第2章纯金属的结晶.ppt

,第2章纯金属的结晶,2.1金属结晶的现象,2.2金属结晶的条件,2.3金属结晶过程,2.4晶粒大小的控制,2.5金属铸锭的组织与缺陷,,2.1金属结晶的现象,2.1.1金属结晶的宏观现象,2.1.2金属结晶的微观现象,,2.1.1金属结晶的宏观现象,一般的金属制品都要经过熔炼和浇注后经压力加工成形，也有一些是铸造后直接使用，但都要经历由液态到固态的凝固过程。,金属由液态转变为固态的过程称为一次结晶，简称结晶。,,2.1.1金属结晶的宏观现象,,1.过冷现象金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象，称为过冷现象。,理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度，用ΔT表示。ΔTT0-Tn,纯金属冷却曲线示意图,2.1.1金属结晶的宏观现象,2.影响过冷度的因素过冷度随金属的本性、纯度以及冷却速度的差异而不同。金属不同，过冷度的大小不同；金属纯度越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温度越低。金属总是在一定的过冷度下结晶，过冷是结晶的必要条件。对于一定的金属来说，过冷度有一最小值，若过冷度小于此值，结晶过程就不能进行。,2.1.1金属结晶的宏观现象,3.结晶潜热,金属结晶时从液相转变为固相要放出热量，称为结晶潜热。由于结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境的热量，使温度并不随冷却时间的延长而下降，所以在冷却曲线上出现了平台。结晶结束，没有结晶潜热补偿散失的热量，温度又重新下降。,2.1.2金属结晶的微观现象,液态金属结晶的微观过程是形核与长大的过程。,图2-2纯金属结晶过程示意图,结晶时，首先在液体中形成具有临界尺寸的晶核，然后以它们为核心不断积聚原子长大。当液态金属过冷至理论结晶温度T0以下的实际结晶温度Tn时，晶核并未立即形成，而是经过了一定时间后才开始形成第一批晶核。结晶开始前的这段时间称为孕育期。,2.1.2金属结晶的微观现象,已形成的晶核不断长大，与此同时，液态金属中新批次的晶核不断产生。液态金属越来越少，直到各个晶体相互接触，液态金属消失，结晶过程便告结束。由一个晶核长成的小晶体，就是一个晶粒。各个晶核是随机形成的，其位向各不相同，所以各晶粒的位向也不相同，这样就形成一块多晶体金属。,2.1.2金属结晶的微观现象,,2.2金属结晶的条件,2.2.1金属结晶的热力学条件,2.2.2金属结晶的结构条件,液态金属必须在一定的过冷条件下才能结晶，这是由热力学条件决定的。热力学定律在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。这说明，只有引起体系自由能降低的过程才能自发进行。,2.2.1金属结晶的热力学条件,结晶能否发生，要看液相和固相自由能的高低。如果固相的自由能比液相的自由能低，那么液相将自发地转化为固相，使系统的自由能降低，处于更为稳定的状态，即发生结晶。液相金属和固相金属的自由能之差，就是促进转变的驱动力。,2.2.1金属结晶的热力学条件,2.2.1金属结晶的热力学条件,FS固相自由能FL液相自由能图2-3金属自由能-温度关系示意图,纯金属液、固两相的自由能随温度变化情况,一般情况下，液态金属和固态金属的自由能都随温度的升高而降低。由于液态金属中原子排列的混乱程度比固态金属的大，所以液态金属和固态金属的自由能随温度升高而变化的情况不相同，液态金属的自由能FL随温度升高而降低得更快些，因此液态金属的自由能随温度变化的曲线的斜率比固态金属的大。,2.2.1金属结晶的热力学条件,液、固两相的自由能随温度而变化的曲线斜率不同，则两线必然在某一温度交，此时液相和固相的自由能相等，意谓着两相可以同时共存，既不熔化也不结晶，处于动平衡状态。交点对应的温度就是理论结晶温度T0。,2.2.1金属结晶的热力学条件,高于T0温度时，液态金属比固态金属的自由能低，金属处于液态才是稳定的；低于T0温度时，金属处于固态才稳定。因此，液态金属要结晶，就必须处于T0温度以下，金属必须过冷，使液态和固态之间存在一个自由能差。这个自由能差就是促进液体结晶的驱动力。液、固两相自由能的差值越大，则相变驱动力越大，结晶速度也越快。,2.2.1金属结晶的热力学条件,金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，晶核的形成是有条件的。在固态金属晶体中，大范围内的原子是呈有序排列的，称之为远程有序。在液态金属中，原子做不规则运动，在大范围内原子是无序分布的，但是在小范围内，存在着许多类似于晶体中原子有规则排列的小原子集团，称之为短程有序。,2.2.2金属结晶的结构条件,在理论结晶温度以上，这些短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏。这种不断变化着的短程有序原子集团称为结构起伏，或称为相起伏。只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏，才有可能在结晶时转变为晶核，因此这些尺寸较大的相起伏被称为晶胚。,2.2.2金属结晶的结构条件,,2.3金属结晶过程,2.3.1晶核的形成方式,2.3.2晶体的长大方式,在一定的过冷度条件下，固相的自由能低于液相的自由能，原子由液态转变为固态将使系统的自由能降低，这是结晶的驱动力；另一方面，由于形成晶胚，其表面所带来的表面能，使系统的能量升高，它是结晶的阻力。因此，只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的驱动力大于结晶的阻力，结晶过程才能进行。,2.3.1晶核的形成方式,在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式一种是均匀形核，又称为自发形核，另一种是非均匀形核，又称非自发形核。均匀形核液相中各个区域出现新相晶核的几率都是相同的，晶核由液相的原子集团直接形成，不受杂质或外表面的影响，是液体金属自发长出晶核的过程。非均匀形核新相优先出现在液相中的某些区域，液相中原子依附于杂质或外来表面形核。,2.3.1晶核的形成方式,实际金属往往是不纯净的，内部总含有这样或那样的杂质。杂质（包括型壁）的存在能够促进晶核依附在其表面上形成，减少表面能，有效降低形核阻力。所以在实际金属的结晶过程中，均匀形核和非均匀形核是同时存在的，但主要按非均匀形核的方式进行。,2.3.1晶核的形成方式,当液态金属中出现第一批晶核后，金属的结晶过程就开始了。新晶核不断产生，对每一个晶粒来说，晶核出现后，马上就进入长大阶段。晶体的长大，从宏观来看，是晶体的界面向液相逐步推进的过程；从微观来看，则是原子逐个由液相扩散到晶体表面，以一定的方式与晶体稳定牢固地结合起来的过程。,2.3.2晶体的长大方式,晶体的长大有平面长大和树枝状长大两种方式。1.平面长大在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。除了亚金属Sb、Si等和合金中一些金属间化合物，平面长大方式在实际金属的结晶中比较少见。,2.3.2晶体的长大方式,图2-4晶体平面长大示意图,2.3.2晶体的长大方式,平面长大,受已结晶固相和型壁的散热条件控制，晶体沿不同方向长大的速度不一样，根据表面能最小原则，以沿原子最密排面的垂直方向的长大速度最慢，而非密排面的长大速度较快，所以，平面式长大的结果是晶体获得表面为密排面的规则形状，亚金属Sb、Si等往往具有规则的形状。,2.3.2晶体的长大方式,2.树枝状长大在冷却速度较大的情况下，特别是存在有杂质时，金属晶体往往以树枝状的方式长大。由于液固界面前沿的液体中过冷度较大，晶体优先沿过冷度较大方向生长出空间骨架，形同树干，称为一次晶轴。,2.3.2晶体的长大方式,在一次晶轴增长和变粗的同时，其上会出现很多凸出尖端，它们长大成为枝干，称为二次晶轴。对一定的晶体来说，二次晶轴与一次晶轴有确定的角度，在立方晶系中，二者是相互垂直的。,2.3.2晶体的长大方式,二次晶轴生长到一定程度后，又在它上面长出三次晶轴，如此不断地成长和分枝，形成如树枝状的骨架，称为树枝晶。,每一个枝晶长成为一个晶粒，当所有的枝晶都严密地对接起来，液相消失时，就分不出树枝状了，只能看到各个晶粒的边界。,2.3.2晶体的长大方式,实际金属结晶时，一般都以树枝状方式长大，得到树枝晶。,,2.4晶粒大小的控制,2.4.1影响晶粒大小的因素,2.4.2细化晶粒的方法,金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。晶粒的大小对金属的力学性能有很大影响。常温下，金属的晶粒越细小，金属的强度和硬度则越高，同时塑性和韧性也越好。通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。对于高温下工作的金属材料，晶粒过于细小反而不好。,2.4.1影响晶粒大小的因素,形核率N在单位时间单位体积液体内形成晶核的数目。形核率越大，则单位体积中晶核数目越多，每个晶核长大的空间越小，因而长成的晶粒越细小。长大速度G液固界面向前移动的速度。长大速度越快，则晶粒越粗大。晶粒的大小取决于形核率和长大速度之比，N/G比值越大，晶粒越细小。,2.4.1影响晶粒大小的因素,图2-6形核率、长大速度与过冷度的关系,2.4.1影响晶粒大小的因素,形核率和长大速度与过冷度密切相关。随着过冷度增大，形核率和长大速度都会增大，但两者的增加速率不同，形核率的增长率大于长大速度的增长率。因此，在一般的过冷度范围内，过冷度越大，N/G比值越大，晶粒越细小。但当过冷度增大到一定值后，形核率和长大速度都会下降。凡能促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。,2.4.1影响晶粒大小的因素,在工业生产中，可采用以下方法细化晶粒1.增大金属的过冷度增加过冷度的主要方法之一是提高液态金属的冷却速度。在生产中，可以采用金属型或石墨型代替砂型，增加金属型的厚度，降低金属型的温度，采用蓄热多、散热快的金属型，局部加冷铁等。,2.4.2细化晶粒的方法,增加过冷度的另一种方法是采用低的浇注温度、减慢铸型温度的升高，或者进行慢浇注。这样做一方面可使铸型温度不致升高太快，另一方面由于延长了凝固时间，晶核形成的数目增多，结果即可获得较细小的晶粒。超高速（1051011K/s）急冷技术可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属，具有非常高的强度和韧性。,2.4.2细化晶粒的方法,2.变质处理用增加过冷度的方法细化晶粒只对小型或薄壁的铸件有效，对于较大的厚壁铸件、形状复杂的铸件，往往不允许过多地提高冷却速度，生产上为了得到细晶粒铸件，多采用变质处理的方法。变质处理在浇注前往液态金属中加入变质剂，用以增加晶核的数量或阻碍晶核长大。,2.4.2细化晶粒的方法,变质剂一类是通过促进非均匀形核来细化晶粒。例如在钢水中加入钛、钒、铝，在铝合金中加入钛、锆、钒，在铸铁中加入硅铁或硅钙合金等。另一类能阻止晶粒长大。例如在铝硅合金中加入钠盐，钠能富集于硅的表面，降低硅的长大速度，使合金细化。,2.4.2细化晶粒的方法,3.振动、搅动对即将凝固的金属进行振动或搅动，破碎正在生长中的树枝状晶体，可以形成更多的结晶核心，从而达到细化晶粒的目的。例如用机械的方法使铸型振动或变速转动；使液态金属流经振动的浇注槽；进行超声波处理；将金属置于交变的电磁场中，利用电磁感应现象使液态金属翻滚等等。,2.4.2细化晶粒的方法,,2.5金属铸锭的组织与缺陷,2.5.1铸锭的组织,2.5.2铸锭的缺陷,2.5.3钢中的杂质元素,在实际生产中，液态金属是在铸锭模或铸型中凝固的，前者得到铸锭，后者得到铸件。冶炼后的液态金属及其合金，除少数直接铸成铸件外，绝大部分要先铸成铸锭，然后再进行轧制，制成各种型材。铸锭的组织和质量，不但影响到它的压力加工性能，还影响到压力加工后的金属材料的组织和性能。,2.5.1铸锭的组织,铸锭的宏观组织分为外表层的细晶区、中间的柱状晶区和心部的等轴晶区。,2.5.1铸锭的组织,图2-7铸锭的三个晶区示意图1细晶区2柱状晶区3等轴晶区,1.表层细晶区当高温的金属液体倒入铸模后，由于温度较低的模壁有强烈的吸热和散热作用，使靠近模壁的一薄层液体产生极大的过冷，结晶首先从模壁处开始。模壁作为非均匀形核的基底，在这一薄层液体中立即产生大量晶核，并同时向各个方向生长。由于晶核数量多，临近的晶核很快彼此相遇，不能继续生长，在靠近模壁处形成一薄层等轴细晶区。,2.5.1铸锭的组织,表层细晶区的晶粒十分细小、组织致密、力学性能很好。但纯金属铸锭表层细晶区一般都很薄，有的只有几个毫米厚，因此没有多大实际意义，而合金铸锭一般则有较厚的表层细晶区。,2.5.1铸锭的组织,2.柱状晶区在细晶区形成的同时，模壁的温度由于被液态金属加热而迅速升高；金属凝固后收缩，使细晶区和模壁脱离，形成空气层，阻碍了液态金属的散热；细晶区的形成释放出大量结晶潜热，导致液体金属冷却速度降低，过冷度减小，形核速率降低。垂直于模壁方向散热最快，晶体沿其相反方向择优生长，形成柱状晶。,2.5.1铸锭的组织,柱状晶的特点晶粒彼此间的界面比较平直，气泡缩孔很小，组织比较致密。但当沿不同方向生长的两组柱状晶相遇时，在柱状晶交界处，常聚集杂质、气泡等，形成铸锭的脆弱结合面，简称弱面。例如方形铸锭的对角线处就很容易形成弱面。当压力加工时，易于沿这些弱面形成裂纹或开裂。,2.5.1铸锭的组织,柱状晶的应用对于杂质多、塑性差的金属及合金，如钢铁、镍基合金等，不希望形成发达的柱状晶。但对于塑性好的铝、铜等有色金属及合金，即使全部为柱状晶组织，也能顺利通过热轧而不致开裂。柱状晶的性能有明显的方向性，沿晶轴方向的强度较高，对于那些主要受单向载荷的机器零件，例如汽轮机叶片等，柱状晶结构是非常理想的。,2.5.1铸锭的组织,影响生成柱状晶的因素熔化温度高、浇注温度高、浇注速度大等因素有利于在铸锭的截面上保持较大的温度梯度，获得较发达的柱状晶。结晶时，单向散热，有利于柱状晶的生成。,2.5.1铸锭的组织,3.中心等轴晶区随着柱状晶区的发展，心部液体金属的冷却速度逐渐减慢，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化，柱状晶的长大速度越来越小，散热逐渐失去方向性，剩余液体中存在的大量枝晶的残枝碎片作为晶核，向各个方向均匀长大，形成中心等轴晶区。,2.5.1铸锭的组织,等轴晶的特点各个晶粒在长大时彼此嵌入，枝杈间的搭接牢固，裂纹不易扩展，不存在明显的弱面，性能均匀，没有方向性，是一般情况下的金属特别是钢铁铸件所要求的组织。但等轴晶的树枝状晶体比较发达，分枝较多，因而显微缩孔也较多，组织不够致密。显微缩孔一般均未氧化，经热压力加工后，一般均可焊合，对性能影响不大。,2.5.1铸锭的组织,等轴晶的应用适于钢铁等铸锭和大部分铸件。限制柱状晶的发展，细化晶粒，是改善铸造组织，提高铸件性能的重要途径。应设法提高液态金属中的形核率，浇注温度越低，则晶粒尺寸越小。对于大型铸件，进行变质处理是最常用的方法。此外，还可采用机械振动、电磁搅拌等物理方法，破坏柱状晶的形成，有利于细化晶粒。,2.5.1铸锭的组织,在铸锭或铸件中，经常存在一些缺陷，常见的有缩孔、疏松、气孔等。1.缩孔金属凝固时体积要收缩，金属收缩后，原来能填满铸型的液态金属，凝固后就不能再填满，如果没有液态金属继续补充的话，就会出现孔洞，称为缩孔。缩孔是一种重要的铸造缺陷，对性能影响很大，它的出现是不可避免的，一般在轧制前予以切除。,2.5.2铸锭的缺陷,通过改变结晶时的冷却条件和铸锭的形状来控制缩孔出现的部位和分布状况。为了使铸锭的缩孔尽可能提高到顶部，减少切头率，提高材料的利用率，通常采用的方法是加快底部的冷却速度，如在铸锭模底部安放冷铁，使凝固尽可能自下而上地进行，从而使缩孔大大减小；或在铸锭顶部加保温冒口，使铸锭上部的液体最后凝固，收缩时可得到液体的补充，把缩孔集中到顶部的保温冒口中。,2.5.2铸锭的缺陷,2.缩松缩松即分散缩孔，是树枝晶结晶时不能保证液体的补给而在枝晶间和枝晶内形成的细小分散的缩孔。铸件中心的等轴晶区最容易生成这种缩孔。为了减少疏松，可提高浇注时的液面以改善液体的补给条件。铸锭中的疏松在热轧过程中可以焊合。,2.5.2铸锭的缺陷,3.气孔金属液体比固体溶解的气体多，凝固时要析出气体；铸型中的水分、铸模表面的锈皮等与液体作用时可能产生气体；浇注时液体流动过程也可能卷进气体。如果气体在凝固时来不及逸出，就会保留在金属内部，形成气泡。如果表面凝固快，气体停留在表面附近，则形成所谓的皮下气孔。,2.5.2铸锭的缺陷,在铸锭轧制过程中，气孔大多可以焊合，但孔面氧化的气孔，特别是皮下气孔，能造成微细裂纹和表面起皱现象，严重影响金属的质量，所以在冶炼和浇铸过程中，应严格控制可能产生气体的各种因素。,2.5.2铸锭的缺陷,在钢的冶炼过程中，不可能除尽所有杂质，或多或少会有少量杂质残留。常存杂质元素有锰、硅、硫、磷等，这些杂质元素的存在会影响钢的质量和性能，氢、氮、氧等元素对性能也有影响。,2.5.3钢中的杂质元素,1.锰一般地，锰作为钢中的有益元素存在。在炼钢过程中，锰作为脱氧剂，和FeO反应生成Fe和MnO，把FeO还原成铁。锰还可和硫反应生成MnS，起到除硫的作用，减轻硫的危害。脱氧剂中的锰总会有一部分溶于钢液中，冷却凝固后固溶于铁素体中，起到固溶强化作用，还能增加珠光体的相对量，这些因素都能提高钢的强度和硬度。,2.5.3钢中的杂质元素,通常碳钢中含锰量小于0.8，当锰含量不多，在钢中仅作为少量杂质存在时，对钢的力学性能影响并不显著。2.硅硅和锰一样，也是钢中的有益元素。作为脱氧剂，硅和FeO反应生成SiO2，残留的硅冷却后溶于固溶体，能较明显提高钢的强度、硬度。钢中的硅含量一般小于0.5，当含量较高时，将使钢的塑性、韧性下降。,2.5.3钢中的杂质元素,3.硫硫是钢中的有害杂质，来源于炼钢时的矿石和燃料。硫不溶于铁，以FeS的形式存在。FeS会与Fe形成（FeFeS）共晶体，分布在奥氏体晶界上。钢材进行热加工的温度一般为1150～1250℃，而（FeFeS）共晶体的熔点只有989℃，加工时已在晶界处于熔融状态，导致工件开裂。这种现象称为“热脆”。,2.5.3钢中的杂质元素,钢中要严格控制硫含量，普通碳素钢的硫含量应≤0.055，优质碳素钢的硫含量应≤0.040，高级优质碳素钢应≤0.030。加入适量锰可除硫。锰与硫形成MnS，避免了FeS生成。MnS的熔点为1620℃，并且在高温下有一定的塑性，不会引起热脆。一般工业用钢中，含锰量常是含硫量的5～10倍。硫能提高钢的切削性能。,2.5.3钢中的杂质元素,4.磷磷是钢中的有害杂质，来源于矿石和生铁等炼钢原料。磷在铁中有较大的溶解度，全部固溶在铁素体中，使钢的强度、硬度提高，但会使塑性、韧性急剧下降，尤其是低温韧性降低，使钢变脆，称为“冷脆”。因此，钢中应严格控制磷含量。磷也能提高钢的切削加工性能。,2.5.3钢中的杂质元素,5.氢氢是钢中的有害元素，来源于含水的炉料或含有水蒸气的炉气通过扩散进入钢内。氢会导致“氢脆”和“白点”。“氢脆”在低于钢材强度极限的情况下，事先无任何预兆就发生突然断裂。,2.5.3钢中的杂质元素,“白点”在钢材内部产生的大量细微裂纹，在钢材的断面上呈现银白色的斑点。“白点”使钢材的塑性、韧性显著下降，有时可接近于零。有“白点”的钢是不能使用的。,2.5.3钢中的杂质元素,1.金属结晶的条件有一定的过冷度。2.金属结晶驱动力固态金属和液态金属之间的自由能差。3.金属结晶过程形核、长大。以非均匀形核为主，绝大部分以树枝状方式长大。4.细化铸态金属晶粒的措施晶粒的大小取决于形核率N和长大速度G的相对大小。细化晶粒可通过增大过冷度、变质处理、振动等措施来实现。,第二章小结,5.铸锭的宏观组织分为三个晶区外表层的细晶区、中间的柱状晶区和心部的等轴晶区。6.铸锭或铸件中经常存在的缺陷缩孔、疏松、气孔等。7.钢中常存杂质元素锰、硅、硫、磷、氢、氮、氧等。,第二章小结,,第3章合金的结晶,3.1固态合金中的相与组织,3.2二元合金相图的建立,3.3几种典型二元合金相图,3.4相图与合金性能的关系,3.5三元合金相图简介,合金一种金属元素同另一种或几种其它元素结合所形成的具有金属特性的物质。碳钢和铸铁是铁和碳组成的合金，黄铜是铜和锌组成的合金。组元组成合金的最基本的、独立的物质。组元可以是金属、非金属，也可以是稳定的化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，三个组元组成的叫三元合金，多个组元组成的叫多元合金。工程上常用的铁碳合金就是二元合金。,3.1固态合金中的相与组织,相在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其他部分分开的均匀组成部分。相分为固溶体和金属化合物两大类。如果合金是由化学成分、晶体结构都相同的同一种晶粒组成，则属于由同一种相构成，称为单相合金；如果合金由化学成分、晶体结构不相同的几种晶粒组成，则合金由这几种相构成，称为多相合金。,3.1固态合金中的相与组织,组织把金属材料的金相试样放在金相显微镜下观察，所看到的内部的微观形貌称为组织。组织由相构成，相是组织的基本组成部分，相的形态、大小、数量和分布方式不同，则形成的组织不同。不同的组织对应不同的性能，因此，在生产上可以通过控制化学成分和工艺过程来得到不同的组织，从而获得不同的性能。,3.1固态合金中的相与组织,ac0.2,bc0.77,图3-1不同含碳量的铁碳合金的平衡组织,3.1固态合金中的相与组织,组成相都是铁素体和渗碳体，但组织不同。,图3-2粒状珠光体,3.1固态合金中的相与组织,同样是含碳量0.77的钢，经过热处理后，组织形态完全不同，性能也发生很大变化。,,3.2二元合金相图的建立,3.2.1二元相图的表示方法,3.2.2二元合金相图的测定方法,3.2.2杠杆定律,3.2.1二元相图的表示方法,图3-3二元相图的表示方法,合金的状态由合金的成分和温度决定，对于二元合金，通常用横坐标表示成分，纵坐标表示温度。,在成分温度坐标平面上的任一点的坐标值表示一个合金的成分和温度。A点合金的成分为wNi40、wCu60；B点表示成分为wNi60、wCu40的合金1000℃时为单相α固溶体；C点表示含wNi30、wCu70的合金在1200℃时处于液相L和固相α两相共存状态。,3.2.1二元相图的表示方法,相图大部分是根据实验方法测定的，测定方法也很多，以Cu–Ni合金为例，说明用热分析法测定二元合金相图的过程。（1）首先配制一系列不同成分的Cu–Ni合金，合金的数目越多，测得的相图就越精确。选取纯铜、镍含量wNi30、50、70的Cu–Ni合金及纯镍。（2）用热分析法分别测出各合金从液态到室温的冷却曲线。,3.2.2二元合金相图的测定方法,3.2.2二元合金相图的测定方法,图3-4热分析法测得的Cu–Ni合金相图,（3）找出各合金冷却曲线上的相变点。纯铜和纯镍的结晶过程中，由于放出的结晶潜热，能使结晶保持在恒温下进行，冷却曲线上有一个平台，只有一个相变点。其它合金的冷却曲线都有两个转折点（相变点），一个是结晶开始点，一个是结晶终了点，表明合金是在一个温度范围内结晶的。,3.2.2二元合金相图的测定方法,（4）将各个合金的相变点分别标注在横坐标为成分、纵坐标为温度的平面图中相应的合金线上。（5）将所有的结晶开始点连线，称为液相线，再将所有结晶终了点连线，称为固相线，这样就获得了Cu–Ni合金相图。配制合金的数目、金属的纯度、冷却速度及实验设备等因素都会影响测定精度。,3.2.2二元合金相图的测定方法,由Cu–Ni合金相图可以看出，液相线以上所有合金都处于液态。固相线以下，所有合金都结晶完毕，处于固态。在液相线和固相线之间，表示合金在结晶过程中，处于液相和固相两相共存状态。在单相区内，相的成分就是合金的成分，相的质量就是合金的质量。在两相区内，由于合金处在结晶过程中，两相的成分及相对含量都在不断变化。某一成分的合金，在某一温度下，两相的成分是可以确定的，两相的质量比也是一定的。,3.2.3杠杆定律,1.平衡相成分的确定,3.2.3杠杆定律,成分为b的合金在T1温度下处于液相L和固相α两相共存状态，如何确定T1温度下液相L和固相α的成分呢,平衡相成分的确定过温度T1做水平线，分别交液相线和固相线于a点和c点，则a点和c点在成分坐标轴上的投影点即对应为液相L和固相α的成分。,3.2.3杠杆定律,,3.2.3杠杆定律,式中QL液相的质量；Qα固相的质量；bc、ab线段长，用成分坐标上的数值来度量。,2.平衡相相对含量的确定在两相平衡区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。两相的相对含量可用（3-1）式来表达,（3-1）式可写成QLabQαbc，形式上与力学中的杠杆定律相似，因此称为杠杆定律，杠杆的支点为合金的成分点，杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点。液相和固相在合金中所占的质量分数,,,运用杠杆定律时要注意，它只适合于相图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。,3.2.3杠杆定律,,3.3几种典型二元合金相图,3.3.1二元匀晶相图,3.3.2二元共晶相图,3.3.3二元包晶相图,3.3.4二元共析相图,3.3.5组元间形成稳定化合物的相图,二元匀晶相图两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所形成的相图。具有这类相图的二元合金主要有Cu-Ni、Fe-Cr、Ag-Au等。在这类合金中，结晶时都是从液相结晶出单相固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变，几乎所有的二元合金相图都包含匀晶转变部分。,3.3.1二元匀晶相图,,相图分析相图只有两条线，上面一条是液相线，下面一条是固相线。液相线以上是液相区L，固相线以下是固相区α，液、固相线之间是液、固两相共存区Lα。,3.3.1二元匀晶相图,图3-6二元匀晶相图（Cu-Ni合金）,3.3.1二元匀晶相图,分析Ⅰ合金平衡结晶过程平衡结晶是指在极缓慢条件下进行的结晶。t1点温度以上都是液相L，缓慢冷却至t1点，从液相中开始结晶出α固溶体，此时液相、固相成分分别为L1点和α1点在成分坐标上的投影，因为刚结晶，因此基本上全部是液相。继续缓慢冷却到t2温度，原子经过充分扩散，液相、固相成分分别为L2点和α2点在成分坐标上的投影，固相的质量增加，液相的质量减少。,3.3.1二元匀晶相图,到达t3点，全部结晶完了，获得与原合金成分相同的单相α固溶体。可见，结晶过程中液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化，同时液相的相对质量逐渐减少，固相的相对质量逐渐增加。,图3-7二元匀晶合金平衡结晶过程示意图,3.3.1二元匀晶相图,枝晶偏析合金的平衡结晶是在一定温度范围内进行的，随着温度缓慢下降，原子充分扩散。如果冷却速度较快，原子扩散不能充分进行，则会形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点的组元（Ni）较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点的组元（Cu）较多，造成一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，称为枝晶偏析。,3.3.1二元匀晶相图,扩散退火枝晶偏析会降低合金的力学性能和工艺性能，生产上常采用扩散退火来消除其影响，即把钢加热到高温（低于固相线100℃左右），进行长时间保温，使原子充分扩散，从而获得成分均匀的固溶体。,3.3.2二元共晶相图,二元共晶相图二元合金系中的两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，并发生共晶转变的相图，称为二元共晶相图。具有这类相图的二元合金系主要有Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等。下面以Pb-Sn相图为例，分析共晶相图。,3.3.2二元共晶相图,1.相图分析,图3-8二元共晶相图（Pb-Sn合金）,3.3.2二元共晶相图,TB,共晶反应成分在DE之间的合金，在三相共存水平线对应的温度下将发生一种转变，即B点成分的液相LB同时结晶出D点成分的αD相和E点成分的βE相，转变的反应式为,这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应，所生成的两相混合物叫共晶体（或共晶组织），B点是共晶点。,3.3.2二元共晶相图,相图中有两条重要的曲线，DF线为α相的固溶度（即锡Sn在铅Pb中的溶解度）曲线，EG线为β相的固溶度（即铅Pb在锡Sn中的溶解度）曲线。随着温度下降，固溶体的固溶度降低，α相中的锡Sn以β相的形式析出，为了区别于从液相中结晶出的β相，称为二次β，写作βⅡ。同样，β相中的铅Pb以α相的形式析出，称为二次α，写作αⅡ。,3.3.2二元共晶相图,（1）合金Ⅰ（FD间的合金）的平衡结晶过程液态合金冷却到1点时，发生匀晶转变，从液相中开始结晶出α相，随着温度下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化，结晶出的α相逐渐增多，液相逐渐减少，到2点全部结晶成α相。2～3温度范围内，α相不发生变化。从3点开始，Sn在α相中的溶解度达到饱和，随着温度下降，α相的溶解度沿DF线逐渐减小，Sn以βⅡ的形式从α相中析出，到室温时组织为αβⅡ。,3.3.2二元共晶相图,合金Ⅰ的平衡结晶过程示意图,成分位于EG之间的合金，其结晶过程与FD间的合金类似，室温组织为βαⅡ。,3.3.2二元共晶相图,（2）合金Ⅱ（共晶合金）的平衡结晶过程液态合金冷却到1点（共晶温度），在恒温下发生共晶转变，LB→（αDβE），生成共晶体。共晶转变完成后，随着温度下降，αD和βE固溶度逐渐减小，从α中析出βⅡ，从β中析出αⅡ，但析出的αⅡ和βⅡ量不多，而且和从液相中析出的α、β混在一起，在显微镜下难以分辨，一般不予考虑，因此室温组织为（αβ）共晶组织。,3.3.2二元共晶相图,图3-10合金Ⅱ（共晶合金）的平衡结晶过程示意图,3.3.2二元共晶相图,（3）合金ⅢDB之间的合金,即亚共晶合金的平衡结晶过程液态合金冷却到1点时，发生匀晶转变，从液相中开始结晶出α固溶体，把这种从液相中直接析出的α固溶体称为初晶α。当温度降至接近2点时，组织为液相L与初晶α混合物。当温度降至2点时，液相L将发生共晶转变，LB→αDβE,初晶α保持不变。温度继续下降，初晶α固溶体的溶解度逐渐减,3.3.2二元共晶相图,成分在BE之间的合金称为过共晶合金，其平衡结晶过程与亚共晶合金类似，室温组织为βαⅡ（αDβE）。,小，从初晶α中析出βⅡ,同时从共晶体αDβE中析出的βⅡ和αⅡ不予考虑，因此室温组织为初晶αβⅡ（αDβE）,3.3.2二元共晶相图,图3-11合金Ⅲ的平衡结晶过程示意图,3.3.3二元包晶相图,二元包晶相图二元合金系中的两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，并发生包晶转变的相图，称为二元包晶相图。具有这类相图的二元合金系主要有Pt-Ag、Sn-Sb等。下面以Pt-Ag相图为例，简要分析包晶相图。,3.3.3二元包晶相图,图3-12二元包晶相图（Pt-Ag合金）,3.3.3二元包晶相图,1.相图分析ABC为液相线，ADEC为固相线。相图中有三个基本相α、β和液相L。α是银Ag溶于铂Pt中的固溶体，β是铂Pt溶于银Ag中的固溶体，液相L是Pt与Ag形成的液溶体。三个基本相对应相图上三个单相区，单相区之间有三个两相区Lα、Lβ和αβ。一条水平线DEB对应L、α、β三相共存区。,3.3.3二元包晶相图,,包晶反应成分在DBE之间的合金，在三相共存水平线对应的温度下（tE）将发生一种转变，即B点成分的液相LB和D点成分的αD相反应生成E点成分的βE相，转变的反应式为,这种由一种液相与一种固相在恒温下反应生成另一种固相的反应叫做包晶反应，E点是包晶点。,3.3.3二元包晶相图,2.合金的结晶过程（1）合金Ⅰ包晶点合金的平衡结晶过程液态合金冷却到1点时，发生匀晶转变，从液相中开始结晶出α相，随着温度下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化，结晶出的α相逐渐增多，液相逐渐减少；当温度降至接近2点包晶点时，合金由L相和α相组成；在2点温度，合金在恒温（tE）下发生包晶转变，LBαD→βE，得到β相。,3.3.3二元包晶相图,温度继续下降，β相的固溶度沿EG线减小，从β相中析出αⅡ。因此，合金Ⅰ的室温组织为βαⅡ。,图3-14合金Ⅱ的平衡结晶过程示意图,3.3.3二元包晶相图,（3）合金Ⅲ（EB之间的合金）的平衡结晶过程液态合金冷却到1点时，从液相中开始结晶出初晶α相；当温度冷却至接近2点时，合金由LB相和αD相组成，与合金Ⅰ相比，L相的相对量较多，α相的相对量较少。当温度降至2点时，LBαD→βE，合金发生包晶转变，由于α相的相对量较少，使得液相有剩余，因此，包晶转变完成时合金的组织为βEL。。,3.3.3二元包晶相图,温度降至2～3点之间，合金进行匀晶转变，从L相中析出β相，当温度降至3点，液相全部转化为β相，此时合金全部由β相组成。温度降至3～4之间，β相不变化。当温度降至4点，β相的固溶度将随着温度下降而沿着EG线逐渐减小，从β相中不断析出αⅡ。因此，合金Ⅲ的室温组织为βαⅡ。,3.3.3二元包晶相图,图3-15合金Ⅲ的平衡结晶过程示意图,3.3.4二元共析相图,一种固相在恒温下转变成另外两种固相，这种转变叫做共析转变。左图下半部分是共析相图，它与共晶相图相似，不同之处在于共晶转变的反应相是液相，共析转变的反应相是固相，共析组织比共晶组织细密。,图3-16二元共析相图,3.3.5组元间形成稳定化合物的相图,在有些二元系合金中，组元间能形成多个稳定的化合物，化合物具有一定的熔点，在熔点以下保持固有结构而不发生分解，这样就可将相图分解成多个简单相图来进行分析。组元间能形成稳定化合物的二元系有Mg-Si、Mg-Cu、Cu-Ti等。,3.3.5组元间形成稳定化合物的相图,图3-17Mg-Si合金相图,,3.4相图与合金性能的关系,1.相图与合金使用性能的关系相图与合金在平衡状态下的使用性能之间有一定的联系。,图3-18表示具有匀晶、共晶相图的合金，其使用性能随成分变化的一般规律。对于单相固溶体合金，强度、硬度随溶质溶入量的增加而提高，塑性随溶质溶入量的增加而降低。这是由于固溶体中溶质原子的溶入造成晶格畸变，阻碍位错运动，产生固溶强化的结果。固溶强化是金属强化的主要途径之一。,1.相图与合金使用性能的关系,对于两相混合物组成的合金，当两相的大小、分布都比较均匀时，合金的力学性能和物理性能与成分的关系呈直线变化，合金的某些性能可以用两个组成相的性能的算数平均值估算。如硬度,式中HBα、HBβ分别为α相、β相的硬度；wα、wβ分别为α相、β相的质量百分数。,1.相图与合金使用性能的关系,1.相图与合金使用性能的关系,强度对组织较敏感，与组成相的形态有很大关系。组织越细密，强度、硬度将偏离直线关系而出现峰值，如图（b）中的虚线所示,,3.4相图与合金性能的关系,,合金的流动性、缩孔、热裂倾向影响铸造性能，这些因素取决于成分间隔与温度间隔，即相图上液相线与固相线之间的水平距离与垂直距离，距离越小，合金的铸造性能越好,2.相图与合金铸造性能的关系,图3-19合金的铸造性能与相图的关系,铸造合金常选共晶点附近成分的合金。,,3.5三元合金相图简介,,在工业生产中应用的金属材料很多是三元合金或多元合金。由于组元间的相互作用复杂，不能简单地由二元合金的性能去推断三元合金的性能，因为在二元合金中加入第三组元后，会改变原合金组元间的溶解度，甚至会产生新的组成相，因此，这些合金的组织、性能、加工及处理工艺通常都不同于二元合金。只有当第三组元含量很少或其影响很小时，才可以先以二元合金相图为基础进行研究，然后再考虑第三组元的影响。。,在多元合金相图中，三元合金相图是最简单且较易测定的一种，但与二元合金相图相比，三元合金相图的类型多而复杂，至今比较完整的三元合金相图只测出了十几种，实际使用的往往是三元相图中某些有用的截面图和投影图。下面简单介绍三元合金相图的表达和使用方法。,3.5三元合金相图简介,,,1.三元合金相图的表示方法三元合金任意两个组元的含量确定后，第三个组元的含量就随之确定了。因此，常压下，三元合金相图的变量有三个，一个是温度，其他两个是三元合金两个组元的成分。三元合金的成分可以由两个成分坐标轴确定，两个坐标轴构成一个平面，温度坐标轴垂直于成分坐标轴所在平面，形成了三维立体的三元合金相图。,3.5三元合金相图简介,,,等边三角形的三个顶点A、B、C分别代表三个组元，三角形的三条边分别代表A-B、B-C、C-A三个组元中两两组成的二元系合金的成分，三角形内的任一点O就代表一定成分的三元