金属学与热处理

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1、金属学与热处理第三章第三章 二元合金的相结构与结晶二元合金的相结构与结晶二元合金的相结构与结晶二元合金的相结构与结晶 材料科学与工程学院金属学与热处理金属学与热处理金属材料加工系金属材料加工系 刘少平制作刘少平制作材料加工系二元合金相结构与结晶2 本本 章章 目目 录录2-1 2-1 合金中的相合金中的相2-2 2-2 合金的相结构合金的相结构2-3 2-3 二元合金相图的建立二元合金相图的建立2-4 2-4 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的结晶2-5 2-5 共晶相图及合金的结晶共晶相图及合金的结晶2-6 2-6 包晶相图及合金的结晶包晶相图及合金的结晶2-7 2-7 其它类型的二元

2、合金相图其它类型的二元合金相图2-8 2-8 二元相图分析与使用二元相图分析与使用材料加工系二元合金相结构与结晶3 本本 章内章内 容容 提提 示示 纯金属虽具有较高的导电、导热性，但机械性纯金属虽具有较高的导电、导热性，但机械性能较低、价格昂贵。所以工业生产中应用较少。而能较低、价格昂贵。所以工业生产中应用较少。而合金不仅有优良机械性能，有的还具有强磁性、耐合金不仅有优良机械性能，有的还具有强磁性、耐蚀性、耐热性等特殊的物理、化学性能，同时还可蚀性、耐热性等特殊的物理、化学性能，同时还可以调整组成比例获得不同性能，以满足不同的使用以调整组成比例获得不同性能，以满足不同的使用要求，因此得以广泛

3、应用。要求，因此得以广泛应用。 介绍合金组元间相互作用形成哪些合金相，通介绍合金组元间相互作用形成哪些合金相，通过二元合金相图研究合金结晶后过二元合金相图研究合金结晶后相形态相形态、大小大小、数数量及分布量及分布组织形态，并进一步讨论组织形态，并进一步讨论化学成分、晶化学成分、晶体结构、组织状态和性能之间的变化规律体结构、组织状态和性能之间的变化规律，为制定，为制定合金熔炼、铸、锻焊工艺提供理论依据。合金熔炼、铸、锻焊工艺提供理论依据。材料加工系二元合金相结构与结晶42-1 2-1 合金中的相合金中的相 一、基本概念一、基本概念 1、合金合金 两种或两种以上的金属、或金属与非金属，两种或两种以

4、上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。性的物质。 2、组元组元 组成合金的最基本的独立的物质，简称元。组成合金的最基本的独立的物质，简称元。一般来说就是组成合金的元素，但也可能是稳定一般来说就是组成合金的元素，但也可能是稳定的化合物。两个组元组成的合金称二元合金，依的化合物。两个组元组成的合金称二元合金，依次三元或多元合金。次三元或多元合金。 材料加工系二元合金相结构与结晶5 3、合金系合金系 由给定组元可以按不同比例配制成成分不同由给定组元可以按不同比例配制成成分不同的合金就构成一个合金系统，称合金系。两个组的

5、合金就构成一个合金系统，称合金系。两个组元构成二元系，依次三元系或者多元系，当然一元构成二元系，依次三元系或者多元系，当然一个组元叫单元系。如个组元叫单元系。如 Cu-Zn不论比例如何都是二不论比例如何都是二元系，类推。已知元系，类推。已知 100 多种元素，除少数气体元多种元素，除少数气体元素外几乎都可以配制合金，取素外几乎都可以配制合金，取80种配制，任取两种配制，任取两种可组成种可组成 3160 种二元合金系；任取三种可组成种二元合金系；任取三种可组成82160 种三元合金系。还可调整比例获得不同成种三元合金系。还可调整比例获得不同成分及性能。分及性能。材料加工系二元合金相结构与结晶6

6、4、相相 组元组成合金时组元组成合金时，组元间由于物理或化学组元间由于物理或化学的性互作用，形成具有一定晶体结构和一定成的性互作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的原子聚集状态，并以界面分开、均匀的组分的原子聚集状态，并以界面分开、均匀的组成部分。成部分。合金中结构相同、成分和性能均一并合金中结构相同、成分和性能均一并以界面互相分开的组成部分，称之为相。以界面互相分开的组成部分，称之为相。在固在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分，可态材料中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为分为固溶体固溶体和和中间相（中间相（化合物）化合物）两大类。一种两大类。一种固相的叫单相合金，几种不同固相叫做多相合

7、固相的叫单相合金，几种不同固相叫做多相合金。如金。如Cu-Zn，30Zn是是黄铜单相合金黄铜单相合金；40 Zn是两相是两相金属化合物，通过相界面分开。金属化合物，通过相界面分开。材料加工系二元合金相结构与结晶7 5、组织组织 由于形成条件不同，形成具有由于形成条件不同，形成具有不同形状、大不同形状、大小数量及分布的小数量及分布的相相相互结合而成的综合体。相互结合而成的综合体。可分可分宏观组织、金相显微组织、电子显微组织等。决宏观组织、金相显微组织、电子显微组织等。决定合金的性能或性质，而相是组成组织的基本组定合金的性能或性质，而相是组成组织的基本组成部分。成部分。 6、状态状态 合金在一定条

8、件下，有哪些相组成称合金在合金在一定条件下，有哪些相组成称合金在该条件下的状态。该条件下的状态。如纯金属在如纯金属在Tm以上的状态是液以上的状态是液态，态，Tm以下是固态。合金可能出现更多的相，其以下是固态。合金可能出现更多的相，其状态比纯金属复杂得多。状态比纯金属复杂得多。材料加工系二元合金相结构与结晶8 二、相的分类二、相的分类 （一）固溶体（一）固溶体 组元以不同比例混合后形成的固相晶体结构组元以不同比例混合后形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相称固溶体。与组成合金的某一组元相同，这种相称固溶体。溶剂和溶质。溶剂和溶质。 （注意此概念）（注意此概念） （二）金属化合物（二）

9、金属化合物 合金系中，组元相互作用，可能形成一种具合金系中，组元相互作用，可能形成一种具有金属性质的新相，即为金属化合物。金属化合有金属性质的新相，即为金属化合物。金属化合物具有独特的晶体结构和性质，而与各组元的晶物具有独特的晶体结构和性质，而与各组元的晶体结构不同，可用分子是大致表示其组成，例如体结构不同，可用分子是大致表示其组成，例如Fe3C、VC等，也称中间相。等，也称中间相。材料加工系二元合金相结构与结晶9 一个合金可由一个单相固溶体或单相化合物一个合金可由一个单相固溶体或单相化合物构成（单相合金）构成（单相合金），也可以由二个不同的固溶体也可以由二个不同的固溶体或以一个固溶体加两个或

10、多个化合物构成，形成或以一个固溶体加两个或多个化合物构成，形成两相及多相合金。由于固溶体和化合物在结构特两相及多相合金。由于固溶体和化合物在结构特别是性能上有很大差异，可通过控制其数量、大别是性能上有很大差异，可通过控制其数量、大小、形状和分布小、形状和分布（组织）（组织）等来达到调整性能的目等来达到调整性能的目的。的。提 示材料加工系二元合金相结构与结晶10 三、影响相结构的因素三、影响相结构的因素 （一）组元间电化学性质差异（负电性）（一）组元间电化学性质差异（负电性） 负电性是指吸收电子形成负离子的倾向性。负电性是指吸收电子形成负离子的倾向性。其其差异可反映出它们之间化学亲和力及形成化合

11、物倾差异可反映出它们之间化学亲和力及形成化合物倾向大小。相差越大，形成化合物倾向愈强；反之，向大小。相差越大，形成化合物倾向愈强；反之，则有利于形成固溶体。则有利于形成固溶体。 （二）原子尺寸因素（二）原子尺寸因素 溶质溶入溶剂晶格后，原子半径相差溶质溶入溶剂晶格后，原子半径相差r越大，越大，晶格畸变程度越大、畸变能越高，增加到一定程度晶格畸变程度越大、畸变能越高，增加到一定程度时，固溶体将不再稳定，只能形成新相时，固溶体将不再稳定，只能形成新相化合物化合物。 材料加工系二元合金相结构与结晶11 （三）电子浓度因素（三）电子浓度因素 指合金中价电子数与原子数之比：指合金中价电子数与原子数之比：

12、 根据根据能带理论能带理论，一定晶体结构的单位体积内，一定晶体结构的单位体积内能容纳的价电子数是有一定限度的，超过将引起能容纳的价电子数是有一定限度的，超过将引起结构不稳定，直至改组，变成其它晶体结构。其结构不稳定，直至改组，变成其它晶体结构。其它因素相同，浓度越小越易形成固溶体。它因素相同，浓度越小越易形成固溶体。100rVr)-(100VBA电子C物质的量比为溶质价表示溶剂和溶质中原子、BrVVBA,材料加工系二元合金相结构与结晶122-2 2-2 合金的相结构合金的相结构 一、固溶体一、固溶体 （一）固溶体的分类（一）固溶体的分类有序固溶体无序固溶体的相对分布按溶质原子与溶剂原子有限固溶

13、体无限固溶体按固溶度大小分间隙固溶体置换式固溶体按溶质原子所占位置固溶体材料加工系二元合金相结构与结晶13 1、按溶质原子在固溶体（溶剂）晶格中所按溶质原子在固溶体（溶剂）晶格中所占的位置分占的位置分 （1）置换固溶体）置换固溶体 溶质原子取代了部分溶质原子取代了部分 溶剂晶格中某些节点上溶溶剂晶格中某些节点上溶 剂原子而形成的固溶体。剂原子而形成的固溶体。 溶质原子嵌入溶剂晶溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙之中，不占据晶格的空隙之中，不占据晶格结点的位置格结点的位置。 间隙固溶体间隙固溶体（2）间隙固溶体）间隙固溶体材料加工系二元合金相结构与结晶14 （1）无限（溶解）固溶体）无限（溶解）固溶体

14、溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。构成无溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。构成无限固溶体。通常将含量较高的组元称为溶剂，含限固溶体。通常将含量较高的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质。量较少的组元称为溶质。 （2）有限（溶解）固溶体）有限（溶解）固溶体 溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，如溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，如超过这个限度就会有其它相超过这个限度就会有其它相(另一种固溶体或化合另一种固溶体或化合物物)形成。间隙固溶体都是有限溶解固溶体。形成。间隙固溶体都是有限溶解固溶体。 2、按溶解度分、按溶解度分材料加工系二元合金相结构与结晶15 3、按溶质原子在溶剂晶格中分布特点、按溶质原

15、子在溶剂晶格中分布特点 （1）无序固溶体）无序固溶体 溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的，没有溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的，没有任何规律性，仅统计角度上是均匀分布的。任何规律性，仅统计角度上是均匀分布的。 （2）有序固溶体）有序固溶体 溶质原子以一定的比例，按一定方向和顺序溶质原子以一定的比例，按一定方向和顺序有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。 材料加工系二元合金相结构与结晶16无限互溶固溶体两组元原子置换示意图无限互溶固溶体两组元原子置换示意图 在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，即在一定的条件即在一定的

16、条件(如温度、压力如温度、压力)下，无序固溶体和下，无序固溶体和有序固溶体之间会发生相互转变。有序固溶体之间会发生相互转变。 材料加工系二元合金相结构与结晶17 （二）置换固溶体（二）置换固溶体 金属元素一般都能相互置换，影响因素有：金属元素一般都能相互置换，影响因素有： 1、尺寸因素、尺寸因素 置换固溶体利于大量固溶条件是置换固溶体利于大量固溶条件是 r 15，即原子半径差异不大。如即原子半径差异不大。如Fe 为基固溶体为基固溶体 r8、Cu为基为基 r1011 且满足其它条件时且满足其它条件时, 才能形才能形成无限固溶体。否则有限固溶体或新相。成无限固溶体。否则有限固溶体或新相。 2、负电

17、性因素、负电性因素 相差要小相差要小 3、电子浓度因素、电子浓度因素 C电子电子要小于极限值要小于极限值 4、晶体结构因素、晶体结构因素 相同可能无限相同可能无限 5、温度的影响、温度的影响 材料加工系二元合金相结构与结晶18大的置换原子大的置换原子小的置换原子小的置换原子材料加工系二元合金相结构与结晶19 （三）间隙固溶体（三）间隙固溶体 原子半径很小溶质原子溶入，填入到晶格间原子半径很小溶质原子溶入，填入到晶格间隙中，都是隙中，都是 rB 0.1nm 的非金属元素，的非金属元素， 如如H、O、N、C、B 等。而溶剂都是过渡族金属元素，只有等。而溶剂都是过渡族金属元素，只有rB/rA 0.5

18、9时，才有可能形成。时，才有可能形成。 固溶度除与溶质原子尺寸有关外，还与晶格固溶度除与溶质原子尺寸有关外，还与晶格类型有关，溶入使晶格常数增大，发生畸变，达类型有关，溶入使晶格常数增大，发生畸变，达到一定值后不稳定，到一定值后不稳定， rB越小固溶度越大。晶格类越小固溶度越大。晶格类型不同则间隙大小型不同则间隙大小、数量、形状也不同，例如面数量、形状也不同，例如面心溶入最大的八面体间隙，体心立方密度低、间心溶入最大的八面体间隙，体心立方密度低、间隙多，但数量多直径小，没面心溶解度大。体心隙多，但数量多直径小，没面心溶解度大。体心虽四面体间隙大，但溶入八面体比溶入四面体阻虽四面体间隙大，但溶入

19、八面体比溶入四面体阻力小。所以体心和面心都溶入八面体间隙中。力小。所以体心和面心都溶入八面体间隙中。材料加工系二元合金相结构与结晶20 （四）固溶体的结构（四）固溶体的结构 1、晶格畸变晶格畸变 由于尺寸差异，溶质附近局由于尺寸差异，溶质附近局部范围内晶格畸变，形成弹性应部范围内晶格畸变，形成弹性应力场。力场。 2、偏聚与有序偏聚与有序 微观存在不均匀性微观存在不均匀性，并不是并不是统计的、均匀和无序的分布。统计的、均匀和无序的分布。 （1） 同类原子结合力大于异同类原子结合力大于异类时，倾向聚集在一起，图类时，倾向聚集在一起，图b)； （2）异类结合力大于同类，）异类结合力大于同类，趋于按一

20、定规则有序分布趋于按一定规则有序分布 ，但，但通常短程有序，图通常短程有序，图c)。材料加工系二元合金相结构与结晶21 3、有序固溶体有序固溶体 短程有序固溶体，当短程有序固溶体，当低于某一温度低于某一温度时时，可能可能使溶质和溶剂原子在整个晶体中都按一定顺序排使溶质和溶剂原子在整个晶体中都按一定顺序排列起来，由列起来，由短程有序变为长程有序短程有序变为长程有序，成为，成为有序固有序固溶体溶体。 当加热到某一温度，有序又变成无序，冷当加热到某一温度，有序又变成无序，冷却到此温度又变成有序，这一过程叫却到此温度又变成有序，这一过程叫有序化有序化，此，此温度叫温度叫有序化温度有序化温度。 有序化结

21、果引起晶格类型的改变，硬度脆性有序化结果引起晶格类型的改变，硬度脆性大大提高，塑和韧性大大降低大大提高，塑和韧性大大降低 ，是介于固溶体和，是介于固溶体和化合物之间更接近于化合物的一种相。化合物之间更接近于化合物的一种相。材料加工系二元合金相结构与结晶22 例如，例如，Cu 和和Au都是面心立方，可以形成连都是面心立方，可以形成连续置换固溶体。在一般情况下，原子都是无规则续置换固溶体。在一般情况下，原子都是无规则的分布在结点上，这便是一般认为的固溶体，的分布在结点上，这便是一般认为的固溶体，图图a)。但如果这个固溶体的组成为但如果这个固溶体的组成为3 1和和1 1时，时，并在某温度下进行较长时

22、间退火并在某温度下进行较长时间退火，则固溶体的结则固溶体的结构可转变为构可转变为“有序结构有序结构”。Cu3Au组成中，所有组成中，所有的的 Au 原子占有面心立方晶格的顶角位置，而原子占有面心立方晶格的顶角位置，而Cu 原子则占据面心位置，原子则占据面心位置，图图 b)。同理，如果。同理，如果 Au 原原子和子和Cu原子分层相间分布原子分层相间分布图图c) , 形成形成 “有序结有序结构构”，其相应的组成应为，其相应的组成应为CuAu。材料加工系二元合金相结构与结晶23( (a)a)一般固溶体一般固溶体 (b)AuCu(b)AuCu3 3有序固溶体有序固溶体 (c)AuCu(c)AuCu有序

23、固溶体有序固溶体材料加工系二元合金相结构与结晶24 硬度、屈服强度和抗拉强度总是比组成它的硬度、屈服强度和抗拉强度总是比组成它的纯金属高，随溶质浓度增加，硬度和强度随之增纯金属高，随溶质浓度增加，硬度和强度随之增加。同时尺寸差别越大，畸变越大，强化效果越加。同时尺寸差别越大，畸变越大，强化效果越好，称为好，称为固溶强化固溶强化，是有效提高金属材料力学性，是有效提高金属材料力学性能的途径之一。其中间隙固溶体要比置换固溶体能的途径之一。其中间隙固溶体要比置换固溶体造成畸变大，效果比之要好。塑韧性如延伸率、造成畸变大，效果比之要好。塑韧性如延伸率、断面收缩力和冲击功等，比纯金属要低，但比化断面收缩力

24、和冲击功等，比纯金属要低，但比化合物要高得多。合物要高得多。 综合看，比组成固溶体的纯金属和金属化合综合看，比组成固溶体的纯金属和金属化合物具有物具有优越的综合性能优越的综合性能，都是以固溶体为基。都是以固溶体为基。 物理性能，溶质浓度增高，电阻率增加、电物理性能，溶质浓度增高，电阻率增加、电阻温度系数下降。阻温度系数下降。（五）固溶体的性能（五）固溶体的性能材料加工系二元合金相结构与结晶25 二、金属化合物二、金属化合物 （一）（一） 化合物（中间相）概念化合物（中间相）概念 当超过了溶解度极限，将出现新相。若新相当超过了溶解度极限，将出现新相。若新相为另一组元晶体结构，则也是固溶体。若其晶

25、体为另一组元晶体结构，则也是固溶体。若其晶体结构与任何组元都不相同，表明生成了新物质。结构与任何组元都不相同，表明生成了新物质。所以，所以，化合物是构成的组元相互作用，生成不同化合物是构成的组元相互作用，生成不同与任何组元晶体结构的新物质。与任何组元晶体结构的新物质。（注意此概念）（注意此概念） 结构特点是：一是有基本固定原子数目比，结构特点是：一是有基本固定原子数目比，可以用分子式大致表示，二是晶体结构不同于任可以用分子式大致表示，二是晶体结构不同于任一组元。在相图中，由于它们的位置都在相图的一组元。在相图中，由于它们的位置都在相图的中间，所以也称为中间，所以也称为中间相中间相。 由于具有金

26、属性质，所以称为由于具有金属性质，所以称为金属化合物金属化合物。材料加工系二元合金相结构与结晶26 1、正常价化合物正常价化合物 符合原子价规律符合原子价规律而生成的化合物。通常是金属而生成的化合物。通常是金属元素与非金属元素组成，组元间负电性差较大，它元素与非金属元素组成，组元间负电性差较大，它们们符合一般化合物原子价规律符合一般化合物原子价规律。如。如MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等，其结合键为等，其结合键为离子键离子键；也有；也有共价键共价键，如如 SiC；少数也有；少数也有金属键金属键结合，如结合，如 Mg2Pb。 多为有多为有色金属中的强化相，只有色金属中的强化相，只有MnS是

27、钢中夹杂物。是钢中夹杂物。 很高的硬度和脆性很高的硬度和脆性。合金中如果弥散分布在固。合金中如果弥散分布在固溶体基体中，将使合金强化，因而溶体基体中，将使合金强化，因而起强化相起强化相作用，作用，（弥散强化或沉淀强化），（弥散强化或沉淀强化），但本身脆性大。但本身脆性大。 （二）金属化合物的类型（二）金属化合物的类型材料加工系二元合金相结构与结晶27 2、电子化合物电子化合物 大多是由第大多是由第族或过渡族族或过渡族金属元素金属元素与第与第至至第第族族金属元素金属元素结合而成。也可用分子式表示，结合而成。也可用分子式表示，但大多不符合正常化学价规律。当电子浓度之比但大多不符合正常化学价规律。当

28、电子浓度之比为某些特定值时形成新的晶体结构，且电子浓度为某些特定值时形成新的晶体结构，且电子浓度不同，其对应晶体结构类型也不同。常见值有：不同，其对应晶体结构类型也不同。常见值有：21/14、21/13、21/12。 由于与电子浓度有关，称由于与电子浓度有关，称电子化合物电子化合物，主要出现在金属材料中，属于主要出现在金属材料中，属于金属金属键键。如。如Cu31Sn8，电子浓度，电子浓度21/13，复杂立方晶格。，复杂立方晶格。 成分可在一定范围变化，可看成以化合物为成分可在一定范围变化，可看成以化合物为基的固溶体。基的固溶体。有很高熔点和硬度，但脆性很大有很高熔点和硬度，但脆性很大。材料加工

29、系二元合金相结构与结晶283、间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物 受组元原子尺寸因素控制，通常由过渡族金受组元原子尺寸因素控制，通常由过渡族金属原子与半径小于属原子与半径小于0.1nm非金属元素碳、氮、氢、非金属元素碳、氮、氢、氧、硼所组成。氧、硼所组成。 由于非金属元素（由于非金属元素（X）与金属元素（与金属元素（M）原子半径）原子半径比不同，结构也有所不同。比不同，结构也有所不同。 当当 rX/rM 0.59 时，形时，形成具有简单晶体结构的间隙成具有简单晶体结构的间隙相，反之形成间隙化合物。相，反之形成间隙化合物。材料加工系二元合金相结构与结晶29 （1）间隙相）间隙相 当当 rX/r

30、M0.59 时，如时，如H、N 和和C与过渡族金与过渡族金属元素形成的形成氢化物和氮化物，都是具有简属元素形成的形成氢化物和氮化物，都是具有简单晶体结构的化合物，如体心、面心、密排或简单晶体结构的化合物，如体心、面心、密排或简单立方，通常称它们为间隙相，其分子式也较简单立方，通常称它们为间隙相，其分子式也较简单，如单，如M4X、M2X、MX、MX2等等。成分可在一定成分可在一定范围内变化，相当于以间隙相为基的固溶体，称范围内变化，相当于以间隙相为基的固溶体，称缺位固溶体。缺位固溶体。 极高的熔点和硬度极高的熔点和硬度，有明显的金属特性。是，有明显的金属特性。是硬质合金主要组成相。硬质合金主要组

31、成相。 材料加工系二元合金相结构与结晶30 Fe可被其它金属原子所可被其它金属原子所置换（置换（ 如如Mn、Cr、Mo、W等）形成为基固溶体，如等）形成为基固溶体，如(FeMn)3C、(FeCr)3C等等，称称合金渗碳体合金渗碳体。 很高熔点和硬度，很高熔点和硬度，是钢是钢中重要组成相。中重要组成相。（2）间隙化合物）间隙化合物 当当 rX/rM0.59 时，形成的化合物晶体结构也时，形成的化合物晶体结构也较复杂，通常称它们为间隙化合物，相应的分子较复杂，通常称它们为间隙化合物，相应的分子式也较复杂，如钢中常见式也较复杂，如钢中常见 Fe3C、Cr7C3、Cr23C6 等，等，Fe3C 叫渗碳

32、体，钢铁材料中一种基本相。叫渗碳体，钢铁材料中一种基本相。材料加工系二元合金相结构与结晶31 4、拓扑密堆相（、拓扑密堆相（TCP相）相） 同种类等直径原子球堆垛，配位数最大同种类等直径原子球堆垛，配位数最大 12，最大致密度最大致密度0.74。1956年卡斯帕（年卡斯帕（Kasper）首先）首先提出：如果都是金属原子（性质接近），尽管尺提出：如果都是金属原子（性质接近），尽管尺寸有一定相差，以大小原子一定比例搭配（固定寸有一定相差，以大小原子一定比例搭配（固定原子比），形成的新相配位数可达原子比），形成的新相配位数可达 12、14、15 、18或致密度大于或致密度大于0.74，统称拓扑密堆结

33、构相。拓，统称拓扑密堆结构相。拓扑密堆相就是合金中具有这种结构特点的相。扑密堆相就是合金中具有这种结构特点的相。 已经发现并已研究过已经发现并已研究过TCP相有相有Cr3Si型相，如型相，如（ Cr3Si、Nb3Sn、Nb3Sb 等），拉氏（等），拉氏（Laves）相（相（MgCu2、 MgZn2 等等 ）。还有）。还有R 相、相、P相、相、相相 - W结构、结构、 相等。相等。材料加工系二元合金相结构与结晶32主要内容主要内容 1 1、几种基本相图：匀晶相图（、几种基本相图：匀晶相图（Cu-NiCu-Ni合金相合金相图）、图）、 共晶相图（共晶相图（Pb-SnPb-Sn合金相图）、包晶相图合

34、金相图）、包晶相图（Pt-AgPt-Ag合金相图）。合金相图）。 2 2、相律、杠杆定律及其应用。、相律、杠杆定律及其应用。 3 3、二元合金相图中几种平衡反应如：共晶反、二元合金相图中几种平衡反应如：共晶反应、共析反应、包晶反应、包析反应应、共析反应、包晶反应、包析反应 、偏晶反、偏晶反应、熔晶反应、合晶反应等。应、熔晶反应、合晶反应等。 4 4、二元合金相图中合金的结晶转变过程及转、二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织。变组织。2-3 2-3 二元合金相图的建立二元合金相图的建立材料加工系二元合金相结构与结晶33 合金结晶后即可获得单相的固溶体或金属化合金结晶后即可获得单相的固溶体或

35、金属化合物，但常见的是两者混合组织。组元不同固溶合物，但常见的是两者混合组织。组元不同固溶体或化合物类型也不同；即使组元一定，相的类体或化合物类型也不同；即使组元一定，相的类型及相对含量也随成分及温度变化而变化。型及相对含量也随成分及温度变化而变化。 为研究不同合金系中的为研究不同合金系中的状态状态 （组成相、相对（组成相、相对含量）与含量）与温度、成分温度、成分之间的之间的变化规律变化规律 ，要利用相，要利用相图之一工具。图之一工具。 相图相图是表示合金系中合金的状态与温度、压是表示合金系中合金的状态与温度、压力与成分之间关系的一种图解。力与成分之间关系的一种图解。又称状态图或平又称状态图或

36、平衡图。是金相分析以及制定铸、锻、焊及热处理衡图。是金相分析以及制定铸、锻、焊及热处理工艺重要依据。工艺重要依据。一、相图的概念一、相图的概念 材料加工系二元合金相结构与结晶34 二、二元相图的表示方法二、二元相图的表示方法 纯金属冷却可用纯金属冷却可用冷却曲线冷却曲线表示其转变的临界表示其转变的临界点及某一温度所处的状态（不考虑压力因素），点及某一温度所处的状态（不考虑压力因素），由于无成分变化，用一个温度坐标就可表示。由于无成分变化，用一个温度坐标就可表示。 二元系，除温度外还有成分和压力因素，但二元系，除温度外还有成分和压力因素，但合金熔炼都在常压下，则其状态由成分和温度两合金熔炼都在常

37、压下，则其状态由成分和温度两个因素决定，用横坐标表示成分，纵坐标温度。个因素决定，用横坐标表示成分，纵坐标温度。 横坐标上任意一点均表示一种合金成分，横坐标上任意一点均表示一种合金成分，根根据国标，成分有两种表示方法：质量分数据国标，成分有两种表示方法：质量分数 (W) 和和摩尔分数摩尔分数 (x) 。多数是以质量百分数表示，在没。多数是以质量百分数表示，在没有特别注明，合金成分都是指质量百分数。有特别注明，合金成分都是指质量百分数。材料加工系二元合金相结构与结晶35 如如A、B两组元组成二元合金系，两组元组成二元合金系，A（100A、0B）、）、C（60A、40B）、）、D点等。点等。 坐标

38、平面上任一点称坐标平面上任一点称表象点表象点，其含义为：，其含义为： 任一温度下任一成分的任一温度下任一成分的合金，均能在温度合金，均能在温度成分坐成分坐标中找出与其相对应的点，标中找出与其相对应的点，这个这个位于相图中，并能表示位于相图中，并能表示合金成分、温度的点称合金成分、温度的点称表象表象点点。例如例如E点（点（40B、60A、500）等。）等。材料加工系二元合金相结构与结晶36二元相图的坐标二元相图的坐标F材料加工系二元合金相结构与结晶37 测定二元合金相图的具体步骤如下：测定二元合金相图的具体步骤如下： 1、配制一系列不同成分的同一合金系。、配制一系列不同成分的同一合金系。 2、将

39、合金熔化后，分别测出它们的冷却曲线。、将合金熔化后，分别测出它们的冷却曲线。 3、根据冷却曲线上的转折点确定各合金的状态、根据冷却曲线上的转折点确定各合金的状态变化温度变化温度临界点临界点。 4、将上述数据引入以温度（、将上述数据引入以温度（）为纵轴、成分）为纵轴、成分为（重量百分比为单位）横轴的坐标平面中。为（重量百分比为单位）横轴的坐标平面中。 5、连接意义相同的点、作出相应的曲线，标明、连接意义相同的点、作出相应的曲线，标明各区域所存在的相。便得到合金系相图。测得各区域所存在的相。便得到合金系相图。测得Cu-Ni合金相图合金相图如图如图。 三、二元合金相图的测定方法三、二元合金相图的测定

40、方法材料加工系二元合金相结构与结晶38 如图可以看出，上临界点的连线为液相线，如图可以看出，上临界点的连线为液相线，表示冷却时开始结晶温度和加热时熔化的终了温表示冷却时开始结晶温度和加热时熔化的终了温度，下临界点连线与之相反。相图中可分三个区度，下临界点连线与之相反。相图中可分三个区域：域：L、 + L、材料加工系二元合金相结构与结晶39临界点的测定方法临界点的测定方法 临界点是表示物质结构状态发生本质变化临临界点是表示物质结构状态发生本质变化临界相变点。利用合金在相结构变化时，引起物理界相变点。利用合金在相结构变化时，引起物理性能、力学性能及金相组织变化的特点来测定。性能、力学性能及金相组织

41、变化的特点来测定。 （1）动态法：热分析法、硬度法、膨胀法、）动态法：热分析法、硬度法、膨胀法、电阻法电阻法 、磁性法、磁性法 ； （2）静态法：金相法、）静态法：金相法、Xray 衍射分析法。衍射分析法。 热分析法为主，其它配合使用，互相核对。热分析法为主，其它配合使用，互相核对。尤其对固态下转变热效应很小的合金，常采用后尤其对固态下转变热效应很小的合金，常采用后几种方法测定固态下相变临界点。目前已开始根几种方法测定固态下相变临界点。目前已开始根据热力学函数，更加精确的据热力学函数，更加精确的计算出二元相图计算出二元相图。材料加工系二元合金相结构与结晶40 四、相律及杠杆定律四、相律及杠杆定

42、律 （一）（一）吉布斯吉布斯相律相律 相律相律是表示是表示平衡条件下，系统的自由度数、平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系，是系统平衡条件的数组元数和相数之间的关系，是系统平衡条件的数学表达式。学表达式。它是检验它是检验、分析和使用相图的重要工分析和使用相图的重要工具具，所测的相图是否正确，要用相律检验，在研所测的相图是否正确，要用相律检验，在研究和使用相图时，也要用到相律。究和使用相图时，也要用到相律。 相律可用下式表示：相律可用下式表示： f = c p +2 材料加工系二元合金相结构与结晶41 当当系统的压力为常数系统的压力为常数时，则为：时，则为： f = c p + 1

43、 式中，式中，c 系统的组元数，系统的组元数，p 平衡条件下系统平衡条件下系统中相数，中相数， f 为自由度数。为自由度数。 自由度自由度是指在保持合金系中是指在保持合金系中相的数目不变的相的数目不变的条件下，合金系中可以独立改变的影响合金状态条件下，合金系中可以独立改变的影响合金状态因素的数目因素的数目，自由度，自由度 不能为负数。影响合金状态不能为负数。影响合金状态的因素有合金的成分、温度和压力，当压力不变的因素有合金的成分、温度和压力，当压力不变时，则合金的状态由成分和温度两个因素确定。时，则合金的状态由成分和温度两个因素确定。 相律的应用相律的应用材料加工系二元合金相结构与结晶42例例

44、 H2O的相图分析的相图分析状态点 f = c - p +2 （a）材料加工系二元合金相结构与结晶43相图分析相图分析3条线：条线：C = 1，P = 2，f = 1 OA是水与冰两相平衡线是水与冰两相平衡线 OB是冰与蒸汽两相平衡线是冰与蒸汽两相平衡线 OC是水与蒸汽两相平衡线是水与蒸汽两相平衡线 3个单相区：个单相区： C = 1，P = 1，f = 2 固相区、液相区和气相区固相区、液相区和气相区 O点是气、液、固三相的平衡共存点点是气、液、固三相的平衡共存点 f = 0材料加工系二元合金相结构与结晶44 如外界保持一个如外界保持一个大气压，则根据相大气压，则根据相律，律，C=1C=1，

45、P =1 P =1 ，则则f = 1。系统中只。系统中只有一个独立可变的有一个独立可变的变数（温度）。因变数（温度）。因此单元系相图可以此单元系相图可以只用一个温度轴来只用一个温度轴来表示。表示。 当压力不变时：当压力不变时： f = c - p +1 100 0材料加工系二元合金相结构与结晶45 1、可判断系统最多可能平衡共存的相数目、可判断系统最多可能平衡共存的相数目 当组元当组元 C 给定时，自由度给定时，自由度 f 越小，平衡共存越小，平衡共存的相数越多。当的相数越多。当 f0 时，得出：时，得出：P=C2； 当压当压力恒定时：力恒定时： PC1 可见，在可见，在压力给定压力给定的条件

46、下，系统中可能出的条件下，系统中可能出现最多平衡相数比组元数多现最多平衡相数比组元数多1，例如：，例如： 一元系一元系 C=1，P=2, 即最多可以两相共存。即最多可以两相共存。 二元系二元系 C2，P=3，最多三相共存，类推。，最多三相共存，类推。 相律的应用举例相律的应用举例材料加工系二元合金相结构与结晶46 2、可说明纯金属与合金结晶时的某、可说明纯金属与合金结晶时的某 些差别些差别 如纯金属结晶时存在液、固两相，即如纯金属结晶时存在液、固两相，即P2，则则 f121=0，因此因此，纯金属在结晶时温度不纯金属在结晶时温度不能改变，能改变，结晶只能在恒温下进行结晶只能在恒温下进行，冷却曲线

47、上表，冷却曲线上表现为水平线段；二元合金结晶时，如果是固、液现为水平线段；二元合金结晶时，如果是固、液两相共存，则两相共存，则f2211, 有一个自由度数有一个自由度数 T, 即有一个可以改变的因素（温度），因而是即有一个可以改变的因素（温度），因而是在一在一定的温度范围内进行结晶定的温度范围内进行结晶。如果在二元合金结晶。如果在二元合金结晶时出现三相平衡共存，则时出现三相平衡共存，则 f2310，因而，因而这种转变只能在恒温下进行。这种转变只能在恒温下进行。材料加工系二元合金相结构与结晶47 （二）杠杆定律（二）杠杆定律 若确定含若确定含B为为C%合金合金冷冷到到 t1 时组成相及成分，可通

48、过时组成相及成分，可通过 t1 做水平线做水平线 arb，称连接线。，称连接线。两端所交的两端所交的相区相区及及交点交点既是合既是合金金在在t1 时所含的相和相的成时所含的相和相的成分分，即表示合金在时是由液相即表示合金在时是由液相L 和固相和固相 组成，成分分别为组成，成分分别为CL和和C 。 由相律知，二元合金在由相律知，二元合金在两相区两相区有有 f =1 个，即个，即温度，若温度，若T 也固定，则平衡相成分也随之固定。也固定，则平衡相成分也随之固定。 1、 确定两平衡相及其成分确定两平衡相及其成分材料加工系二元合金相结构与结晶48 设合金设合金总重量为总重量为1，t1时液相重为时液相重

49、为WL，固相，固相W，则：，则： WL W1 另外在合金另外在合金中，含中，含B量应等于液、固两相中量应等于液、固两相中含含B量之和，则可推导出：量之和，则可推导出：2、确定两平衡相的相对含量、确定两平衡相的相对含量 与力学中的杠杆定律相似。与力学中的杠杆定律相似。arrbWWabarCCCCWabrbCCCCWLLLLL%100%100材料加工系二元合金相结构与结晶49arrbWWabarCCCCWabrbCCCCWCCWCCWCCWCCWCWCCWCCWCWLLLLLLLLLLLLLL %100 %100 1)(1也可表示为：同理： 设合金设合金总重量为总重量为1，t1时液相重为时液相重为

50、WL，固相，固相W，则：，则： WL W1 另合金另合金中，含中，含B量应等于液、固两相中含量应等于液、固两相中含B量之和：量之和：材料加工系二元合金相结构与结晶50材料加工系二元合金相结构与结晶512-4 2-4 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的结晶 两组元在液态、固态均无限互溶，冷却时发两组元在液态、固态均无限互溶，冷却时发生匀晶反应（结晶）的合金系，构成匀晶相图。生匀晶反应（结晶）的合金系，构成匀晶相图。具有这类相图的二元合金系主要有：具有这类相图的二元合金系主要有： Cu-Ni、Au-Ag、Mo-W、Fe-Cr、Cr-Mo、Fe -Ni 等。等。这类合金结晶时，都是这类合金结晶

51、时，都是从液从液相结晶出单相的固溶体，这相结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称匀晶转变。种结晶过程称匀晶转变。以以Cu-Ni为例。为例。 材料加工系二元合金相结构与结晶52 Cu-Ni 二元相图二元相图如图，只有如图，只有 两条线，两条线，上一条为液相线，下上一条为液相线，下一条为固相线，将相一条为固相线，将相图分成三个区域。图分成三个区域。 分分别是液相区别是液相区 L、 液相液相与固相的共存区域与固相的共存区域 L和固相区和固相区。一、相图分析一、相图分析 LL+材料加工系二元合金相结构与结晶53 平衡结晶指合金从液态很缓慢地冷却，使合平衡结晶指合金从液态很缓慢地冷却，使合金在相变过程中有充

52、分时间进行组元间的互相扩金在相变过程中有充分时间进行组元间的互相扩散，每个阶段都能达到平衡，达到平衡相均匀成散，每个阶段都能达到平衡，达到平衡相均匀成分，见结晶过程分，见结晶过程示意图示意图。二、固溶体平衡结晶过程二、固溶体平衡结晶过程 如如 Cu-Ni合金在合金在t1 点的温度以上，合金为液点的温度以上，合金为液相相 L； 缓慢冷却到缓慢冷却到 t1t3 温度之间，发生匀晶反温度之间，发生匀晶反应，从液相中逐渐结晶出应，从液相中逐渐结晶出 固溶体；固溶体；t3 温度，合温度，合金全部结晶出与给定成分相同的金全部结晶出与给定成分相同的 固溶体固溶体。其它其它成分及合金系结晶过程与此类似成分及合

53、金系结晶过程与此类似。（一）平衡结晶过程分析（一）平衡结晶过程分析材料加工系二元合金相结构与结晶54 冷却到冷却到 t1 时时，结晶开始结晶开始，相平衡关系相平衡关系 L1 1可见可见1中中 WNi 30；缓冷至；缓冷至 t2 时，固相时，固相2 ，液，液相相L2 ，建立新的平衡建立新的平衡 L2 2，为保证平衡，除液为保证平衡，除液相中直接析出相中直接析出2 外，在外，在 t2 温度原有的温度原有的 相也要改相也要改变成变成2相同成分，液相变成相同成分，液相变成L2 ，t3结晶完毕。结晶完毕。 随随T变化，变化，L 沿液相线变，沿液相线变， 沿固相线变化。沿固相线变化。也是形核长大过程，需能

54、量、结构起伏及也是形核长大过程，需能量、结构起伏及rk等。等。 平衡结晶过程的特点 在一温度范围内进行。只有在温度不断下降在一温度范围内进行。只有在温度不断下降时固溶体才增加，温度不变，液固数量维持平衡时固溶体才增加，温度不变，液固数量维持平衡不变。凝固过程中液体和固体成分在不断变化。不变。凝固过程中液体和固体成分在不断变化。材料加工系二元合金相结构与结晶55材料加工系二元合金相结构与结晶56材料加工系二元合金相结构与结晶57 （1）与纯金属一样，）与纯金属一样， 固溶体从液相中结晶固溶体从液相中结晶出来过程中出来过程中，也包括生核与长大两个过程，但更也包括生核与长大两个过程，但更趋向于树枝状

55、长大。趋向于树枝状长大。 （2）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。即为一个变温结晶过程。 （3）温度一定，在两相区内，两相成分是确）温度一定，在两相区内，两相成分是确定的。定的。 （4）在两相区内，温度一定时，两相的质量）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的，由杠杆定律可算出液相和固相在合比是一定的，由杠杆定律可算出液相和固相在合金中的质量分数。金中的质量分数。 匀晶转变的特点匀晶转变的特点材料加工系二元合金相结构与结晶58 （5）固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却）固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，

56、则形成成分不均较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含匀的固溶体。一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。消除枝晶偏析布不均，这种现象称为枝晶偏析。消除枝晶偏析的方法采用扩散退火。的方法采用扩散退火。匀晶转变特点匀晶转变特点材料加工系二元合金相结构与结晶59（二）固溶体与纯金属结晶主要区别（二）固溶体与纯金属结晶主要区别 1、异分结晶、异分结晶 固溶体结晶过程中，结

57、晶出的固相与母相成固溶体结晶过程中，结晶出的固相与母相成分不同，这种结晶也称为分不同，这种结晶也称为选择结晶。选择结晶。 结晶时依赖结晶时依赖于原子之间的互于原子之间的互相扩散，必然要相扩散，必然要造成溶质原子在造成溶质原子在液固之间重新分液固之间重新分配。配。材料加工系二元合金相结构与结晶60 重新分配程度用平衡分配系数重新分配程度用平衡分配系数k0 表示，定义表示，定义为：在一定温度下，固液平衡相中溶质浓度之比为：在一定温度下，固液平衡相中溶质浓度之比值：值： ko=CCL 当当k01 时，时，越小固、液相差越小固、液相差越大；越大；k01时，时，越大越大固、液固、液相差也相差也越大。反映

58、重新越大。反映重新分配的程度。分配的程度。异分结晶异分结晶材料加工系二元合金相结构与结晶61 2、固溶体结晶需要一定的温度范围、固溶体结晶需要一定的温度范围 此温度范围内每一温度，始终进行液相和固相此温度范围内每一温度，始终进行液相和固相内原子扩散、由于液固界面的扩散，需足够时间。内原子扩散、由于液固界面的扩散，需足够时间。 假设假设 C0合金在合金在t1开始结晶，形成开始结晶，形成 k0C1晶核。但晶核。但在在 C0原液中形成，势必向固液界面排除多余溶质原液中形成，势必向固液界面排除多余溶质，液相达到该温度平衡浓度，而远液相达到该温度平衡浓度，而远处是处是C0，造成液相中浓度梯度，造成液相中

59、浓度梯度，必然引起扩散必然引起扩散 ，使界面处由，使界面处由 C1 降降C0 平衡受到破坏，只有固相平衡受到破坏，只有固相长大排除溶质才能保持长大排除溶质才能保持C1，又扩，又扩散破坏散破坏，直到液相全达到直到液相全达到C1，LC1 k0C1，t1温度停止长大。温度停止长大。材料加工系二元合金相结构与结晶62固溶体在t1温度溶质再分配示意图 假设假设C0合金在合金在t1开始结晶，形成开始结晶，形成k0C1晶核。但在晶核。但在 C0 原液中形成，势必向固液界面排除多余溶质，液原液中形成，势必向固液界面排除多余溶质，液相达到该温度平衡浓度，而远处是相达到该温度平衡浓度，而远处是 C0，造成液相浓，

60、造成液相浓度梯度，引起扩散，使界面处由度梯度，引起扩散，使界面处由C1 降降 C0 平衡受到平衡受到破坏，只有固相长大排除溶质才能保持破坏，只有固相长大排除溶质才能保持 C1，又扩散，又扩散直到液相全达到直到液相全达到C1，LC1 k0C1，t1温度停止长大。温度停止长大。材料加工系二元合金相结构与结晶63 在在t2温度时的长大情况：温度时的长大情况： 在温度在温度t2时重新形核与长大与时重新形核与长大与 t1相似，差别：相似，差别： 液相成分已变成液相成分已变成C1，新的晶核在，新的晶核在C1的原液的原液中形成，晶核成分为中形成，晶核成分为k0C2，建立新的平衡，建立新的平衡LC2 k0C2

61、，其它过程与，其它过程与t1相似；相似； 先结晶固相也要通过扩散，由先结晶固相也要通过扩散，由k0C1 k0C2。 因此长大过程是：平衡因此长大过程是：平衡不平衡不平衡平衡平衡温度范围温度范围材料加工系二元合金相结构与结晶64固溶体结晶相内平衡示意图材料加工系二元合金相结构与结晶65三、固溶体不平衡结晶过程三、固溶体不平衡结晶过程 从固溶体的凝固特征可知，晶体长大的过程从固溶体的凝固特征可知，晶体长大的过程中，组元元素在析出的固相中不断的发生原子迁中，组元元素在析出的固相中不断的发生原子迁移。但原子在固体中的扩散迁移相对结晶过程是移。但原子在固体中的扩散迁移相对结晶过程是较慢的，不易达到平衡，

62、需要相当长时间，一般较慢的，不易达到平衡，需要相当长时间，一般的冷却凝固达不到平衡状态。这种偏离平衡结晶的冷却凝固达不到平衡状态。这种偏离平衡结晶条件的结晶，称为不平衡结晶。条件的结晶，称为不平衡结晶。 分析不平衡结晶时，分析不平衡结晶时，假设假设液相存在充分混合液相存在充分混合条件（如对流、搅拌、扩散），而固相内来不及条件（如对流、搅拌、扩散），而固相内来不及扩散。扩散。材料加工系二元合金相结构与结晶66 从相图中可见，在略低于开始凝固温度从相图中可见，在略低于开始凝固温度 t 1开开始析出固体的成分为始析出固体的成分为 1 ，到，到 t 2 温度晶体表面生温度晶体表面生长的成分可为长的成分

63、可为 2 ，由于扩散速度跟不上来，心，由于扩散速度跟不上来，心部的成分来不及达到和表面一样就冷却到下一温部的成分来不及达到和表面一样就冷却到下一温度度t 3 ，因此析出的固体成分表里不一，平均成分，因此析出的固体成分表里不一，平均成分也偏离了固相线。到达平也偏离了固相线。到达平衡和固相线交点的温度衡和固相线交点的温度 t3时还有液相存在，继续冷时还有液相存在，继续冷却到一更低的温度却到一更低的温度 t4，平平均成分均成分达到合金成分时液达到合金成分时液体消失，凝固过程结束。体消失，凝固过程结束。不平衡结晶不平衡结晶材料加工系二元合金相结构与结晶67 结果：结果：生成固体的成分不均匀偏析，快速生

64、成固体的成分不均匀偏析，快速冷却时在一个晶粒内部先后结晶的成分有差别，冷却时在一个晶粒内部先后结晶的成分有差别，所以称为所以称为晶内偏析晶内偏析，金属的晶体往往以树枝晶方，金属的晶体往往以树枝晶方式生长，偏析的分布表现为不同层次的枝晶成分式生长，偏析的分布表现为不同层次的枝晶成分有差别，因此又称有差别，因此又称枝晶偏析枝晶偏析，属于属于微观偏析微观偏析。通。通常可将工件加热到低于固相线常可将工件加热到低于固相线100200温度长温度长时间保温，进行扩散退火或均匀化退火使其均匀时间保温，进行扩散退火或均匀化退火使其均匀化加以消除。化加以消除。 如图虚线是由于来不及扩散，使晶内没有达如图虚线是由于

65、来不及扩散，使晶内没有达到此温度下平衡浓度，虚线上各点是平均成分连到此温度下平衡浓度，虚线上各点是平均成分连线，叫线，叫固相平均成分线固相平均成分线。与固相线有本质不同与固相线有本质不同。不平衡结晶不平衡结晶材料加工系二元合金相结构与结晶68Cu-Ni合金晶内偏析形成示意图不平衡结晶不平衡结晶材料加工系二元合金相结构与结晶69枝晶偏析示意图及枝晶偏析示意图及CuCuNiNi合金组织照片合金组织照片 如图如图 Cu-Ni 合金，先结晶的枝干合金，先结晶的枝干Ni较多不易较多不易腐蚀呈亮白色，枝晶间富腐蚀呈亮白色，枝晶间富Cu易腐蚀呈暗黑色。易腐蚀呈暗黑色。不平衡结晶不平衡结晶材料加工系二元合金相

66、结构与结晶70 （一）区域偏析（一）区域偏析 固溶体不平衡结晶时造成的大范围内化学固溶体不平衡结晶时造成的大范围内化学成分不均匀的现象叫做宏观偏析或区域偏析成分不均匀的现象叫做宏观偏析或区域偏析。以两种极端情况分析之：以两种极端情况分析之： 四、区域偏析与区域提纯四、区域偏析与区域提纯 其一是固相无扩散，其一是固相无扩散，液相可以充分混合；液相可以充分混合； 其二是固相无扩散，其二是固相无扩散，液相除扩散外，无对流液相除扩散外，无对流及搅拌。及搅拌。 如图是圆管从左到右如图是圆管从左到右凝固溶质浓度的分布。凝固溶质浓度的分布。 材料加工系二元合金相结构与结晶71 1、固相无扩散，液相可以充分混合、固相无扩散，液相可以充分混合 假定成分为假定成分为C0液态合金在圆管中从左向右逐液态合金在圆管中从左向右逐渐凝固，并假设液固界面为平面。渐凝固，并假设液固界面为平面。 当当t1时开始凝固结晶，则：时开始凝固结晶，则： 在在t1时时，固相，固相k0C1、液相、液相C1、晶体长、晶体长x1 降到降到t2时时，固相，固相k0C2、液相、液相C2、晶体长、晶体长x2 降到降到t3时时，固相固相 C0、