材料科学基础 chp_7_二元系相图和合金的凝固与制备原理.ppt

第七章 二元系相图和合金的凝固与制备原理 成份—温度—相组成的关系 章目录： 7.1 基础知识 7.2 匀晶相图 7.3 共晶相图 7.4 包晶相图 7.5 其它类型的二元相图 7.6 Fe-Fe3C相图分析 7.7 合金组织与性能 7.8 相图热力学基础 7.1 基础知识 一、相平衡与相律 相：体系中具有相同成分、结构和性质的均匀部分称 为相，不同相之间有明显的界面分开。 相变：随外界条件的变化(温度)，体系中新相取代旧 相的过程。 相平衡： 相与相之间既没有量的增减，也没有成份的改变。 相平衡的热力学条件： 体系内，任一组元在各相中的化学位必须相等。 相律： 体系中可变因素： P（C-1）个 相平衡约束条件： C（P-1）个 ∴ 平衡体系独立可变因素（自由度）为： f = 可变因素-约束条件 = P（C-1）- C（P-1）+ 2 = C - P + 2 恒压下： f = C - P + 1 —— 所有平衡体系必须遵从的规律 在相图的绘制、分析和使用时有重要用途。 二、相图的表示法 1、表示方法： 二元合金平衡相 — 成分 — 温度 可用平面图表示。 2、相图的测定 热力学计算： 适应性强，尤其是多元合金，代表未来方向。但 要求建立热力学数据库且数据可靠，计算量大。 物理方法测定： 热分析法、硬度法、金相法、磁性法和X-射线法等。 原理：基于体系相变时，新旧两相性质的突变， 据此确定临界点。 例：热分析法建立Cu－Ni相图 相律分析： 两相区（L+α）： 纯组元： f = 1 - 2 +1 = 0 恒温平台 二元合金：f = 2 - 2 +1 = 1 在一定温度范围内结晶 温度可在一定范围变化，而不影响平衡状态。 单相区（L、α）： f = 2 – 1 + 1 = 2 温度和成分可独立变化，而不影响平衡状态。 7.2 匀晶相图 定义：L→α(固溶体）称为匀晶转变，完全具有匀晶 转变的相图称为匀晶相图。 一、相图分析 特殊匀晶相图： 二、固溶体的平衡结晶 结晶过程（60%Ni合金） 温度 转变 相 T1 — L T1～T3 L→α L +α T3 — α 平衡相成份的确定： 液相成分沿液相线变化， 固相成分沿固相线变化。 常用式： 将②式两边同用 W0 xL=（Wα+ WL）xL 减得： W0（xL - x0）= Wα（xL - xα） 三、固溶体的非平衡结晶 固溶体结晶时，固液两相的成分在不断地变化，—— 浓度再分配。 平衡结晶时，由于冷却速度足够缓慢，原子有充分的时间扩散，在每一温度下，液、固两相都能达到相应的平衡浓度（按固液相线变化），固相的长大也相当充分（用杠杆定理确定）。 实际生产中冷速快，扩散和长大都不充分，先结晶的 部分与后结晶的部分成分有差异，结晶需在更低的温度下完成，这种冷却偏离了平衡条件，称为非平衡冷却。 1、结晶过程 2、非平衡冷却固溶体结晶的特点 成分偏离： S、L相平均成分变化偏离平衡线，冷速越大偏离越大，但L/S界面浓度依然沿液固相线变化。 结晶的滞后性： 冷却速度越大，结晶完成温度越低。 微观偏析(枝晶偏析，晶内偏析) 非平衡冷却产物，在热力学上是不稳定的，可通过均匀化退火消除。 宏观偏析(区域偏析) 沿结晶方向产生的大范围成分分布不均匀的现象。 四、宏观偏析 1、平衡分配系数K0 成分为C0的合金，平衡结晶至 T℃时，固相成分CS，液相成分CL。 2、宏观偏析 在非平衡冷却条件下，固溶体的结晶由于存在浓度再分配，先后结晶的部分成分有差异。 先结晶部分含高熔点组元浓度高。 后结晶处含低熔点组元浓度高。 一般铸件，凝固由表及里，表面与心部同样存在成分不均匀的现象。 沿凝固方向，由表及里取出一长条，忽略固相扩散，根据液相溶质的混合，分为两种极端情况进行讨论。 ①. 液相完全混合(冷速较慢) 忽略固相扩散，假设液相内浓度均匀(充分扩散)求CS？ 设棒长为l，L/S界面为平面，面积为A，成分为C0（体积浓度），固液相密度ρ相同