第五章 二元相图和合金的凝固.docx

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第五章二元相图和合金的凝固

第五章二元相图和合金的凝固

Chapter5BinaryPhaseDiagramsand

TheSolidificationofAlloys

本章基本问题：

1.组元、合金系、相、相变和相平衡等基本概念。

2．相图意义及相图测定方法。

3．相律、杠杆定律的意义及在相图中的应用。

4．匀晶相图、固溶体合金的平衡结晶和非平衡结晶。

5．共晶相图、包晶相图以及相图中各种合金的平衡和非平衡结晶。

6．用合金热力学分析绘制相图。

7．铁碳合金相图及各种钢铁材料的组织分析。

8．合金铸件的组织缺陷分析。

Questionsforchapter5

1.Whatarecomponents,alloysystems,phasesandphaseequilibrium?

2.Whatisthemeaningofphasediagramsandhowtodeterminephasediagrams?

3.Whatarethemeaningsofphaseruleandleverrule?

Howtousethem?

4.Whatdoisomorphousphasediagramslooklike?

Howtoanalyzeequilibriumandnon-equilibriumsolidificationsofsolidsolutions?

5.Whatdoeutecticandperitecticphasediagramslooklike?

6.Howtostudyphasediagramsbyusingalloythermodynamics?

7.HowtodescribeIron-carbonphasediagramsandmicrostructuresofallkindsofiron-carbonalloys?

8.Howtoanalyzemicrostructuredefectsofiron-carbonalloyscastings?

5-1相、相平衡及相图

Sec.5-1Phase,PhaseEquilibriumandPhaseDiagrams

Component:

Acomponentcanbelooselydefinedasachemicallydistinctandessentiallyindivisiblesubstance.Thecomponentsareoftenthemetallicelementsthatmakeupthesystem.Metallicelementsarenottheonlytypesofcomponentsthatcanbeusedtoformmetallicsystems,itispossibletohavesystemswithcomponentsthatarepurechemicalcompounds.

Alloy:

wedefineanalloyasamaterialthatexhibitspropertiesofametallicmaterialandismadefrommultipleelements.

Alloysystem:

alloysystemmeansallthepossiblealloysthatcanbeformedfromagivensetofcomponents.

Analloyofonecompositionisrepresentativeofathermodynamicsystem,whileanalloysystemsignifiesallcompositionsconsideredtogether.

Phase:

Aphaseisdefinedasamacroscopicallyhomogeneousbodyofmatter.

Phasediagrams:

phasediagrams,alsocalledequilibriumorconstitutiondiagrams,areaveryimportanttoolinthestudyofalloys.Theinterrelationshipsbetweenthephases,thetemperature,andthecompositioninanallysystemareshownbyphasediagramsonlyunderequilibriumconditions.

Phaserule:

thephaseruledescribestherelationshipbetweendegreesoffreedom,thenumberofcomponents,andnumberofphases.

Leverrule:

averyimportantrelationship,whichappliestoanytwo-phaseregionofatwo-component,orbinary,phasediagram,istheso-calledleverrule.

Phasediagram:

aphasediagramisagraphicalrepresentationofthephasepresentandtherangesincomposition,temperature,andpressureoverwhichthephasesarestable.

5-2匀晶相图及固溶体结晶

Sec.5.2IsomorphousPhaseDiagramandSolidificationofIsomorphousAlloys

1.Introductionofisomorphousphasediagrams

Inisomorphoussystemonlyasingletypeofcrystalstructureisobservedforallratiosofthecomponents.

Liquidusline,solidusline,phaseregions

Phaseregions:

a.theareaabovetheliquiduslineistheregionofliquid;

b.theareabetweenliquidusandsoliduslinesistheregionofsolidandliquid.

c.theareabelowthesoliduslineistheregionofsolid.

Atagiventemperature:

drawahorizontallinepassingthroughthegiventemperature,maketheintersectingpointsbyaandb:

Wewillgetinformationasfollow:

a.thealloyswhosecompositionsarelowerthatpointaareinthesolidstate;

b.thealloyswhosecompositionsarehigherthanpointbareintheliquidstate;

c.thealloyswhosecompositionsarebetweenpointsaandbareintheliquidandsolidstates,thesetwophasesareinequilibrium,andwecanknowthefractionsoftwophases.

Atagivencomposition:

drawaverticallinepassingthroughthegivencomposition,maketheintersectingpointsby1and2:

Wewillgetinformationasfollow:

a.ifthetemperatureishigherthanpoint1,itwillbeinliquidstate;

b.atpointI,itstartstosolidify;

c.itthetemperatureisbetweenpointsIand2,itwillbeinliquidandsolidstates;asthetemperaturedecreases,thecompositionsofliquidandsolidwillchangealongliquidusandsoliduslinesrespectively.

d.atpoint2,itfinishessolidification.

e.ifthetemperatureislowerthanpoint2,itwillbeinsolidstate.

1匀晶相同及其分析

（1）匀晶转变：

由液相直接结晶出单相固溶体的转变。

（2）匀晶相图：

具有匀晶转变特征的相图。

（3）相图分析（以Cu-Ni相图为例）

两点：

纯组元的熔点；

两线：

L,S相线；

三区：

L,α,L+α。

2固溶体合金的平衡结晶

（1）平衡结晶：

每个时刻都能达到平衡的结晶过程。

（2）平衡结晶过程分析

①冷却曲线：

温度－时间曲线；

②相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式，杠杆定律应用。

）；

③组织示意图；

④成分均匀化：

每时刻结晶出的固溶体的成分不同。

（3）与纯金属结晶的比较

1相同点：

基本过程：

形核－长大；

热力学条件：

⊿T>0；

能量条件：

能量起伏；

结构条件：

结构起伏。

②不同点：

合金在一个温度范围内结晶（可能性：

相率分析，必要性：

成分均匀化。

）

合金结晶是选分结晶：

需成分起伏。

3固溶体的不平衡结晶

（1）原因：

冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均匀）。

（2）结晶过程特点：

固相成分按平均成分线变化（但每一时刻符合相图）；

结晶的温度范围增大；

组织多为树枝状。

（3）成分偏析：

晶内偏析：

一个晶粒内部化学成分不均匀现象。

枝晶偏析：

树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。

（消除：

扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。

）

4稳态凝固时的溶质分布

（1）稳态凝固：

从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界层扩散出去速度的凝固过程。

（2）平衡分配系数：

在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。

k0=Cs/Cl

（3）溶质分布：

液、固相内溶质完全混合（平衡凝固）－a;

固相不混合、液相完全混合－b;

固相不混合、液相完全不混合－c；

固相不混合、液相部分混合－d。

（4）区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）

5成分过冷及其对晶体生长形态的影响

（1）成分过冷：

由成分变化与实际温度分布共同决定的过冷。

（2）形成：

界面溶质浓度从高到低－液相线温度从低到高。

（图示：

溶质分布曲线－匀晶相图－液相线温度分布曲线－实际温度分布曲线－成分过冷区。

）

（3）成分过冷形成的条件和影响因素

条件：

G/R

合金固有参数：

m,k0;

实验可控参数：

G,R。

（4）成分过冷对生长形态的影响

（正温度梯度下）G越大，成分过冷越大－生长形态：

平面状－胞状－树枝状。

5-3共晶相图及共晶转变

Sec.5.3TheEutecticPhaseDiagramandTheEutecticTransformation

Thissectionintroducesbinaryeutecticalloysystems,inwhichthetwocomponentsarenotfullymiscibleinthesolidstate.

Inthissection,wewilllearn:

1.thegenericfeaturesofeutecticphasediagrams,usingtheAg-Cusystemasthemainexample;

2.howtodescribetheequilibriumconstitutionofeutecticalloysfromthephasediagram;

3.howthecoolingcurvecharacteristicsofeutecticalloyscomparewithsimplersystems;

4.howmicrostructureofthesealloysdevelopduringcoolingfromtheliquidstate.

Foreutecticphasediagrams:

WhenT>TE（eutectictemperature）:

thefreezingprocessofallalloysissimilartothatofisomorphous;butifthecompositionsarelowerthanpointE（eutecticpoint）,theprimaryphaseisα,forthosehigherthanpointE,theprimaryphaseisβ,wenamedthemproeutecticαorproeutecticβ.

WhenT=TE,therewillbeathreephasereaction:

LwilltransformstotwodifferentsolidsαandβsimultaniouslyataconstantTandconstantcomposition.

Onephaseisconvertedintotwootherphasesortwosolidformsimultaniouslyfromasingleliquidphase.Threephasesareinequilibriumataconstantcompositionandaconstanttemperature.

Compositionslyingtotheleftofeutecticpointaredesignatedashypoeutectic,whilethosetotherightarecalledhypereutectic.Theirmicrostructuresconsistofamixtureoftheproeutecticphaseandtheeutecticstructure.

WhenT

共晶转变：

由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。

共晶相图：

具有共晶转变特征的相图。

（液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。

共晶组织：

共晶转变产物。

（是两相混合物）

1相图分析（相图三要素）

（1）点：

纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共晶、过共晶成分分界点）等。

（2）线：

结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。

（3）区：

3个单相区；3个两相区；1个三相区。

2合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）

（1）Wsn<19％的合金

①凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。

②二次相（次生相）的生成：

脱溶转变（二次析出或二次再结晶）。

③室温组织（α＋βⅡ）及其相对量计算。

（2）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＋β＋αⅡ＋βⅡ）及其相对量计算。

（3）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。

组织组成物与组织图

组织组成物：

组成材料显微组织的各个不同本质和形态的部分。

组织图：

用组织组成物填写的相图。

3不平衡结晶及其组织

（1）伪共晶

①伪共晶：

由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。

②形成原因：

不平衡结晶。

成分位于共晶点附近。

③不平衡组织

由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。

共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。

（伪共晶区偏移）

（2）不平衡共晶

1不平衡共晶：

位于共晶线以外成分的合金发生共晶反应而形成的组织。

2原因：

不平衡结晶。

成分位于共晶线以外端点附件。

（3）离异共晶

①离异共晶：

两相分离的共晶组织。

②形成原因

平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。

不平衡条件下，成分位于共晶线外两端点附。

③消除：

扩散退火。

4共晶组织的形成

（1）共晶体的形成

成分互惠－交替形核片间搭桥－促进生长

两相交替分布

共晶组织

（2）共晶体的形态

粗糙－粗糙界面：

层片状（一般情况）、棒状、纤维状（一相数量明显少于另一相）

粗糙－平滑界面：

具有不规则或复杂组织形态（由于两相微观结构不同）

所需动态过冷度不同，金属相任意长大，另一相在其间隙长大。

可得到球状、针状、花朵状、树枝状共晶体。

非金属相与液相成分差别大。

形成较大成分过冷，率先长大，形成针状、骨骼状、螺旋状、蜘蛛网状的共晶体。

（3）初生晶的形态：

金属固溶体：

粗糙界面－树枝状；非金属相：

平滑界面－规则多面体。

Havingcompletedthissection,youshouldbeableto:

1.definethetermeutectic,hypoeutecticandhypereutectic;

2.distinguishbetweenthephaseandphaseregionsofadiagram;

3.labelthephaseregionsofaeutecticphasediagram;describehowmicrostructuresofeutectic,hypoeutectic,hypereutecticandoff-eutecticalloysdevelopduringcooling.

5-4包晶相图及包晶转变

Sec.5.4ThePeritecticPhaseDiagramandThePeritecticTransformation

Theeutecticreaction,inwhichaliquidtransformsintotwosolidphases,isjustoneofthepossiblethree-phasereactionsthatcanoccurinbinarysystems.

Anotherthatappearsfrequentlyinvolvesareactionbetweenaliquidandasolidthatformsanewanddifferentsolidphase.Thisthree-phasetransformationoccursataperitecticpoint.

Forperitecticphasediagrams:

WhenT>TP（peritectictemperature）:

thefreezingprocessissimilartothatofisomorphous,

whenthealloyscompositionsarelowerthanpointD.

WhenT=TP:

aliquidandasolidreacttoformanewanddifferentsolidphase.Coolingthroughtheperitectictemperaturecombinestheαandliquidphasestoformtheβ.Phase.

WhenT

solubilityofαorandβwilldecreasewiththetemperaturedecreasing,thenifthetemperatureisbelowsolvuslines,thesecondaryphasewillprecipitate.ForthosecompositionsishigherthanpointP,thefreezingprocessissimilartotheofisomorphous:

.

包晶转变：

由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。

包晶相图：

具有包晶转变特征的相图。

1相图分析

点、线、区。

2平衡结晶过程及其组织

（1）包晶合金的结晶

结晶过程：

包晶线以下，L,α对β过饱和－界面生成β－三相间存在浓度梯度－扩散－β长大－全部转变为β。

室温组织：

β或β＋αⅡ。

（2）成分在C-D之间合金的结晶

结晶过程：

α剩余；

室温组织：

α＋β＋αⅡ＋βⅡ。

3不平衡结晶及其组织

异常α相导致包晶偏析〔包晶转变要经β扩散。

包晶偏析：

因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。

〕

异常β相由不平衡包晶转变引起。

成分在靠近固相、包晶线以外端点附件。

4包晶转变的应用