第三章金属的结晶与二元金相图

第三章金属的结晶与二元金相图内容摘要：

学成分比例的合金。 每一个具体成分合金都可以用热分析法测定出它的冷却曲线。 将这些冷却曲线上的相转变点都转画到一个以温度为纵轴，化学成分为横轴的坐标中相对应的点上，则这些相变点所形成的各条曲线就构成了一个二元合金系的相图。 实际上测画一个合金系的相图时，只需精确地测定这个合金系中一些有代表性的合金冷却曲线。 再在温度 —— 化学成分的坐标上将相同意义的相变点所对应的点用平滑曲线连接起来就了这个合金系的相图。 在相图上将各个交点标出字符，将各个相区内填上相应的相或基本组织的代号就得到了一张完整的相图了。 下面以NiCu二元合金为例，示意二元相图的测画方法，见 图 3－ 6。 若某些相变点用热分析法很难测准，可以采用 X光衍射法、金相法、膨胀法等来测定核实。 有些合金系的相图就是一种典型的基本相图。 如：匀晶相图、共晶相图、包晶相图等等。 而更多的合金系的相图是很复杂的。 但也都是由这些基本相图组合而成的。 下面我们分别介绍一下常见的基本相图。 二、二元合金相图基本类型及合金的结晶过程 (一 )匀晶相图 —— 产生 单一 固溶体相的合金相图 对于合金组元在液相和固相下均能无限互溶，结晶时只结晶出单相固溶体组织，这种合金系的相图就是典型的勾晶相图。 如： An－ As、 Ni－ Cu、 Fe－ Cr、 W－ Mo等二元合金系的相图。 都是匀晶相图。 1．匀晶相图分析及合金的结晶过程 以 Cu－ Ni合金为例，见 图 3－ 7，图中 A点是纯铜的熔点 (1083C)； B点是纯镍的熔点 (1452 C)； AL3L2L1B曲线是液相开始结晶的温度线，称为 液相线 ，在其线以上的区域合金系全部是呈液相 L状态，称为液相区。 A321B曲线是液相全部结晶结束的温度线，称为 固相线 ；在其线以下的区域合金系全部结晶成同一种均匀的固溶体相 ，此区称为固相区。 在液相线与团相线围成的区域内是液相与团相共存的区域(L十 )，称为两相区。 铜与镍两组元组成的二元合金在固态下是无限固溶的，所以，任何成分比例都结晶成单相固溶体。 由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变称为匀晶转变。 在 Cu－ Ni合金系中，除纯 Cu和纯 Ni的结晶是纯金属的结晶，其结晶温度是一个点之外，其它任一个合金的结晶都是在一个相应的温度区间内完成结晶的。 虽然温度区间的大小和温度的高低不同，但结晶规律是相同的。 下面以 Ni质量分数为 20%开的 CuNi合金为例阐述其结晶过程。 从 图 3－ 7上可见， WNi=20%的合金化学成分垂线与液相线相交于 L1，与固相线相交于 3当该合金由液相缓慢冷却 (平衡状态 )至 t1温度时，由液相中开始结晶出 相。 随着温度的不断降低 相比例不断增加，剩余液相的比例不断减少直至到 t3温度，液相 L全部结晶成以 相。 在温度由 t1降到 t3的结晶转变过程中，不仅 L与 两相所占的比例不断变化，而且 L和 两相的化学成分，通过原子扩散也不断地变化。 在 t1时，结晶出来的 相的化学成分为几点所对应的成分 (含 Ni高于合金成分 )，剩余液相的化学成分 为 L1点所对应的成分。 在 t t3温度时 相的化学成分分别为 2， 3点对应的成分。 而剩余液相的化学成分分别为 LL3点对应的成分。 这就是说，在不同温度下刚刚结晶出来的固相 的化学成分是不相同的，其变化规律是沿着固相线变化。 与此同时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化。 但是，由于冷却速度很慢 (平衡态 )，又处在足够高的温度下，所以，当结晶结束时，无论是先结晶的目相，还是后结晶出来的 相，其化学成分都将通过原子足够长时间的扩散而趋平均匀相同。 并且 相的晶粒通常都是不规则的多面体状，称等轴晶粒。 由前述可知不同温度下结晶出来的 相成分是不同的，温度高时结晶出来的 相含熔点高的镍元素多，温度低时结晶的 相含镍少。 由于在实际生产中冷却速度较快 (不能保证平衡态 )，原子扩散迁移滞后于结晶， 相化学成分的均匀性得不到保证。 这时就会出现在一个晶粒内，各处成分的不均匀现象。 称为 晶内偏析。 因为相是以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支干就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析，见 图 3－ 8。 在 CuNi合金枝晶偏析中，白色区域是先结晶的部分，镍的质量分数高于合金成分，黑色区域是后结晶的部分，铜的质量分数高于合金成分。 枝晶偏析会降低合金的力学性能 (尤其是塑性和韧性 )和工艺性能。 对于有枝晶偏析的铸锭和铸件可采用在低于固相线 100C～ 200C的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互扩散而使成分趋于均匀，消除枝晶偏析。 这种热处理方法称为 均匀化退火 ，也称 扩散退火。 在相图的两相区中，随着温度的变化两个相的化学成分和两相的相对含量都在变化。 两个相的化学成分变化是沿着其相应的相线变化。 在给定的温度下，作一条平行于横轴的直线，与相应的相线交点所对应的化学成分就是相应相的化学成分。 但是。 在一定温度下两个相的相对含量如何确定呢。 相的相对含量可用 杠杆定律 来确定。 见 图 3－ 9。 值得说明的是杠杆定律虽然是从匀晶相图上的液固两相区推导出来的，但它们可以适用于 任何 二元相图的任何一个两相区中相的相对质量百分数的计算。 固态相变的两相区也适用。 (二 )共晶相图 — 具有 两相 机械混合物的合金相图 在二元合金系中 ， 组元在液相无限互溶 ， 在固相有限互溶 ， 并且在结晶过程中 ， 以共晶转变为主的相图就是共晶相图。 如 AI－ Si、 Pb－－Sb、 Pb－ Sn、 Ag－ Cu等合金系在结晶时都是以共晶转变为主。 这些合金系的相图都是比较典型的共晶相图。 所谓的共晶转变是指令全系中某一定化学成分的合金在一定的温度下 (恒温 )， 同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相。 同时结晶出来的两种固相机械的混合在一起 ，形成有固定化学成分的基本组织 ， 被统称为共晶体。 1．相图分析 以 Pb－ Sn合金系为例 ， 见 图 3－ 10。 Pb－ Sn相图是以共晶型转变为主要结晶方式的相图 ， 在靠近组元两端各有一个有限固溶的匀晶型结晶区域。 Pb与 Sn都能形成有限固溶体。 其中以 Pb为溶剂 ， Sn为溶质形成 α 固溶体。 Sn在 Pb中最大溶解度为 F点 ，其锡的质量分数 WSn为 19%， 而以 Sn为溶剂 Pb为溶质则形成 β 固溶体。 Pb在 Sn中最大溶解度为 G点 ，其铅的质量分数 WPb为 %。 固溶体 α 与 β 的液相线相交于 E点。 E点被称为 共晶点。 即在 183℃ ， 当化学成分中 Sn的质量分数为 %时则发生共晶转变。 共晶转变的两相机械混合物 ， 称为 共晶体 ，是一种有固定化学成分 ( WSn=%)的基本组织。 A点为 Pb的熔点 ()， B点是 Sn的熔点 ()， AEB线是液相线 ，AFEGB线是固相线 ， 直线段 FEG是共晶线 ， 温度是 183186。 C。 此线所对应的合金 ， 除 E点成分的液相全部发生共晶转变外 ， 其它成分的合金也有部分液体在 183186。 C 时发生共晶转变。 因为它们先结晶出固溶体 α或 β后 ， 剩余液体的化学成分随温度下降 ， 沿液相线变化 ， 当到 183186。 C 时 ， 剩余液体的化学成分也都达到共晶转变的成分 (E点的成分 )， 于是剩余液体发生共晶转变成共晶体。 FC是 α固溶体溶解度随温度变化曲线 ， 即 Sn在 Pb中溶。