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1、金属学与热处理安工,1,上 课 ！,金属学与热处理安工,2,1、在正的温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状成长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？,答：,3,金属学与热处理安工,第四节匀晶相图及固溶体的结晶,五、成分过冷,4,金属学与热处理安工,第四节匀晶相图及固溶体的结晶,五、成分过冷,由于界面前沿液相中的成分差别引起固液界面前沿一定范围内的液相实际温度低于平衡结晶温度而形成过冷区域的现象。,成分过冷：,过冷区域,5,金属学与热处理安工,第四节匀晶相图及固溶体的结晶,五、成分过冷,成分过冷对晶体成长形状的影响,突出部分顶端的溶质原子向远处扩散比两侧的要好。,沟槽溶质浓度高,平衡结晶温度低,
2、过冷度小,生长速度低于顶端,沟槽加深,一定条件下平衡，界面以恒定速度推进,胞状界面,胞状组织、胞状晶、蜂窝组织,树枝晶,过冷区域很小,过冷区域很大,金属学与热处理安工,6,1、在正的温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状成长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？,答：,纯金属凝固时，要获得树枝状晶体，必需在负的温度梯度下；在正的温度梯度下，只能以平面状长大。而固溶体实际凝固时，往往会产生成分过冷，当成分过冷区足够大时，固溶体就会以树枝状长大。,金属学与热处理安工,7,2、何谓合金平衡相图，相图能给出任一条件下的合金的显微组织吗？,答：,相图是表示在平衡条件下合金系种合金的状态与温度、成分间的关系
3、图解-状态图或平衡图。,金属学与热处理安工,8,3、在两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的Ni=90%，另一个铸件的Ni=50%，铸后自然冷却。 问：凝固后哪一个铸件的偏析严重，为什么？ 消除偏析的措施有哪些？,答：,晶内偏析、区域偏析,9,金属学与热处理安工,第四节匀晶相图及固溶体的结晶,三、固溶体的不平衡结晶,晶内偏析（枝晶偏析）：,在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象,铜镍合金铸态组织：,枝干先结晶：含镍多，不易浸蚀，呈亮白色 枝间后结晶：含铜多，以浸蚀，呈暗黑色,先结晶的部分含高熔点组元较多,晶内偏析对合金的性能有很大的影响。,力学性能、耐蚀性能下降，,均匀化退火消除
4、：低于固相线100-200，长时间保温,10,金属学与热处理安工,第四节匀晶相图及固溶体的结晶,三、固溶体的不平衡结晶,影响晶内偏析的因素：,1、分配系数k0,偏析最大程度：,当k01时，k0越小，偏析越大； 当k01时，k0越大，偏析越大,2、原子的扩散能力、结晶温度,例如钢中硅偏析小，磷偏析大,3、冷却速度,冷却速度大，偏析大 冷却速度大，过冷度大，晶粒小,11,金属学与热处理安工,第四节匀晶相图及固溶体的结晶,四、区域偏析和区域提存,一）区域偏析,固溶体合金在不平衡结晶时还会造成大范围内化学成分不均匀现象。,假设：成分为C0、k01的液态合金在圆管内从左端向右端逐渐凝固。（固相内无扩散，
5、液相内扩散均匀）,x1 x2 x3,k1C 1 C 0,还有液相成分,溶质原子富集,金属学与热处理安工,12,3、在两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的Ni=90%，另一个铸件的Ni=50%，铸后自然冷却。 问：凝固后哪一个铸件的偏析严重，为什么？ 消除偏析的措施有哪些？,答：,晶内偏析、区域偏析,金属学与热处理安工,13,4、何谓过冷成分？成分过冷对固熔体结晶时晶粒长大方式和铸锭组织有何影响。,在固溶体合金凝固时，在正的温度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差别，导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度，从而产生的过冷称为成分过冷。 这种过冷完全是由于界面前沿
6、液相中的成分差别所引起的。温度梯度增大，成分过冷减小。 成分过冷必须具备两个条件：第一是固液界面前沿溶质的富集而引起成分再分配；第二是固液界面前方液相的实际温度分布，或温度分布梯度必须达到一定的值。 对合金而言，其凝固过程同时伴随着溶质再分配，液体的成分始终处于变化当中，液体中的溶质成分的重新分配改变了相应的固液平衡温度，这种关系有合金的平衡相图所规定。利用“成分过冷”判断合金微观的生长过程。,金属学与热处理安工,14,5、共晶点和共晶线有什么关系？共晶组织一般是什么形态？如何形成的？,答：,15,金属学与热处理安工,第五节共晶相图及其合金的结晶,二、典型合金的平衡结晶及其组织,二）含锡量Sn
7、61.9%的合金（）:共晶合金,共晶转变:,共晶组织,M和N相的含量:,温度继续下降, 和相分别析出次生相 和,16,金属学与热处理安工,第五节共晶相图及其合金的结晶,二、典型合金的平衡结晶及其组织,二）含锡量Sn61.9%的合金（）:共晶合金,Pb-Sn共晶合金的显微组织:,和呈层片状交替分布,黑色为相,白色为相,17,金属学与热处理安工,第五节共晶相图及其合金的结晶,二、典型合金的平衡结晶及其组织,三）含锡量19%Sn61.9%的合金（）:亚共晶合金,以Sn50%为例:,共晶转变结束时：,先共晶相、共晶组织（M、N）,继续冷却：,先共晶相、共晶组织中M和 N,+ ,金属学与热处理安工,18
8、,金属学与热处理安工,19,5、共晶点和共晶线有什么关系？共晶组织一般是什么形态？如何形成的？,答：,金属学与热处理安工,20,6、铋（熔点为271.5C）和锑（熔点为630.7C）在液态和固态时彼此无限互溶， Bi=50% 的合金在520时开始凝固出成分为Sb=87% 的固相。 Bi=80%的合金在400C的时候开始凝固出成分为Sb=64% 的固相。根据上述条件，要求： 1、绘制Bi-Sb相图，并不标出各线和各相区的名称； 2、从相图上确定Sb=40% 合金的开始结晶和结晶终了温度，并求出它在400C时的平衡相成分及其含量。,答：,L,L +,D,E,C,L40 =L20+64,Sb,L =
9、ED/CD =24/44 =54.55%, =CE/CD =20/44 =45.45%,21,金属学与热处理安工,第八节 二元相图的分析和使用,一、相图分析的步骤,3、确定三相平衡转变的性质。,L,共晶转变,共析转变,22,金属学与热处理安工,第八节 二元相图的分析和使用,一、相图分析的步骤,3、确定三相平衡转变的性质。,L,偏晶转变,L1,L2,熔晶转变,23,金属学与热处理安工,第八节 二元相图的分析和使用,一、相图分析的步骤,3、确定三相平衡转变的性质。,L + ,包晶转变,L, + ,包析转变,L,L1 + L2 ,合晶转变,L1,L2,金属学与热处理安工,24,7、根据实验数据绘出概
10、略的二元合金相图：,组元A熔点1000C，B熔点700C； B=25%的合金在500C结晶完毕，并由73.33%的先共晶相与26.67%的（+）共晶体组成； B=50%的合金在500C结晶完毕，并由40%的先共晶相与60%的（+）共晶体组成，而此合金中的相总量为50%；,B,A,N,E,M,G,F,L +,L,L =L E+M,N=72+(72-17)/5 =83,+,4(E-25)=11(25-M),3(E-50)=2(50-M),M:17 E:72,共晶体中 ： =EN:ME=1:5,L +,金属学与热处理安工,25,8、根据实验数据绘出概略的二元合金相图：,组元A熔点1000C，B熔点7
11、00C， 在800C时： （B=5% ）+L（ B=50% ）= （ B=30% ）； 在600C时： L（ B=80% ）= （B=60% ）+ （ B=95% ）；在400C时： （B=50% ） = （ B=2% ）+ （ B=97% ）,B,A,L +,L,L + ,L + , + , + , + ,金属学与热处理安工,26,9、根据实验数据绘出概略的二元合金相图：,在C-D二元系中，D组元熔点比C组元有较高的熔点，C在D中没有固溶度。该合金存在下述恒温反应： 700C：L（ D=30% ）+ D = （ D=40% ）； 600C： （ D=45% ）+ D = （ D=70% ）；
12、 500C：L（ D=5% ）+ （ D=25% ） = （ D=10% ） ； 400C： （ D=30% ）= （ D=5% ） + （ D=50% ）；,D,C,L,L+D, +D,L+ , +, + , + ,+ L,金属学与热处理安工,27,11、找出错误，说明理由，并改正。,L,+,+,L+, + L,+L,包晶： 共析： 共晶：,+,+,L+,L+,金属学与热处理安工,28,12、假定需要用Zn=30%的Cu-Zn合金和Sn=10%的Cu-Sn合金制造尺寸、形状相同的铸件，参照合金相图回答： 1、那种合金的流动性好 2、那种合金形成缩松的倾向大？ 3、那种合金的热裂倾向大？ 4、
13、那种合金的偏析倾向大？,29,金属学与热处理安工,第八节 二元相图的分析和使用,三、根据相图判断合金的性能,二）根据相图判断合金的铸造性能,合金的铸造性能：流动性、缩孔及热裂倾向,水平距离：成分间隔 垂直距离：温度间隔,合金相图上液相线和固相线之间的,成分间隔,成分过冷区,整个液体都可以成核，并且晶枝均匀生长,较宽的液固两相混合区,阻碍液体流动,糊状凝固,30,金属学与热处理安工,第八节 二元相图的分析和使用,三、根据相图判断合金的性能,二）根据相图判断合金的铸造性能,合金的铸造性能：流动性、缩孔及热裂倾向,水平距离：成分间隔 垂直距离：温度间隔,合金相图上液相线和固相线之间的,温度间隔,树枝
14、晶长大时间,枝晶长大,阻碍液体流动,31,金属学与热处理安工,第八节 二元相图的分析和使用,三、根据相图判断合金的性能,二）根据相图判断合金的铸造性能,合金的铸造性能：流动性、缩孔及热裂倾向,水平距离：成分间隔 垂直距离：温度间隔,合金相图上液相线和固相线之间的,不易产生宽的过冷成分,结晶自铸件表面开始后循序向心部推进,液相中难以形核，使液固相之间界面分明，已结晶固相表面比较光滑，液体流动阻力小,壳状凝固,32,金属学与热处理安工,第八节 二元相图的分析和使用,三、根据相图判断合金的性能,二）根据相图判断合金的铸造性能,糊状凝固，枝晶,液体被分割,凝固收缩,分散缩孔,温度间隔,晶粒间液相状态保
15、持时间,收缩应力作用,合金强度低,热裂,例如：球墨铸铁、铝合金、镁合金及锡青铜等,33,金属学与热处理安工,第八节 二元相图的分析和使用,三、根据相图判断合金的性能,二）根据相图判断合金的铸造性能,壳状凝固,液体被分割,凝固收缩,集中缩孔,温度间隔,液相状态保持时间,热裂,例如：灰铸铁、低碳合金钢、铝青铜等,金属学与热处理安工,34,12、假定需要用Zn=30%的Cu-Zn合金和Sn=10%的Cu-Sn合金制造尺寸、形状相同的铸件，参照合金相图回答： 1、那种合金的流动性好 2、那种合金形成缩松的倾向大？ 3、那种合金的热裂倾向大？ 4、那种合金的偏析倾向大？,金属学与热处理安工,35,金属学与热处理安工,36,9、根据实验数据绘出概略的二元合金相图：,在C-D二元系中，D组元熔点比C组元有较高的熔点，C在D中没有固溶度。该合金存在下述恒温反应： 700C：L（ D=30% ）+ D = （ D=40% ）； 600C： （ D=45% ）+ D = （ D=70% ）； 500C：L（ D=5% ）+ （ D=25% ） = （ D=10% ） ； 400C： （ D=30% ）= （ D=5% ） + （ D=50%
