金属学复习【3】 --- 二元合金相图和合金的凝固

一.合金中的相

1.相图中呈现的内容一定是处于热力学平衡态的 --- 即系统自由能最小态

2.纯铁的改变量只有温度和压力，所以我们用温度和压力来制作纯铁的相图

把溶质融到溶剂中，形成的均匀的，单相的物质就是溶体

以特定比例形成的化合物称为化学计量比化合物

分子是铝的成分，左边是温度，压力影响不大忽略

第二部分 --- 匀晶相图及固溶体的结晶

液相线的上方是液相，固相线的下方是固相

夹在两者之间的则是固液共存相

液相线：合金在冷却的过程中，如果碰到液相线就开始有合金的结晶析出，在升温的过程中如果碰到液相线，则合金此时全部的熔化

固相线：在升温的过程中碰到固相线的话，固态合金开始熔化，液相开始出现，在降温的过程中碰到固相线的话，合金全部凝固为固相。

只有类似于这一部分的才能被称为匀晶体系

相图表示的百分数是右边底下那个物质的物质的量分数

L1和阿尔法1这条线被称为等温线，降温时合金在L1处开始结晶，结晶出的固态的组成符合阿尔法1所对应的固态的组成

升温时间，固态熔化出现液相，此时生成的液相的组成就是L1所对应的组成

结晶晶体从母相中诞生 --- 出现异分结晶的时候，结晶形核需要结构起伏

1. 从T1温度变化到T2温度时，液相的成分要对应的变为L2所对应的成分，固相的成分要变为阿尔法2所对应的成分

2.关于降温过程中液相和阿尔法相的相对量（ML/Mα）计算：

利用杆杆定律求

冷却/升温过程的终点 ---> 当液相和固相的组成符合我们所需要的合金的组成时结束

纯金属的结晶是在恒温下完成的

平衡分配系数与1的偏差越大，溶质原子在液相和固相之间的再分配就越难

固相扩散之后进行再分配，然后变成拥有新组分的固相，如果不扩散的话就会导致两种组分的混合态组分出现gu

上图是在非平衡结晶的时候，固相不扩散的情况下，固相不会沿着平衡状态下的固相线变化而是沿着非平衡状态下的固相平均成分线变化

α2‘ = α1和α2的平均值， α3‘ = α2’和α3的平均值，其它同理

固相平均成分线是会随着冷却速度等条件变化而变化的

上面那个过程在实际是怎样的呢？ -- 如图

最里面的是先结晶的α1，由于α1不扩散所以留着，然后温度变化后是结晶为α2，依然不扩散，其它同理

偏析即指 --- 成分不均匀

以枝晶方式结晶的时候，枝干先进行结晶，然后再是枝条结晶

冷速越大，冷的越快，扩散越慢，越容易偏析

第三部分 --- 二元共晶转变

共晶反应 --- 一个液相中同时产生多个晶体

二元系的共晶转变同时涉及三个相，由自由度公式可知，此时自由为0，没有变量，所以二元共晶为不变反应 --- 也就是说共晶反应的温度是不可以变，则交点所在横线（共晶反应线）对应的温度就是共晶温度

1.共晶反应是不变反应（温度不发生改变），只有在反应结束以后，温度才能够发生改变

2.在进行共晶反应的时候，固相的成分为固相反应线与左右两端的固相线的交点（αM和βN这两个固相点）所对应的成分

而当共晶反应结束之后，代表固相成分的固相点则会随着随着温度在固相线上移动

注意上面这两个固相都是加了一个括号的，这个括号的意思就是告诉我们里面的固相共同组成了一个共晶组织的意思

1.组织组成物就是组成组织的一个独立的部分

2.相组成物就是直接把相的组成直接列出来

共晶组织中两相混合物的相对量用如同所示的杠杆定律来求

如果在共晶线上的话，杠杆的支点就是共晶点，如果不在的话则需要我们自己求杠杆支点

对于二元共晶反应：如果生成的两个生成物之间的体积分数相当，那就会产生片层相间的共晶组织。如果体积分数差别较大，则体积分数大的那个作为基体，体积分数小的则是在基体上点缀的小点

第四部分 --- 脱溶分解

溶剂是多数，溶质是少数补充概念 --- 初晶，初晶是直接从液相当中结晶的晶体

固溶度概念：指固溶体中溶质的最大含量，也就是溶质在溶剂中的极限溶解度。

如上图我们把形成的固体中占多数的Pb作为固溶体的溶剂，Sn作为溶质

我们称固相线下面这一条线为固溶度曲线，上面的点为对应温度下的对应固相的最大固溶度

如果继续降低温度，而固体中组分保持不变（未发生分解的话），就会产生过饱和固溶体（溶剂中溶质的含量超过了当前温度下应有的溶质的含量）

过饱和固溶体是是不稳定的，随时都有可能发生分解，将多余的溶质分解成为饱和固溶体

ps ：所谓的分解是指固溶体将多余的溶质排出去

那么是以什么样的形式分解（排出来）呢？

答案是脱溶分解的方式排出

具体过程是在α相中析出次生相 --- 富Sn的β相排出

次生相又被称为二次相，它是指从一个固相中析出的另外一个固相

次生相是在固态中形成，且形成的条件是较低的温度，所以形成的相的尺寸都不会很大

然后这个β相的出现有两种可能出现方式：

第一种是以非均匀形核的方式产生 --- 当温度不太低的时候，β相会依附于α相的中的晶粒之间晶界上产生

第二种是以均匀形核的方式产生 --- 当温度足够低的时候， β相会直接在阿尔法相的基体中产生

如果α相是一个软韧相，而β相是一个硬质且比较脆的相的时候，如果是以上述非均匀形核的方式存在的话，会导致合金的效果变得不好，因为这样一种组成会导致晶界脆化，使得晶界开裂；

如果是以均匀形核的方式产生的话，较硬的β相分布在α相的基体中可以实现较软的α相基体被强化的效果，这种强化被称为第二相强化

析出溶质分子的方式是以某一种富含溶质分子的相的形式析出来的

通过上面的分析我们知道第二相强化对于合金而言是好的，那么我们该怎么实现第二相强化呢？

答案是 --- 时效分解

做时效处理的

第一步是固溶处理，固溶处理的作用是帮助我们得到一个均匀的固溶体

固溶处理所选择的温度一定要落在单相区

第二步是让合金冷却，降温至时效温度后，对合金进行长时间的保温，此时次生相的形核过冷度就等于平衡析出温度减去时效温度

经过上面两步处理后我们就得到了一个均匀形核的脱溶处理过程

第四部分 --- 亚共晶合金的平衡冷却

ME这一段对应的合金就是亚共晶合金，EN这一段对应的合金就是过共晶合金

第一步是匀晶转变（有自己的α相 --- 初晶生成），第二步是共晶转变（生成只有在共晶温度下才会出现的α相和β相 --- 依附于之前生成的α相的相界以共晶体的方式形核），第三步是脱溶分解（第一步生成的α相中排多余的Sn --- 用相（富含Sn的β相）的方式排出 --- 次生相）

首先是发生了匀晶转变 --- 合金液相中产生了α相（仍然有液相）

ps:(共晶体的表示方式是 --- 用括号将共晶体的组成括起来就是在表示共晶体了)

然后是共晶转变 --- 生成的初晶α相转变为共晶状态下的αM组成，然后液相继续析出共晶状态下的固体，知道液相全都消耗完后结束共晶反应

此时如果继续降温就会发生脱溶分解以及共晶体中的组成的成分改变 --- 首先在共晶温度下所有组成的成分都是共晶温度下的成分，脱离共晶温度之后就变回了正常温度下的成分（去掉了下标），此时初晶转变为的αM相又变回初晶α相，同时发生脱溶分解 --- 出现次生相β相

其实可以将红蓝两条路看成两个独立前进的人

杠杆定律的使用 ---- 用来求某一个组成在某一个温度下的液相和固相的相对量

如上图首先：

1.过给定的组成点作一条竖线

2.过给定的温度点作一条横线

3.取横线与相图中原有线的左右两个交点围成的线段

4.在线段中应用杠杆定律 --- 固相相对量等于固相对边线段比整条线，液相同理

共晶转变之后，表示组织组成物α组成的依然是这个点

而表示共晶体组成的则是共晶点 ---注意这里是组织组成物之间的相对量！

中间那条共晶线其实是三个共轭线的组合：分别是α和液相的（ME），液相和β的(EN)，α和β的(MN)

在共轭线下方的线对应的值就是固溶度了，固溶度为0即线延伸到0

上题求解：1.首先要求出共晶温度下的组织相对量

2.次级生成物是从首级生成物中诞生的，所以先求出首级生成物的占比，然后再求出次级生成物的占比，然后二者相乘就能够求出次级生成物在溶液中的占比了

1.最左边和最右边那两块是不发生共晶转变的部分

2.过共晶合金和亚共晶合金是对称的

第四部分 --- 二元包晶转变

1.α和β两相的熔点温度差非常大 --- 看液相线ACB

2.对于每一相都必须有其对应的固相线，液相线和固溶度线，如：对于图中的α相来说，液相线是AC，固相线是AP，固溶度线是PE，对于β相其液相线是CB，固相线是BD，固溶度线是DF

3.中间那条水平线（共轭线）就是包晶线，D点，生成物的这点称为包晶点

1.降温过程中首先碰到的是α的液相线，首先析出初晶α

2.继续降温液相成分随着液相线变化，初晶成分随着固相线变化

3.降到包晶温度的时候，发生反应的是C点成分的液相和P点成分的固相α，开始生成β相

4.包晶反应结束之后所有的液相和固相α都消耗完毕，转变为了单相β相，这个单相β相只存在于包晶温度下包晶反应结束

5.如果继续降温，则会发生脱溶分解 --- 固溶度下降，多余的Pt以含Pt较高的α相（次生相）析出

看是在β相中以均匀还是非均匀的方式析出，以此判断次生相的出现方式

计算相对量的时候就用杠杆定律

本来包晶反应中的原子扩散就很困难，如果快速凝固，不给反应足够的扩散时间的话，包晶反应是很难进行到底的！

如果没在包晶点进行反应的话就会导致液相和α相的比例不对，进而使得（液相/α相有剩余），如果继续降温的话，β相和α相都会发生脱溶分解

上面这种情况的最后结果中 --- 相组成物只有两个 α相和β相，但组织组成物有四个

四个都是

第五部分 --- 二元相图实例分析

1.共析转变是指在一个固相中分解出两个固相 --- 是一个不变反应（温度不变），分析模式和共晶转变一致

2.包析转变 --- 两个固态相互反应生成另一个固态，是不变反应，分析方式和包晶反应一致

（有序-无序（相）转变是指无序结构和有序结构的相互转化。通常高温有利护向无序相转化，低温则有利于有序相；骤冷利于无序而缓冷利于有序。有序-无序转化会影响物质的物理性质和化学性质。）

降温过程中生成的化合物称为化学计量比化合物 ---- 直接生成化合物，没有什么析出不析出的