0 1 k0
第三章合金的结构与相图本章重点1`固溶体与化合物及其特性
⑤ 温度
固溶体的溶解度受温度的影响较大， 一般温度越高，固溶体的溶解度越大。 如，奥氏体在727℃能溶解0.77%的碳， 而在1148℃则能溶解2.11%的碳。
3、固溶体的性能
当溶质元素的含量极少时，固溶体的性 能与溶剂金属基本相同。随着溶质元素含量 的升高，固溶体的性能发生明显变化，表现 在强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降， →固溶强化。
金属间化合物
FeS, MnS 等
一般化合物
金属间化合物可以作为合金的组 成相（强化相），而非金属化合物在 合金中大多属于有害杂质。如FeS 在 钢中引起热脆。
1、金属间化合物的组织与性能特点
金属间化合物具有复杂的晶格结构， 熔点高，硬而脆，其在合金中的分布形 态对合金的性能影响很大，当金属间化 和物以大块状或成片状形态分布时，合 金的强度、塑性均很差；当金属间化合 物呈弥散状质点分布时，合金的强度高， 塑性、韧性较好。
范围内变化，电子化合物可以溶解一定量的组
元，形成以电子化合物为基的固溶体。
C、间隙化合物
由原子直径较大的过渡族元素与原子直径 很小的C、N、B等元素组成，过渡族元素的原 子占据晶格的正常位置，尺寸较小的非金属元 素原子有规则地嵌入晶格空隙中，形成间隙化 合物。
① 间隙相
当非金属元素原子与过渡族金属元素原 子直径的比值（d非/d过）<0.59时，形成的间 隙化合物具有比较简单的晶格结构，成为间 隙相。 如：W2C, VC, TiC, MoC, TiN, VN 等。
偏析的存在，会使金属强度下降，塑 性较差，耐腐蚀性降低，应采用均匀化退 火（扩散退火）予以消除。
第四节 二元共晶相图 当合金的二组元在液态时无限互溶， 在固态时有限互溶，且发生共晶反应， 此合金系的相图为二元共晶相图。
第三章 二元合金相图和合金的凝固-2007
元原子的扩散。
需要着重指出的是，在每一温度下，平衡凝固实质包括三个过程：
液相内的扩散过程。
固相的继续长大。 固相内的扩散过程。 在凝固时，每一个晶核形成一颗晶粒，由于在每一温度下扩散进行
充分，晶粒内的成分是均匀一致的。因此，平衡凝固得到的固溶体
显微组织除了晶界外，晶粒之间和晶粒内部的成分却是相同的。
XL X0 Xα Ni % （a）
Ni Cu-Ni合金相图
时间 （b）
固溶体合金结晶时的两大特点：
1.异分结晶（选择结晶） 即固溶体结晶出的固相成分与液相成分不同，也就是结晶出
的晶体与母体化学成分不同的结晶。
（1）溶质重新分配 成分不同，肯定存在溶质的重新分配 （2）平衡分配系数 液相平衡浓度
ko C / CL
1083℃
固相线
α
Cu Ni % Cu-Ni合金相图
Ni
二、二元相图的测定方法 相图的建立一般采用热分析法，其基本思路是先配制 一系列不同成分的给定合金，绘制它们各自的冷却曲 线，然后由冷却曲线上的临界点绘制相图。
100%Ni 80%Ni 60%Ni 40%Ni 20%Ni
TNi
温 度 ℃
TCu
100%Cu
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（4）亚共晶合金
① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。
② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相对量计算。
大多数二元合金在液态时相互无限溶解，而在固态时并不 能完全互溶，发生共晶转变形成有限固溶体。具有共晶转
第3章合金相图和合金的凝固
rb wL 100% ab
w
ar 100% ab
动画3-3 杠杆定律证明
3.3 匀晶相图及固溶体的结晶 匀晶相图：两组元在液态无限互溶、固态也无限互溶的二元合 金相图。 匀晶转变:从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。
主要二元合金系：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、 Mo-W等。
2）温度t3 温度到t3时，最后一滴液体结晶成固体，固溶体的成分完全与合 金成分一致，成为均匀（C0）的单相固溶体组织时。
固溶体结晶过程概述：
固溶体晶核的形成(或原晶体的长大)，产生相内(液相或固相)的 浓度梯度，从而引起相内的扩散过程，这就破坏了相界面处的 平衡(造成不平衡)，因此，晶体必须长大，才能使相界面处重新
不是3，与合金的成分C0不同， 因此，仍有一部分液体尚未结 晶，一直要到t4温度才能结晶 完毕。
晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象
影响晶内偏析的因素： 1）分配系数k0 当k01时，k0值越小，则偏析越大； 当k01时，k0越大，偏析也越大。 2）溶质原子的扩散能力 结晶的温度较高，溶质原子扩散能力又大，则偏析程度较小；反之，则 偏析程度较大。 3）冷却速度 冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。 削除晶内偏析的方法： 扩散退火或均勺化退火
两相。
对二元系来说，组元数c＝2，当f＝0时，P=2－0＋1＝3，说明 二元系中同时共存的平衡相数最多为3个。
(2)利用相律可以解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别。 纯金属结晶时存在液、固两相，其自由度为零，说明纯金属 在结晶时只能在恒温下进行。 二元合金结晶时，在两相平衡条件下，其自由度f＝2－2＋1， 说明此时还有一个可变因素(温度)，因此，二元合金将在一定
工程材料基础_03 材料的凝固、固态相变与二元合金相图_32 二元平衡相图_
纯A金属
wB%
纯B金属
5.合金使用性能与相图关系：共晶相图
细小的共晶组织导致强度与硬度的峰值
wB%
纯A金属
纯B金属
5.合金工艺性能与相图关系：匀晶相图
从相图两侧到中央，合金的凝固温度 范围变宽。
因此，从相图两侧到中央，液体金 属的流动性逐渐变差，凝固时产生 分散小缩孔的倾向增加，铸造性能 变差。
两个组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶。 相区与相线
Cu-Ni
L
Cu-Au
Au-Ag Fe-Ni W-Mo
液相线 L+α
固相线 α
Cu-Ni合金相图
1.二元匀晶相图：两相区与杠杆定律
b点是合金整体的状态 a点是合金中L相的状态 c点是合金中α相的状态 合金中L相所占比例为：bc / ac 合金中α相所占比例为：ab/ ac
共晶合金的相变与组织转变非常细小的二次相与二次相可以阻碍位错运动提高合金强度称为析出强化或第二相强化2
北京理工大学材料学院 苏铁健
平衡相图
• 相图：表明在热力学平衡状态下，合金系中不同成分的合金 在不同温 度下 所存在的相 以及相与相之间关系的图形。又称平衡图或状态图
• 二元相图：一般是一个标准大气压下，两种组元（单质或者成分固定 的化合物）构成的平衡相图。
二元平衡相图基本类型
1. 匀晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶 2. 共晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态则有限互溶，并有共晶转变 3. 包晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态则有限互溶，并有包晶转变 4. 共析相图：两组元在固态下，高温无限互溶，低温有限互溶，有共析转变
1.二元匀晶相图
L
2.共晶相图：固相线
三、二元合金相图和合金的凝固
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金属学与热处理
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二、固溶体的平衡结晶过程
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在1点温度以上, 合金为液相L。 缓慢冷却至1～2温度之间时, 合金发生匀晶反应: L→α , 从液相中逐 在1~2点之间任意温度都可以用杠杆定理确定液相L和固相α 的相对
渐结晶出α 固溶体。
含量和成分。
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三、相律及杠杆定理
1.相律及其应用
f c p 2
f —自由度数 c—系统的组元数 p—平衡条件下系统的相数 当系统的压力为常数时
f c p 1
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自由度是指在保持合金系中相的数目不变的条件下，合 金系中可以独立改变的影响合金状态的内部和外部因素 的数目。 影响合金状态的因素有合金的成分、温度和压力，当压 力不变时，则合金的状态由成分和温度两个因素确定。 纯金属的自由度最多只有一个； 二元系合金的自由度最多为2个； 三元系合金的自由度最多为3个。
的成份是不同的，它应按固相 线变化。如果冷却速度较快，
固体中原子难以通过扩散满足
相图中的平衡成份，则就产生 了不平衡凝固过程。此时，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成份
下图是在金相显微镜下观察 到的Cu-Ni合金不平衡凝固的 铸态组织，Ni熔点高，先结晶 出的枝干富含Ni，耐浸蚀，呈 白亮色枝间后结晶含Cu多，易 受浸蚀，呈黑色。 扩散退火的方法可消除晶内 偏析。
成全部共晶组织的成分和 温度范围称为伪共晶区。
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，液体的成分，提纯效果越好。
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m －液相线斜率；
C
－合金溶质浓度；
0
k
－平衡分配系数；
0
D －扩散系数。
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晶体生长形状 平面长大
胞状长大
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树枝状长大
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建立相图的试验方法：
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Design of a Melting Procedure for a Casting
You need to produce a Cu-Ni alloy having a minimum yield strength of 20000psi, a minimum tensile strength of 60000psi, and a minimum elongation of 20%. You have in your inventory a Cu-20%Ni alloy and lots of pure nickel. Design a method for producing 10kg castings having the required properties.
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Cu-90%Ni or Cu-33% to 60% Ni
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加热到1250℃
§3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
匀晶结晶有下列特点： 1）与纯金属一样，α固溶体从液相中结晶
出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程， 但固溶体更趋向于树枝状长大。
2）固溶体结晶是在一个温度区间内进行， 即为一个变温结晶过程。
§3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
常见匀晶合金
Cu-Ni, Ag-Au, Cr-Mo, Cd-Mg, Fe-Ni, Mo-W
NiO-MgO, Al2O3Cr2O3
在液态和固态下两组元均能完全无限互溶
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§3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
相图分析 平衡结晶过程
t1 温度－－开始结晶，尚无晶相 t2 温度－－通过扩散达到平衡 t3 温度－－结晶结束
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不平衡结晶 晶内偏析 枝晶偏析
影响因素：K0 ;原子 扩散；冷却速度
检验和消除方法
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成分过冷
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G mC0 1k0 R D k0
G 液固界面前沿温度场梯 度；
R －凝固 (结晶 )速率；
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易于形成树枝状
§3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
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Design of a Composite Material
One method to improve the fracture toughness of a ceramic material is to reinforce the ceramic matrix with ceramic fibers. A materials designer has suggested that Al2O3 could be reinforced with 25% Cr2O3 fibers, which would interfere with the propagation of any cracks in the aluminia. The resulting composite is expected to operate under load at 2000℃ for several months. Criticize the appropriateness of this design.
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§3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
匀晶结晶有下列特点：
5）固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原 子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。 一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多， 后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在 一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶 偏析。消除枝晶偏析的方法采用扩散退火。
3）在两相区内，温度一定时，两相的成分 （即Ni含量）是确定的。
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§3.2 匀晶相图及固溶体的结晶
匀晶结晶有下列特点：
4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定 的，由杠杆定律可算出在T时液相和固相在合金中的 质量分数（ 运用杠杆定律时要注意，它只适用于相图 中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两 个端点为给定温度时两相的成分点，而支点为合金的 成分点。）