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第8章 相平衡與相圖 |
| 8.3 二元系相圖(2) 8.3.3 二元相圖的基本類(lèi)型 二元相圖種類(lèi)很多，有的簡(jiǎn)單，有的復(fù)雜，但復(fù)雜相圖都是由一些基本類(lèi)型的相圖組合起來(lái)的。掌握基本類(lèi)型的相圖就容易分析任何復(fù)雜的相圖。本節(jié)主要介紹勻晶、共晶和包晶3種基本相圖為主要研究對(duì)象，對(duì)其他類(lèi)型的二元相圖也作簡(jiǎn)要介紹。 1. 勻晶相圖 當(dāng)兩個(gè)組元化學(xué)性質(zhì)相近，晶體結(jié)構(gòu)相同，晶格常數(shù)相差不大時(shí)，它們不僅可以在液態(tài)或熔融態(tài)完全互溶，而且在固態(tài)也完全互溶，形成成分連續(xù)可變的固溶體，稱(chēng)為無(wú)限固溶體或連續(xù)固溶體，它們形成的相圖即為勻晶相圖(Isomorphous system)。 由液體結(jié)晶出單相固溶體的過(guò)程稱(chēng)為勻晶轉(zhuǎn)變，絕大多數(shù)的二元相圖都包括勻晶轉(zhuǎn)變部分。有些二元合金，如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt等只發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變；有些二元陶瓷如NiO-CoO、CoO-MgO、NiO-MgO等也只發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變。 1）相圖分析 圖8-4是A-B兩種組元形成的二元系統(tǒng)的勻晶相圖，L為液態(tài)，α為固態(tài)，TA和TB表示兩種純物質(zhì)的熔點(diǎn)。這類(lèi)相圖形狀比較簡(jiǎn)單，只有兩條曲線，上面一條是液相線，下面一條是固相線。任何組成的熔體冷卻到液相線時(shí)開(kāi)始凝固，到固相線時(shí)完全變?yōu)楣虘B(tài)。從液相線還可以看出，當(dāng)組元A中加入B時(shí)，熔體的凝固溫度升高；而組元B中加入A時(shí)，熔體的凝固溫度降低。液相線和固相線把整個(gè)相圖分為3個(gè)區(qū)域：即液相區(qū)L，固相區(qū)α和液、固兩相共存區(qū)L+α。在液相區(qū)域內(nèi)，A與B在原子尺度內(nèi)相互混合形成均一的液相；在固相區(qū)域內(nèi)，A與B在原子尺度內(nèi)相互混合形成均一的固溶體相；固液兩相區(qū)為固、液兩相混合物。 2）平衡凝固 在圖8-4中，設(shè)C是由兩種組元A和B組成的二元體系�，F(xiàn)以該體系為例討論其平衡凝固過(guò)程。 平衡凝固是指在極其緩慢的冷卻條件下的凝固。當(dāng)成分為C的液相自高溫冷至t1溫度時(shí)，開(kāi)始從液相L中結(jié)晶出α固溶體，根據(jù)平衡相成分的確定方法可以知道，結(jié)晶出的固相的成分為a1，而液相的成分為L(zhǎng)1。此時(shí)相的平衡關(guān)系為 。因?yàn)長(zhǎng)1與液態(tài)L成分相當(dāng)，運(yùn)用杠桿定律得出a的數(shù)量很少，幾乎為零，此時(shí)結(jié)晶剛剛開(kāi)始。當(dāng)溫度由t1緩慢冷至t2時(shí)，有一定數(shù)量的α固溶體結(jié)晶出來(lái)，此時(shí)固相成分分為a2，液相成分為L(zhǎng)2，相的平衡關(guān)系則是 。為達(dá)到這一平衡，除了在t2溫度直接結(jié)晶出 外，原有的 的成分也必須通過(guò)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)榕c 相同的成分。由于 含有B量比液態(tài)時(shí)的平均含量高， 的析出必然使剩余液相含B量減少，從而使液相成分由L1降為L(zhǎng)2。隨著結(jié)晶溫度的不斷降低，α相的成分不斷沿固相線變化，液相成分也將不斷地沿液相線變化。α相的數(shù)量不斷增多，而L相的數(shù)量均可以由杠桿定律求得。當(dāng)冷卻到t3溫度時(shí)，最后一滴液體結(jié)晶成固溶體，凝固即告終了，得到與原液態(tài)合金成分相同的α固溶體。 3）固溶體的非平衡凝固 緩慢冷卻可以獲得平衡組織，形成成分均勻的固溶體。但在實(shí)際生產(chǎn)中，冷速往往較快，不能保持平衡狀  態(tài)，非平衡狀態(tài)下的結(jié)晶過(guò)程和最后得到的組織與平衡狀態(tài)有很大差別。如前所述，先結(jié)晶出來(lái)的 含有較多的B而后結(jié)晶出來(lái)的 含有較少的B，在平衡結(jié)晶時(shí)，可以通過(guò)擴(kuò)散使固相的成分均一化，而在非平衡結(jié)晶時(shí)，由于冷卻過(guò)快，擴(kuò)散過(guò)程來(lái)不及進(jìn)行，使α相成分不均勻。先結(jié)晶的部分富B，后結(jié)晶的部分含B較少。因而，在結(jié)晶中的每一溫度瞬間α的平均濃度總是高于α/L界面處的平衡濃度，相圖中固相α的平均成分線與平衡成分線不一致，如圖8-5中虛線所示。當(dāng)α相平均濃度達(dá)到合金成分時(shí)，結(jié)晶完成。最后得到的α固溶體成分不均勻。因固溶體晶體結(jié)晶按樹(shù)枝狀進(jìn)行，因而成分不均勻沿樹(shù)枝晶分布，形成所謂的“樹(shù)枝狀偏析”。圖8-6為Cu-Ni合金的非平衡結(jié)晶組織，枝晶的內(nèi)部主干含高熔點(diǎn)組元Ni多，枝晶外圍含低熔點(diǎn)組元Cu多，因成分不均勻腐蝕性不同，因而組織中顯示樹(shù)枝狀輪廓和偏析的存在。枝晶偏析引起性能不均勻，消除的措施是在高溫下進(jìn)行擴(kuò)散退火，通過(guò)原子的擴(kuò)散使成分均勻化。 |
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