导图社区 二元合金凝固和相图
金属学与热处理关于二元相图凝固的相关知识梳理,包含二元相图:相图定义、相图建立、相图表示、相图规律等内容。
编辑于2021-09-04 13:34:16二元合金凝固和相图
二元相图
相图定义
组元是组成合金最基本的独立的物质
相是指合金中结构相同成分性能均一并以界面相互分开的组成部分
相图是表示在平衡条件下合金系中合金的状态与温度,成分间关系的图解
相图建立
利用已有的热力学参数通过热力学计算和分析建立
通过热膨胀法,电阻法等试验方法建立
试验测定临界点的方法
金相法/X射线结构分析法
利用合金某些性质突变测定
相图表示
横坐标为成分,纵坐标为温度
坐标系中任一点称为表象点
相区定义
相图中由相界线划分出的区域
单相区/双相区/三相区为一条水平线
相图规律
自由度
在保持平衡相数不变的条件下影响相状态的内外部因素中独立发生变动的数目
相律定义
平衡条件下系统的自由度数,组元数和平衡相数之间的关系
F=C-P+2
系统压力为常数时可表达为+1
杠杆定律
确定两相平衡时两平衡相的成分和相对量
确定最后形成的组织的两相相对量和组织相对量
相图分类
组元间形成化合物
形成稳定化合物的相图
没有溶解度的化合物在相图中是一条垂直线
可看作是一个独立组元把相图分为两个独立的部分
如果形成的化合物对组元具有溶解度即形成以化合物为基的固溶体,则化合物在相图中具有一定范围
形成不稳定的化合物
加热一定温度即分解,无确定的熔点
具有固态转变的合金相图
固溶体的脱溶转变
wSn=10%的合金a相中析出B11二次相次过程为过饱和固溶体的分解,也称为由固溶体中析出另一固溶体的过程
共析转变
由一个固相恒温转变为另外两个固相的过程
包析转变
两个固相在恒温转变为一个新的固相的过程
固溶体的同素异构转变
合金的组元,以合金为基的固溶体都会有该转变
有序-无序的转变
在一定成分一定温度下发生有序-无序转变
磁性转变
因温度改变而改变,在相图中用点线表示
按照分解型/合成型
分解型
共晶转变
一个液相恒温转变为另外两个固相的过程
共析转变
由一个固相在恒温下转变为两个固相的过程
偏晶转变
液相同时分解出一个固相和另一种液相
熔晶转变
一个固相分解成为一个液相和另一个固相
合成型
包晶转变
L+B=a一定成分的固相与液相作用生成另一固相
包析转变
r+B=a两个固相在恒温转变为一个新的固相的过程
合晶转变
成分不同的两个液相相互作用形成一个固相
匀晶相图
匀晶相图定义
两组元在液态无限互溶,在固态也无限互溶形成固溶体的二元相图
固溶体合金平衡过程
L->L+a->a 得到了与原合金成分相同的a固溶体
固溶体结晶过程
固溶体晶核的形成造成了相内的浓度梯度
引起相内扩散破坏了相界面处的平衡
不平衡导致晶体必须长大才能使相界面处重新平衡
晶体长大过程为平衡~不平衡~平衡~不平衡的辩证发展过程
平衡分配系数k0
在一定温度下固液两平衡相中溶质浓度之比
k0=Ca/Cl
k0<1时k0越小液相线和固相线之间水平距离越大
k0>1时k0越大液相线和固相线之间水平距离越大
异分结晶
固溶体合金结晶过程中所结晶出来的固相成分与液相成分不同,这种结晶出来的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶
固溶体的非平衡结晶
由于液态金属在浇入铸型后冷却速度较大,在一定温度下扩散过程尚未进行完全时温度就已经下降,使此时保持的浓度梯度造成了各相内成分的不平均
出现固相平均线,与冷却速度有关
冷却速度越快,偏离固相线程度越大
非平衡结晶偏析与提纯
晶内偏析
晶内偏析定义
固溶体非平衡结晶时由于从液体中先后结晶出的固相结构不同,使得一个晶粒内部化学成分不均匀
枝晶偏析定义
固溶体通常以树枝状生长方式结晶
一个树枝晶由一个核心结晶而成
不平衡结晶时先结晶的枝干含高熔点组元较多,后结晶的枝间含低熔点组元较多
晶内偏析的影响因素
平衡分配系数
k0<1时k0越小偏析越大
k0>1时k0越大偏析越大
溶质原子扩散能力
结晶温度较高,偏析程度小
原子扩散能力大,偏析程度小
冷却速度
一般情况冷却速度越大晶内偏析越严重
冷却速度大过冷度也大可得到细小晶粒
小型铸件在极大过冷度至极低温度开始结晶得到成分均匀的铸态组织
晶内偏析影响合金性能
力学性能如塑形,韧性下降
使合金不易进行压力加工
使合金耐蚀性降低
消除晶内偏析方法
均匀化退火加热至低于固相线100~200度的温度进行长时间保温,使偏析元素充分进行扩散达到成分均匀化的目的
区域提纯
区域提纯过程
使金属棒从一端到另一端顺序地局部熔化
固溶体为选择结晶,先结晶的晶体将杂质排入熔化部分的液体中使杂质富集到另一端
影响因素
熔区的长度L越短则提纯效果越好
k0越小,则提纯效果越好
搅拌越激烈,液体的成分越均匀,结晶出的固相成分越低提纯效果越好
成分过冷
成分起伏
液相中总会有某些偏离液相的平均成分的微小体积,这些微小体积的成分大小和位置都在不断变化
由于合金的结晶温度是由合金成分决定的,因此液相中溶质分布的变化将引起结晶温度的变化
过冷则是成分变化与实际温度分布两因素共同作用
过冷条件
液相只有扩散无对流搅拌,k0<1,固液相线均为直线温度分布为正温度梯度
温度降低时析出固相,从固相中排出的溶质原子富集在液固界面,而远处的液相成分依然不变
k0<1时,合金平衡结晶温度随溶质浓度增加而降低,边界越远浓度越低平衡结晶温度越高
因此固液界面前平衡结晶温度高于实际温度,出现过冷区域,两者差值即为过冷度,此为成分过冷
区域偏析
区域偏析定义
铸件或铸锭来说在大范围内化学成分不均匀的现象
区域偏析产生
结晶过程中,液相成分能充分混合,固相无扩散
液相中溶质元素出现富集,结晶出来的固相成分也越来越高,最后结晶的要比原合金成分高好多倍
区域偏析分类
正偏析
低熔点在先凝固的外层到后凝固的内层逐渐增多
反偏析
低熔点元素富集在铸件先凝固的外层的现象
比重偏析
组成相与溶液之间密度的差别引起的一种区域偏析
消除措施
通过增大冷却速度,使先共晶相来不及上浮或下沉
加入第三种元素构成先共晶相上浮或下沉的骨架
影响因素
液相中的温度梯度越小,过冷度越大,则越有利于产生成分过冷
晶体长大速度R和合金元素的含量C0越大,则越有利于产生成分过冷
液相线越陡,液体中溶质扩散系数D越小,则越有利于产生成分过冷
k0<1时k0越小,k0>1时k0越大,则越有利于产生成分过冷
对铸锭组织的影响
温度梯度大
长大速度由散热条件控制,形成平面状的晶粒界面
温度梯度中
存在较小的成分过冷区,偶然突出部分纵向生长,横向也有生长但小,沟槽出现溶质富集
液体的平衡温度随溶质浓度的增加而降低,长大速度与过冷度有关,沟槽处过冷度较小,导致沟槽进一步加深,形成胞状界面
温度梯度小
与纯金属在负温度梯度下结晶相似,形成树枝晶
共晶相图
共晶相图定义
两组元在液态无限互溶,在固态有限互溶发生共晶转变形成共晶组织的二元相图
合金平衡结晶分析
wSn=10%的合金
L->L+a->a->a+B11
a相中析出B11二次相次过程为过饱和固溶体的分解,也称为由固溶体中析出另一固溶体,脱溶过程
B相优先从a相界中析出或从晶粒缺陷部位析出
由于固态下原子扩散能力小,析出次生相不易长大,所以B11细小
共晶合金
L->a+B ->B11+a11
两个相在形核过程中总会有先后,如a为领先相,由于a所需的锡含量不高,形核过程中就会向液体排出多余的锡,为富锡的B形核创造了条件
B相的形核又把多余的铅排出,界面前铅的富集有为a形核创造条件,两相交替形核长大
继续冷却时a和B发生溶解度变化分别析出次生相
亚共晶合金
L->a+L->a+(a+B) 冷却后各相会分别生成B11/(B11+a11)
液相中结晶出a相为匀晶转变,然后即为共晶转变
继续冷却后只有先共晶a中析出的B11可能观察到
先共晶相的形态如固溶体为树枝状,如是半金属或非金属或化合物则为规则的外形
过共晶合金
L->B+L->B+ (a+B ) 继续冷却各相会生成a11/ (B11+a11 )
液相中结晶出B相为匀晶转变,然后即为共晶转变
继续冷却后只有先共晶B中析出的a11 可能观察到
不平衡结晶组织
伪共晶
不平衡结晶条件下通过快冷条件得到全部共晶组织
冷却速度较大将产生过冷,过冷到液相线延长线所包围影线区可得到共晶组织
金属-金属型 两组成相熔点近似 共晶点对称扩大
两组成相熔点悬殊 共晶点偏向低熔点区伪共晶区偏向高熔点区一边
离异共晶
成分点靠近共晶转变线两端的亚共晶或过共晶结晶后初晶相很多,共晶体数量很少
而且共晶相中与初晶相同的相会同初晶相结合将另一相推至晶界,造成两相分离的组织为离异共晶
消除措施可采用均匀化退火转变为平衡态的固溶体
非平衡共晶
成分点位于共晶转变线两端点以外又靠近端点的合金,在平衡结晶时无共晶转变
非平衡结晶条件下能发生共晶转变得到少量共晶体
区域偏析
区域偏析定义
铸件或铸锭来说在大范围内化学成分不均匀的现象
区域偏析产生
结晶过程中,液相成分能充分混合,固相无扩散
液相中溶质元素出现富集,结晶出来的固相成分也越来越高,最后结晶的要比原合金成分高好多倍
区域偏析分类
正偏析
低熔点在先凝固的外层到后凝固的内层逐渐增多
反偏析
低熔点元素富集在铸件先凝固的外层的现象
比重偏析
组成相与溶液之间密度的差别引起的一种区域偏析
消除措施
通过增大冷却速度,使先共晶相来不及上浮或下沉
加入第三种元素构成先共晶相上浮或下沉的骨架
包晶相图
包晶相图定义
两组元在液态无限互溶,在固态只能部分互溶,并具有包晶转变的二元系合金所构成的相图
合金平衡结晶分析
L+a->B一定成分的固相与液相作用生成另一固相
wAg=42.4%合金1
L->L+a->B->B+a11
液相与a相发生反应生成B相,此反应首先发生在L与a的相界面上,B依附并包围a相
L和a被B相隔离只能通过B进行原子扩散才能继续,B相越来越厚扩散距离越来越远,包晶转变越困难,需要花费相当多的时间
继续冷却B相固溶体中会不断析出a11
wAg=10.5%~42.4%合金11
L->L+a->B+a->a+B+a11+B11
包晶转变后除了新生成的B相外还有剩余的a相
继续冷却时a和B发生溶解度变化分别析出次生相
wAg=42.4%~66.3%合金111
L->L+a->B+L->B->B+a11
包晶转变后除了新生成的B相外还有剩余的L相
包晶转变后液相继续匀晶转变生成B固溶体
继续冷却时B发生溶解度变化析出次生相a 11
不平衡结晶组织
包晶偏析
在合金结晶过程中如果冷速较快,包晶反应是原子扩散不充分,则生成的固溶体中会出现偏析
消除措施
长时间的均匀化退火
包晶转变的应用
在轴承合金中
希望轴承材料的组织具有足够的塑形和韧性的基体和均匀分布的硬质点组成,硬质点为金属化合物
合金先结晶出硬的化合物,通过包晶反应形成软的固溶体,并把硬的化合物质点包围起来
轴运转时软的基体被磨损以便储存润滑油
硬的质点比较抗磨便凸起来了,支撑轴施加的压力
可细化晶粒
在铝合金中添加少量的钛首先析出TiAl3
然后进行包晶转变L+TiAl3=a
a依附于TiAl3形核长大,TiAl促进非均匀形核,从液体析出的它细小而弥散,细化晶粒效果显著