组织组成物 α,βII及混合物α+β
相组成物： α+β
59
d．过共晶合金
60
➢平衡凝固过程总结： ➢（1） 各相的成分可由相图确定 ➢（2） 成分不同，凝固过程不同，组织
不同 ➢（3） 室温组织中均含有α，β两相，其
以不同的数量、形态、分布等形式体现 出不同的组织。具有不同的性能。
61
3.共晶形态
62
金属-金属共晶的常见形态
63
共晶形成的搭桥机制
64
层片共晶凝固时的原子扩散
65
➢凝固速度与共晶组织细小程度的关系
可用层片间距λ与凝固速度R之间关系描述：
λ=K R-n
➢减小层片间距可以提高共晶组织的强度
66
4．共晶合金的非平衡凝固
a．伪共晶（ I合金）
67
几种可能的伪共晶区
68
b.不平衡共晶体 （ II合金）
T4
T4
T4
T4
44
➢ 产生成分过冷的条件
G mc0 g1 - k0 R D k0 G : 液相温度梯度
R：凝固速度
m：液相线斜率
k0：平衡分配系数
c0：合金成分
D：溶质原子在液相中的扩散系数
45
成分过冷会改变晶体生长的形态
46
47
48
4.2.2 共晶相图及其合金凝固
1.共晶相图分析
基本概念：共晶转变，共晶体，共晶合金系
可通过扩散退火消除包晶偏析。
81
➢Al-Mn
82
➢Al-Cu
83
4.3二元相图的分析和使用
4.3.1 其他类型的二元相图 1.其他类型的恒温转变相图
84
（1） 具有熔晶转变的相图
L
85
（2）具有偏晶转变的相图
L36 955CCu L87
86
（3）具有共析转变的相图
(Ti) 590C (Ti)
87
（4）具有包析转变的相图
Fe2B 910C
88
（5）具有合晶转变的相图
L1a L2b s
89
恒温转变的类型
90
2.具有化合物的二元相图
a.形成稳定化合物的相图
91
2.具有化合物的二元相图
a.形成稳定化合物的相图
92
2.具有化合物的二元相图
a.形成稳定化合物的相图
93
2.具有化合物的二元相图
WL ob X 2 X WS oa X X1
一般写成： WL ob X 2 X *100% Wo ab X 2 X1 WS oa X X1 *100% Wo ab X 2 X1
o
WS 16
4.1.5 二元相图的几何规律
➢ 1.相区接触法则——相邻相区相数差一（注） ➢ 2.二元相图中的水平线——三相平衡 ➢ 3.二元相图最大相数为3 ➢ 4.两条水平线涉及到的相有两个相同时，两
3
4.1 二元相图的基本知识
4.1.1.二元相图的表示
二维图形： 成分（横坐标） 温度（纵坐标） 表象点（状态） 相区 相界线
成分表示： 组元的质量分数 或摩尔分数 可相互转换
4
➢（1）坐标轴
➢纵坐标——温度 ➢横坐标——成分
➢质量比（通常） ➢原子比
➢如红线为含Ni 70%的Cu-Ni合金
5
➢ （2）相区
k0<1
K0>1
34
2.各种凝固条件下的凝固组织
（1）平衡凝固条件下，任意时刻得到的是均匀的固相和液相。
35
（2）正常凝固下的宏观偏析 a. 液相完全混合
k0<1时， 表面（初始凝固端）溶质含量较低， 中心（凝固末尾端）溶质含量较高。
36
液相完全混合条件下的凝固得到的溶质分布
37
b. 液相完全不混合
组织为 II
76
➢包晶反应机制与原子扩散
77
➢b． 42.4％＜w(Ag)＜66.3％的Pt-Ag （合金II）
II
78
➢c.10.5％＜w(Ag)＜42.4％的 Pt-Ag 合金（III）
II＋II
79
➢3．包晶合金的非平衡凝固及包晶偏析 （1）包晶反应不充分、不完全
80
➢3．包晶合金的非平衡凝固及包晶偏析 （1）包晶反应不充分、不完全 （2）包晶偏析 （3）包晶线以外合金的不平衡转变
围内的合金在该温度都将发生包晶转变： Lc+P→D，恒温，D点为包晶点。
74
2.包晶合金的凝固及其平衡组织 a. w(Ag)为42.4％的Pt－Ag合金（合金I）
II
75
1186℃发生包晶时两相的相对量：
Wα%=DC/PC*100%=43.3% WL%=PD/PC*100%=56.7%
➢转变结束后，两相全部转变为β相 ➢1186℃以下，β相不断析出II 室温平衡
➢ 1.相平衡
多相体系中，在指定的温度与压力下，各相中 每一组元的浓度不随时间而改变，称体系达 到相平衡。
体系无化学反应时，相平衡条件是各组元在各 相中的化学位相等。
1 1 1 ..... 1p 2 2 2 ..... 2p
......
C C C ..... Cp
10
4.1.3 相律与相平衡
条件： 过冷，液相结构起伏，能量起伏，成分起伏
特点： 液相与固相成分不同且随温度不断变化，原子
的扩散受到凝固条件的强烈影响，非平衡凝固时会 形成枝晶偏析。
33
4.2.1.4 固溶体凝固理论
1.平衡分配系数
k0 CS / CL CS 平衡凝固时固相中的溶质质量分数 CL 平衡凝固时液相中的溶质质量分数
➢ 液相线
➢ 固相线
➢ L相区 ➢ α固溶体相区
.
➢ L+α两相区
➢ 表象点 ➢ 一定成分的合金，在某温度下在相图中的位
置（表象点）说明了该合金此刻的状态。
6
（3）相图的物理意义 是合金结晶过程中状态变化的汇总 可通过相图的建立来认识
7
相图的建立 实验方法测定。如热分析法，膨胀法，硬度法
8
9
4.1.3 相律与相平衡
偏析、晶内偏析、枝晶偏析
3）结晶温度。 凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。 30
枝晶偏析： 指由于非平衡凝固而导致的固溶体合
金结晶时先结晶的枝干和后结晶的枝间的 成分不均匀现象。
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）。
31
32
固溶体凝固的基本点：
过程： 形核与长大，有一温度范围
➢指凝固进行到任何温度都能够达到平衡
➢意味着：在指定的温度与压力下，各相 间达到平衡时，组元在每一相中的浓度 不随时间而改变(即各相成分不变)
➢是在极其缓慢的冷速下实现的
➢实际凝固是非平衡的
20
固溶体合金的平衡凝固过程分析
w(Ni)=30%的Cu-Ni合金的平衡凝固过程:
t=t1,结晶开始， L→α
13
4.1.4两相区的水平线与杠杆定理
➢ 合金的表象点在两相区时，平衡两相的成分 由过表象点的水平线与相界线的交点确定。 两相的相对质量含量由杠杆定理确定。
14
➢两相的G-X曲线的公切线具备组元在两 相中的自由能相等的条件，切点对应的 即为平衡相的成分。
15
➢ 由合金的质量守恒与组元的质量守恒，可得
选分结晶与成分起伏
28
3．固溶体的非平衡凝固及组织
非平衡凝固条件下固相与液相中的原子扩散均不充分， 两相的成分不均匀，平均成分线偏离相界线。
29
非平衡凝固总结：
（1）固相平均成分线和液相平均成分线偏离固相 线与液相线。
冷却速度越快，偏离越严重 2）固溶体成分不均匀。
先结晶部分总是富高熔点组元（Ni），后结 晶的部分富低熔点组元（Cu）。
金属材料及热处理
第二篇 纯金属与合金的凝固
➢合金的结晶过程也是降温时发生的液 相向晶体相的结构变化过程。
➢比纯金属的结晶复杂，降温时不仅结 构变化，而且化学成分也变化。
➢常用合金相图来研究。
2
第四章 二元相图
相图：表示物质的状态和温度、压力、成分之 间关系的图解
➢本章提要
1.二元相图的表示及相平衡与相律的概念 2.各种类型的相图及合金的凝固 3.二元相图的分析和使用 4.铁碳相图与铁碳合金
条水平线之间是由这两个相组成的两相区 ➢ 5.相界线的走向——两相区与单相区分界线
与三相水平线相交时，其延长线应进入另一 个两相区而不是单相区
17
18
4.2 二元相图的基本类型
➢4.2.1 匀晶相图 ➢基本概念：匀晶转变，匀晶系，匀晶相图 ➢1.相图分析
19
2.固溶体合金的平衡凝固及组织
➢平衡凝固的概念
69
c. 离异共晶 共晶体中两相分离生长的现象
70
➢离异共晶
71
4.2.3 包晶相图及其合金凝固
➢1．包晶相图分析 包晶转变：Lc+P→D
72
4.2.3 包晶相图及其合金凝固
➢1．包晶相图分析 包晶转变：Lc+P→D
E
73
➢相图简介： ➢液相线：ACB ➢固相线：APDB ➢溶解度曲线：PE，DF ➢包晶转变线：水平线PDC，成分在PC范
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2．Pb-Sn合金的平衡凝固及其组织
a. α固溶体合金与β固溶体合金
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b. 共晶合金 w(sn)＝61.9%
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b. 共晶合金 w(sn)＝61.9%
室温共晶组织
54
b. 共晶合金 w(sn)＝61.9%
共晶组织中两种相的相对含量可用杠杆定律计算
55
c.亚共晶合金 w(sn)＝50%