第四章 二元合金相图与合金凝固
一、本章主要内容：
相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；
二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析 固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；
二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；
共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；
二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析
其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，
熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变 （
二元相图总结及分析方法
二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图， 相图与合金性能的关系
相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图 二、 1.填空
1 相律表达式为___f=C-P+2 ___。
2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分_______起伏。 3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。 4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。 >
5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。
6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。
7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶。
8 共晶，包晶，偏晶，熔晶反应式分别为_______L1→
+β______, __ L+→ ____,
______ L1—L2＋________, ___________γ→+ L _______。
10 共析，偏析，包析反应式分别为______γ→+β________，______ ________，_______+β→γ______。
11 固溶体合金凝固时，溶质分布的有效分配系数k0=__ Cs/Cl __
1—2＋
14 固溶体合金定向凝固时，液相中溶质混合越充分，则凝固后铸锭成分_偏析最严重__。 15. 在二元相图中，L1→+L2叫___偏晶___反应，→L+称为___熔晶__转变，而反应
１
—
２
＋称为____偏析___反应，+称为___包析___反应。
19 Fe-Fe3C相图中含碳量小于__ __为钢，大于___ % __为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由_______F______和____ Fe3C __________两个基本相组成；根据溶质原子的位置，奥氏体其晶体结构是____ FCC __________，是____间隙________固溶体，铁素体是_____ ____间隙固溶体______固溶体，其晶体结构是__ BCC ____，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含C量是___ _______；珠光体是由___铁素体____和__渗碳体__组成的两相混合物；莱氏体的含碳量_____ % ____；在常温下，亚共析钢的平衡组织是___ P+F ___，过共析钢的平衡组织是____ P+Fe3CII ____，亚共晶白口铸铁的平衡组织是_______ Ld _____，莱氏体的相组成物是____ A+ Fe3C ______，变态莱氏体的组织组成物是___ P+Fe3C +Fe3CII ___ ，Fe3CI是从_________液相_______中析出的，Fe3CII是从_______A__________中析出的，Fe3CIII是从____________F________中析出的，它们的含碳量为________ __________，Fe3C主要性能特点是_____硬、脆_________，A共析反应后的生成物称为______ P ______。
、
2. 选择
1 图1中Ⅲ合金非平衡凝固后的组织为___B___。
A
?
B +II C +未转变的
Ⅲ Ⅱ 图1
图2 2 要得到细小的层片状共晶组织，必须__A_____。
A增大过冷度 B降低凝固速度 C 增大两相间的界面能
3 图2中1，2，3合金在常温下凝固后，枝晶偏析最小的是____C______。
A 合金1 B 合金2 C 合金3 3 有枝晶偏析的铜镍合金，___B_____
A 枝干富Cu，枝间富Ni B 枝干富Ni，枝间富Cu C 枝干和枝间都富Cu
9 室温下含%C的钢平衡条件下，组织组成物为_____A______。
}
A F+P B F+Fe3C C (Fe3C)II+P 10 铁碳合金中的Fe3CII是从__B__中析出来的。
A 液相 B 奥氏体 C铁素体 D 珠光体
11 Fe3CII含量最多的是___C_____。
A %C合金 B %C合金 C %C合金 D %C合金
12 亚共析钢于两相区长时加热，（ B ）变成单相奥氏体。A 能 ，B 不能
3 名词解释
负温度梯度，粗糙界面，平衡分配系数，枝晶偏析，均匀化退火，成分过冷，比重偏析，伪共晶，离异共晶，不平衡共晶，包析反应，共析反应，偏晶反应，珠光体，莱氏体，二次渗碳体，正偏析、反偏析、比重偏析 、
4 判断
1、固溶体合金形核比纯金属形核难。（√ ）
2 产生新相，其自由能一定要比母相低才能发生。（ × ）
3 在一定温度下二元合金中存在二相平衡条件是相和相有相同的自由能。（× ） 4 晶粒之间化学成分不均匀的现象，称为枝晶偏析。（√ ） 5 晶内偏析可通过均匀化退火消除。（√ ）
6 存在晶内偏析的固溶体相由于其晶粒内各处成分不同，所以不能看成一个相。（× ） 8 成分过冷愈大，树枝组织愈发达。（√ ） 9 任何合金的不平衡结晶总是先结晶的固溶体晶粒含高熔点组元多，而后结晶的固溶体枝晶含低熔点组元多。（√ ） 10 离异共晶只能在非平衡条件下产生。（ × ）--初晶相很多共晶相很少可能产生 》
11 扩散退火可消除区域偏析。（ × ）
12 二元合金中的稳定化合物有一定熔点。（√ ）在熔点以下不发生分解（√）不稳定化合物都是共析反应的生成物。（× ）
13 如右图是A-B二元固溶体合金凝固时产生成分过冷的示意图。其中To是A组元的熔点（× ），Ti是固/液界面处的温度（ √ ），曲线是界面前沿液态合金的液相线温度（× ）， 开始凝固温度连线
G是界面前沿的温度梯度，当G增大时，成分过冷度增大。（× ） 实际温度分布
14 二元相图中三相平衡时温度恒定，而平衡三相成分可变。（ √ ）
15 宏观上观察，若固/液界面是平直的称为光滑界面结构；若是金属界面呈锯齿形称为粗糙界面结构。（ × ）
16 无论平衡或非平衡凝固，只要初晶的量很多，共晶的量很少，就可能出现离异共晶。（√ ） …
17凝固时，成分过冷的临界条件方程是：G/R=mc0/D·(1-k0)/k0 (√ )，只有当G/R>mc0/D·(1-k0)/k0时才产生成分过冷。（ × ）
19 在二元合金中，铸造性能最好的是共晶合金。（√ ）
20固溶体合金凝固时，在正温度梯度下晶体也可能以树枝晶长大。（√ ）
21 无论何种成分碳钢组织中铁素体相对量随C%增加而减少，珠光体相对量则增加。（× ） 22 莱氏体和变态莱氏体存在的温度范围不同（√ ），除此之外，二者无其他差别（× ）。 高于727 Ld=A+Fe3C,小于727Ld′=P+Fe3C(Fe3C+ Fe3CII) 23 铸铁平衡结晶过程只有共晶转变而没有共析转变。（× ）
24 Fe-Fe3C相图中，含碳量低于%的合金平衡结晶组织中才有三次Fe3C存在。（× ） 25 铁素体与奥氏体的根本区别在于溶碳量不同，铁素体少而奥氏体多。（× ）
5 问答 。
1 试说明在正温度梯度下，为什么固溶体合金凝固时可以呈树枝状方式成长，而纯金属则得不到树状晶。
固溶体合金形核除需要能量起伏和结构起伏外，还需要成分起伏，非平衡结晶时产生偏析，一般会产生成分过冷，凝固过程是在一个温度区间进行，而纯金属凝固在等温进行。 2、根据铁碳相图回答下列问题： （1） 写出下列合金的化学成分：
a.最容易产生枝晶偏析的合金；亚共晶白口铁。
含量最多的合金；c.珠光体含量最多的合金；d.莱氏体含量最多的合金。
Fe3CII含量最多的合金、珠光体含量最多的合金、莱氏体含量最多的合金的合金成分分别为含碳量%，%，%。
(2) 画出%C合金的室温平衡组织示意图，并计算出其中相组成物和组织组成物的百分含量。教材P139(3)绘出含%C的亚共析碳钢的室温平衡组织示意图。
%
(4)根据Fe-Fe3C状态图确定下列三种钢在给定温度下的显微组织（填入表中）
：%
温度℃ 显微组织 温度℃ 显微组织 含碳量 ： 770 680 A+F P 900 770 A A 700 P+Fe3CⅡ 770 A+ Fe3CⅡ 4根据Fe-Fe3C相图分析含碳量为%的碳钢其室温平衡组织是什么计算其共析温度下相组成物及组织组成物相对含量。 该合金室温下组织组成物为：F＋P 组织组成物的相对重量百分比为：
P55S?100%，W???100% PSPSP55KW??100%,W??100% 共析温度下相的相对重量百分比为 Fe3C?PKPKWP?5计算室温平衡组织为铁素体+珠光体且F/P=3/1时的含碳量，并示意绘出组织图。 亚共析钢% /
第四章 二元合金相图与合金凝固答案
