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第8章 相平衡与相图 |
| 8.3 二元系相图(2) 8.3.3 二元相图的基本类型 二元相图种类很多，有的简单，有的复杂，但复杂相图都是由一些基本类型的相图组合起来的。掌握基本类型的相图就容易分析任何复杂的相图。本节主要介绍匀晶、共晶和包晶3种基本相图为主要研究对象，对其他类型的二元相图也作简要介绍。 1. 匀晶相图 当两个组元化学性质相近，晶体结构相同，晶格常数相差不大时，它们不仅可以在液态或熔融态完全互溶，而且在固态也完全互溶，形成成分连续可变的固溶体，称为无限固溶体或连续固溶体，它们形成的相图即为匀晶相图(Isomorphous system)。 由液体结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变，绝大多数的二元相图都包括匀晶转变部分。有些二元合金，如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt等只发生匀晶转变；有些二元陶瓷如NiO-CoO、CoO-MgO、NiO-MgO等也只发生匀晶转变。 1）相图分析 图8-4是A-B两种组元形成的二元系统的匀晶相图，L为液态，α为固态，TA和TB表示两种纯物质的熔点。这类相图形状比较简单，只有两条曲线，上面一条是液相线，下面一条是固相线。任何组成的熔体冷却到液相线时开始凝固，到固相线时完全变为固态。从液相线还可以看出，当组元A中加入B时，熔体的凝固温度升高；而组元B中加入A时，熔体的凝固温度降低。液相线和固相线把整个相图分为3个区域：即液相区L，固相区α和液、固两相共存区L+α。在液相区域内，A与B在原子尺度内相互混合形成均一的液相；在固相区域内，A与B在原子尺度内相互混合形成均一的固溶体相；固液两相区为固、液两相混合物。 2）平衡凝固 在图8-4中，设C是由两种组元A和B组成的二元体系。现以该体系为例讨论其平衡凝固过程。 平衡凝固是指在极其缓慢的冷却条件下的凝固。当成分为C的液相自高温冷至t1温度时，开始从液相L中结晶出α固溶体，根据平衡相成分的确定方法可以知道，结晶出的固相的成分为a1，而液相的成分为L1。此时相的平衡关系为 。因为L1与液态L成分相当，运用杠杆定律得出a的数量很少，几乎为零，此时结晶刚刚开始。当温度由t1缓慢冷至t2时，有一定数量的α固溶体结晶出来，此时固相成分分为a2，液相成分为L2，相的平衡关系则是 。为达到这一平衡，除了在t2温度直接结晶出 外，原有的 的成分也必须通过扩散转变为与 相同的成分。由于 含有B量比液态时的平均含量高， 的析出必然使剩余液相含B量减少，从而使液相成分由L1降为L2。随着结晶温度的不断降低，α相的成分不断沿固相线变化，液相成分也将不断地沿液相线变化。α相的数量不断增多，而L相的数量均可以由杠杆定律求得。当冷却到t3温度时，最后一滴液体结晶成固溶体，凝固即告终了，得到与原液态合金成分相同的α固溶体。 3）固溶体的非平衡凝固 缓慢冷却可以获得平衡组织，形成成分均匀的固溶体。但在实际生产中，冷速往往较快，不能保持平衡状  态，非平衡状态下的结晶过程和最后得到的组织与平衡状态有很大差别。如前所述，先结晶出来的 含有较多的B而后结晶出来的 含有较少的B，在平衡结晶时，可以通过扩散使固相的成分均一化，而在非平衡结晶时，由于冷却过快，扩散过程来不及进行，使α相成分不均匀。先结晶的部分富B，后结晶的部分含B较少。因而，在结晶中的每一温度瞬间α的平均浓度总是高于α/L界面处的平衡浓度，相图中固相α的平均成分线与平衡成分线不一致，如图8-5中虚线所示。当α相平均浓度达到合金成分时，结晶完成。最后得到的α固溶体成分不均匀。因固溶体晶体结晶按树枝状进行，因而成分不均匀沿树枝晶分布，形成所谓的“树枝状偏析”。图8-6为Cu-Ni合金的非平衡结晶组织，枝晶的内部主干含高熔点组元Ni多，枝晶外围含低熔点组元Cu多，因成分不均匀腐蚀性不同，因而组织中显示树枝状轮廓和偏析的存在。枝晶偏析引起性能不均匀，消除的措施是在高温下进行扩散退火，通过原子的扩散使成分均匀化。 |
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