二元合金的相结构与结晶(2)

潍坊学院教案
有三种类型：
①正常价化合物
组成元素严格按原子价规律结合，成分固定，用分子式表示。

如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg3Sb2等。

一般都是金属元素与4、5、6族元素组成，在元素周期表中相距较远，
电负性差较大。

以金属键或离子键结合。

②电子化合物
= 价电子数/ 原子数）组成的具有一定晶根据一定的电子浓度比（C
电
体结构的化合物，不遵守原子价规律，成分可变。

=21/14，β相（b.c.c. 结构）；
C
电
=21/13，γ相（复杂立方结构）；
C
电
=21/12，ε相（h.p.c.结构）。

C
电
③间隙相与间隙化合物
一般是直径较大的过渡族元素（Fe、Cr、Mo、W、V）和原子直径小的
非金属元素（H、C、N、O、B）组成。

间隙相：r x/r M<0.59，具有简单晶体结构，如：WC、Ti、VC等。

间隙化合物：r x/r M>0.59，具有复杂晶体结构，如：Fe3C、Cr23C6、
Cr7C3等
金属间化合物的性能：熔点高，硬且脆，一般作强化相。

二、二元合金相图
1、合金的结晶特点
也是形核与长大，但有自己的特点：
（1）不是恒温下进行的，有一定的结晶温度范围。

（2）结晶过程中不只有一个固相和液相，而是在不同范围内有不同的相，各相成分也变化。

因此，合金的结晶过程要复杂些，单用一条冷却曲线难以说清楚。

为了
研究合金的结晶过程及合金组织的变化规律，需借用一个工具——相图。

金属学与热处理第二版（崔忠圻）答案第三章二元合金的相结构与结晶3-1 在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？答：原因：在纯金属的凝固过程中，在正温度梯度下，固液界面呈平面状生长；当温度梯度为负时，则固液界面呈树枝状生长。

固溶体合金在正温度梯度下凝固时，固液界面能呈树枝状生长的原因是固溶体合金在凝固时，由于异分结晶现象，溶质组元必然会重新分布，导致在固液界面前沿形成溶质的浓度梯度，造成固液界面前沿一定范围内的液相其实际温度低于平衡结晶温度，出现了一个由于成分差别引起的过冷区域。

所以，对于固溶体合金，结晶除了受固液界面温度梯度影响，更主要受成分过冷的影响，从而使固溶体合金在正温度梯度下也能按树枝状生长。

3-2 何谓合金平衡相图，相图能给出任一条件下合金的显微组织吗？答：合金平衡相图是指在平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解，又称为状态图或平衡图。

由上述定义可以看出相图并不能给出任一条件下合金的显微组织，相图只能反映平衡条件下相的平衡。

3-3 有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的WNi=90%，另一个铸件的WNi=50%，铸后自然冷却。

问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。

答：WNi=50%铸件凝固后偏析严重。

解答此题需找到Cu-Ni合金的二元相图。

原因：固溶体合金结晶属于异分结晶，即所结晶出的固相化学成分与母相并不相同。

由Cu-Ni 合金相图可以看出WNi=50%铸件的固相线和液相线之间的距离大于WNi=90%铸件，也就是说WNi=50%铸件溶质Ni的k0（溶质平衡分配系数）高，而且在相图中可以发现Cu-Ni合金铸件Ni的k0是大于1，所以k0越大，则代表先结晶出的固相成分与液相成分的差值越大，也就是偏析越严重。

消除措施：可以采用均匀化退火的方法，将铸件加热至低于固相线100-200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分扩散，可达到成分均匀化的目的。

二元合金的结晶过程引言：二元合金是由两种金属元素组成的合金，其结晶过程是指在凝固过程中，合金中的原子或离子按照一定的顺序排列形成晶体的过程。

本文将介绍二元合金的结晶过程及其特点。

一、结晶的基本概念结晶是物质从液态或气态向固态转变的过程，是物质由无序状态向有序状态转变的过程。

在结晶过程中，原子或离子按照一定的规则排列形成晶体，晶体具有一定的形状和结构。

二、二元合金的结晶过程1. 溶液的形成二元合金的结晶过程始于形成溶液。

当两种金属元素以液态形式混合时，形成了一个二元合金溶液。

在溶液中，两种金属元素的原子或离子相互扩散，并逐渐形成有序的结构。

2. 溶液的过饱和随着溶液的冷却，溶液中的金属原子或离子浓度逐渐增加，超过了其在固态合金中的溶解度，溶液变得过饱和。

这时，金属原子或离子开始聚集在一起，形成微小的晶核。

3. 晶核的生长在过饱和溶液中，晶核开始生长。

晶核吸附周围的金属原子或离子，并逐渐长大，形成晶体。

晶体的生长是一个动态的过程，晶体的尺寸和形状受到多种因素的影响，如温度、溶液浓度、晶体生长速率等。

4. 晶体的定向生长在二元合金中，晶体的生长不仅受到溶液中的物理和化学因素的影响，还受到两种金属元素的相互作用的影响。

在晶体生长过程中，两种金属元素的原子或离子按照一定的规则排列，形成有序的晶体结构。

5. 相变与晶体结构在二元合金的结晶过程中，由于两种金属元素的相互作用，晶体结构可能发生相变。

相变是指晶体结构的改变，通常伴随着晶体的形貌和性质的变化。

相变的发生取决于合金的成分和结晶条件。

三、二元合金结晶过程的特点1. 复杂性与纯金属的结晶相比，二元合金的结晶过程更加复杂。

由于两种金属元素的相互作用，合金中的晶体结构和形貌可能发生变化，使得合金的性能也发生变化。

2. 多样性不同成分的二元合金具有不同的结晶特点。

合金中两种金属元素的含量、原子尺寸、电子云的特性等都会影响合金的结晶过程和晶体结构。

3. 可控性通过调节合金的成分和结晶条件，可以控制二元合金的结晶过程。

金属学与热处理总结一、金属的晶体结构重点内容：面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。

基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。

金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。

位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。

位错的柏氏矢量具有的一些特性：①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。

刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。

晶界具有的一些特性：①晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。

二、纯金属的结晶重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成机制。

基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。

铸锭的缺陷；结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。

相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。

过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。

变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。

过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。

从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。

根据 T R k ∆∝1可知当过冷度T ∆为零时临界晶核半径R k 为无穷大，临界形核功（21T G ∆∝∆）也为无穷大。

二元合金的相结构与结晶考试试卷及参考答案一、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，经熔炼或其它方法结合而成的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、能独立存在的物质。

3．固溶体的定义是合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。

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小些。

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．共晶反应的特征是在同一温度下，由一定成分的液相转变成成分一定的两个固相（三相共存）。

在共晶点处凝固温度最低。

其反应式为L （液）→α（固）+ β（固）。

8．匀晶反应的特征是结晶出的晶体与母相化学成分不同（异分结晶），结晶在一定的温度范围内进行，其反应式为L→α9．共析反应的特征是在同一温度下，由一定成分的固相转变成成分一定的两个固相（三相共存）。

在共析点处析出温度最低。

，其反应式为γ→(α + β) 共析体。

10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为置换和间隙，按原子溶入量可以分为有限和无限11．合金的相结构有固溶体和金属化合物两种，前者具有较高的塑韧性能，适合于做基体相；后者有较高的硬度性能，适合于做强化相12．看图4—1，请写出反应式和相区：ABC 包晶线；DEF 共晶线；GHI 共析线；①L+α；②α +γ；③α；④γ+ β ；⑤L+γ ；⑥L+β ；13．相的定义是指合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分，组织的定义是在显微镜下能清楚地区分开的独立组成部分。

14．间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同，而间隙相的晶体结构与溶剂不同。

15、同分凝固（结晶）的定义纯金属结晶时，所结晶出的固相成分与液相成分完全一样的结晶。

异分凝固（结晶）的定义固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分不同的结晶。