第05章合金的凝固與結(jié)晶

1、第五章第五章 合金的凝固與結(jié)晶合金的凝固與結(jié)晶 通過(guò)對(duì)二元?jiǎng)蚓Ш辖?，共晶合金，包晶合金，以及?jiǎn)單的三元合金的學(xué)習(xí)，了解合金凝固與結(jié)晶的一般規(guī)律，進(jìn)一步熟悉和掌握相圖的基本使用方法。第一節(jié)第一節(jié) 二元?jiǎng)蚓Ш辖鸲獎(jiǎng)蚓Ш辖鹨?、相圖形式一、相圖形式 兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無(wú)限互溶。如兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無(wú)限互溶。如CuNiCuNi、AgAuAgAu形形成二元合金對(duì)應(yīng)的相圖就是二元?jiǎng)蚓鄨D。成二元合金對(duì)應(yīng)的相圖就是二元?jiǎng)蚓鄨D。相圖的構(gòu)成相圖的構(gòu)成：由兩條曲線將：由兩條曲線將相圖分為三個(gè)區(qū)。左右兩端相圖分為三個(gè)區(qū)。左右兩端點(diǎn)分別為組元的熔點(diǎn)。上面點(diǎn)分別為組元的熔點(diǎn)。上面的一條曲線稱為液相線，液的一條

2、曲線稱為液相線，液相線之上為液相的單相區(qū)，相線之上為液相的單相區(qū)，常用常用L L表示；下面的一條曲表示；下面的一條曲線稱為固相線，固相線之下線稱為固相線，固相線之下為固溶體的單相區(qū)，常用為固溶體的單相區(qū)，常用表示；兩條曲線之間是雙相表示；兩條曲線之間是雙相區(qū)，標(biāo)記區(qū)，標(biāo)記L+L+表示。表示。 二、固溶體材料冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變二、固溶體材料冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變1 1點(diǎn)以上液體冷卻點(diǎn)以上液體冷卻1 1點(diǎn)開始凝固，固體成點(diǎn)開始凝固，固體成分在對(duì)應(yīng)固相線處分在對(duì)應(yīng)固相線處1 12 2之間，溫度下降，之間，溫度下降，液體數(shù)量減少，固體數(shù)液體數(shù)量減少，固體數(shù)量增加，成分沿液相線量增加，成分沿液相線和固相線變化，和固

3、相線變化，到到2 2點(diǎn)，液體數(shù)量為點(diǎn)，液體數(shù)量為0 0，固體成分回到合金原始固體成分回到合金原始成分，凝固完成成分，凝固完成2 2點(diǎn)以下固體冷卻，無(wú)點(diǎn)以下固體冷卻，無(wú)組織變化組織變化過(guò)程：過(guò)程：二、固溶體材料冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變二、固溶體材料冷卻時(shí)組織轉(zhuǎn)變1.1.與純金屬凝固一樣由與純金屬凝固一樣由形核和長(zhǎng)大來(lái)完成結(jié)晶形核和長(zhǎng)大來(lái)完成結(jié)晶過(guò)程，實(shí)際進(jìn)行在一定過(guò)程，實(shí)際進(jìn)行在一定的過(guò)冷度下。的過(guò)冷度下。2.2.凝固在一溫度范圍內(nèi)凝固在一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。只有在溫度不斷進(jìn)行。只有在溫度不斷下將時(shí)固體量才增加，下將時(shí)固體量才增加，溫度不變，液固數(shù)量維溫度不變，液固數(shù)量維持平衡不變。持平衡不變。3.3.凝固過(guò)

4、程中液體和固凝固過(guò)程中液體和固體的成分在不斷變化。體的成分在不斷變化。特點(diǎn)：特點(diǎn)：三、固溶體材料非平衡冷卻三、固溶體材料非平衡冷卻 從固溶體的凝固特征可知，在晶體長(zhǎng)從固溶體的凝固特征可知，在晶體長(zhǎng)大過(guò)程中，組元元素在析出的固相中不斷大過(guò)程中，組元元素在析出的固相中不斷的發(fā)生遷移。但原子在固體中的遷移相對(duì)的發(fā)生遷移。但原子在固體中的遷移相對(duì)結(jié)晶過(guò)程是較慢的結(jié)晶過(guò)程是較慢的( (原子的遷移是擴(kuò)散過(guò)原子的遷移是擴(kuò)散過(guò)程，以后專門討論程，以后專門討論) )，可見完全達(dá)到平衡，可見完全達(dá)到平衡凝固是較困難的，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，一凝固是較困難的，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，一般的冷卻凝固達(dá)不到平衡狀態(tài)。般的冷卻凝固

5、達(dá)不到平衡狀態(tài)。 過(guò)程：過(guò)程： 在冷卻速度較快時(shí)的凝固是非平衡凝固，從相圖中可見，在略低于開始在冷卻速度較快時(shí)的凝固是非平衡凝固，從相圖中可見，在略低于開始凝固溫度凝固溫度t t 1 1下開始析出的固體的成分為下開始析出的固體的成分為1 1，到，到t t 2 2溫度晶體表面生長(zhǎng)的成分溫度晶體表面生長(zhǎng)的成分可為可為2 2，由于擴(kuò)散速度跟不上來(lái)，心部的成分來(lái)不及達(dá)到和表面一樣就冷卻，由于擴(kuò)散速度跟不上來(lái)，心部的成分來(lái)不及達(dá)到和表面一樣就冷卻到下一溫度到下一溫度t t 3 3，因此析出的固體的成分表里不一，平均成分也偏離了固相線。，因此析出的固體的成分表里不一，平均成分也偏離了固相線。到達(dá)平衡和固相

6、線交點(diǎn)的溫度到達(dá)平衡和固相線交點(diǎn)的溫度t t f f時(shí)還有液相存在，繼續(xù)冷卻到一更低的溫度，時(shí)還有液相存在，繼續(xù)冷卻到一更低的溫度，固體的平均成分回到合金成分時(shí)液體消失，凝固過(guò)程才結(jié)束。固體的平均成分回到合金成分時(shí)液體消失，凝固過(guò)程才結(jié)束。 三、固溶體材料非平衡冷卻三、固溶體材料非平衡冷卻非平衡凝固的特點(diǎn)有：非平衡凝固的特點(diǎn)有：凝固過(guò)程中，液、固兩相的成分偏離液、固相線；凝固過(guò)程中，液、固兩相的成分偏離液、固相線；凝固過(guò)程進(jìn)行到一更低的溫度才能完成；凝固過(guò)程進(jìn)行到一更低的溫度才能完成；生成固體的成分是不均勻的。生成固體的成分是不均勻的。隨著冷卻速度的加大，這些差別特點(diǎn)表現(xiàn)的愈明顯。隨著冷卻速度

7、的加大，這些差別特點(diǎn)表現(xiàn)的愈明顯。 結(jié)果：結(jié)果：生成固體的成分不均勻叫偏析，快速冷卻時(shí)在一個(gè)晶粒內(nèi)部先后結(jié)晶生成固體的成分不均勻叫偏析，快速冷卻時(shí)在一個(gè)晶粒內(nèi)部先后結(jié)晶的成分有差別，所以稱為晶內(nèi)偏析，金屬的晶體往往以樹枝晶方式生長(zhǎng)，偏的成分有差別，所以稱為晶內(nèi)偏析，金屬的晶體往往以樹枝晶方式生長(zhǎng)，偏析的分布表現(xiàn)為不同層次的枝晶成分有差別，因此這種偏析又稱枝晶偏析。析的分布表現(xiàn)為不同層次的枝晶成分有差別，因此這種偏析又稱枝晶偏析。 晶內(nèi)偏析的程度決定于：晶內(nèi)偏析的程度決定于：相圖中液相圖中液固相線相距愈遠(yuǎn)，組元元素原子的遷移固相線相距愈遠(yuǎn)，組元元素原子的遷移能力愈低能力愈低( (擴(kuò)散系數(shù)小擴(kuò)散系

8、數(shù)小) )，冷卻速度愈大，造成的晶內(nèi)偏析將愈嚴(yán)重。，冷卻速度愈大，造成的晶內(nèi)偏析將愈嚴(yán)重。 消除偏析的方法：消除偏析的方法：前兩條原因是不可前兩條原因是不可更改更改的，但并不是采用慢速冷卻，因?yàn)榈模⒉皇遣捎寐倮鋮s，因?yàn)槁倮鋮s會(huì)使晶粒變大，最高和最低成分之間的距離加大消除更困難，而是慢速冷卻會(huì)使晶粒變大，最高和最低成分之間的距離加大消除更困難，而是快速冷卻，細(xì)化晶粒，會(huì)帶來(lái)晶內(nèi)的偏析，即宏觀均勻快速冷卻，細(xì)化晶粒，會(huì)帶來(lái)晶內(nèi)的偏析，即宏觀均勻而而微觀有大的差別，微觀有大的差別，凝固后重新加熱到略低于熔點(diǎn)溫度，進(jìn)行一段時(shí)間的保溫，讓原子在這時(shí)進(jìn)凝固后重新加熱到略低于熔點(diǎn)溫度，進(jìn)行一段時(shí)間的

9、保溫，讓原子在這時(shí)進(jìn)行擴(kuò)散遷移，達(dá)到均勻，這行擴(kuò)散遷移，達(dá)到均勻，這種種方法稱為均勻化退火。方法稱為均勻化退火。 四、固溶體中溶質(zhì)的分布四、固溶體中溶質(zhì)的分布 由于固溶體凝固中，析出固體的成分與液體不相同，并由于固溶體凝固中，析出固體的成分與液體不相同，并且在凝固時(shí)達(dá)不到平衡，所以凝固后溶質(zhì)的分布是不均勻的，且在凝固時(shí)達(dá)不到平衡，所以凝固后溶質(zhì)的分布是不均勻的，當(dāng)然這種不均勻有時(shí)也可帶來(lái)有利的利用。下面僅就幾種特當(dāng)然這種不均勻有時(shí)也可帶來(lái)有利的利用。下面僅就幾種特例討論。例討論。 如圖所示相圖的一部分，在溫度如圖所示相圖的一部分，在溫度t t時(shí)，平衡時(shí)，平衡的液的液固相成分的比，稱為平衡分配系

10、數(shù)。固相成分的比，稱為平衡分配系數(shù)。 LSCCk/0 實(shí)際凝固時(shí)原子的遷移需要一過(guò)程，液體實(shí)際凝固時(shí)原子的遷移需要一過(guò)程，液體和固體的成分達(dá)不到相圖所示的平衡狀態(tài)，和固體的成分達(dá)不到相圖所示的平衡狀態(tài)，這時(shí)分析采用這時(shí)分析采用“有效分配系數(shù)有效分配系數(shù)”，它定義為：，它定義為：BLiSeCCk)()(濃度邊界層以外的液體平均相的濃度凝固時(shí)固液界面處固有效分配系數(shù)不是一常數(shù)，而是隨凝固過(guò)程有所變化。有效分配系數(shù)不是一常數(shù)，而是隨凝固過(guò)程有所變化。四、固溶體中溶質(zhì)的分布四、固溶體中溶質(zhì)的分布 如果有一長(zhǎng)度為如果有一長(zhǎng)度為L(zhǎng) L的桿形凝固體，假設(shè)凝固過(guò)程為一端散熱，并且液的桿形凝固體，假設(shè)凝固過(guò)程為

11、一端散熱，并且液體中原子擴(kuò)散和對(duì)流可達(dá)到成分均勻，而固體中遷移慢設(shè)為凝固后基本體中原子擴(kuò)散和對(duì)流可達(dá)到成分均勻，而固體中遷移慢設(shè)為凝固后基本不能變。當(dāng)合金的成分為不能變。當(dāng)合金的成分為C C0 0，開始析出的固體成分為，開始析出的固體成分為k k0 0C C0 0，變化趨勢(shì)如圖。，變化趨勢(shì)如圖。已經(jīng)凝固距離已經(jīng)凝固距離X X后，在凝固后，在凝固dxdx時(shí)，按溶質(zhì)的變化有：時(shí)，按溶質(zhì)的變化有： 000)0()0(C0kCCCxLS 時(shí)，當(dāng)例一：定向凝固時(shí)溶質(zhì)分布規(guī)律例一：定向凝固時(shí)溶質(zhì)分布規(guī)律四、固溶體中溶質(zhì)的分布四、固溶體中溶質(zhì)的分布 例二：關(guān)于區(qū)域熔煉例二：關(guān)于區(qū)域熔煉四、固溶體中溶質(zhì)的分布

12、四、固溶體中溶質(zhì)的分布 例三 固相內(nèi)無(wú)擴(kuò)散，液相內(nèi)有擴(kuò)散無(wú)對(duì)流五、成分過(guò)冷五、成分過(guò)冷 在正溫度梯度下，純金屬的生長(zhǎng)方式為平面推進(jìn)，而固在正溫度梯度下，純金屬的生長(zhǎng)方式為平面推進(jìn)，而固溶體凝固時(shí)，卻有樹枝狀生長(zhǎng)和胞狀生長(zhǎng)存在，這是由于凝溶體凝固時(shí)，卻有樹枝狀生長(zhǎng)和胞狀生長(zhǎng)存在，這是由于凝固過(guò)程中，成分是在不斷變化，液體和固體的成分均不能達(dá)固過(guò)程中，成分是在不斷變化，液體和固體的成分均不能達(dá)到平衡狀態(tài)，產(chǎn)生了成分過(guò)冷現(xiàn)象。到平衡狀態(tài)，產(chǎn)生了成分過(guò)冷現(xiàn)象。 五、成分過(guò)冷五、成分過(guò)冷 成分過(guò)冷現(xiàn)象成分過(guò)冷現(xiàn)象： 在相圖中，成分為在相圖中，成分為C0的合金凝的合金凝固時(shí)，開始析出的固相為固時(shí)，開始析出

13、的固相為k0C0，多，多余的余的B組元排放到液體中，在界面組元排放到液體中，在界面處處B組元的濃度高于平均值，逐漸組元的濃度高于平均值，逐漸向液體中擴(kuò)散。在液體未達(dá)到均勻向液體中擴(kuò)散。在液體未達(dá)到均勻時(shí)，結(jié)晶繼續(xù)進(jìn)行，新析出的固體時(shí)，結(jié)晶繼續(xù)進(jìn)行，新析出的固體成分中成分中B的量也隨著上升，同時(shí)液的量也隨著上升，同時(shí)液體中界面處體中界面處B濃度上升到更高的水濃度上升到更高的水平，擴(kuò)散的速度因濃度差的提高而平，擴(kuò)散的速度因濃度差的提高而加快。遠(yuǎn)處液體的成分依然為加快。遠(yuǎn)處液體的成分依然為C0，到到B組元的擴(kuò)散量和固體排放平衡組元的擴(kuò)散量和固體排放平衡時(shí)，析出固體的成分也為時(shí)，析出固體的成分也為C0

14、，這時(shí)，這時(shí)的成分分布如圖的成分分布如圖b所示。所示。 五、成分過(guò)冷五、成分過(guò)冷 成分過(guò)冷現(xiàn)象成分過(guò)冷現(xiàn)象： 對(duì)照相圖，液體的開始凝固溫度對(duì)照相圖，液體的開始凝固溫度隨著液體的成分變化而變化，圖隨著液體的成分變化而變化，圖c給給出其分布曲線出其分布曲線TL(x)，如果，如果G2為實(shí)際為實(shí)際溫度，對(duì)比可以看出在界面前沿的液溫度，對(duì)比可以看出在界面前沿的液體中的一小區(qū)域內(nèi)，盡管溫度比界面體中的一小區(qū)域內(nèi)，盡管溫度比界面處高，卻存在一定的過(guò)冷度，這種由處高，卻存在一定的過(guò)冷度，這種由成分的不均勻而產(chǎn)生的過(guò)冷度稱為成分的不均勻而產(chǎn)生的過(guò)冷度稱為成分過(guò)冷成分過(guò)冷。 固溶體凝固過(guò)程中，由于析出的固溶體凝固

15、過(guò)程中，由于析出的固體的成分和原液體有一定的差別，固體的成分和原液體有一定的差別，排放到液體中的某些組元來(lái)不及均勻，排放到液體中的某些組元來(lái)不及均勻，這種因成分偏差對(duì)應(yīng)的凝固溫度也不這種因成分偏差對(duì)應(yīng)的凝固溫度也不同而造成的附加過(guò)冷度稱為成分過(guò)冷。同而造成的附加過(guò)冷度稱為成分過(guò)冷。 五、成分過(guò)冷五、成分過(guò)冷 成分過(guò)冷對(duì)凝固過(guò)程的影響成分過(guò)冷對(duì)凝固過(guò)程的影響 由于不同的固溶體對(duì)應(yīng)的相圖形由于不同的固溶體對(duì)應(yīng)的相圖形式不同，不同組元的擴(kuò)散能力各自不式不同，不同組元的擴(kuò)散能力各自不同，加上凝固過(guò)程的實(shí)際溫度分布也同，加上凝固過(guò)程的實(shí)際溫度分布也不相同，成分過(guò)冷的影響也必然存在不相同，成分過(guò)冷的影響也

16、必然存在差別，凝固后的組織也各不相同。差別，凝固后的組織也各不相同。實(shí)際溫度梯度較大，在凝固過(guò)程實(shí)際溫度梯度較大，在凝固過(guò)程中中不出現(xiàn)不出現(xiàn)成分過(guò)冷現(xiàn)象。成分過(guò)冷現(xiàn)象。成分成分過(guò)冷區(qū)較小過(guò)冷區(qū)較小，界面處的不平衡生長(zhǎng)的凸起始終處在領(lǐng)先，界面處的不平衡生長(zhǎng)的凸起始終處在領(lǐng)先的狀態(tài)，但這個(gè)凸起既不會(huì)消失，也不能發(fā)展到成分過(guò)冷區(qū)的狀態(tài)，但這個(gè)凸起既不會(huì)消失，也不能發(fā)展到成分過(guò)冷區(qū)外，凸起和底部的微小成分有一定差別而發(fā)展成胞狀組織。外，凸起和底部的微小成分有一定差別而發(fā)展成胞狀組織。 五、成分過(guò)冷五、成分過(guò)冷 成分過(guò)冷對(duì)凝固過(guò)程的影響成分過(guò)冷對(duì)凝固過(guò)程的影響 中區(qū)域的成分過(guò)冷可能生成胞中區(qū)域的成分過(guò)冷

17、可能生成胞狀到樹枝晶的各種過(guò)渡組織。狀到樹枝晶的各種過(guò)渡組織。如果成分過(guò)冷區(qū)域特別大，得到的成分過(guò)冷度也十分大，若如果成分過(guò)冷區(qū)域特別大，得到的成分過(guò)冷度也十分大，若達(dá)到形核要求的過(guò)冷度時(shí)，在成分過(guò)冷區(qū)可能形成新的晶核，達(dá)到形核要求的過(guò)冷度時(shí)，在成分過(guò)冷區(qū)可能形成新的晶核，新晶核的生長(zhǎng)阻礙原晶粒生長(zhǎng)，對(duì)柱狀晶的發(fā)展產(chǎn)生隔斷作新晶核的生長(zhǎng)阻礙原晶粒生長(zhǎng)，對(duì)柱狀晶的發(fā)展產(chǎn)生隔斷作用。用。 成分過(guò)冷區(qū)較大，凸起發(fā)展較成分過(guò)冷區(qū)較大，凸起發(fā)展較長(zhǎng)，在凸起上再生新的凸起，長(zhǎng)，在凸起上再生新的凸起，就可生成樹枝晶。就可生成樹枝晶。第二節(jié)第二節(jié) 二元共晶相圖二元共晶相圖一、相圖形式一、相圖形式 兩組元在液態(tài)

18、下無(wú)限互溶，固態(tài)下有限溶解，一組元溶入兩組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，固態(tài)下有限溶解，一組元溶入另一組元中時(shí)另一組元中時(shí)都都使凝固溫度下降，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。如使凝固溫度下降，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。如PbSnPbSn、AgCuAgCu等形成二元合金對(duì)應(yīng)的相圖就是二元?jiǎng)蚓鄨D。等形成二元合金對(duì)應(yīng)的相圖就是二元?jiǎng)蚓鄨D。 相圖的構(gòu)成相圖的構(gòu)成：t tA AE E和和t tB BE E為兩液相線，為兩液相線，與其對(duì)應(yīng)的與其對(duì)應(yīng)的t tA AC C和和t tB BD D為兩固相線；為兩固相線；CGCG和和DHDH固溶體固溶體、的溶解度隨溫的溶解度隨溫度變化線；度變化線；CEDCED為為水平水平共晶線。將共晶線。將相圖

19、分成相圖分成三個(gè)單相區(qū)三個(gè)單相區(qū) L L、；三個(gè)雙相區(qū)三個(gè)雙相區(qū)L L、L L、和和 一個(gè)三相區(qū)一個(gè)三相區(qū)L L，即，即CEDCED為共晶線。為共晶線。 二、共晶體的形成二、共晶體的形成過(guò)程過(guò)程 在在T TE E溫度以上僅是液體的冷卻溫度以上僅是液體的冷卻到達(dá)略低于到達(dá)略低于T TE E的溫度，按的溫度，按L L相區(qū)分析應(yīng)為從液體中析出相區(qū)分析應(yīng)為從液體中析出C C成分的成分的相，而相，而按按L L相區(qū)分析應(yīng)從液體中析出相區(qū)分析應(yīng)從液體中析出D D成分的成分的相。如果相。如果和和按一定的比例析按一定的比例析出，最終液體的成分不變，兩固相不斷同時(shí)析出，即共同結(jié)晶，故稱為共晶出，最終液體的成分不變

20、，兩固相不斷同時(shí)析出，即共同結(jié)晶，故稱為共晶轉(zhuǎn)變，直到液體完全消失，結(jié)晶過(guò)程轉(zhuǎn)變，直到液體完全消失，結(jié)晶過(guò)程完成完成，得到的是兩固相的混合物，稱為，得到的是兩固相的混合物，稱為共晶體。共晶體。在在T TE E溫度以下僅是固體的冷卻溫度以下僅是固體的冷卻成分為成分為E點(diǎn)合金的凝固點(diǎn)合金的凝固二、共晶體的形成二、共晶體的形成形核特點(diǎn)形核特點(diǎn)交替形核交替形核 在一定的過(guò)冷度下，盡管兩固相都可能從液體中在一定的過(guò)冷度下，盡管兩固相都可能從液體中形核，由于兩固溶體的成分結(jié)構(gòu)的差別，總有一個(gè)固相先形核，形核，由于兩固溶體的成分結(jié)構(gòu)的差別，總有一個(gè)固相先形核，它稱為領(lǐng)先相，設(shè)領(lǐng)先相為它稱為領(lǐng)先相，設(shè)領(lǐng)先相為

21、，由于，由于富富A A組元，其生長(zhǎng)時(shí)附組元，其生長(zhǎng)時(shí)附近液體則富近液體則富B B組元，組元，的存在和液體中的存在和液體中B B的富集，的富集，相將附著在相將附著在上形核并長(zhǎng)大，同理在上形核并長(zhǎng)大，同理在相外將附著相外將附著的形核長(zhǎng)大。這種方的形核長(zhǎng)大。這種方式就是交替形核。此外也有人認(rèn)為交替形核是以邊緣橋接生長(zhǎng)式就是交替形核。此外也有人認(rèn)為交替形核是以邊緣橋接生長(zhǎng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 二、共晶體的形成二、共晶體的形成生長(zhǎng)特點(diǎn)生長(zhǎng)特點(diǎn)共同生長(zhǎng)共同生長(zhǎng) 兩個(gè)相長(zhǎng)大時(shí)都要兩個(gè)相長(zhǎng)大時(shí)都要排放相應(yīng)的溶質(zhì)組元，排出的溶排放相應(yīng)的溶質(zhì)組元，排出的溶質(zhì)將阻礙自身的生長(zhǎng)，但兩相同質(zhì)將阻礙自身的生長(zhǎng)，但

22、兩相同時(shí)生長(zhǎng)時(shí)，一相排出的組元正是時(shí)生長(zhǎng)時(shí)，一相排出的組元正是另一相生長(zhǎng)所需要的，所以兩相另一相生長(zhǎng)所需要的，所以兩相的生長(zhǎng)過(guò)程將互相促進(jìn)，最后是的生長(zhǎng)過(guò)程將互相促進(jìn)，最后是兩相共同攜手長(zhǎng)大。由于兩固相兩相共同攜手長(zhǎng)大。由于兩固相的成分是固定的，綜合成分應(yīng)和的成分是固定的，綜合成分應(yīng)和液體的成分相同，它們的數(shù)量反液體的成分相同，它們的數(shù)量反映在二者的厚度相對(duì)比例上。映在二者的厚度相對(duì)比例上。 二、共晶體的形成二、共晶體的形成組織特點(diǎn)組織特點(diǎn) 當(dāng)兩個(gè)固相都是金屬性較當(dāng)兩個(gè)固相都是金屬性較強(qiáng)相時(shí)，共晶體一般生長(zhǎng)成層強(qiáng)相時(shí)，共晶體一般生長(zhǎng)成層片狀。當(dāng)兩相的相對(duì)數(shù)量比相片狀。當(dāng)兩相的相對(duì)數(shù)量比相差懸殊

23、時(shí)，在界面能的作用下，差懸殊時(shí)，在界面能的作用下，數(shù)量較小的相將收縮為條、棒數(shù)量較小的相將收縮為條、棒狀，更少時(shí)為纖維狀，甚至為狀，更少時(shí)為纖維狀，甚至為點(diǎn)點(diǎn)( (球球) )狀。狀。 當(dāng)有一相或兩相都具有較強(qiáng)的非金屬性時(shí)，它們表現(xiàn)出較當(dāng)有一相或兩相都具有較強(qiáng)的非金屬性時(shí)，它們表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性，不同方向的生長(zhǎng)速度不同，并且有特定的角度強(qiáng)的各向異性，不同方向的生長(zhǎng)速度不同，并且有特定的角度關(guān)系，同時(shí)生長(zhǎng)過(guò)程要求的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度也有差異，往往有一個(gè)關(guān)系，同時(shí)生長(zhǎng)過(guò)程要求的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度也有差異，往往有一個(gè)相在生長(zhǎng)中起主導(dǎo)作用，決定了兩相的分布，共晶體的形態(tài)也相在生長(zhǎng)中起主導(dǎo)作用，決定了兩相的分布，共晶體

24、的形態(tài)也具有獨(dú)特性，這時(shí)常見的形態(tài)有針狀、骨肋狀、蜘蛛網(wǎng)狀、螺具有獨(dú)特性，這時(shí)常見的形態(tài)有針狀、骨肋狀、蜘蛛網(wǎng)狀、螺旋狀等。旋狀等。 二、共晶體的形成二、共晶體的形成二、共晶體的形成二、共晶體的形成二、共晶體的形成二、共晶體的形成三、典型合金的凝固三、典型合金的凝固1. 1. 合金合金IV(IV(成分在成分在E E點(diǎn)附近點(diǎn)附近) )特點(diǎn)特點(diǎn) 在液體中在液體中和和同時(shí)具有析同時(shí)具有析出條件，都可以析出。出條件，都可以析出。由于由于和和析出過(guò)程在成分析出過(guò)程在成分上可以互相補(bǔ)充和促進(jìn)，共上可以互相補(bǔ)充和促進(jìn)，共同析出。同析出。凝固過(guò)程可以在恒溫下進(jìn)行凝固過(guò)程可以在恒溫下進(jìn)行到結(jié)束。到結(jié)束。最終得到

25、兩相交替的混合組最終得到兩相交替的混合組織?？?。結(jié)論結(jié)論：合金合金(成分在成分在E E點(diǎn)附近點(diǎn)附近) L ) L + + 轉(zhuǎn)變發(fā)生在轉(zhuǎn)變發(fā)生在T TE E溫度，溫度，得到得到的兩項(xiàng)交替分布的組織稱為的兩項(xiàng)交替分布的組織稱為共晶體共晶體。 三、典型合金的凝固三、典型合金的凝固2. 2. 合金合金(成分在成分在AGAG之間之間) ) L L L+L+ 轉(zhuǎn)變過(guò)程完全同固溶體，最轉(zhuǎn)變過(guò)程完全同固溶體，最后組織為單相固溶體。后組織為單相固溶體。 3. 3. 合金合金(成分在成分在GCGC之間之間) ) L L L+L+ + +IIII 在到在到CGCG線之前同線之前同固溶體，到固溶體，到CGCG線之下，

26、線之下，相中溶劑相中溶劑B B組元的量為過(guò)飽和，從中將有組元的量為過(guò)飽和，從中將有相析出。相析出。一般從固態(tài)一般從固態(tài)析出的析出的相在的內(nèi)部成點(diǎn)狀分布。值得指出的是相在的內(nèi)部成點(diǎn)狀分布。值得指出的是量少時(shí)往往量少時(shí)往往先在先在的晶界處，此外，固態(tài)析出轉(zhuǎn)變?cè)舆w移和的晶界處，此外，固態(tài)析出轉(zhuǎn)變?cè)舆w移和形核較困難，當(dāng)過(guò)飽和形核較困難，當(dāng)過(guò)飽和度不大時(shí)，這個(gè)析出往往不發(fā)生。度不大時(shí)，這個(gè)析出往往不發(fā)生。 三、典型合金的凝固三、典型合金的凝固4.4.合金合金(成分在成分在CECE之間之間) )L L L+L+ 初初+(+(L+L+) (+) (初初+ + IIII)+(+)+(+)共共 在到達(dá)在到達(dá)

27、T TE E溫度前轉(zhuǎn)變同固溶體的轉(zhuǎn)變溫度前轉(zhuǎn)變同固溶體的轉(zhuǎn)變, ,在在T TE E溫度溫度下剩余的液體下剩余的液體轉(zhuǎn)變同轉(zhuǎn)變同共晶成共晶成分分E(E(合金合金)的轉(zhuǎn)變。的轉(zhuǎn)變。 三、典型合金的凝固三、典型合金的凝固室溫下的平衡相室溫下的平衡相室溫下的組織組成物室溫下的組織組成物四、共晶合金非平衡凝固四、共晶合金非平衡凝固1 1、冷卻速度較快、冷卻速度較快，共晶體的形成轉(zhuǎn)變進(jìn)行較快，共晶體中兩，共晶體的形成轉(zhuǎn)變進(jìn)行較快，共晶體中兩相的層片間距變小相的層片間距變小( (相對(duì)的比例仍舊不變相對(duì)的比例仍舊不變) )；非共晶部分的轉(zhuǎn)變；非共晶部分的轉(zhuǎn)變同固溶體的非平衡轉(zhuǎn)變。同固溶體的非平衡轉(zhuǎn)變。 2 2

28、、偽共晶、偽共晶 在共晶點(diǎn)附近非共在共晶點(diǎn)附近非共晶成分的合金在快速冷卻時(shí)，少晶成分的合金在快速冷卻時(shí)，少量初生相的析出未進(jìn)行就被冷卻量初生相的析出未進(jìn)行就被冷卻到共晶溫度以下，直接發(fā)生共晶到共晶溫度以下，直接發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，可以得到全部的共晶體組轉(zhuǎn)變，可以得到全部的共晶體組織，這種組織稱為偽共晶。它們織，這種組織稱為偽共晶。它們的形貌和共晶體沒(méi)有明顯的差別，的形貌和共晶體沒(méi)有明顯的差別，僅內(nèi)部?jī)上嗟臄?shù)量比有覺察不到僅內(nèi)部?jī)上嗟臄?shù)量比有覺察不到差別。差別。 四、共晶合金非平衡凝固四、共晶合金非平衡凝固3 3、亞、亞( (過(guò)過(guò)) )共晶共晶成分的合金在快成分的合金在快速冷卻時(shí)，由固溶體析出和偽共速

29、冷卻時(shí)，由固溶體析出和偽共晶轉(zhuǎn)變綜合可知，晶轉(zhuǎn)變綜合可知，初晶的晶粒初晶的晶粒細(xì)化；細(xì)化；初生相內(nèi)有晶內(nèi)偏析初生相內(nèi)有晶內(nèi)偏析( (可能為枝晶偏析可能為枝晶偏析) )；共晶體細(xì)共晶體細(xì)化且多為偽共晶；化且多為偽共晶；共晶體的數(shù)共晶體的數(shù)量多于平衡態(tài)。量多于平衡態(tài)。 4 4、出現(xiàn)非平衡共晶、出現(xiàn)非平衡共晶 C C點(diǎn)附近未到共晶平衡的合金，在冷卻到點(diǎn)附近未到共晶平衡的合金，在冷卻到共晶溫度以下時(shí)，固溶體凝固未完成，余下的液體成分也到共共晶溫度以下時(shí)，固溶體凝固未完成，余下的液體成分也到共晶成分附近，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。這種本不應(yīng)該有共晶體的材料因晶成分附近，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。這種本不應(yīng)該有共晶體的材料因冷卻

30、速度過(guò)快，發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變而生成的共晶體稱為非平衡共冷卻速度過(guò)快，發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變而生成的共晶體稱為非平衡共晶。非平衡共晶的數(shù)量隨冷卻速度的加快而增加，但總量較少，晶。非平衡共晶的數(shù)量隨冷卻速度的加快而增加，但總量較少，一般出現(xiàn)在幾個(gè)晶粒的交界處。一般出現(xiàn)在幾個(gè)晶粒的交界處。 四、共晶合金非平衡凝固四、共晶合金非平衡凝固5 5、離異共晶、離異共晶 在在C C點(diǎn)附近凝固形成的共晶體數(shù)量較少時(shí)，有時(shí)點(diǎn)附近凝固形成的共晶體數(shù)量較少時(shí)，有時(shí)共晶體中的同初生相相同的一相依附在初生相上，另一相擠到共晶體中的同初生相相同的一相依附在初生相上，另一相擠到初生相的晶界單獨(dú)存在，這種見不到共晶形貌的共晶體稱為離初生相

31、的晶界單獨(dú)存在，這種見不到共晶形貌的共晶體稱為離異共晶。它可發(fā)生在平衡凝固時(shí)，而非平衡共晶有時(shí)也以離異異共晶。它可發(fā)生在平衡凝固時(shí)，而非平衡共晶有時(shí)也以離異共晶的形式出現(xiàn)。共晶的形式出現(xiàn)。第三節(jié)第三節(jié) 二元包晶相圖二元包晶相圖一、相圖形式一、相圖形式 兩組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，固態(tài)下有限溶解，并且發(fā)生包兩組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，固態(tài)下有限溶解，并且發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變。晶轉(zhuǎn)變。 相圖的構(gòu)成相圖的構(gòu)成：acac和和bcbc為兩液相線，為兩液相線，與其對(duì)應(yīng)的與其對(duì)應(yīng)的adad和和bpbp為兩固相線；為兩固相線；dfdf和和pgpg固溶體固溶體、的溶解度隨溫度的溶解度隨溫度變化線；變化線；dpcdpc為包晶轉(zhuǎn)變

32、線。為包晶轉(zhuǎn)變線。它們分隔相圖為三個(gè)單相區(qū)它們分隔相圖為三個(gè)單相區(qū)L L、；三個(gè)雙相區(qū)；三個(gè)雙相區(qū)L L、L L、； 一個(gè)三相區(qū)一個(gè)三相區(qū) L L，即即水平線水平線dpcdpc為包晶線。為包晶線。包晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變 L+L+ 二、包晶體轉(zhuǎn)變二、包晶體轉(zhuǎn)變過(guò)程過(guò)程 在液相區(qū)為液體的冷卻，進(jìn)入在液相區(qū)為液體的冷卻，進(jìn)入兩相區(qū)，發(fā)生與固溶體凝固相同的兩相區(qū)，發(fā)生與固溶體凝固相同的凝固轉(zhuǎn)變，到達(dá)凝固轉(zhuǎn)變，到達(dá)P P點(diǎn)，液體的成分為點(diǎn)，液體的成分為C C，固體的成分為，固體的成分為D D。 從從L+L+相區(qū)可知也滿足液體和相區(qū)可知也滿足液體和相的平衡，相的平衡，與與C C成分成分液體液體平衡還有平衡還有P

33、 P成分的固體成分的固體相。相。 成分為成分為P點(diǎn)合金的凝固點(diǎn)合金的凝固二、包晶體轉(zhuǎn)變二、包晶體轉(zhuǎn)變過(guò)程過(guò)程 相的形核在相的形核在相晶體和液體相晶體和液體的邊界處，由于的邊界處，由于相的成分介于相的成分介于液體和液體和相之間，所以它是靠消相之間，所以它是靠消耗部分已有的耗部分已有的相和部分液體來(lái)相和部分液體來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。成分為成分為P點(diǎn)合金的凝固點(diǎn)合金的凝固 相的生長(zhǎng)在液體和相的生長(zhǎng)在液體和相的交相的交界面處最有利，沿邊界同時(shí)消耗界面處最有利，沿邊界同時(shí)消耗液體和液體和相來(lái)長(zhǎng)大，形成的相來(lái)長(zhǎng)大，形成的相相包圍在包圍在相外圍，將相外圍，將相與液體相與液體分隔開，所以把這種轉(zhuǎn)變稱為包分隔開，所以把

34、這種轉(zhuǎn)變稱為包晶轉(zhuǎn)變。晶轉(zhuǎn)變。 二、包晶體轉(zhuǎn)變二、包晶體轉(zhuǎn)變過(guò)程過(guò)程 在略低于在略低于T TP P的溫度下，進(jìn)一步的溫度下，進(jìn)一步的生長(zhǎng)過(guò)程，伴隨的生長(zhǎng)過(guò)程，伴隨A A組元從組元從相穿過(guò)相穿過(guò)相到達(dá)液體界面，液體轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗟竭_(dá)液體界面，液體轉(zhuǎn)變?yōu)橄啵瑫r(shí)多余的相，同時(shí)多余的B B組元穿過(guò)組元穿過(guò)相到達(dá)相到達(dá)相界面，相界面，相中相中B B組元的減少使部組元的減少使部分分相轉(zhuǎn)變?yōu)橄噢D(zhuǎn)變?yōu)橄嘁员ＷC相以保證相要求相要求的成分。即的成分。即相長(zhǎng)大的過(guò)程是相長(zhǎng)大的過(guò)程是A A組元組元穿過(guò)穿過(guò)相向液體處擴(kuò)散，相向液體處擴(kuò)散，B B組元穿過(guò)組元穿過(guò)相向相向相處擴(kuò)散，同時(shí)消耗液相相處擴(kuò)散，同時(shí)消耗液相和和相。相。

35、 成分為成分為P點(diǎn)合金的凝固點(diǎn)合金的凝固二、包晶體轉(zhuǎn)變二、包晶體轉(zhuǎn)變過(guò)程過(guò)程 開始發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變時(shí)開始發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變時(shí)相的數(shù)量為相的數(shù)量為 ： 成分為成分為P點(diǎn)合金的凝固點(diǎn)合金的凝固PCdPWWL相的成分在相的成分在P P點(diǎn)，液體和點(diǎn)，液體和相的成相的成分分別在分分別在C C、D D，所以它們消耗的比，所以它們消耗的比例例：PCdPWWL這這兩兩個(gè)比例恰好個(gè)比例恰好相等，理論上講相等，理論上講液液體和體和相同時(shí)消耗完畢，得到單一相同時(shí)消耗完畢，得到單一的的相晶體。相晶體。 三、典型合金的冷卻轉(zhuǎn)變?nèi)?、典型合金的冷卻轉(zhuǎn)變 1. B1. B組元的含量在組元的含量在DPDP之間之間 到達(dá)包晶轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，發(fā)

36、生包晶轉(zhuǎn)到達(dá)包晶轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，比較可知，固相將有剩余，殘余的變，比較可知，固相將有剩余，殘余的相在相在相的晶粒內(nèi)部。相的晶粒內(nèi)部。2. 2. B B組元的含量在組元的含量在PCPC之間之間 同理同理到達(dá)包晶轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，發(fā)生包晶到達(dá)包晶轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變，包晶轉(zhuǎn)變以包晶轉(zhuǎn)變以相消耗完而相消耗完而結(jié)束。再剩余的液體進(jìn)入結(jié)束。再剩余的液體進(jìn)入L L兩兩相平衡相區(qū)，按固溶體的凝固方相平衡相區(qū)，按固溶體的凝固方式轉(zhuǎn)變，成分分別沿式轉(zhuǎn)變，成分分別沿CBCB和和PBPB曲線曲線變化，直到液體全部消耗為止。變化，直到液體全部消耗為止。最終的組織為單一的最終的組織為單一的相。相。 其他成

37、分不發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，不再重復(fù)分析。其他成分不發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，不再重復(fù)分析。四、非平衡轉(zhuǎn)變組織四、非平衡轉(zhuǎn)變組織 包晶轉(zhuǎn)變過(guò)程伴隨組元在包晶轉(zhuǎn)變過(guò)程伴隨組元在相的固體中擴(kuò)散遷移，因此包相的固體中擴(kuò)散遷移，因此包晶轉(zhuǎn)變進(jìn)行的非常緩慢，達(dá)到上述情況是理想的平衡分析，實(shí)晶轉(zhuǎn)變進(jìn)行的非常緩慢，達(dá)到上述情況是理想的平衡分析，實(shí)際冷卻很難實(shí)現(xiàn)。際冷卻很難實(shí)現(xiàn)。 在一般的冷卻條件下，包晶轉(zhuǎn)變未在一般的冷卻條件下，包晶轉(zhuǎn)變未結(jié)束，系統(tǒng)已經(jīng)到結(jié)束，系統(tǒng)已經(jīng)到T TP P以下的溫度，液體以下的溫度，液體將將將將按按L L兩相平衡規(guī)律直接凝固結(jié)兩相平衡規(guī)律直接凝固結(jié)晶。晶。P P點(diǎn)成分的合金一方面會(huì)有部分點(diǎn)成分的合金一方

38、面會(huì)有部分相殘留，另一方面相殘留，另一方面相的成分偏離相的成分偏離P P點(diǎn)，點(diǎn)，以這種不平衡的組織保留下來(lái)。以這種不平衡的組織保留下來(lái)。 成分在成分在DP之間的合金，由于包晶轉(zhuǎn)變的不充分，在之間的合金，由于包晶轉(zhuǎn)變的不充分，在相相的晶界處會(huì)有液體直接凝固生成的的晶界處會(huì)有液體直接凝固生成的相存在。相存在。 成分在成分在PCPC之間的合金，本來(lái)不應(yīng)該有剩余的之間的合金，本來(lái)不應(yīng)該有剩余的相，相，由于包由于包晶轉(zhuǎn)變的不充分，在晶轉(zhuǎn)變的不充分，在相的晶體內(nèi)部將會(huì)有殘留的相的晶體內(nèi)部將會(huì)有殘留的相存在。相存在。 第四節(jié)第四節(jié) 復(fù)雜二元相圖分析方法復(fù)雜二元相圖分析方法一、相圖形式一、相圖形式1 1、形成

39、穩(wěn)定化合物的相圖、形成穩(wěn)定化合物的相圖一、相圖形式一、相圖形式2 2、固態(tài)轉(zhuǎn)變的相圖、固態(tài)轉(zhuǎn)變的相圖二、分析方法二、分析方法1、二元相圖中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變二元相圖中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變 兩個(gè)組元構(gòu)成的相圖，盡管最多只能出現(xiàn)三相平衡，但實(shí)際材料中由兩個(gè)組元構(gòu)成的相圖，盡管最多只能出現(xiàn)三相平衡，但實(shí)際材料中由于兩組元往往能生成不同的化合物，實(shí)際的二元相圖有一些就相當(dāng)復(fù)雜。于兩組元往往能生成不同的化合物，實(shí)際的二元相圖有一些就相當(dāng)復(fù)雜。 二、分析方法二、分析方法2、復(fù)雜相圖分析方法復(fù)雜相圖分析方法 高溫下大多為均勻的液相，組元在兩邊線，附近有組元為溶高溫下大多為均勻的液相，組元在兩邊線，附近有組元為溶劑的固

40、溶體劑的固溶體( (端際固溶體端際固溶體) )，可能有的溶解度非常小，固溶體，可能有的溶解度非常小，固溶體區(qū)域縮小近似為直線。區(qū)域縮小近似為直線。在相圖的中部所有找到生成的化合物在相圖的中部所有找到生成的化合物( (中間相中間相) )，這些中間相，這些中間相為溶劑，溶入組元形成單相區(qū)。非常穩(wěn)定的化合物，特別是為溶劑，溶入組元形成單相區(qū)。非常穩(wěn)定的化合物，特別是正常價(jià)化合物，溶解組元的能力非常低，退化為直線。正常價(jià)化合物，溶解組元的能力非常低，退化為直線。 以中間的單相區(qū)為界將相圖分割成若干區(qū)域，則每個(gè)區(qū)域?yàn)橐灾虚g的單相區(qū)為界將相圖分割成若干區(qū)域，則每個(gè)區(qū)域?yàn)橐呀?jīng)討論過(guò)的簡(jiǎn)單相圖，按簡(jiǎn)單相圖的規(guī)

41、律來(lái)分析。已經(jīng)討論過(guò)的簡(jiǎn)單相圖，按簡(jiǎn)單相圖的規(guī)律來(lái)分析。也可以用水平線為中心，即三相平衡為基礎(chǔ)來(lái)劃分區(qū)間，分也可以用水平線為中心，即三相平衡為基礎(chǔ)來(lái)劃分區(qū)間，分解復(fù)雜相圖為基本類型。解復(fù)雜相圖為基本類型。 以中間的單相區(qū)為界將相圖分割成若干區(qū)域，則每個(gè)區(qū)以中間的單相區(qū)為界將相圖分割成若干區(qū)域，則每個(gè)區(qū)域?yàn)橐呀?jīng)討論過(guò)的簡(jiǎn)單相圖，按簡(jiǎn)單相圖的規(guī)律來(lái)分析。域?yàn)橐呀?jīng)討論過(guò)的簡(jiǎn)單相圖，按簡(jiǎn)單相圖的規(guī)律來(lái)分析。 三、相圖與材料性能的聯(lián)系三、相圖與材料性能的聯(lián)系1. 1. 力學(xué)、物理性能力學(xué)、物理性能三、相圖與材料性能的聯(lián)系三、相圖與材料性能的聯(lián)系2.2.加工的工藝性能加工的工藝性能四四、鐵鐵- -碳合金相

42、圖碳合金相圖相圖組元與基本相相圖介紹結(jié)晶過(guò)程及組織（含石墨組織的Fe-C合金稱為灰口鑄鐵）虛線部分相圖 石墨比滲碳體更為穩(wěn)定，有較低的吉布斯自由能，在比Cm更小的過(guò)冷度下形成，因而石墨的析出線、共晶和共析溫度均高于Fe-Fe3C系。 含有石墨組織的Fe-C合金稱為灰口鑄鐵。第五節(jié)第五節(jié) 三元合金三元合金 三元相圖的基本知識(shí) 三元?jiǎng)蚓鄨D 三元系中的三相平衡5-1 5-1 三元相圖成分表示方法三元相圖成分表示方法 等邊三角形法等邊三角形法 濃度三角形濃度三角形 等腰三角形法等腰三角形法 直角坐標(biāo)法直角坐標(biāo)法 三元相圖的基本形狀三元相圖的基本形狀等邊三角形法等邊三角形法 取等邊三角形取等邊三角形A

43、BCABC，三個(gè)，三個(gè)頂點(diǎn)表示三個(gè)純組元；三個(gè)頂點(diǎn)表示三個(gè)純組元；三個(gè)邊各定為邊各定為100100，分別代表，分別代表A AB B、B BC C、C CA A三個(gè)二元系三個(gè)二元系的成分；位于三角形內(nèi)的點(diǎn)的成分；位于三角形內(nèi)的點(diǎn)代表三元系的成分。代表三元系的成分。 在三角形內(nèi)任取一點(diǎn)在三角形內(nèi)任取一點(diǎn)X X，由由X X順次作平行于三個(gè)邊的線順次作平行于三個(gè)邊的線段段xaxa、xbxb、xcxc，如果將三角，如果將三角形的邊長(zhǎng)定為形的邊長(zhǎng)定為100%100%，則有，則有 xa+xb+xc = AB = 100%xa+xb+xc = AB = 100%?？??？梢杂靡杂脁a, xb, xcxa, xb

44、, xc分別表示組分別表示組元元A A、B B、C C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。濃度三角形中的特定線濃度三角形中的特定線平行于一邊的直線上所平行于一邊的直線上所有點(diǎn)，表示這個(gè)邊對(duì)應(yīng)頂有點(diǎn)，表示這個(gè)邊對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)的組元含量均相等；點(diǎn)的組元含量均相等；過(guò)一頂點(diǎn)的直線上所有過(guò)一頂點(diǎn)的直線上所有點(diǎn)，表示另兩個(gè)頂點(diǎn)代表點(diǎn)，表示另兩個(gè)頂點(diǎn)代表的兩組元的含量比為一定的兩組元的含量比為一定值。值。 在相圖的應(yīng)用在相圖的應(yīng)用時(shí)，所時(shí)，所作作的垂直截面往往過(guò)這兩的垂直截面往往過(guò)這兩類直線。類直線。 等腰梯形法等腰梯形法 取等邊三角形取等邊三角形ABCABC的一部的一部分，用不同的比例組成等腰分，用不同的比例組成等腰梯形

45、。梯形。直角坐標(biāo)法直角坐標(biāo)法 在三元系中，如果以一個(gè)在三元系中，如果以一個(gè)組元為主體，另外兩組元的組元為主體，另外兩組元的含量較低，例如鑄鐵中分析含量較低，例如鑄鐵中分析的的FeFeC CP P系，可以采用直系，可以采用直角坐標(biāo)，稱直角三角形法。角坐標(biāo)，稱直角三角形法。如圖所示，其中一個(gè)坐標(biāo)軸如圖所示，其中一個(gè)坐標(biāo)軸表示表示B B組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，另組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，另一個(gè)坐標(biāo)軸表示一個(gè)坐標(biāo)軸表示C C組元的質(zhì)組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，則余下部分就是量分?jǐn)?shù)，則余下部分就是A A組元的分?jǐn)?shù)。在直角坐標(biāo)中，組元的分?jǐn)?shù)。在直角坐標(biāo)中，根據(jù)兩組元的含量變化范圍，根據(jù)兩組元的含量變化范圍，可以采用不同比例的刻度?？梢?/p>

46、采用不同比例的刻度。 XA = 100% - XB - XC 三元相圖的基本形狀三元相圖的基本形狀 以濃度平面為基礎(chǔ)，垂直于濃以濃度平面為基礎(chǔ)，垂直于濃度平面的高度坐標(biāo)為溫度，以此構(gòu)度平面的高度坐標(biāo)為溫度，以此構(gòu)成的空間圖形，空間中任一點(diǎn)代表成的空間圖形，空間中任一點(diǎn)代表了系統(tǒng)一固定狀態(tài)，在圖中表示每了系統(tǒng)一固定狀態(tài)，在圖中表示每一狀態(tài)的相平衡情況，相區(qū)之間分一狀態(tài)的相平衡情況，相區(qū)之間分界也有二元相圖的曲線發(fā)展為曲面。界也有二元相圖的曲線發(fā)展為曲面。如果濃度平面為濃度三角形，則其如果濃度平面為濃度三角形，則其三元相圖為三棱柱體，它的三個(gè)側(cè)三元相圖為三棱柱體，它的三個(gè)側(cè)面為三組元兩兩組成的二元

47、相圖。面為三組元兩兩組成的二元相圖。要認(rèn)識(shí)三元相圖，必須熟悉二元相要認(rèn)識(shí)三元相圖，必須熟悉二元相圖的所有規(guī)律。圖的所有規(guī)律。 5-2 5-2 三元?jiǎng)蚓鄨D三元?jiǎng)蚓鄨D相圖分析相圖分析 水平截面圖水平截面圖 合金的平衡冷卻凝固過(guò)程合金的平衡冷卻凝固過(guò)程垂直截面圖垂直截面圖 三元相圖的基本形狀三元相圖的基本形狀三元?jiǎng)蚓鄨D分析三元?jiǎng)蚓鄨D分析 形成條件：三組元在液態(tài)和固態(tài)都能無(wú)限互溶。形成條件：三組元在液態(tài)和固態(tài)都能無(wú)限互溶?？臻g形貌：三棱柱體的相圖，三空間形貌：三棱柱體的相圖，三個(gè)側(cè)面為兩兩組成的三個(gè)二元?jiǎng)騻€(gè)側(cè)面為兩兩組成的三個(gè)二元?jiǎng)蚓鄨D，內(nèi)部有兩個(gè)曲面將相圖晶相圖，內(nèi)部有兩個(gè)曲面將相圖分為三

48、個(gè)區(qū)間。分為三個(gè)區(qū)間。點(diǎn)：在三組元的上方有三個(gè)點(diǎn)點(diǎn)：在三組元的上方有三個(gè)點(diǎn)a a、b b、c c分別為三組元的熔點(diǎn)。分別為三組元的熔點(diǎn)。曲面：上面的曲面稱為液相面，曲面：上面的曲面稱為液相面，下面的曲面稱為固相面。下面的曲面稱為固相面。相區(qū)：液相區(qū)相區(qū)：液相區(qū)液相面之上；液相面之上； 固相區(qū)固相區(qū)固相面以下；兩相區(qū)固相面以下；兩相區(qū)液相面和固相面之間包圍的液相面和固相面之間包圍的區(qū)間區(qū)間L L。水平截面圖水平截面圖( (等溫截面等溫截面) ) 那么那么m m、n n、o o點(diǎn)必然共一直線，成分為點(diǎn)必然共一直線，成分為O O的合金得到的兩平衡的合金得到的兩平衡相的相對(duì)數(shù)量比為：相的相對(duì)數(shù)量比為：

49、 當(dāng)溫度一定，可以在當(dāng)溫度一定，可以在等溫截面圖上來(lái)分析，材等溫截面圖上來(lái)分析，材料的成分料的成分o o若處在兩相區(qū)，若處在兩相區(qū)，這時(shí)系統(tǒng)達(dá)到平衡這時(shí)系統(tǒng)達(dá)到平衡( (即穩(wěn)即穩(wěn)定定) )狀態(tài)，平衡的液相成狀態(tài)，平衡的液相成分應(yīng)在空間的液相面上，分應(yīng)在空間的液相面上，在等溫截面圖的液相線上，在等溫截面圖的液相線上，同樣平衡的固相的成分點(diǎn)同樣平衡的固相的成分點(diǎn)在截面圖的固相線上，如在截面圖的固相線上，如圖中的圖中的m m、n n兩點(diǎn)。兩點(diǎn)。 水平截面圖水平截面圖連接線連接線 連接線上各成分的合金在連接線上各成分的合金在該溫度下平衡的兩相成分為該溫度下平衡的兩相成分為連接線兩端點(diǎn)的成分。液相連接線

50、兩端點(diǎn)的成分。液相線上每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的液體都有線上每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的液體都有固定的固相與之平衡，即在固定的固相與之平衡，即在液相線上每一點(diǎn)在固相線上液相線上每一點(diǎn)在固相線上都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，所都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，所以把這兩條線稱為共軛線。以把這兩條線稱為共軛線。在一定溫度下，同一成分的在一定溫度下，同一成分的合金有固定的平衡相，所以合金有固定的平衡相，所以連接線不可能相交。連接線不可能相交。 在給定的溫度下，兩平衡相的成分之間的連接線段在給定的溫度下，兩平衡相的成分之間的連接線段稱為連接線。上述的線段稱為連接線。上述的線段mnmn就是連接線。就是連接線。水平截面圖水平截面圖柯氏法則柯氏法則 在給定

51、溫度下，平衡的在給定溫度下，平衡的液相和固相之間，低熔點(diǎn)液相和固相之間，低熔點(diǎn)的組元在液相中的分?jǐn)?shù)應(yīng)的組元在液相中的分?jǐn)?shù)應(yīng)高于在固相中的分?jǐn)?shù)。高于在固相中的分?jǐn)?shù)。 因此在連接線中任取因此在連接線中任取一點(diǎn)，過(guò)該點(diǎn)和成分三角一點(diǎn)，過(guò)該點(diǎn)和成分三角形的某一頂點(diǎn)連接一直線，形的某一頂點(diǎn)連接一直線，則連接線的兩端點(diǎn)在這直則連接線的兩端點(diǎn)在這直線的兩邊，其中液體點(diǎn)應(yīng)線的兩邊，其中液體點(diǎn)應(yīng)在直線分隔的另兩組元的在直線分隔的另兩組元的低熔點(diǎn)那一邊。低熔點(diǎn)那一邊。 合金的平衡冷卻凝固過(guò)程合金的平衡冷卻凝固過(guò)程 合金合金O O自液態(tài)冷卻下來(lái)，開始是自液態(tài)冷卻下來(lái)，開始是液體的降溫，直到液相面的溫度液體的降溫，直

52、到液相面的溫度t tS S，溫度再下降時(shí)，液態(tài)具有一定的過(guò)溫度再下降時(shí)，液態(tài)具有一定的過(guò)冷度，開始凝固，形核長(zhǎng)大析出的冷度，開始凝固，形核長(zhǎng)大析出的固體固體，在這溫度下可達(dá)到液固，在這溫度下可達(dá)到液固平衡，平衡時(shí)液體的成分在液相面平衡，平衡時(shí)液體的成分在液相面上某一點(diǎn)，固相成分也應(yīng)在固相面上某一點(diǎn)，固相成分也應(yīng)在固相面上的某一點(diǎn)。溫度不斷下降，液體上的某一點(diǎn)。溫度不斷下降，液體的數(shù)量在逐漸減少，固體的數(shù)量不的數(shù)量在逐漸減少，固體的數(shù)量不斷增加，液體的成分變化一直在液斷增加，液體的成分變化一直在液相面上，而固體的成分變化在固相相面上，而固體的成分變化在固相面上。到達(dá)和固相面交點(diǎn)溫度面上。到達(dá)和固

53、相面交點(diǎn)溫度t tf f時(shí)，時(shí)，液體全部消失，得到成分為液體全部消失，得到成分為O O的均勻的均勻固溶體。隨后溫度下降僅是固體的固溶體。隨后溫度下降僅是固體的冷卻降溫，組織不發(fā)生變化。冷卻降溫，組織不發(fā)生變化。 合金的平衡冷卻凝固過(guò)程合金的平衡冷卻凝固過(guò)程 整個(gè)結(jié)晶在一溫度范圍內(nèi)完成，整個(gè)結(jié)晶在一溫度范圍內(nèi)完成，由于有結(jié)晶潛熱的放出，在冷卻曲由于有結(jié)晶潛熱的放出，在冷卻曲線上凝固時(shí)下降平緩，曲線在凝固線上凝固時(shí)下降平緩，曲線在凝固開始和結(jié)束處有明顯的轉(zhuǎn)折。開始和結(jié)束處有明顯的轉(zhuǎn)折。 如果不過(guò)分考究轉(zhuǎn)變過(guò)程的內(nèi)如果不過(guò)分考究轉(zhuǎn)變過(guò)程的內(nèi)涵，三元?jiǎng)蚓Х磻?yīng)的過(guò)程與二勻晶涵，三元?jiǎng)蚓Х磻?yīng)的過(guò)程與二勻晶

54、反應(yīng)基本相同。都是進(jìn)行選分結(jié)晶，反應(yīng)基本相同。都是進(jìn)行選分結(jié)晶，在平衡緩慢冷卻過(guò)程中，都可得到在平衡緩慢冷卻過(guò)程中，都可得到成分均勻的固溶體。成分均勻的固溶體。 如果在非平衡冷卻過(guò)程，同樣如果在非平衡冷卻過(guò)程，同樣會(huì)出現(xiàn)晶內(nèi)偏析，若晶體以樹枝晶會(huì)出現(xiàn)晶內(nèi)偏析，若晶體以樹枝晶方式長(zhǎng)大，便得到枝晶偏析組織。方式長(zhǎng)大，便得到枝晶偏析組織。在結(jié)晶過(guò)程中，也存在成分過(guò)冷的在結(jié)晶過(guò)程中，也存在成分過(guò)冷的影響。影響。 兩相平衡成分變化規(guī)律兩相平衡成分變化規(guī)律 三元?jiǎng)蚓У哪探Y(jié)晶過(guò)程中，三元?jiǎng)蚓У哪探Y(jié)晶過(guò)程中，盡管液相的成分變化在液相面上，盡管液相的成分變化在液相面上，起軌跡是一曲線，但這條曲線并不起軌跡是

55、一曲線，但這條曲線并不在一個(gè)平面上，是一條空間曲線；在一個(gè)平面上，是一條空間曲線；同樣固相的成分變化也是在固相面同樣固相的成分變化也是在固相面上的一空間曲線。上的一空間曲線。 勻晶合金凝固過(guò)程中在每一溫勻晶合金凝固過(guò)程中在每一溫度下平衡都有對(duì)應(yīng)的連接線，將這度下平衡都有對(duì)應(yīng)的連接線，將這些連接線投影到成分平面上，為一些連接線投影到成分平面上，為一系列繞成分點(diǎn)系列繞成分點(diǎn)O O旋轉(zhuǎn)的線段，旋轉(zhuǎn)的線段，O O點(diǎn)分點(diǎn)分連接線兩線段的比隨結(jié)晶過(guò)程在不連接線兩線段的比隨結(jié)晶過(guò)程在不斷變化，得到的圖形類似一只蝴蝶，斷變化，得到的圖形類似一只蝴蝶，稱之為固溶體合金結(jié)晶過(guò)程中的蝴稱之為固溶體合金結(jié)晶過(guò)程中的蝴

56、蝶形跡線。跡線的外緣曲線就是結(jié)蝶形跡線。跡線的外緣曲線就是結(jié)晶過(guò)程液、固成分變化曲線的投影。晶過(guò)程液、固成分變化曲線的投影。 垂直截面圖垂直截面圖( (變溫截面變溫截面) )垂直截面圖垂直截面圖( (變溫截面變溫截面) ) 截面形狀截面形狀：截面與液相面和固相面相交，得到兩條曲線，分：截面與液相面和固相面相交，得到兩條曲線，分別稱為液相線和固相線。一般情況所的是兩邊開口的，如果截別稱為液相線和固相線。一般情況所的是兩邊開口的，如果截面過(guò)某一組元的成分點(diǎn)則有一邊是閉合，這兩曲線將圖形分為面過(guò)某一組元的成分點(diǎn)則有一邊是閉合，這兩曲線將圖形分為三個(gè)區(qū)域，即三個(gè)區(qū)域，即L L、L L、。 垂直截面圖內(nèi)

57、容垂直截面圖內(nèi)容 截面過(guò)分析合金的成分截面過(guò)分析合金的成分點(diǎn)，不同溫度下該成分在圖中點(diǎn)，不同溫度下該成分在圖中為一垂直線，垂線和兩曲線的為一垂直線，垂線和兩曲線的交點(diǎn)即為合金凝固開始和結(jié)束交點(diǎn)即為合金凝固開始和結(jié)束溫度，曲線給出了冷卻過(guò)程經(jīng)溫度，曲線給出了冷卻過(guò)程經(jīng)歷的各種相平衡，即清楚表達(dá)歷的各種相平衡，即清楚表達(dá)了凝固冷卻過(guò)程，和冷卻曲線了凝固冷卻過(guò)程，和冷卻曲線有完好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。有完好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 固溶體凝固時(shí)，液相和固相的成分變化是空間曲固溶體凝固時(shí)，液相和固相的成分變化是空間曲線，并不都在截面上，所以這是液相線和固相線的走向線，并不都在截面上，所以這是液相線和固相線的走向不代表它們的

58、成分變化，盡管形狀類似二元相圖，但這不代表它們的成分變化，盡管形狀類似二元相圖，但這里不能應(yīng)用杠桿定律來(lái)分析平衡相的成分和數(shù)量關(guān)系。里不能應(yīng)用杠桿定律來(lái)分析平衡相的成分和數(shù)量關(guān)系。 5-3 5-3 三元系中的三相平衡三元系中的三相平衡 三相平衡轉(zhuǎn)變類型三相平衡轉(zhuǎn)變類型 三相平衡區(qū)的水平截面三相平衡區(qū)的水平截面 重心法則重心法則 三相平衡區(qū)的空間形狀三相平衡區(qū)的空間形狀 三相平衡區(qū)的垂直截面三相平衡區(qū)的垂直截面 三相平衡區(qū)在成分平面上的投影三相平衡區(qū)在成分平面上的投影三相平衡轉(zhuǎn)變類型三相平衡轉(zhuǎn)變類型 按物質(zhì)不滅的原理，系統(tǒng)如果發(fā)生相轉(zhuǎn)變，降溫時(shí)，按物質(zhì)不滅的原理，系統(tǒng)如果發(fā)生相轉(zhuǎn)變，降溫時(shí)，至少

59、要有一個(gè)反應(yīng)相至少要有一個(gè)反應(yīng)相(含量減少含量減少)和一個(gè)生成相和一個(gè)生成相(含量增含量增加加)，三元系處于三相平衡，可能組合的轉(zhuǎn)變類型有兩，三元系處于三相平衡，可能組合的轉(zhuǎn)變類型有兩種：種：共晶型共晶型 是指降溫時(shí)存在一個(gè)反應(yīng)相和兩個(gè)生成相這是指降溫時(shí)存在一個(gè)反應(yīng)相和兩個(gè)生成相這一類的總稱。包括共晶、共析、偏晶等，反應(yīng)式為：一類的總稱。包括共晶、共析、偏晶等，反應(yīng)式為： 包晶型包晶型 是指降溫時(shí)存在兩個(gè)反應(yīng)相和一個(gè)生成相這是指降溫時(shí)存在兩個(gè)反應(yīng)相和一個(gè)生成相這一類的總稱。包括包晶、包析等，反應(yīng)式為：一類的總稱。包括包晶、包析等，反應(yīng)式為： 連接三角形連接三角形 如果某一成分的合金在截面的如果

60、某一成分的合金在截面的溫度下處于三相平衡，由相律溫度下處于三相平衡，由相律f = cf = cp p1 = 31 = 33 31 = 11 = 1，存在一個(gè)，存在一個(gè)自由度，平衡可以發(fā)生的一溫度范自由度，平衡可以發(fā)生的一溫度范圍，所以三元系的三相平衡轉(zhuǎn)變不圍，所以三元系的三相平衡轉(zhuǎn)變不是在一恒下進(jìn)行，即轉(zhuǎn)變過(guò)程是在是在一恒下進(jìn)行，即轉(zhuǎn)變過(guò)程是在一溫度范圍內(nèi)發(fā)生。當(dāng)溫度一定，一溫度范圍內(nèi)發(fā)生。當(dāng)溫度一定，三個(gè)平衡相的成分將是確定不變的。三個(gè)平衡相的成分將是確定不變的。在這個(gè)溫度下，連接三個(gè)平衡相的在這個(gè)溫度下，連接三個(gè)平衡相的成分點(diǎn)，就得到一三角形，這個(gè)三成分點(diǎn)，就得到一三角形，這個(gè)三角形稱為連