学生用材料科学基础第7章

低于合金的原始成分，故与之相邻的液相含铜量势必升高至
L1。随后冷却到t2温度，固相的平衡成分应为α2 ，液相成分 则改变至L2 。但由于冷却较快，液相和固相，尤其是固相中 的扩散不充分，其内部成分仍低于α2 ，甚至保留为α1，从而 出现成分不匀现象。
此时，整个结晶固体的平均成分应在α1和α2之间，而整个液 体的平均成分应在L1和L2之间。
降低合金的抗蚀性能。
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二、共晶相图及合金凝固
共晶相图的概念
共晶转变（the eutectic reaction） ：在一定 条件下(温度、成分)，由均匀液体中同时结晶出 两种不同固相的转变。所得到两固相的混合物称 为共晶组织（eutectic structure） 。
(2) 先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)， 后结晶部分含有较多的低熔点组元(Cu)。
(3) 非平衡结晶条件下，凝固的终结温度低于
平衡结晶时的终止温度。
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固溶体不平衡结晶时，由于先后从液体中结晶出来的固相 成分不同，并因冷速较快而不能扩散均匀,结果使每个晶粒 内部的化学成分不均匀(先结晶部分含高熔点组元较多，后 结晶部分含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差别)， 这种现象称为晶内偏析。
由于工业用合金固溶体通常以枝晶状方式结晶，枝晶轴 （干）含高熔点组元多，而枝晶间含低熔点的组元多，导 致先结晶的枝干和后结晶的枝间成分不同，故亦称枝晶偏 析（dendritic segregation）。
晶内偏析对合金的力学性能（mechanical property）影 响 较 大 。 容 易 导 致 合 金 塑 性 （ plasticity ） ， 韧 性 （ toughness ） 下 降 ； 易 引 起 晶 间 腐 蚀 （ corrosion ） ，
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Cu-Ni合金冷却曲 线
及结晶过程示意图
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Cu-Ni匀晶相图 及平衡结晶过程 8
固溶体合金与纯金属结晶时的异同点：
共同点：形核与长大过程，但合金中存在第二组元， 凝固过程比纯金属复杂。
区别：
①固溶体结晶是在一温度范围内完成，而纯金属在恒温 下完成。
②固溶体合金结晶析出的固相成分与液态合金成分不同。 这种结晶称为选分结晶；结晶过程中液固两相成分都 要不断发生变化，固相成分沿固相线变化，液相成分 沿液相线变化，因此依赖于两组元的原子扩散过程。 而纯金属在结晶过程中固相与液相的成分始终是相同 的，这种结晶称为同分结晶。
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固溶体结晶过程的实质：
a：液相内的成分扩散、均匀过程； b：固相长大过程 c：固相内的成分扩散、均匀过程； 固溶体平衡结晶时，液相与固相的相对量可由杠 杆定律确定。
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3. 固溶体的不平衡结晶
工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快，在 每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过 程偏离平衡条件，称为非平衡凝固(结晶)。
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二元系相图的类型
一、匀晶相图及固溶体的凝固
匀晶相图概念 由液相直接结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转
变。 完全具有匀晶转变的相图称为匀晶相图。 特点：两组元在液态和固态都能无限互溶。
晶体结构相同，原子半径（离子半径）相近
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1.匀晶相图分析
给定成分的合金，在给定温度下，处于平衡的两个相的成分都已完全确定，
不能任意的改变。此时两相的成分（浓度）和相对含量都可以由杠杆定律
确定。
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计算液相和固相在温度t1时的相对含量。 液相的质量＋固相的质量＝合金的总质量1；
合金中的含镍量应等于液相中镍的含量与固相中镍的含量二元相图都包括匀晶转变部分。 两种特殊的匀晶相图
非平衡凝固(结晶)得到的组织称为不平衡组织。
在非平衡凝固中，液、固两相的成分将偏离平衡 相图中的液相线和固相线。由于固相内组元扩散 较液相内组元扩散迟得多，故偏离固相线的程度 就大得多，它成为非平衡凝固过程中的主要矛盾。
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合金在t1 温度时首先结晶出成分为α1 的固相，因其含铜量远
具有极大点：Pb-Tl 具有极小点：Au-Cu、Cr-Mo、Fe-Co
由于液、固两相的成分相同，此时用来确定体系状态的变量数应少掉一
个，于是自由度f=c-p=2-2＝0，即恒温转变。
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2. 固溶体的平衡凝固
平衡凝固（equilibrium solidification）是指凝固 过程无限缓慢地冷却，原子(组元)有充分的时间扩散， 时时处于相平衡。
第七章
二元系相图及其合金的凝固
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本章应掌握的内容
1. 掌握三种典型的基本相图：匀晶相图（Cu-Ni合金相 图）、共晶相图（Pb-Sn合金相图）、包晶相图（PtAg合金相图）。
2. 掌握杠杆定律及其应用。 3. 了解二元合金相图中的几种平衡反应：共晶反应、共析
反应、包晶反应、包析反应 、偏晶反应、合晶反应、熔 晶反应。 4. 熟练分析匀晶相图/共晶相图/包晶相图中合金的结晶冷 却曲线及转变组织。 5. 了解二元合金的不平衡凝固过程,及伪共晶、不平衡共晶 组织、离异共晶基本概念。
再继续冷却到t3温度，结晶后的固体平衡成分应变为α3 ，液 相成分变为L3，同样因扩散不充分而达不到平衡凝固成分， 固相的实际成分为α1、α2 和α3的平均值。液相的实际成分则 是L1、L2和L3的平均值。
合金冷却到t4温度才凝固结束。此时固相的平均成分变回到原 合金的成分。
若把每一温度下的固相和液相的平均成分点连接起来，分别称
平衡凝固方式所得到的组织称为平衡组织 （equilibrium microstructure）。
Cu-Ni合金冷却曲线（cooling curve）及结晶过程 示和合金平衡结晶时的组织变化示意图见下页。
固溶体的凝固过程也是一个形核和长大的过程。形 核方式可以是均匀形核，也可以依靠外来质点非均 匀形核。
为固相平均成分线和液相平均可成编辑p分pt 线。
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通过对非平衡凝固分析得到如下结论：
(1) 固相、液相的平均成分分别与固相线、液 相线不同，有一定的偏离。其偏离程度与冷却 速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重； 冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡 条件。液相线的偏离程度较固相线小。