第五章 二元相图和合金的凝固 Chapter 5 Binary Phase Diagrams and
The Solidification of Alloys
作业1：An Al-5%Cu ingot is unidirectionally solidified under the conditions of no diffusion in the solid, complete diffusion in the liquid, and local equilibrium at the interface, so that the scheil equation applies. ()
1
01--=K s fS KC C ()
1
01--=K S L f C C
(a) Calculate the composition of the liquid when the ingot is 50 percent solid. What is the average composition of the solid?
(b) What is the interface temperature at this point?
(c) How much eutectic and second phase θ will have formed when the ingot is completely solidified?
(d) Plot the composition profile in the solidified ingot.
Solution:
(a) 1
00
1
0000011--?
?
?
??-=??? ??-==k k S L L Z C k L Z k C k C C
Al-Cu 系： 17.033
65.50===L S C C k
()
%9.85.0%5133
65
.5=?=-L C
85.0000==k C C S
%5.10==k C C L S
()
%2.12
1
00=+=
S S S C C C (b) 7.6597.932%9.833
548
660660==?--=-=K mC T T L A L ℃
65017
.05
.04.36600=?-=-=K C m T T A ℃
(c) 当%33=L C , %65.5=S C 时，发生共晶转变。
()1
01%5%33--?=k f
()10
5
331-=-k f
Al
Cu%
660℃
5.65
33
548℃ 5%
9.05
33
11
0≈-=-k f 0=θ
(d)
作业2.：After being slowly cooled from the austenite region, a simple iron-carbon steel exhibits a microstructure consisting of 40 percent pearlite and 60 percent ferrite.
(a). Estimate the carbon concentration of the steel.
(b). Describe the equilibrium microstructure that would be obtained if the steel were heated to 730℃ and held there for a long period of time.
(c). What would be the equilibrium structure of this steel if it were heated to 850℃? (d) Make sketches of all of these microstructures. Solution:
(a). Suppose the carbon concentration of this steel is X,
then %1000218
.077.00218
.0%40?--=
x P
()%32.00218.00218.077.04.0=+-?=x （b ）Ferrite +Austenite (c) Austenite (d)
1.0
S
f
Cu
作业3：Al-Cu 合金相图如图所示，设分配系数k 和液相线斜率均为常数，试求：
（a ）含1%Cu 固溶体进行缓慢的正常凝固，当凝固分数为50%时所凝固出的固体成分； （b ）经过一次区域熔化后在5=x 处的固体成分，取5.0=l ；
（c ）测得铸件的凝固速度s cm R /1034-?=，温度梯度30=G ℃/cm ，扩散系数
s cm D /10325-?=时，合金凝固时能保持平面界面的最大含Cu 量。
解：
（a ）()%286.05.033
65.5%111
3365.51
000=??=?
?
?
??-=--k S L Z k C C
17.033
65
.50===
L S C C k （b ）()%85.03365.51101.0115.033565.5000=??
???????
??--=???????--=??--e e k C C L Z
k S
4.3%
33548
660=-=
m
（c ）成分无过冷时的临界点：
01k k D mC R G -?= ()
%1817.014.317.010310330154000=-?????=-??=--k k m D R G C
作业4： 1) 用冷却曲线表示50%的Pb-Sn 合金的平衡结晶过程，画出室温平衡组织示意
图，标上各组织组成物；
2） 计算该合金室温组织中组成相的相对重量； 3） 计算该合金室温组织组成物的相对重量；
4） 指出该合金系室温组织中含βⅡ最多的合金组成物；
5） 指出该合金系室温组织中共晶体最多和最少的合金成分或成分范围。
解答：
1）
β
19 α t B
t A
61.9
97.5 1
2
2) 室温组成相： %97.48%10002
.09850
98%=?--=
α
%51%1%=-=αβ 3) 共晶T ：()%72%10019
9.6119
50%=?--=
+βα
()%28%1%'=+-=βαα初 室温：%57.22%10002
.09819
98%'%=?--?
=初初αα
βⅡ%=%43.5%%'=-初初αα 4）含βⅡ最多成分为19%Sn.
5) 含共晶体最多成分为 61.9%Sn 。
最少成分：C%<19%, C%>97.5S
作业5：将Fe-Fe 3C 相图的液、固相线近似为直线，试分析含碳0.4%合金在100cm 长的水平圆模中顺序凝固结束时，沿棒长度方向的组织与成分分布。并求出各组织的长度，假定凝固过程中固相无扩散，液相成分完全混合且界面为平直面。 解：17.053
.009
.00==
δk 1
001%4.0-?
?
?
??-?=δδδ
k s L Z k C
当%09.0=δs C 时，
29.0=L
Z
即29cm 为δ，剩余长度为1-0.29=0.71 49.03
.411
.20==
γk 1
00153.0-?
?
?
??-?=γγγk s L Z k C
984.0=L
Z
，为将剩余长度看成是1时的相对长度，故实际长度应为70.071.0984.0=?，即γ的长度为70cm 。
此时剩余液相成分为4.3%C ，全部结晶为L d ， 故其长度为100-29-70=1cm 故cm Z 29=δ
cm Z r 70=
cm Z Le 1'=
作业6：说明Fe-Fe 3C 相图中三条水平线上各发生何种转变？ 写出反应式，并指出何谓珠光体和莱氏体。 解答：
three horizontal lines in Fe-Fe3C phase diagram ：
17.01495
09.053.0γδ??
→←+L peritectic transformation. )(69.6311.21148
3.4C Fe L +??
→←γ Ledeburite, eutectic transformation ()69.630218.0727
77.0C Fe +??→
←αγ pearlite, eutectoid transformation 作业7：指出铁碳合金组织中，各渗碳体的来源，并说明形态上的差异。 解答：
Fe 3C Ⅰ 是从液相中直接析出：→L Fe 3C Ⅰ 长条型 Fe 3C Ⅱ是从A 中直接析出： →A Fe 3C Ⅱ 沿A 晶界网状分布 Fe 3C Ⅲ 是从F 中直接析出： →F Fe 3C Ⅲ 量很少 Fe 3C 共晶 是从L 中与A 一起析出：
Fe 3C 共析 是从A 中与F 一起析出：片状：共析C Fe F A 3+→
作业8：试分析含碳4.3%
的共晶白口铁的结晶过程，写出室温组织，并用杠杆定律计算莱
29
4.3
79
氏体中共晶渗碳体与二次渗碳体的相对量。 解答：
室温组织：Ld’: P+ Fe 3C Ⅱ+ Fe 3C 共晶
在1148℃结晶结束时，Ld 中的A 与Fe 3C 共晶的相对量为：
%18.52%10011
.269.63
.469.6%=?--=
A
Fe 3C 共晶%=47.82%
当从1148℃→727℃时，→A Fe 3C Ⅱ： Fe 3C Ⅱ%=%81.11%10077
.069.677
.011.2%=?--?
A
故A%=P%=40.37%
作业9：怎样计算Fe 3C Ⅱ 和Fe 3C Ⅲ的最大含量？ 共晶和共析渗碳体的相对量如何计算？是否含碳量越高，共晶渗碳体越多？
Fe 3C Ⅱ的最大含量在2.11%处，此时， Fe 3C Ⅱ%=
=?--%10077
.069.677
.011.222.63%
Fe 3C Ⅲ的最大含量在0.0218%处，此时， Fe 3C Ⅲ%=
%326.0%1000008
.069.60008
.00218.0=?--
Fe 3C 共晶%=
%82.47%10011
.269.611
.23.4=?--
0.77
727℃
2.11
4.3
1148℃
6.69
Fe 3C 共析%=
%22.11%1000218
.069.60218
.077.0=?=-
不是碳含量愈高，共晶渗碳体愈多， 从2.11～4.3%： C%↑，Fe 3C 共析↑
从4.3%～6.69%：C%↑，Fe 3C 共析↓
作业10：分析含碳3%的亚共晶白口铁的结晶过程，画出冷却曲线，指出冷却过程中发生了哪些类型的转变？ 并用杠杆定律计算室温下的相组成物和组织组成物的相对量。 解答：
结晶过程：1～2区：L →A
2点：L →（A+ Fe 3C ）共晶 2～3区：A →Fe 3C Ⅱ 3点：A →（F+Fe 3C ）共析 3～4区：F →Fe 3C Ⅲ 室温下相组成物：F+Fe 3C ：
%16.55%1000008
.069.63
69.6%=?--=
F
%84.44%3=C Fe
室温下组织组成物：P+L’d+ Fe 3C Ⅱ
%36.59%10011
.23.43
3.4%=?--=
A
%64.40%=Ld
Fe 3C Ⅱ%=%43.1377
.069.677
.011.2%=--?
A
P%=A%- Fe 3C Ⅱ%=45.93%
室温组织组成物：L’d: 40.64%, P:45.93%. Fe 3C Ⅱ:13.43%
作业11：今有一钢试样，经组织分析为珠光体与二次渗碳体，并测出珠光体的相对量为92%， 试确定钢的成分，说明其结晶过程：
解答： 组织为P+ Fe 3C Ⅱ，其成分范围一定为过共析钢:
Fe 3C Ⅱ%=
77
.069.677
.0--x
P%=
92.077
.069.669.6=--x
()C x %24.177.069.692.069.6=--=
1～2区：L →A
2点：全部为A 2～3区：无变化
3～4区：A →Fe 3C Ⅱ
4点：A →P 室温：Fe 3C Ⅱ+P
作业12：今有一铁碳合金为90%的铁素体和10%的渗碳体组成，试问该合金的组织是什么？ 并计算出珠光体的相对量？ 对钢而言， 是否含碳量越高， 共析渗碳体量越多？ 解答： 设合金成分为x ： 则 0008.069.669.6%--=
x F %100008
.069.60008
.0%3=--=x C Fe
%669.0%=x
因此，该合金组织为：F+P
%8.86%1000218
.077.00218
.0669.0%=?--=
P
对钢而言，并不是C%↑，Fe 3C 共析%↑，对过共析钢而言，C%↑，Fe 3C 共析%↓。
0.77 727℃
2.11
4.3
1148℃
6.69
1 2
3
4
1.24%
作业13：分别由亚共析钢和过共析钢制成的二个试样， 经组织分析确认其珠光体量均为80%， 试确定两种钢的含碳量， 并回答两种钢中共析渗碳体量是否相等？ 为什么？ 解答：
亚共析钢：8.00218
.077.00218
.0%1=--=
x P 62.01=x
过共析钢：8.077
.069.669.6%2
=--=x P 95.12=x
第三章 二元合金的相结构与结晶 (一)填空题 1 合金的定义是两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成具有金属特性的物质。 2．合金中的组元是指 组成合金最基本的、独立的物质 。 3．固溶体的定义是 在固态条件下，一种组元“组分”溶解了其它组元而形成的单相晶态固体 4．Cr 、V 在γ-Fe 中将形成 置换 固溶体。C 、N 则形成 间隙 固溶体。 5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要 差 些。 6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的高熔点组元。 7．共晶反应的特征是 由一定成分的恶液相同时结晶出成分一定的两个固相 ，其反应式为 L →a+β 8．匀晶反应的特征是 ，其反应式为 9．共析反应的特征是 ，其反应式为 10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换固溶体和间隙固溶体，按原子溶入量可以分为 有限固溶体 和 无限固溶体 11．合金的相结构有 固溶体 和 金属化合物 两种，前者具有较高的 塑性变形 性能，适合于做 基体 相；后者有较高的 高硬度 性能，适合于做 增强 相 12．看图4—1，请写出反应式和相区： ABC 包晶反应 B A C L γα?+ ；DEF 共晶反应 F D C L βγ+? ；GHI 共析反应 I G H βαγ+? ； ① L +α ；② γα+ ；③βα+ ；④ βγ+ ；⑤ L +γ ；⑥ β+L ； 13．相的定义是 ，组织的定义是 14．间隙固溶体的晶体结构与溶剂的晶格类型 相同，而间隙相的晶体结构与 溶剂组元晶体结构 不同。 15．根据图4—2填出： 水平线反应式 E C D βαγ+? ；有限固溶体 βα、 、 无限固溶体 γ 。 液相线 ，固相线 ， 固溶线 CF 、 EG
第二章二元合金相图 纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。二元以上的合金称多元合金。合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。 合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。 本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。 2.1 合金中的相及相图的建立 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它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。相与相之间的转变称为相变。在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。由不同组织构成的材料具有不同的性能。如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。如含30%Zn的铜锌合金的组织由α相单相组成；含38%Zn的铜锌合金的组织由α和β相双相组成。这两种合金的机械性能大不相同。 合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。 2.1.1 固溶体与复杂结构的间隙化合物 2.1.1.1 固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶 体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多； 另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等 符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A （B），其中A为溶剂，B为溶质。例如铜锌合金中 锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示，亦可表示 为Cu（Zn）。图2.1 置换与间隙固溶体示意图 ⑴固溶体的分类 ①按溶质原子在溶剂晶格中的位置（如图2.1）分为：
实验五二元合金相图 一、目的要求 1.用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图。 2.了解热分析法的测量技术。 二、基本原理 相图是多相(二相或二相相以上)体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形，图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。二元或多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变(例如冶金工业冶炼钢铁或其他合金的过程，石油工业分离产品的过程等)，都要用到相图。 图4.1是一种类型的二元简单低共熔物相图。图中A、B表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T，横轴是组分B的百分含量B％。在acb线的上方，体系只有一个相(液相)存在；在ecf线以下，体系有两个相(两个固相——晶体A、晶体B)存在；在ace所包为的面积中，一个固相(晶体A)和一个液相(A在B中的饱和熔化物)共存；在bcf所包围的面积中，也是一个固相(晶体B)和一个液相(B在A中的饱和熔化物)共存；图中c点是ace与bef 两个相区的交点，有三相（晶体A、晶体B、饱和熔化物）共存。测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。常用的实验方法是热分析法。 热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度。将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间(例如半分钟或一分钟)读体系温度一次，以所得历次温度值对时间作图，得一曲线，通常称为步冷曲线或冷却曲线，图4.2是二元金属体系的一种常见类型的步冷曲线。冷却过
程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，团此步冷曲线的斜率将发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点。若图4.2是图4.1中组成为P 的体系的步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G 、H 。因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，找出各转折点，即能画出二元体系的最简单的相图(对复杂的相图，还必须有其他方法配合，才能画出)。 图4.1 A-B 体系相图 图4.2 步冷曲线 从相图定义可知，用热分析法测绘相图的要点如下： ⑴ 被测体系必须时时处于或非常接近于相平衡状态。因此，体系冷却时，冷却速度必须足够慢，以保证上述条件近于实现。若体系中的几个相都是固相，这条件通常很难实现(因固相与固相间转化时的相变热较小)，此时测绘相图，常用其它方法(如差热分析法)。 ⑵ 测定时被测体系的组成值必须与原来配制样品时的组成值一致。如果测定过程中样品各处不均匀，或样品发生氧化变质，这一要求就不能实现。 ⑶ 测得的温度值必须能真正反映体系在所测时间时的温度值。因此，测温仪器的热容必须足够小，它与被测体系的热传导必须足够良好，测温探头必须深入到被测体系的足够深度处。 本实验测定铅、锡二元金属体系的相图，用SWKY 数字控温仪，通过 KWL-08可控升降温电炉来控制体系的加热和冷却速度。 温度A B
第三章二元合金相图和二元合金的结晶 §1 概述 一、合金系 由一定数量的组元配制成的不同成分的一系列合金组成的系统，称合金系。两个组元的称二元合金系，三个组元的称三元合金系。例如,Cu-Ni是二元合金系，而Pt-Pd-Rh是三元合金系。 二、什么是合金相图 合金相图是表示平衡状态下合金系的合金状态和温度、成分之间关系的图解。该定义中，“平衡状态”是指一定条件下，合金自由能最低的稳定状态；而“合金状态”是指合金由哪些相组成，各相的成分及其相对含量是多少。 三、合金相图的作用 利用合金相图可以了解各种成分的合金，在一定温度的平衡条件下，存在哪些相、各相的成分及其相对含量。但它不能指出相的形状、大小和分布状况，即不能指出合金的组织状况。尽管如此，如果能把相图和相变机理、相变动力学结合起来，那么相图便可成为分析组织形成和变化的有利工具，成为金属材料生产、科研的重要参考资料，因此，相图是金属学的重要内容之一。 §2二元合金相图的建立 一. 二元合金相图的表示方法 1.用平面坐标系表示二元合金系 物质的状态通常由成分、温度和压力三个因素确定。由于合金的熔炼、结晶都是在常压下进行的，所以，合金的状态可由成分和温度两个因素确定。对于二元合金系来说，一个组元的浓度一旦确定，另一个组元的浓度也随之而定，因此成分变量只有一个，另一个变量是温度，所以用平面坐标系就可以表示二元合金系。通常用纵坐标代表温度，横坐标代表成分。成分多用重量百分比来表示。（如图3.1所示），横坐标的两个端点A、B代表组成合金的两个组元。 2.二元合金相图中的表象点和表象线 在二元合金相图中，平面上任意一点称为表象点。其坐标值表示合金的成分和温度。例如图中的E点表示合金由40%的B组元和60%的A组元组成，合金的温度为500℃。 在二元相图上，过合金成分点的垂线，称合金的表象线。 二. 二元合金相图的测定方法 建立相图的方法有两种：实验测定和理论计算。目前使用的相图大多是用实验方法建立的。实验方法有多种，如：热分析法、金相法、膨胀法等。现以Cu—Ni合金为例，介绍用热分析法测定二元合金相图的过程。 三.相律及其应用 1.相律 相律是表示平衡状态下，系统自由度数、组元数和相数三者之间的关系的定律，它可用下列数学表达式来表示： c f =p 2 + -
实验报告 实验名称：金属的塑性变形 组别第6组 学号、姓名：2012034036 谈鑫学号、姓名：2012034035 何韦唯学号、姓名：2012034034 周卫东学号、姓名：2012034037 安望学号、姓名：2012034038 罗伟学号、姓名：2012034039 陈科宇 2014年 5月 28日
一、实验目的 1.用热分析法测熔融体步冷曲线，再绘制Pb-Sn二元金属相图。 2.了解热分析法的实验技术热电偶测量温度的方法。 二、实验仪器 SWKY型数字控温仪一台；KWL-08型可控升降温电炉一台； 三、实验原理 相图是多相(二相或二相相以上)体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形，图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。二元或多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变(例如冶金工业冶炼钢铁或其他合金的过程，石油工业分离产品的过程等)，都要用到相图。 图4.1是一种类型的二元简单低共熔物相图。图中A、B表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T，横轴是组分B的百分含量B％。在acb线的上方，体系只有一个相(液相)存在；在ecf线以下，体系有两个相(两个固相——晶体A、晶体B)存在； 在ace所包为的面积中，一个固相(晶体A)和一个液相(A在B中的饱和熔化物)共存； 在bcf所包围的面积中，也是一个固相(晶体B)和一个液相(B在A中的饱和熔化物)共存；图中c点是ace与bef两个相区的交点，有三相（晶体A、晶体B、饱和熔化物）共存。测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。常用的实验方法是热分析法。 热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度。将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间(例如半分钟或一分钟)读体系温度一次，以所得历次温度值对时间作图，得一曲线，通常称为步冷曲线或冷却曲线，图4.2是二元金属体系的一种常见类型的步冷曲线。冷却过程中，若体系发生相变，就伴随着一定热效应，团此步冷曲线的斜率将发生变化而出现转折点，所以这些转折点温度就相当于被测体系在相图中分隔线上的点。若图4.2是图4.1中组成为P的体系的步冷曲线，则点2、3就分别相当于相图中的点G、H。因此，取一系列组成不同的体系，作出它们的步冷曲线，找出各转折点，即能画出二元体系的最简单的相图(对复杂的相图，
第三章 二元合金相图和合金的凝固 一．名词解释 相图、相律、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、异晶转变、平衡结晶、不平衡结晶、异分结晶、平衡分配系数、晶内偏析、显微偏析、区域偏析、区域提纯、成份过冷、胞状组织、共晶组织、亚共晶组织、过共晶组织、伪共晶、离异共晶、 二．填空题 1.相图可用于表征合金体系中合金状态与 和 之间的关系。 2.最基本的二元合金相图有 、 、 。 3.根据相律，对于给定的金属或合金体系，可独立改变的影响合金状态的内部 因素和外部因素的数目，称为 ，对于纯金属该数值最多为 ， 而对于二元合金该数值最多为 。 4.典型的二元合金匀晶相图，如Cu-Ni 二元合金相图，包含 、 两条相线， 、 、 三个相区。 5.同纯金属结晶过程类似，固溶体合金的结晶包括 和 两 个基本过程 。 6.勻晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为________ 。 7.共晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为___________ _。 8.共析反应的特征为_____________，其反应式可描述为_____________。 9.金属或合金在极缓慢冷却条件下进行的结晶过程称为 。纯金属结 晶时所结晶出的固相成分与液相成分 ，称为 ；而固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分 ，称为 。10.固溶体合金经不平衡结晶所产生的两类成分偏析为 、 。11.固溶体合金产生晶内偏析的程度受到溶质原子扩散能力的影响，若结晶温度 较高，溶质原子的扩散能力小，则偏析程度 。如磷在钢中的扩散能力较硅小，所以磷在钢中的晶内偏析程度较 ，而硅的偏析较 。12.固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，结晶树枝主轴含有较多的________组元。 严重的晶内偏析降低合金的 ，为消除枝晶偏析，工业生产中广泛采用 的方法。13.根据区域偏析原理，人们开发了 ，除广泛用于提纯金属、金属化合物 外，还应用于半导体材料及有机物的提纯。通常，熔化区的长度 ，液体 管架设技不同习题电统启高中资高中资资料免不保护置高中资料
第四章二元合金相图与合金凝固 一、本章主要内容： 相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律； 二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼； 二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面； 共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶； 二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析 其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变 二元相图总结及分析方法 二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图， 相图与合金性能的关系 相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图 二、 1.填空 1 相律表达式为___f=C-P+ 2 ___。 2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分_______起伏。 3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。 4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。 5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。 6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。 7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶。 8 共晶，包晶，偏晶，熔晶反应式分别为_______L1→α+β______, __ L+α→β____, ______ L1—L2＋α________, ___________γ→α+ L _______。 10 共析，偏析，包析反应式分别为______γ→α+β________，______ α1—α2＋β ________，
一．实验目的 1.用热分析法测绘Sn-Bi二元低共熔体系的相图 2.学习步冷曲线绘制相图的方法 二．实验原理 相图是多相体（二相或二相以上）处于相平衡状态时体系的某种物理性质对体系的某一自变量作图所得的图形（体系的其它自变量维持不变），二元和多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同条件下的相平衡情况，因此研究相体系的性质，以及多相平衡情况的变化要用相图的知识。 AB表示两个组分的名称，纵坐标是温度T,横坐标 是B的百分含量abc线上，体系只有液相存在，ace 所围的面积中有固相A及液相存在，bcf所围的中 有B晶体和个液相共存，c点有三相（AB晶体和饱 和熔化物）。 测绘相图就是要将图中这些分离相区的线画出来， 常用的实验方法是热分析法。所观察的物理性质是 被研究体系的温度。将体系加热熔融成均匀液体，然后冷却，每隔一定时间记录温度一次，一温度对时间作图，得到步冷曲线。 当一定组成的熔化物冷却时，最初温度随时间逐渐下降达到相变温度时，一种组分开始析出，随着固体的析出而放出凝固潜热，使体系冷却速度变慢，步冷曲线的斜率发生变化而出现转折点，转折点的温度即是相变温度。继续冷却的过程中，某组分析出的量逐渐增多而残留溶液中的量则逐渐减少，直到低共熔温度时，液相达到低共熔组成，两种组分同时互相饱和，两种组分的晶体同时析出，这时继续冷却温度将保持不变，步冷曲线出现一水平部分，直到全部溶液变为固体后温度才开始降低，水平停顿温度为最低共熔点温度。 如果体系是纯组分，冷却过程中仅在其熔点出现温度停顿，步冷曲线的水平部分是纯物质的熔点，图中b是图1中组成为P体系的步冷曲线，点2,3分别相当于图1中的G,H。因此取一系列不同组成的体系，做出它们的步冷曲线求出其转折点，就能画出相图。但是在实验过程中有时会出现过冷现象，这时必须外推求得真正的转折点。
第三章二元合金相图和合金的凝固 一．名词解释 相图、相律、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、异晶转变、平衡结晶、不平衡结晶、异分结晶、平衡分配系数、晶内偏析、显微偏析、区域偏析、区域提纯、成份过冷、胞状组织、共晶组织、亚共晶组织、过共晶组织、伪共晶、离异共晶、 二．填空题 1.相图可用于表征合金体系中合金状态与和之间的关系。 2.最基本的二元合金相图有、、。 3.根据相律，对于给定的金属或合金体系，可独立改变的影响合金状态的内部因 素和外部因素的数目，称为，对于纯金属该数值最多为，而对于二元合金该数值最多为。 4.典型的二元合金匀晶相图，如Cu-Ni二元合金相图，包含、两 条相线，、、三个相区。 5.同纯金属结晶过程类似，固溶体合金的结晶包括和两 个基本过程。 6.勻晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为________ 。 7.共晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为___________ _。 8.共析反应的特征为_____________，其反应式可描述为_____________。 9.金属或合金在极缓慢冷却条件下进行的结晶过程称为。纯金属结 晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为；而固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为。 10.固溶体合金经不平衡结晶所产生的两类成分偏析为、。 11.固溶体合金产生晶内偏析的程度受到溶质原子扩散能力的影响，若结晶温度较 高，溶质原子的扩散能力小，则偏析程度。如磷在钢中的扩散能力较硅小，所以磷在钢中的晶内偏析程度较，而硅的偏析较。 12.固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，结晶树枝主轴含有较多的________组元。 严重的晶内偏析降低合金的，为消除枝晶偏析，工业生产中广泛采用的方法。 13.根据区域偏析原理，人们开发了，除广泛用于提纯金属、金属化合物 外，还应用于半导体材料及有机物的提纯。通常，熔化区的长度，液体
第四章二元合金相图与合金凝固 本章主要内容： 相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律； 二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析 固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的 形成及对组织的影响，区域熔炼； 二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面； 共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶； 二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶合金的非平衡凝固与组织 包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭的缺陷 其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法 二元相图实例：Fe-Fe 3C亚稳平衡相图，Al-Mn相图，Al 2 O 3 -SiO 2 二元系相图 相图与合金性能的关系 相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图 1.填空 1 相律表达式为_____________________________。 2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有_____________起伏。 3. 按液固界面微观结构，界面可分为__________________和 ____________________。 4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是__________________________，光滑界面晶体的长大机制是_____________________和_____________________。 5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生____________偏析，用 _________________热处理方法可以消除。 6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈 ________________状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为 ________________状。 7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为______________。 8 亚共晶合金的典型平衡组织为_________________，亚共析合金的典型平衡组织为___________________________。 9 共晶，包晶，偏晶，熔晶反应式分别为______________________, ____________________, _________________________, ___________________________。 10 共析，偏析，包析反应式分别为______________，______________， _____________。
二组分固---液相图的绘制 一、实验目的 1.学会用热分析法测绘Sn —Bi 二组分金属相图。 2.了解热分析法测量技术。 3.掌握SWKY 数字控温仪和KWL-08可控升降温电炉的基本原理和使用。 二、预习要求 了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。 三、实验原理 测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，其原理是将一种金属或合金熔融后，使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线叫步冷曲线。当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降得到一光滑的冷却曲线;当体系内发生相变时，则因体系产生之相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。利用冷却曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来，就可绘出相图。 二元简单低共熔体系的冷却曲线具有图1所示的形状。 图1 根据步冷曲线绘制相图 拐点后，开始有固体凝固出来，液相成分不断变化，平衡温度也不断随之改变，直到达到其低 共熔点温度，体系平衡，温度保持不变（平台）；直到液相完全凝固后，温度又迅速下降。 用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足 够慢才能得到较好的效果。此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度;但严重过冷现象，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。见图2。遇此情况，可延长DC 线与AB 线相交，交点E 即为转折点。 图3是二元金属体系一种常见的步冷曲线。 当金属混合物加热熔化后冷却时，由于无相变发生，体系的温度随时间变化较大，冷却较快（1~2段）。若冷却过程中发生放热凝固，产生固相，将减小温度随时间的变化，使体系的冷却速度减慢（2~3段）。当融熔液继续冷却到某一点时，如3点，由于此时液相的组成为低共熔物的组成。在最低共熔混合物完全凝固以前体系温度保持不变，步冷曲线出现平台，（如图3~4段）。当融熔液完全凝固形成两种固态金属后，体系温度又继续下降（4~5段）。若图III-5-4中的步冷曲线为图III-5-5中总组成为P 的混合体系的冷却曲线，则转折点2 相当于相图中的G 点，为纯固相开始析出的状态。水平段3~4相当于相图中H 点，即低共熔物凝固的过程。因此，根据一系列不同组成混合体系的步冷拐点：相变温度 平台 A+L B+L L A+B
第四章材料的成形凝固与二元合金相图 习题参考答案 一、解释下列名词 答：1、凝固：物质由液态转变为固态的过程。 2、过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。 3、自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。 4、非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。 5、变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法。 6、变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。 7、同素异构转变：金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。 8、合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质。 9、组元：组成合金的最基本的、独立的物质。 10相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 11、相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图。 12、枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象。 13、比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致的现象。 二、填空题 1、实际结晶温度比理论结晶温度略低一些的现象称为金属结晶的过冷现象，实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。 2、金属结晶过程是晶核形成与晶核长大的过程，这是结晶的基本规律。 3、金属结晶时的冷却速度越快，则过冷度越大，结晶后的晶粒越细，其强度越高，塑性和韧性越好。 4、典型的金属铸锭组织由三层组成，即表层细晶区、柱状晶区、中心粗等轴晶区。 5、在金属铸锭中，除组织不均匀外，还经常存在缩孔、气孔、疏松等各种铸造缺陷。 6、其它条件相同时，在下列铸造条件下，就铸件晶粒大小来说：
第三章二元合金相图和合金的凝固 一、名词： 相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。 共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。 脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。 包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。 成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。 二、简答： 1. 固溶体合金结晶特点？ 答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？ 答：溶质平衡分配系数k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？
答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。 4. 相图分折有哪几步？ 答：以稳定化合物为独立组元分割相图并分析；熟悉相区及相；确定三相平衡转变性质。 三、绘图题 绘图表示铸锭宏观组织三晶区。 四、书后习题 1、何谓相图？有何用途？ 答：相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 相图的作用：由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 2、什么是异分结晶？什么是分配系数？ 答：异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 分配系数：在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比值。 3、何谓晶内偏析？是如何形成的？影响因素有哪些？对金属性能有何影响，如何消除？ 答：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 形成过程：固溶体合金平衡结晶使前后从液相中结晶出的固相成分不同，实际生产中，液态合金冷却速度较大，在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就继续下降，使每个晶粒内部的化学成分布均匀，先结晶的含高熔点组
第四章二元合金相图与合金凝固答案
第四章二元合金相图与合金凝固 一、本章主要内容： 相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律； 二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析 固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼； 二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面； 共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶； 二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析 其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变 二元相图总结及分析方法 二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图， 相图与合金性能的关系 相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图 二、 1.填空 1 相律表达式为___f=C-P+ 2 ___。 2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分 _______起伏。 3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。 5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。 6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。 7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶。 8 共晶，包晶，偏晶，熔晶反应式分别为_______L1→α+β______, __ L+α→β ____, ______ L1—L2＋α________, ___________γ→α+ L _______。 10 共析，偏析，包析反应式分别为______γ→α+β________，______ α1—α2＋β________，_______α+β→γ______。 11 固溶体合金凝固时，溶质分布的有效分配系数k0=__ C s/C l __ 14 固溶体合金定向凝固时，液相中溶质混合越充分，则凝固后铸锭成分_偏析最严重__。 15. 在二元相图中，L1→α+L2叫___偏晶___反应，β→L+α称为___熔晶__转变，而反应α１—α２＋β称为____偏析___反应，α+β→γ称为___包析___反应。19 Fe-Fe3C相图中含碳量小于__ 0.0218-2.11% __为钢，大于___ 2.11% __为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由_______F______和____ Fe3C __________两个基本相组成；根据溶质原子的位置，奥氏体其晶体结构是____ FCC __________，是____间隙________固溶体，铁素体是_____ ____间隙固溶体 ______固溶体，其晶体结构是__ BCC ____，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含C量是___ 2.11 _______；珠光体是由___铁素体____和__渗碳体__组成的两相混合物；莱氏体的含碳量_____ 4.3% ____；在常温下，亚共析钢的平衡组织是___ P+F ___，过共析钢的平衡组织是____ P+Fe3C II ____，亚共晶白口铸铁的平
第三章二元合金的相结构与结晶 (一)填空题 1 合金的定义是 2．合金中的组元是指。 3．固溶体的定义是 4．Cr、V在γ-Fe中将形成固溶体。C、N则形成固溶体。 5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要些。 6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的组元。7．共晶反应的特征是，其反应式为 8．匀晶反应的特征是，其反应式为 9．共析反应的特征是，其反应式为 10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为，按原子溶入量可以分为和11．合金的相结构有和两种，前者具有较高的性能，适合于做相；后者有较高的性能，适合于做相 12．看图4—1，请写出反应式和相区： ABC ；DEF ；GHI ； ①；②；③；④；⑤；⑥； 13．相的定义是，组织的定义是 14．间隙固溶体的晶体结构与相同，而间隙相的晶体结构与不同。 15．根据图4—2填出： 水平线反应式；有限固溶体、无限固溶体。 液相线，固相线，固溶线、
16．接近共晶成分的合金，其性能较好；但要进行压力加工的合金常选用的合金。 17．共晶组织的一般形态是。 (二)判断题 1．共晶反应和共析反应的反应相和产物都是相同的。( ) 2．铸造合金常选用共晶或接近共晶成分的合金，要进行塑性变形的合金常选用具有单相固溶体成分的合金。( ) 3．合金的强度与硬度不仅取决于相图类型，还与组织的细密程度有较密切的关系。( ) 4．置换固溶体可能形成无限固溶体，间隙固溶体只可能是有限固溶体。( ) 5．合金中的固溶体一般说塑性较好，而金属化合物的硬度较高。( ) 6．共晶反应和共析反应都是在一定浓度和温度下进行的。( ) 7．共晶点成分的合金冷却到室温下为单相组织。( ) 8．初生晶和次生晶的晶体结构是相同的。( ) 9．根据相图，我们不仅能够了解各种合金成分的合金在不同温度下所处的状态及相的相对量，而且还能知道相的大小及其相互配置的情况。( ) 10．亚共晶合金的共晶转变温度与共晶合金的共晶转变温度相同。( ) 11．过共晶合金发生共晶转变的液相成分与共晶合金成分是一致的。( ) (三)选择题 1．固溶体的晶体结构是 A．溶剂的晶型B．溶质的晶型 C 复杂晶型D．其他晶型 2 金属化合物的特点是 A．高塑性B．高韧性 C 高硬度D．高强度 3．当匀晶合金在较快的冷却条件下结晶时将产生 A．匀晶偏析 B 比重偏C．枝晶偏析D．区域偏析 4．当二元合金进行共晶反应时，其相组成是 A．由单相组成 B 两相共存 C 三相共存D．四相组成 5．当共晶成分的合金在刚完成共晶反应后的组织组成物为 A. α+βB．(α＋L) C．(α+β) D．L＋α+β 6．具有匀晶型相图的单相固溶体合金B A．铸造性能好B．锻压性能好 C 热处理性能好D．切削性能好 7．二元合金中，共晶成分的合金 A．铸造性能好 B 锻造性能好 C 焊接性能好D．热处理性能好 8．共析反应是指 A．液相→固相Ⅰ+固相Ⅱ B 固相→固相Ⅰ+固相Ⅱ C．从一个固相内析出另一个固相 D 从一个液相中析出另一个固相 9．共晶反应是指
教学课题二元合金相图 教学课时 2 教学目的让学生了解了解相图的分析方法及共晶转变的概念 掌握共晶转变的定义、应具备的条件 教学难点共晶转变的定义、应具备的条件 教学重点共晶转变的定义、应具备的条件 教学方法讲解法 教具准备教材 教学过程
授课内容 一、二元合金相图的建立 相图：合金的成分、温度和组织之间关系的一个简明图表。 相图的作用：研究和选用合金的重要工具，对于金属的加工及热处理，具有指导意义。 相图的表示形式：平面坐标图的形式表示。（纵坐标表示温度，横坐标表示合金的成分）（教材P36页） 例如:F、G、M含义 ） F点表示：400℃时含B 20% 含A 80%合金 G点表示：800℃时含B 60% 含A 40%合金 M点表示：1000℃时含B 80% 含A 20%合金 相图的建立是通过实验的方法测定出来的。最常用的是热分析法。 以铅锑二元合金为例，说明步骤： （1）配制不同成分的Pb-Sb合金。 （2）将它们熔化，再用热分析法测定各合金的冷却曲线。 （3）根据各冷却曲线上的转折点，确定其临界点的位置。（临界点：金属发生 结构改变的温度。指合金的结晶开始及终了温度。） （4）把各合金的临界点描绘在温度—成分坐标系的相对位置上，并将意义相同
的临界点连接起来，即得相图。 举例说明Cu —Ni 二元合金相图。 二、铅锑二元合金相图的分析 ℃℃） A （327 ） 1、A 点：铅的熔点 （327℃） 2、B 点：锑的熔点 （631℃） 3、C 点：共晶点（ Sb11%+Pb89% 252℃ ） 4、ACB ：液相线 5、DCE ：固相线 6个区域（如图） 共晶转变：一定成分的液态合金，在某一恒温下，同时结晶出两种固相的转变。 结晶过程 1、共晶转变：（Sb11%+Pb89%） 252℃ Lc ===== （Sb + Pb ） 共晶合金：在恒温下从液相中，同时结晶出 Sb 和 Pb 的混合物（共晶体），继续冷却，共晶体不再发生变化。这一合金称为共晶合金。 2、亚共晶转变： （ Sb ＜11% ）
第四章 1． 何谓结晶过程中的溶质再分配?它是否仅由平衡分配系数K 0所决定?当相图上的液相线和固相线皆为直线时，试证明K 0为一常数。 答：结晶过程中的溶质再分配：是指在结晶过程中溶质在液、固两相重新分布的 现象。 溶质再分配不仅由平衡分配系数K 0决定 ，还受自身扩散性质的制约，液相中的对流强弱等因素也将影响溶质再分配。 当相图上的液相线和固相线皆为直线时K 0为一常数，证明如下：如右图所示： 液相线及固相线为直线，假设 其斜率分别为m L 及m S ，虽然 C *S 、C * L 随温度变化有不同值，但 L m S m L S m T T m T T C C K /)(/)(0* *** --===S L m m =常数， 此时，K 0与温度及浓度无关， 所以，当液相线和固相线为直 线时，不同温度和浓度下K 0为 定值。 2． 某二元合金相图如右所示。合金液成分为C B =40%，置于长瓷舟中并从左端开始凝固。温度梯度大到足以使固-液界面保持平面生长。假设固相无扩散，液相均匀混合。试求：①α相与液相之间的平衡分配系数K 0；②凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分之几?③凝固后的试棒中溶质B 的浓度沿试棒长度的分布曲线。 解：（1）平衡分配系数K 0 的求解： 由于液相线及固相线均为直 线不同温度和浓度下K 0为 定值，所以：如右图， 当T=500℃时， K 0 =**L C C α=% 60%30=0.5 K 0即为所求 α相与液相之间的 平衡分配系数. （2）凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分数的计算: 由固相无扩散液相均匀混合下溶质再分配的正常偏析方程 ) 1(00-* =K L L f C C 图 4-43 二元合金相图 K 0＜1C 0K 0C 0/K 0T C * S C * L C 0C T * Tm
实验六步冷曲线法绘制二元合金相图 一、目的要求 1. 用热分析法测熔融体步冷曲线，再绘制绘Bi-Sn二元合金相图。 2. 了解热分析法的实验技术及热电偶测量温度的方法。 二、实验原理 1.相图 相图是多相（二相或二相以上）体系处于相平衡状态时体系的某些物理性质（如温度或压力）对体系的某一变量（如组成）作图所得的图形，因图中能反映出相图平衡情况（相的数目及性质等），故称为相图。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，因此，研究多相体系相平衡情况的演变（例如钢铁及其它合金的冶炼过程，石油工业分离产品的过程），都要用到相图。由于压力对仅由液相和固相构成的凝聚体系的相平衡影响很小，所以二元凝聚体系的相图通常不考虑压力的影响，而常以组成为自变量，其物理性质则取温度。 2.热分析法测绘步冷曲线 热分析法是绘制相图常用的基本方法。其原理是将体系加热融熔成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，用体系的温度随时间的变化情况来判断体系是否发生了相变化。记录体系的温度随时间的变化关系，再以时间为横坐标，温度为纵坐标，绘制成温度--时间曲线，称为步冷曲线（如图6－1）。从步冷曲线中一般可以判断在某一温度时，体系有无相变发生。当系统缓慢而均匀地冷却时，若系统内无相的变化，则温度将随时间而均匀地改变，即在T-t曲线上呈一条直线，若系统内有相变化，则因放出相变热，使系统温度变化不均匀，在T-t图上有转折或水平线段，由此判断系统是否有相变化。 对于二组分固态不互溶凝聚系统（A-B系统），其典型冷却曲线形状大致有三种形态，见图6－1所示。 图6－1(a) 图6－1(b) 图6－1(c) 图6－1(a)体系是单组分体系。在冷却过程中，在a～a1段是单相区，只有液相，没有相变发生，温度下降速度较均匀，曲线平滑。冷却到a1时，达到物质的凝固点，有固相开始析出，两相共存，自由度为零，温度保持不变，冷却曲线出现平台（温度不随时间而改变）。当到达a1′点液相完全消失，系统成