Chpt4 相图.doc

1、相 图相图又称为状态图或平衡图，它是表示材料系统中相的状态与温度及成分之间关系的一种图形。由相图可以知道材料的凝固或熔化温度及系统中可能发生的固态相变或其他转变；材料的性能与相图有一定关系，掌握了有关相图的知识，就可以通过相图预测材料的某些性能。所以，相图是材料科学工作者必不可少的重要工具。相、相平衡及相图的制作 相相是指一个系统中，具有同一结构、同一聚集状态的均匀部分，不同相之间有明显的界面分开。在材料科学中有其特性，如单相固熔体，其中某个微区成分并不均匀，而存在成分偏聚现象，另外，在同一相的不同晶粒之间也存在着界面，所以有界面分开的并不一定都是两种相。合金中的相，“均匀”是指成分、结构及性

2、质要么宏观上完全相同，要么呈连续变化，而没有突变现象。相平衡与规律相平衡是指某一温度下，系统中各相经很长时间也不互相转变，处于平衡状态，称为相平衡。相平衡的热力学条件要求每个组元在各相中的化学位必须相等。若是二元合金，则 相律：在恒压条件下，相平衡的数学表达式：式中： 自由度数； 组成材料系统的组元数； 平衡相的数目。相律的应用：确定合金系中可能存在的最多平衡相的数目及结晶进行的条件；判断相图的正确性。相图的测定方法依据：相变时伴随有性能的突变。方法：热分析法、膨胀法、硬度法、磁性法、电阻法、X-射线结构分析等。以热分析法为例，二元相图的制作过程为：1配置几组成分不同的合金，如 Cu-Ni 系

3、（5 组）2测定上述 合金的冷却曲线；3找出合金的临界点；4把这些临界点描在温度成分的坐标中；5把性质相同的临界点用光滑曲线连接起来,即得到相图，如下图示。 用热分析法建立 Cu-Ni 相图相图的基本类型:三类基本的二元相图图型二元匀晶相图 由液相直接结晶出单相固熔体的过程，称为匀晶转变。完全具有匀晶转变的相图，称为匀晶相图，如 Cu-Ni 相图。相图分析液相线，是指不同成分的液相开始转变为固相的温度连线。固相线，是指不同成分的液相完全转变为固相的温度连线。整个相图分为三个相区：L，+L，固熔体的平衡凝固平衡凝固，是指系统无限缓慢的冷却，原子扩散非常充分，时时达 到相平衡条件的一种凝固方式。固

4、熔体的平衡凝固过程及组织，见下图：固熔体的平衡结晶平衡结晶过程中，固相成分沿着固相线变化，而液相成分沿着液相线变化。小结：固熔体合金凝固的特点：1）固熔体凝固时结晶出来的固相成分与原液相成分不同，所 以形核时还需要浓度起伏；2）凝固是在一定温度范围内进行。在此温度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数量的固相。 3）固熔体合金的凝固必须依靠异类原子的互相扩散，凝固速度较慢。杠杆定律固熔体合金平衡凝固过程中,液、固两相相对量的变化可用杠杆定律来计算。证明：设下图中成分为 X 的合金在 t1温度时，处于液、固两相共存，平衡两相的成分点分别为 a、b, 对应的横坐标值为 XL,X。杠杆定律的证明设合金

5、的总质量 W0,液相质量为 WL,固相质量为 W,则有WL+W=W0另外，原合金 Ni 的质量应等于 L， 中所含 Ni 的质量和，即：WLXL+WX=W0X由以上两式可得：或这个式子与力学中的杠杆定律相似，故称为杠杆定律。固熔体的非平衡凝固与微观偏析不平衡结晶过程可以借用平衡相图作定性说明：下图表明微观偏析的形成过程不平衡结晶过程各相成分的变化及组织变化示意图消除微观偏析的方法 扩散退火，其工艺特点是：高温加热长时间保温。微观偏析也称晶内偏析。晶内偏析程度取决于凝固时的冷却速度、偏析元素的扩散能力及相图上液相线与固相线之间的距离。下图说明 Cu-Ni 合金的铸造组织通过扩散退火，消除了偏析。

6、(a)铸造组织(b)退火组织Cu-Ni 合金的显微组织 固熔体的非平衡结晶与宏观偏析先介绍溶质的平衡分配系数 k0的概念平衡分配系数 k0定义为在一定温度下，液、固两平衡相中溶质浓度之比值，即：k 0=cS/cL式中 cS，c L分别表示固、液相的平衡浓度。假定液相线与固相线为直线，则 k0为常数，如下图所示：两 种 k 0情 况查尔默斯(Chalmers)等人研究了固熔体合金在定向凝固过程中，溶质原子的重新分布。他是把液态金属放在细长的石墨熔舟中，并放在具有温度梯度的炉子里，使合金自左端逐渐向右凝固，固/液（S/L）界面在宏观尺度上保持平直。合金的这种凝固过程基本上相当于大型铸锭从模壁到中心

7、的凝固过程。合金的正常凝固大致归为以下三种情况: 液相内溶质完全混合这是在缓慢顺序结晶条件下，凝固时排出的溶质原子能在液体中完全均匀混合。设合金的溶质含量为 c0,合金棒全长为 L，已凝固部分的长度为 z，如下边右图所示，那么离端面 z处的合金棒中，溶质含量 cS(z)有多少呢？可以证明：上式如用曲线表示，则如下边左图所示。图中表明离合金棒左端不同距离处溶质的浓度(c)。这种合金棒从左端至右端的宏观范围内存在的成分不均匀现象称为宏观偏析。液相成分保持均匀原始浓度为 c0(k01)的合金溶时固相成分的分布液在凝固后的溶质分布曲线图由上式可知 此式表明，凝固后溶质分布曲线是随 k0而变化的。若取不

8、同的 k0值，则相对溶质浓度 (cS/c0)与已凝固的体积分数的关系曲线如下图所示：溶液中溶质完全混合时圆棒凝固后得到的溶质分布曲线在 k01 时，如果合金棒自左向右凝固，则左端获得纯化，溶质将富集右端。k 0越小，左端这种效果越显著。人们应用这个原理发展了区域熔炼技术，获得了极好的提纯效果。区域熔炼示意图区域熔炼不是把金属全部熔化，而是分段逐步熔化，见左图所示。区域熔炼可反复进行，每次熔炼后都会对材料纯度提高，从而获得高纯材料。从“b”曲线可以看出，开始结晶的左端熔质原子低于平均成分，而右端熔质原子严重偏析，这就是沿长度方向上存在着熔质的偏析现象，称为宏观偏析。它与快冷时由于固相中原子不能充

9、分扩散而产生的枝晶偏析是两小结:个不同的概念。液相内溶质原子部分混合在较快结晶条件下，液相中溶质原子只能部分混合。此时，液固界面处液相与固相内溶质原子分布如下图(a)所示。在边界层中溶质原子富集到一定程度后，溶质原子从界面固体一侧向边界层内流入速度与从边界向液体中流去的速度相等时，达到稳定阶段，即(c S)i/(cL)B为常数，称为稳态凝固过程。在稳态凝固过程中，采用有效分配系数 ke。ke=(cS)i/(cL)B 凝固后合金棒中溶质浓度分布可用下式表示凝固后溶质分布曲线如右图(b)所示： 液相内溶质部分混合（a）结晶时，液、固相内的成分分布（b）结晶后，整个圆棒内的成分分布液相内溶质仅通过扩散混合液相内溶质原子这是很快结晶的条件，由于界面很快推进，边界层溶质迅速富集，当液相一方达到 c0/k0时，固相的溶质浓度提高到 c0,而又不可能将边很少或无混合