第三章 二元合金相图和合金的凝固 §3.2 匀晶相图及固溶体的结晶 《金属学与热处理》 教学课件

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，液体的成分，提纯效果越好。

第三章⼆元合⾦相图和⼆元合⾦的结晶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。

第三章二元相图及合金的凝固第三章二元相图及合金的凝固相图：phase diagram 描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。

又称状态图（state diagram）或平衡图（equilibrium diagram）。

¾二元系相图是研究二元体系在热力学平衡条件下，相与温度、成分之间关系的有力工具。

¾根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。

¾仅在热力学平衡条件下成立，不能确定相结构、分布状态和具体形貌。

3.1 相图的基本知识3.1.1 合金与相的概念（1）合金合金（alloy）组元（component）（元）二元合金三元合金多元合金合金系（alloy system）二元系三元系多元系（2）相相（phase）单相合金多相合金（3）相律（phase rule）相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。

吉布斯相律(Gibbs phase rule):F＝C一P十2式中，C：系统的组元数P：平衡共存的相的数目F：自由度。

取最小值F＝0，得出：P＝C十2若压力给定，应去掉一个自由度，P＝C十1公式表明：在压力给定的情况下，系统中可能出现的最多平衡相数比组元数多一个。

例如：一元系：C＝1，P＝2，即最多可以两相平衡共存。

如纯金属结晶时，其温度固定不变，同时共存的平衡相为液相和固相。

二元系：C＝2，P＝3，最多三相平衡共存；三元系：C＝3，P＝4，最多四相平衡共存；依此类推，n元系，最多n十1相平衡共存。

¾确定系统中可能存在的最多平衡相数。

应用：¾解释纯金属与合金的结晶差别。

应当注意，相律的限制性：1）相律只适用于热力学平衡状态。

平衡状态下各相的温度应相等(热量平衡)；各相的压力应相等(机械平衡)；每一组元在各相中的化学位必须相同(化学平衡)；2）相律只能表示体系中组元和相的数目，不能指明组元或相的类型和含量；3）相律不能预告反应动力学(速度)；4）自由度F不得小于零。

《金属学与热处理》课程教学大纲课程代号：ABJD0702课程中文名称：金属学与热处理课程英文名称：Meta11ographyandHeatTreatment课程类型：必修课程学分数：4学分课程学时数：64学时授课对象：材料成型与控制工程专业本课程的前导课程：高等数学，大学物理，画法几何及工程制图、材料力学、金工实习等课程一、课程简介《金属学与热处理》是材料成型与控制工程专业的专业基础课，着重阐述金属及合金的化学成分、组织结构与性能的内在联系以及在各种条件下的变化规律，比较全面系统地介绍金属与合金的晶体结构、金属及合金的相图与结晶、塑性变形与再结晶以及固态金属相变的基本理论。

并结合实例，从组织结构的角度出发来阐明问题，重点放在与金属材料学科有关的基本现象、基本概念、基本规律和基本方法上，以便为合理使用金属材料和制定热加工工艺规程，为从事金属与合金研究提供理论依据和线索。

通过对本课程的学习，使学生系统掌握《金属学与热处理》基本理论和基础知识，运用所学知识分析问题、解决问题，提高学生综合能力与素质，并为后继有关专业课程的学习打好基础；使学生在金属学基础理论方面具备阅读专业文献及进一步提高自学的能力；使学生具备运用金相光学显微分析方法分析金属及合金的组织、性能的能力。

通过课堂讲授，习题课和课堂讨论，课外作业，实验等教学环节的教学，重点培养学生的自学能力，动手能力，分析问题，解决问题的能力。

二、教学基本内容和要求第1章金属与合金的晶体结构课程教学内容：金属、金属的晶体结构、实际金属的的晶体缺陷。

课程的重点、难点：本章的重点是三种常见的金属晶体结构及其基本性能，实际金属晶体缺陷及其对性能的影响。

本章的难点是晶体结构缺陷。

课程教学要求：熟练掌握几何晶体学的基本知识和纯金属的三种典型的晶体结构；掌握晶面、晶向的表示方法；掌握合金相结构；掌握点缺陷、线缺陷与位错的基本概念，了解位错的运动以及面缺陷。

第2章纯金属的结晶课程教学内容：纯金属结晶的现象、金属的热力学条件、金属结晶的结构条件、形核、长大以及晶粒大小的控制。