第七章二元相图及其合金的凝固预案.ppt

第七章 二元系相图及其合金的凝固 在实际工业中，广泛使用的不是前述的单组元材料，而是由二组元及以上组元组成的多元系材料。 本章将简单描述二元相图的表示和测定方法，复习相图热力学的基本要点，着重对不同类型的相图特点及其相应的组织进行分析，也涉及合金铸件的组织与缺陷，最后对高分子合金进行简述。 7.1 相图的表示和测定方法 二元相图中的成分在国家标准有两种表示方法：质量分数（ω）和摩尔分数（x），两者换算如下： 二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点。下面介绍用热分析测量临界点来绘制二元相图的过程。 在二元相图中有单相区和两相区。由相率可知，二元系最多只能三相共存，且在相图上为水平线，如图7.2。 7.2 相图热力学的基本要点 固溶体的自由能为 按三种不同的愿情况，分别作出任意给定温度下的固溶体自由能—成 分曲线，如图7．3所示。 相互作用参数的不同，导致自由能—成分曲线的差异，其物理意义为： 当Ω ＜0，由(7．4)式可知，A－B对的能量低于A—A和B—B对的 平均能量，所以固溶体的A，B组元互相吸引，形成短程有序分布，在极端情况下会形成长程有序，此时ΔHm＜0。 当Ω ＝0，A—B对的能量等于A-A和B-B对的平均能量，组元的配置是随机的，这种固溶体称为理想固溶体，此时ΔHm ＝0。 当Ω ＞0，A—B对的能量高于A-A和B-B对的平均能量，意味着 A—B对结合不稳定，A，B组元倾向于分别聚集起来，形成偏聚状态，此时ΔHm ＞0。 7.2.2 多相平衡的公切线原理 两相平衡时的成分由两相自由能—成分曲线的公切线所确定，如图7．4所示。 对于二元系在特定温度下可出现三相平衡，如7.5所示： 7.2.3 混合物得自由能和杠杆法则 混合物中B组元的摩尔分数为： 两平衡相共存时，多相的成分是切点所对应的成分x1和x2，即固定不变。此 时，可导出： 7.2.4 从自由能—成分曲线推测相图 根据公切线原理可求出体系在某一温度下平衡相的成分。图7．7表示由T1，T2，T3，T4及T5温度下液相(L)和固相(S)的自由能一成分曲线求得A，B两组元完全互溶的相图。 图7．8表示了由5 个不同温度下L，α和β相的自由能一成分曲线求得A，B两组元形成共晶系的相图。 图7．9、 图7．10和图7．11分别示出包晶相图、溶混间隙相图和形成化合物相图与自由能—成分曲线 的关系。 7.2.5 二元相图的几何规律 根据热力学的基本原理，可导出相图应遵循的一些几何规律，由此能帮助我们理解相图的构成，并判断所测定的相图可能出现的错误。 (1)相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衍相的成分，所以相界线是相平衡的体现，平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化。 (2)两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区把它们分开，而不能以一条线接界。两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开。 (3)二元相图中的三相平衡必为一条水平线，表示恒温反应。 (4)当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区内。 7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固-匀晶相图 由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变，Cu—Ni和NiO-MgO二元匀晶相固分别示于图7．12和图7．13中。 匀晶相图还可有其他形式，如Au-Cu，Fe-Co等在相图上具有极小点，而在Pb—T1等相图上具 有极大点，两种类型相图分别如图7．14(a)和(b)所示。 2. 固溶体的平衡凝固 平衡凝固是指凝固过程中的每个阶段都能达到平衡，即在相变过程中有充分时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分，现以ω(Ni)为30％的Cu-Ni合金(见图7．12)为例来描述平衡凝固过程。该合金整个凝固过程中的组织变化示于图7．15中。 需要着重指出的是，在每一温度下，平衡凝固实质包括三个过程：①液相内的扩散过程。②固相的继续长大。 ⑦固相内的扩散过程。现以上述合金从小至，2 温度的平衡凝固为例，由图7．16具体描述之。 3. 固溶体非平衡凝固 在工业生产中，合金溶液浇涛后的冷却速度较快，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡凝固。图7．17(a)是非平衡凝固时液、固两相成分变化的示意图。 固溶体通常以树枝状生长方式结晶，非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的技间的成 分不同，故称为枝晶偏析。图7．18是Cu-Ni合金的铸态组织，树枝品形貌的显示是由于枝干和枝间的成分差异引起浸蚀后颜 色的深浅不同。图7．19是经扩散退火后的Cu—Ni合金的显微组织，树枝状形态已消失，由电子探针微区分析的结果也证实了枝晶偏析已消除。 7.3.2 共晶相图及其合金凝固 图7．2