匀晶相图和固溶体凝固

来源:实用热处理手册作者:马伯龙

7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固

1.匀晶相图

由液相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,An-Ag,An-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。在两个金属组元之间形成合金时,要能无限互溶必须服从以下条件:两者的晶体结构相同,原子尺寸相近,尺寸差小于15%。另外,两者有相同的原子价和相似的电负性。这一适用于合金固溶体的规则,也基本适用于以离子晶体化合物为组元的固溶体形成,只是上述规则中以离子半径替代原子半径。
匀晶相图还可有其他形式,如Au-Cu,Fe-Co等在相图上具有极小点,而在Pb-Ti等相图上具有极大点,

匀晶相图和固溶体凝固

                            图7.5 具有极小点与极大点的相图

a)具有极小点  (b) 具有极大点

2.固溶体的平衡凝固

    平衡凝固是指凝固过程中的每个阶段都能达到平衡,即在相变过程中有充分时间进行组元间的扩散,以达到平衡相的成分。
    固溶体的凝固过程与纯金属一样,也包括形核与长大两个阶段,但由于合金中存在第二组元,使其凝固过程较纯金属复杂。例如合金结晶出的固相成分与液态合金不同,所以形核时除需要能量起伏外还需要一定的成分起伏。另外,固溶体的凝固在一个温度区间内进行,这时液、固两相的成分随温度下降不断地发生变化,因此,这种凝固过程必然依赖于两组元原子的扩散。需要着重指出的是,在每一温度下,平衡凝固实质包括三个过程:
①液相内的扩散过程。
②固相的继续长大。
③固相内的扩散过程。
    在凝固时,每一个晶核形成一颗晶粒,由于在每一温度下扩散进行充分,晶粒内的成分是均匀一致的。因此,平衡凝固得到的固溶体显微组织和纯金属相同,除了晶界外,晶粒之间和晶粒内部的成分却是相同的。

3.固溶体的非平衡凝固

    固溶体的凝固依赖于组元的扩散,要达到平衡凝固,必须有足够的时间使扩散进行充分。但在工业生产中,合金溶液浇涛后的冷却速度较快,在每一温度下不能保持足够的扩散时间,使凝固过程偏离平衡条件,称为非平衡凝固。
在非平衡凝固中,液、固两相的成分将偏离平衡相图中的液相线和固相线。由于固相内组元扩散较液相内组元扩散慢得多,故偏离固相线的程度就大得多,它成为非平衡凝固过程中的主要矛盾。

从上述对非平衡凝固过程的分析得到如下几点结论:

(1)固相平均成分线和液相平均成分线与固相线和液相线不同,它们和冷却速度有关,冷却速度越快,它们偏离固、液相线越严重;反之,冷却速度越慢,它们越接近固、液相线,表明冷却速度越接近平衡冷却条件。
(2)先结晶部分总是富高熔点组元(Ni),后结晶的部分是富低熔点组元(Cu)。
(3)非平衡凝固总是导致凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。
    固相平均成分线和液相平均成分线与固相线和液相线不同,它们和冷却速度有关,冷却速度越快,它们偏离固、液相线越严重;反之,冷却速度越慢,它们越接近固、液相线,表明冷却速度越接近平衡冷却条件。
    固溶体通常以树枝状生长方式结晶,非平衡凝固导致先结晶的枝干和后结晶的枝间的成分不同.故称为枝晶偏析。由于一个树枝晶是由一个核心结晶而成的,故枝晶偏析属于晶内偏析。
    枝晶偏析是非平衡凝固的产物,在热力学上是不稳定的,通过"均匀化退火"或称"扩散退火",即在固相线以下较高的温度(要确保不能出现液相,否则会使合金"过烧")经过长时间的保温使原子扩散充分,使之转变为平衡组织。