第九讲匀晶相图及固溶体的结晶

第九讲匀晶相图及固溶体的结晶第四节匀晶相图及固溶体的结晶一、主要内容：相图分析固溶体合金的平衡结晶过程固溶体的不平衡结晶过程区域偏析和区域提纯成分过冷及其对晶体成长形状和铸锭组织的影响二、要点：匀晶相图的合金类型，匀晶相图的结构特点，固溶体合金的平衡结晶过程，浓度起伏的概念进一步说明异分结晶，平衡分配系数的概念，结晶过程中液固界面前沿浓度的变化，不平衡结晶过程合金固相中的成分变化及对相图的影响，枝晶偏析与晶内偏析，区域偏析与区域提纯，成分过冷的条件及影响因素，成分过冷对晶体形状的影响三、方法说明：讲清楚平衡结晶，浓度起伏，异分结晶，说明平衡结晶成分的变化，利用图形及公式推导说明区域偏析及成分过冷，进一步说明晶内偏析，说明成分过冷对晶体生长形状的影响及固溶体合金易生成树枝晶原因授课内容：第四节匀晶相图及固溶体的结晶一、相图分析液相线，固相线。

液相区，固相区，液固两相区。

二、固溶体合金的平衡结晶过程异分结晶：固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分不同，这种结晶出的晶体与母相化学成分完全不同的结晶称为异分结晶，或称选择结晶。

平衡分配系数k0：在一定温度下，固液两相中的溶质浓度之比值。

K0＝Cα/CLCα和CL为固相和液相的平衡浓度。

固溶体合金的结晶需要一定的温度范围。

举例说明：1．如图：有一固溶体合金，成分为C0平衡结晶。

已知：平衡分配系数为k0＜1（常数），液相线斜率为m ，结晶开始的温度为T0 问：1）在T0时，液相的成分C L（T0）是多少？固相的成分是多少？2）液相的成分CL(T)随温度如何变化？固相的成分Cα（T）随温度如何变化？3）结晶结束时，液相的成分是多少？固相的成分是多少？4）结晶结束时的温度是多少？5）有一个单位长度，单位面积，密度为1的固溶体合金棒，成分为C0 ，将其熔化，然后从一端开始平衡结晶到x处结晶停止。

问：此时的固相成分Cα是多少？液相的成分是多少？当固相增加Δx时，固相和液相的溶质如何变化？结晶结束时的溶质分布怎样？三、固溶体的不平衡结晶（举例说明：）2．有一个单位面积，单位长度，密度为一的固溶体合金棒，成分为C0 ，平衡分配系数为k0＜1（常数），液相线的斜率为m ，将其熔化，然后从一端开始不平衡结晶，固相中无扩散，液相中完全扩散，求固相的浓度随合金棒的长度是如何变化的？若k0＝0.5 Cα＝C0时，x是多少？x＝0.5时，Cα是多少？当x＝x时，固相浓度的平均值是多少？稳定态凝固：如上题在金属凝固过程中，固相无扩散，液相中只有扩散(符合扩散第一定律)，在液固界面前沿的液相区域存在一个扩散层，当凝固到一定距离时，液固界面上固相的成分等于C0 ，扩散层的厚度为b ，凝固速度为R ，界面前沿溶质的分布如图：1）在液固界面上固相的成分Cα=C02）在液固界面上液相的成分CL＝C0/k03）扩散第一定律 J ＝－DdC/dx ＝－D（C0/k0－C0）/b4) 扩散通量 J＝（C0/k0－C0）Adx/A .t5）凝固速度 R＝dx/t6）证明：理论结晶温度梯度（T0－Ts）/b＝RmC0/D〔(1－k0)/k0〕7）实际结晶温度梯度 G ① G＞ (T0－Ts)/b＞RmC0/D〔(1－k0)/k0〕② G＝(T0－Ts)/b＝RmC0/D〔(1－k0)/k0〕③G＜(T0－Ts)/b＜RmC0/D〔(1－k0)/k0〕通过推导，得出固溶体合金在结晶过程中容易产生成分过冷现象。

最全二元相图及其合金凝固知识点总结匀晶相图与固溶体凝固匀晶相图两组元在液态、固态均能无限互溶的二元系所组成的相图称为匀晶相图。

匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。

匀晶转变是变温转变。

以w(N i)为30%C u-N i二元合金相图为例说明匀晶相图。

点：T C u、T N i分别为C u、N i熔点。

线：TCuBTNi 为液相线。

TCuCTNi 为固相线。

区： L、L+α、α固溶体的平衡凝固平衡结晶：在极缓慢冷却条件下进行的结晶。

以w(N i)为30%C u-N i二元合金为例分析结晶过程：t1温度以上为L；t1温度时，L→α，成分为：B、C。

固溶体平衡冷却结晶过程归纳总结：冷却时遇到液相线开始结晶，遇到固相线结晶终止，形成单相均匀固溶体。

在结晶过程中每一温度，其液相、固相成分和相对量可由该温度下做水平线与液相线、固相线的交点及杠杆定理得出随温度下降，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变化，且液相成分减少，固相成分增加，直至结晶完毕。

固溶体合金的结晶特点：1.异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同。

2.结晶需要一定的温度范围。

固溶体非平衡凝固非平衡凝固：偏离平衡条件的结晶。

在实际生产中，由于冷却速度较快，内部原子的扩散过程落后于结晶过程，使合金的成分均匀化来不及进行，使凝固偏离了平衡条件，这称为非平衡凝固。

非平衡凝固导致先结晶部分与后结晶部分成分不同，这种一个晶粒内部或者一个枝晶间的化学成分不同的现象，叫做枝晶偏析或晶内偏析。

各个晶粒之间化学成分不均匀的现象叫做晶间偏析。

枝晶偏析是非平衡凝固的产物，在热力学上是不稳定的，可以通过均匀化退火消除。

1.液相线与固相线间的水平距离(成分间距)↑，先后结晶的成分差别↑，偏析严重。

2.溶质原子的扩散能力↑，偏析↓。

3.冷却速度↑，偏析↑。

共晶相图与合金凝固共晶相图组成共晶的两组元液态时无限互溶，固态时有限固溶或完全不溶，且发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图。

匀晶合金：W Mo Ni Fe Mo Cr Au Ag Ni Cu -----,,,,共晶合金：Bi Pb Cu Ag Sb Pb Sn Pb ----,,,包晶合金：铂银、锡锑、铜锡、铜锌等匀晶相图：两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所形成的相图，称为匀晶相图。

匀晶合金：具有此类相图二元合金系主要有W Mo Ni Fe Mo Cr Au Ag Ni Cu -----,,,,等等。

匀晶转变在这类合金中，结晶时都是从液相结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。

应该说几乎所有的二元合金相图都含有匀晶转变部分一，以Ni Cu -相图为例进行分析 Ni Cu -二元合金相图如图3-14所示匀晶相图两条线三个区：该相图十分简单，只有两条曲线，上面一条是液相线，下面一条是固相线，液相线和固相线把相图分为三个区域：液相区L 、固相区α以及液、固两相并存区α+L二，固溶体合金的平衡结晶过程平衡结晶：平衡结晶是指合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程含镍量30%的Ni Cu -合金为例进行分析固溶体合金的平衡结晶过程由图3.14可以看出，当合金自高温缓慢冷至1t 温度时，开始从液相中结晶出α固溶体，根据平衡相成分的确定方法，可知其液相成分为1L ，固相成分为α，此时的相平銜关系是11α⇔L 。

运用杠杆定律，可以求出1α的含量为零，说明在温度1t 时，结晶刚刚开始，实际固相尚未形成。

● 当温度缓冷至2t 温度时，便有一定数量的α固溶体结晶出来，此时的固相成分为2α，液相成分为2L 。

合金的相平衡关系是：22α⇔L ；为了达到这种平衡，除了在2t 温度直接从液相中结晶出的2α外，原有的1α相也必须改变为与2α相同的成分。

与此同时，液相成分也由1L 向2L 变化。

● 在温度不断下降过程中，α的成分将不断地沿固相线变化，液相成分也将不断地沿液相线变化。

同时，α相的数量不断增多，而液相L 的数量不断减少，两相的含量可用杠杆定律求出。