《二元匀晶相图》PPT课件

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1、二 元 匀 晶 相 图 二 元 匀 晶 (Isomorphous)相 图 是 二 元 合 金 相 图 中 图 形 最 简 单 的相 图 。 具 有 匀 晶 相 图 的 二 元 合 金 系 统 有 Cu-Ni, Fe-Cr, Ag-Au, Nb-Ti, Cr-Mo, W-Mo等 。 右 图 所 示 Cu-Ni相 图 是 最 常见 的 二 元 匀 晶 相 图 ， 以 此 相 图为 例 进 行 讨 论 ， 其 它 匀 晶 相 图与 此 类 似 。 一、相图分析1、 相 图 的 坐 标 纵 坐 标 是 温 度 坐 标 ， 横 坐标 是 成 分 坐 标 ： 左 端 线 是 表示 100 的 Cu， 右

2、端 线 表 示100 的 Ni， 从 左 至 右 Ni的 含量 增 加 (直 至 100 )、 Cu的 含量 减 少 (直 至 0 )。2、 相 图 中 的 线 和 区相 图 中 有 二 条 曲 线 ， 将 整 个 图 形 分 成 三 个 区 域 。 上 面 一 条 曲 线 称 为 液 相 线 (Liquid line)， 液 相 线 以 上 的 区 域 称为 液 相 区 (Liquid-phase field)， 温 度 高 于 液 相 线 时 合 金 的 状 态 为液 相 (L)； 下 面 的 一 条 曲 线 是 固 相 线 (Solid line)， 固 相 线 以 下 的 区 域 为

3、固相 区 (Solid-phase field)， 温 度 低 于 固 相 线 时 合 金 为 固 相 ()。 两 条 曲 线 之 间 的 区 域 是 液 、 固 两 相 共 存 的 二 相 区 (L + )。 二 组 元 在 液 态 和 固 态 都 能 够 完 全 相 互 溶 解 ， 所 有 成 分 (Ni: 0100%)的 合 金 在 固 态 只 有 一 种 晶 体 结 构 ， 相 图 中 只 有 一 个 固相 区 。 因 此 ， 能 够 形 成 匀 晶 合 金 系 的 两 种 组 元 必 须 具 有 相 同 的 晶 体结 构 ， 相 同 的 原 子 价 ， 原 子 半 径 接 近 (相

4、差 不 超 过 15 )， 相 互 不 形 成 化 合 物 。3、 匀 晶 相 图 的 特 点 二 元 合 金 在 平 衡 状 态 下 两 相 共 存 ， 如 结 晶 时 ， 可 以 利 用 杠 杆定 律 (Lever rule)计 算 出 某 一 温 度 下 两 相 的 相 对 量 。二、杠杆定律 设 合 金 的 平 均 成 分 为 x， 合金 的 总 量 为 Q， 在 温 度 T1时 液 、固 两 相 平 衡 ， 液 相 的 成 分 为 xL、质 量 为 QL， 固 相 的 成 分 为 xS、质 量 为 QS。 则 有 ： SSLL SL xQxQxQ QQQ 杠 杆 定 律 只 适 应

5、于 平 衡 相 图 的 二 相 区 。 xxQxxQ SSLL LSSL xx xxQQ 上 式 可 变 换 为 ： 或 LSSL xx xxQQ LSLS xx xxQQ 或 还 可 以 变 换 为 ： 为 了 计 算 简 便 ， 一 般 取 合 金 总 量 Q =1。 因 上 述 结 果 与 物 理 学 中 的 杠 杆 定 律 的 表 达 式 相 似 ， 所 以 这 里也 称 为 杠 杆 定 律 。 合 金 的 平 均 成 分 点 看 作 杠 杆 的 支 点 o；T1温 度 水 平 线 与 液 、 固 相 线 的 交 点 a、b为 杠 杆 的 两 个 端 点 ； 液 、 固 两 相 的质

6、(重 )量 为 作 用 在 端 点 上 的 力 。 三、典型合金冷却过程分析 各 种 成 分 的 Cu-Ni合 金 都 属 于 匀 晶 合 金 。 下 面 以 Cu-53%Ni合金 为 例 ， 分 别 对 合 金 结 晶 过 程 中 液 、 固 二 相 的 成 分 变 化 规 律 ，二 相 相 对 量 的 计 算 和 微 观 组 织 的 形 成 进 行 分 析 讨 论 。 合 金 从 液 态 开 始 缓 慢 冷 却 ， 当 温 度降 低 到 液 相 线 (1点 )时 ， 结 晶 开 始 。 此时 结 晶 出 来 的 极 少 量 固 相 成 分 为 S 1，液 相 的 成 分 基 本 未 变 。

7、 随 着 温 度 降 低 ，固 相 逐 渐 增 多 ， 液 相 不 断 减 少 。 液 相 的 成 分 沿 液 相 线 变 化 ， 固 相 的成 分 沿 固 相 线 变 化 。 动 画1、 液 -固 两 相 成 分 的 变 化 温 度 降 低 到 1300 时 ， 液 相 成 分 为 45%Ni, 固 相 成 分 为 58%Ni。当 温 度 降 低 到 2点 ， 即 固 相 线 温 度 时 ， 液 相 的 成 分 为 L2， 固 相 的成 分 为 合 金 的 平 均 成 分 (53%Ni)。 此 时 液 相 实 际 上 已 经 不 存 在 了 ，都 已 结 晶 成 为 固 相 。 温 度 继

8、续 下 降 ， 一 直 冷 却 到 室 温 ， 合 金 在 固 态 没 有 任 何 转 变发 生 。 仔 细 观 察 动 画 。 1300C时 ， 液 相 的 相 对 量 Q L/Q（ 可 以 取 合 金 总 量 Q =1） ：2、 相 的 相 对 量 计 算 %3838.04558 5358 QQL 固 相 的 相 对 量 QS /Q：因 为 QL + QS = Q， 取 Q =1所 以 QS =1-QL = 1-38% = 62% %6262.04558 4553 QQS 匀 晶 合 金 在 平 衡 条 件 下 结 晶 ， 冷 却 速度 极 其 缓 慢 ， 先 后 结 晶 的 固 相 虽

9、然 成 分不 同 ， 但 是 有 足 够 的 时 间 进 行 均 匀 化 扩散 。 所 以 ， 室 温 下 的 组 织 是 均 匀 的 固 溶体 ， 在 光 学 显 微 镜 下 观 察 ， 与 纯 金 属 十分 相 似 。四、匀晶合金的非平衡结晶匀 晶 合 金 平 衡 组 织 示 意 图 但 是 ， 在 实 际 生 产 中 合 金 的 冷 却 速 度 很 快 ， 远 远 达 不 到 平 衡的 条 件 。 因 此 ， 固 、 液 二 相 中 的 扩 散 来 不 及 充 分 进 行 ， 先 后 结晶 出 来 的 固 相 中 较 大 的 成 分 差 别 被 保 留 下 来 。 这 种 成 分 差 别 的存 在 ， 还 造 成 结 晶 时 固 相 以 树 枝 状 形 态 生 长 。 因 此 ， 这 种 成 分上 的 不 均 匀 性 被 称 为 “ 树 枝 状 偏 析 ” 或 枝 晶 偏 析 。 采 用 均 匀 化 热 处 理 (Homogenizing heat treatment)可 以 消 除 枝晶 偏 析 。匀 晶 合 金 的非 平 衡 组 织