第三章二元合金的相结构与结晶

第三章二元合金的相结构与结晶一、填空题1. Cr、V在γ-Fe中将形成固溶体。

C、N则形成固溶体。

2. 与间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要一些。

3. 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熔点组元。

4. 共晶反应的特征是，其反应式为。

5. 匀晶反应的特征是，其反应式为。

6. 共析反应的特征是，其反应式为。

7. 合金固溶体按溶质原子所处位置可分为和，按原子溶入量可以分为和。

8. 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。

9.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。

10.接近共晶成分的合金，其性能较好。

11.共晶组织的一般形态是。

12.固溶体合金，在铸造条件下，容易产生_______ 偏析，用__________ 方法处理可以消除。

13.K0<1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越小，成分偏析越____ , 提纯效果越_____；而K0>1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越大，成分偏析越____ , 提纯效果越_____。

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。

( )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。

第三章⼆元合⾦相图和合⾦的凝固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。

第三章二元合金的相结构与合金本章重点与难点：①合金的相结构；②二元合金相图的建立及杠杆定律；③几种典型而元合金相图及合金的结晶：匀晶、共晶、包晶相图等；④二元合金相图的分析及使用。

内容提要：相图就是用来表示系统中相的状态与成分之间关系的综合图形，其中最简单、最基本的相图是二元相图。

对材料工作者来说，相图是一种不可缺少的重要工具。

本章的重点是较详细的介绍了匀晶、共晶、包晶三种基本相图和它们的平衡及不平衡结晶过程，结晶后的组织形态，相与组织的相对量计算，以及组织对性能的影响规律等。

在介绍基本相图的同时，还介绍了其它类型的二元相图，包括包析、共析、形成化合物的相图及具有有序-无序转变的相图等；讨论了相图与合金性能之间的关系，包括使用性能和工艺性能。

本章的难点，一是固溶体合金凝固时的溶质分布，它把偏析的概念和合金凝固时界面前沿液相中溶质的混合程度从定性的分析走向半定量分析的方向；二是相图的热力学，试图通过相平衡时的自由能-成分曲线，来计算相图。

基本要求：1. 弄清相、组织、组织组成物等基本概念；2. 熟悉匀晶、共晶、共析、包晶等相图，并能应用他们分析相应合金的结晶过程；3. 掌握典型的几种二元相图，利用相图能分析任一合金平衡态的组织及推断不平衡态可能的组织变化；4. 能利用相图与性能的关系，预测材料性能；5. 理解成分过冷的形成及影响成分过冷的因素；成分过冷对组织形态的影响。

第一节合金中的相合金（Alloy）的概念：在金属中加入一种或一种以上的金属或非金属元素而组成的物质，其结合键主要是金属键。

在广义范围，金属、合金、金属材料三者之间可以不加区别。

组成合金中最基本、独立的物质，不同的组元间由于物理化学的相互作用，形成具有一定晶体结构、化学成分的相。

相的数量、形体、分布不同形成了不同的组织。

相（Phase）：在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分称为相，体系内相的数目用p表示。

组元（Component）：足以确定平衡体系中的所有各相组成所需的最少数目的独立物质称为独立组元，简称组元，其数目称为组元数，用c表示。

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。

二元合金的相结构与结晶组元——组成材料最基本的、独立的物质合金——指由两种或两种以上的金属、或金属与非金属经熔炼或用其他方法制成的具有金属特性的物质。

相--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金属化合物，它的晶体结构与固溶体完全不同，成分和性能也不相同组织：所谓合金组织，是指合金中不同相之间相互组合配置的状态固溶体——以合金中某一组元作为溶剂，其它组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相。

按溶质原子在溶剂晶格中所占位置：置换固溶体和间隙固溶体。

置换固溶体——溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体间隙固溶体——溶质原子进人溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体按溶质与溶剂原子相对分布分类无序固溶体——溶质原子统计式地或概率地分布在溶剂的晶格中。

有序固溶体——溶质原子在溶剂晶格的结点位或溶剂晶格的间隙中，有规律的排列。

有限固溶体：在一定条件下，溶质组元在固溶体的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解，这种限度称为溶解度或固溶度，这种固溶体是有限固溶体无限固溶体；溶质能以任意比例溶入溶剂，固溶度的溶解度可达100%，这种称为固溶体就称为无限固溶体。

无限固溶体只可能是置换固溶体影响置换固溶体溶解度的因素尺寸因素、晶体结构、电负性差及电子浓度是影响固溶体溶解度的四个主要因素(1)尺寸因素组元间的原子半径越相近，则固溶体的固溶度越大。

晶格畸变（溶质原子相邻的溶剂原子偏离其平衡位置）溶质原子溶入溶剂晶格引起晶格的点阵畸变。

溶质点阵的膨胀与收缩导致晶体能量升高，这种升高的能量称为晶格畸变能。

溶质原子引起的点阵畸变能越大，固溶体的溶解度就越小。

组元间的原子半径相差越大，晶格畸变能越高，晶格便不稳定。

当溶质原子溶入很多时，则单位体积的晶格畸变能越高，直至溶质晶格不能再维持时，便达到了固溶体的固溶度极限。

如此时再继续加入溶质原子，溶质原子将不再溶入固溶体中，只能形成其他新相(2) 晶体结构因素组元间晶体结构相同时，固溶度较大，而且有可能形成无限固溶体。