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金属材料液态成形基础解析——合金的结晶与二元合金相图(二)

时间: 2011-07-12 02:04 来源: 作者: 点击:

(三)合金的结晶 

    合金和纯金属遵循着相同的结晶基本规律,即在过冷的条件下,形成晶核与晶核长大两个基本过程完成的,而且这两个过程是同时进行的。 

    但由于合金包含有两个以上组元、使其结晶过程比纯金属复杂。 


动画16a 纯金属与合金冷却曲线比较 


动画16b 纯金属与合金冷却曲线比较

    纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。在结晶的过程中只有液相和固相数量的变化。而合金的结晶通常是在一定的温度范围内进行的,在结晶的过程中,不但有固相和液相数量变化,而且各相的成分也在变化。为了研究合金结晶过程的特点以及合金相与组织的变化规律,必须应用合金相图这一重要工具。因此,下面介绍二元合金的相图。 

    1.二元合金相图的基本知识 

    (1) 相图 

    相图是表明平衡结晶条件下(即极缓慢加热或冷却条件下)合金系中温度和相(或组织)之间的关系图形。 

    (2) 相图的建立 

    相图的建立可以用实验的方法,也可以用计算的方法,但到目前为止,所有的合金相图都是通过实验方法得到的。实验方法也很多,其中热分析法是最常用的实验方法,下面就以Cu-Ni二元合金系为例进行介绍: 

 

    1)配制不同成分的合金 

    2)测定每种合金的冷却曲线,找出每种合金的临界点(即冷却曲线上的转折点) 

    3)将具有相同意义的临界点标注在温度—成分坐标图中相应的合金线上。 

    4)把具有相同意义的临界点连成曲线即可 

    2.二元合金的结晶 

    根据结晶过程中出现的不同类型的结晶反应,可把二元合金的结晶过程分为下列几种 

    (1) 发生匀晶反应的合金结晶 

    匀晶相图中的合金在结晶时都要发生匀晶反应。那么什么是匀晶相图呢? 

    1)匀晶相图——是指两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图。 

    2)相图分析——如图所示,作图14在Cu-Ni相图中,A点温度为纯铜的熔点,TA=1083℃,B点温度为纯镍的熔点,TB=1455℃,ALB为液相线代表各成分的Cu-Ni合金在冷却过程中开始有固相结晶的温度,AαB为固相线,代表各种成分的Cu-Ni合金在冷却时全部变为固相的温度。匀晶相图中的两条线将相图分成了三个区,ALB线以上的液相区,用“L”表示;AαB线以下为固相区,用“α”表示;ALB和AαB中间区为液相和固相两相共存区,用L+α表示。

 

    3)合金的结晶过程 

 


动画17 Cu-Ni合金结晶过程分析

    下面以Cu-Ni合金相图中Ni的含量ωNi=40%为例说明其结晶过程,当液态合金缓慢冷却到与液相线相交温度时开始结晶,此时温度为t1,结晶出的固相ωNi为α1,α1的含镍量(ωNi)大于40%;冷却到t2时,L的成分L2,α相的成分为α2;当合金冷却完毕,全部为固相α,此时固相成分α3即为合金自身的成分。 

    可见,在结晶过程中,先结晶出的固溶体和后结晶的固溶体的成分是不同的。在无限缓慢的冷却条件下,即平衡结晶条件下,可通过原子充分扩散使成分均匀化,结晶完成后,最终获得与原合金成分相同的单相a固溶体。 

    由上面分析可知,合金在二相区中,液相和固相成分是不断变化的,液相沿着液相线变化,而固相沿着固相线变化。 

    4)两相区相成分和相对量的确定

 

    ① 相成分的确定  

    在单相区内只存在一相,相成分就是合金成分。而在两相区中,相的成分随温度的变化而变化要确定tk温度下两相的成分,可通过该合金线tk温度做水平线xtkx’,水平线与液相线及固相线的交点x、x’在成分上的投影就是在tk温度下液相和固相的成分。液相的成分ωNi=x%,固相α的成分为ωNi=x1%。 

    ② 相对量的确定 

    液相的相对量ωL=(XˊK/ XˊX)*100% 
    固相的相对量ωa=(KX/ XˊX)* 100% 
    K点含Ni量ωk=X%*ωL+ Xˊ%*ωa 

    与力学的杠杆定律相似,杠杆的支点为合金的原始成分,杠杆两端表示该温度下两相的成分,杠杆的全长表示合金的质量,两相的质量与杠杆臂长成反比,故称为杠杆定律。 

    5)枝晶偏析 

    在实际生产条件下,液态合金的冷却速度是较快的,在结晶过程中先后结晶出来的固溶体的成分是不相同的。由于原子在固相中的扩散过程落后于固溶体的析出过程,导致成分均匀化过程来不及进行,使先结晶出的固溶体与随后结晶出的固溶体之间的成分差异保持在凝固后的合金中,这种晶粒内部化学成分的不均匀现象,称为晶内偏析(又称枝晶偏析)。由Cu-Ni合金的结晶过程可知,先结晶出的形成树枝状晶体的晶轴含高熔点组元镍多,而后结晶出的分枝及枝间空隙含低熔点组元铜多。由于枝晶成分上不均匀分布,反映在侵蚀后的试样上呈现深浅不同的颜色,先结晶出的含镍量高,不易被腐蚀,呈亮白色,后结晶出的含铜量高,易被腐蚀,呈黑色。 

图17a 合金固溶体的显微组织     
图17b 枝晶偏析纤微组织 

    枝晶偏析的存在,严重降低了合金的力学性能、加工工艺性能和耐蚀性能。因此,生产中常将带有枝晶偏析的合金加热到较高的温度,并进行较长时间的保温,使原子进行充分扩散,以达到成分均匀化的目的。这种热处理方法称为均匀化退火或称扩散退火。

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