《工程材料第2版 教学课件 ppt 作者 崔占全 孙振国 第二节 合金的结晶》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料第2版 教学课件 ppt 作者 崔占全 孙振国 第二节 合金的结晶（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. 相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶 过程的简明图解。又称状态图或平衡图。,第二节 合金的结晶,一、二元合金的结晶,两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称 二元匀晶相图。 以Cu-Ni合金为例进行分析。,(一) 匀晶系合金的结晶,匀晶相图及其合金的结晶过程,相图由两条线构 成，上面是液相线， 下面是固相线。 相图被两条线分为 三个相区，液相线以 上为液相区L ，固相 线以下为 固溶体 区，两条线之间为两 相共存的两相区（L+ ）。, 合金的结晶过程 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合 金为例说明。,当液态金属自 高温冷却到
2、 t1温 度时，开始结晶 出成分为1的固 溶体，其Ni含量 高于合金平均成 分,随温度下降， 固溶体重量增 加，液相重量减 少。同时，液相 成分沿液相线变 化，固相成分沿 固相线变化。,这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变 或匀晶反应。,成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3 时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时,固溶体的成分又 变回到合金成分3 上来。 液固相线不仅是 相区分界线, 也是结 晶时两相的成分变 化线；匀晶转变是 变温转变。, 杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的 成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。 现以Cu-Ni合金为例推导
3、杠杆定律： 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成,分垂线。在成分垂线相当于 温度t 的o点作水平线，其与 液固相线交点a、b所对应的 成分x1、x2即分别为液相和 固相的成分。,则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得,式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、 x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。, 确定两平衡相的相对重量 设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。,因此两相的相对重量百分比为：,两相的重量比为：,上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该 温度下与各自
4、相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 杠杆定律只适用于两相区。 例（如图）,由于二次 相析出温度 较低，一般 十分细小。,室温下的相对重量百分比为：,由 析出的二次 用 表示。 随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变 化， 的重量增加。,合金室温组织为 + 。,成分大于 D点合金结晶过程与合金相似，室温组织为 + 。,当两组元在液态 下完全互溶，在固 态下有限互溶,并发 生共晶反应时所构 成的相图称作共晶 相图。 以 Pb-Sn 相图为 例进行分析。,(二) 共晶系合金的结晶,PbSn 合金相图,相
5、图分析 相：相图中有L、 三种相, 是溶质Sn在 Pb 中的固溶体， 是溶质Pb 在Sb中的固溶体。 相区：相图中有三个 单相区： L、；三个 两相区： L+、L+、+ ；一个三相区：即水平线 CED。,PbSb 合金相图, 固溶线: 溶解度点的连线称 固溶线。相图中的cf、eg线分 别为 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的 固溶线。 固溶体的溶解度随温度降低而 下降。, 液固相线：液相线adb，固相线acdeb。a、b分别为Pb、 Sb的熔点。, 共晶线：水平线cde叫做共晶线。在共晶线对应的温度下 （183 ），E点成分的合金同时结晶出C点成分的 固溶体和e 点成分的 固溶体，形成这两个相
6、的机械混合物：Ld (C + e) 该反应叫共晶转变或共晶反应。,PbSn 合金相图,具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡 成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共,晶点以右的合金称过共 晶合金。 凡具有共晶线成分的 合金液体冷却到共晶温 度时都将发生共晶反应。,PbSn 合金相图,共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共 晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温 度和共晶成分的点称共晶点。,合金的结晶过程 含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种 直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。,温度降到3点以下， 固溶体被S
7、n过饱和，由于晶 格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相 相 由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。,H,由于二次 相析出温度 较低，一般 十分细小。,室温下的相对重量百分比为：,由 析出的二次 用 表示。 随温度下降， 和 相的成分分别沿cf线和eg线变 化， 的重量增加。,PbSb 合金相图, 共晶合金(合金)的结晶过程 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sb饱和, 发生共 晶反应：Ld (C+e) 。,PbSb 合金相图,共晶组织形态,层片状(Al-CuAl2定向凝固),条棒状(Sb-MnSb横截面),螺旋状（Zn-Mg）,Pb-Sn
8、共晶组织,在共晶转变过程中，L、 、 三相共存, 三个相的 量在不断变化，但它们各自 成分是固定的。 共晶组织中的相称共晶相. 共晶转变结束时， 和 相的相对重量百分比为：, 亚共晶合金(合金)的结晶过程 合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成 分变化到C点，液相成分变化到d点, 此时两相的相对重 量为：,PbSb 合金相图,温度继续下降，将从一次和共晶 中析出，从共 晶中析出。其室温组织+ (+) + 。, 过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似，不同的是一次相为 , 二次相为 室温组织为+(+)+。,（三）包晶系合金的结晶,当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶， 并发生包晶反
9、应时所构成的相图称作包晶相图。 以Pt-Ag相图为例简要分析, 相图分析 单相区：L、 二相区：L+、 L+、+ 三相区：L+ （水 平线PDC）,在一定温度下，由 一个液相包着一个 固相生成另一新固 相的反应称包晶转 变或包晶反应。,水平线PDC称包晶线，与该线 成分对应的合金在该温度下发生 包晶反应：LC+P D 。该反应 是液相L包着固相, 新相 在L 与的界面上形核，并向L和两 个方向长大。, 合金的结晶过程 包晶成分合金 室温组织为 + II, PD成分合金：匀晶包晶二次析出。 室温组织为 +II+ + II, DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出 室温组织为 +II。,共析转变也是固
10、 态相变。 最常见的共析转 变是铁碳合金中的 珠光体转变: S P+ Fe3C 。,（四）具有共析反应的合金相图,共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成 分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相 的过程。,(奥氏体，铁素体，Fe3C渗碳体),共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK 线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合,金(共析成分合 金)、亚共析合 金(共析线上共 析点以左的合 金)、过共析合 金(共析线上共 析点以右的合 金)。,铁碳合金相图,共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠 光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。,与共晶反应不同 的
11、是，共析反应的 母相是固相，而不 是液相。 另外，由于固态 转变过冷度大，因 而共析组织比共晶 组织细。,珠光体,二、相图与合金性能之间的关系,(一) 合金的使用性能与相图 的关系 两相机械混合物的合金: 性能与合金成分呈直线关 系，是两相性能的算术平均 值，如： HB混=HB Q +HBQ (Q 、Q为两相相对重量), 单相固溶体的合金： 性能随成分呈曲线变 化，随溶质含量增加， 、HB、增加，塑性下 降。 形成稳定化合物的 合金： 性能-成分曲线出现拐 点。,(二) 合金的工艺性能与相图的关系,固溶体合金液固相 线间距越大、偏析倾向 大, 树枝晶发达, 流动性 降低, 补缩能力下降, 分散
12、缩孔增加. 共晶合金结晶温度 低，流动性好，缩孔集 中， 偏析小， 铸造性 能好。,三、 铁碳合金,铁碳合金碳钢和 铸铁，是工业应用最 广的合金。 含碳量为0.0218% 2.11%的称钢 含碳量为 2.11% 6.69%的称铸铁。,铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆， 已无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。,1. 铁碳合金的组元,碳在-Fe中的固溶体称 -铁素体，用 表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727 时最大为0.0218%，室温下仅
13、为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。,铁素体, 组元：Fe、 Fe3C 铁碳合金的相 (1)液相 L (2)相：高温铁素体，在1394以上存在 (3) 铁素体： 碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或 表示。,(4) 奥氏体: 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体 大，1148时最大为2.11%。,组织为不规则多面体 晶粒，晶界较直。强度 低、塑性好，钢材热 加工都在 区进行. 碳钢室温组织中无奥 氏体。,奥氏体,(5) 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 Fe3C硬度高、强度低(b
14、35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零,Fe3C是一个亚稳相，在一 定条件下可发生分解： Fe3C3Fe+C(石墨), 该反 应对铸铁有重要意义。 由于碳在-Fe中的溶解度 很小，因而常温下碳在铁碳 合金中主要以Fe3C或石墨的 形式存在。,3. 相图中重要的点和线, 特征点, 特征线 液相线ABCD， 固相线AHJECFD 三条水平线： HJB：包晶线LB+H J ECF：共晶线LC E+Fe3C 共晶产物是 与Fe3C的机械 混合物，称作莱氏体, 用Le表 示。为蜂窝状, 以Fe3C为基， 性能硬而脆。,莱氏体,PSK：共析线 S FP+ Fe3C 共析转变的产物是 与 Fe3C的机械混合
15、物，称 作珠光体，用P表示。,珠光体的组织特点是 两相呈片层相间分布,性 能介于两相之间。 PSK 线又称A1线 。, 其它相线 GS,GP 固溶体 转变线, GS又称A3 线。 HN,JN 固溶体转 变线， ES碳在 -Fe中的固 溶线。又称Ac m线。 PQ碳在-Fe中的固 溶线。, 三个三相区：即HJB (L+)、ECF(L+ Fe3C)、 PSK(+ Fe3C)三条水平线, 相区 五个单相区： L、Fe3C 七个两相区: L+、 L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C,（二）、典型铁碳合金的平衡结晶过程, 钢(0.02182.11%C) 高温组织为单相 亚共析钢 (0.02180.77%C) 共析钢 (0.77%C) 过共析钢 (0.772.11%C),铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： 工业纯铁(0.0218% C) 组织为单相铁素体。, 白口铸铁 (2.116.69%C) 铸造性能好, 硬而 脆 亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C) 共晶白口铸铁 (4.3%C) 过共晶白口铸铁 (4.36.69%C),1. 共析钢的结晶过程,
