二元匀晶相图

二、二元匀晶相图

两组元在液态时能够无限互溶，在固态下也能够无限互溶，结晶后形成无限固溶体的相图称为二元匀晶相图。这种结晶时从液相中只结晶出一个单相固溶体的转变，称为匀晶转变。例如Cu-Ni系、Fe-Cr、Fe-Ni、W-Mo等合金系的相图都属于这种类型。

(一)相图分析

Cu-Ni相图如图3-5(b)所示。相图中A点为纯铜的熔点(1083℃);B点为纯镍的熔点(1455℃)。上临界点连线AB_L为液相线，表示Cu-Ni合金冷却时开始结晶或加热时熔化终了的温度;下临界点连线AB_α为固相线，表示Cu-Ni合金冷却时结晶终了或加热时开始熔化的温度。

匀晶相图中有三个相区，液相线以上为液相区，合金在此相区为单一液相L;固相线以下为固相区，合金在此相区为单相α固溶体(铜与镍形成的无限固溶体)。液相线和固相线之间是液相L和固相α共存的(L+α)两相区。

(二)合金的结晶过程

现以镍含量w_Ni=20%的Cu-Ni合金为例分析其结晶过程。

任一成分的Cu-Ni合金，结晶时都将发生匀晶转变，即由液相通过结晶转变为成分不同的单相α固溶体。如图3-6所示，当温度高于t₁时，合金全部为液相L;当合金缓慢冷却至t₁温度时，液相中开始结晶出α固溶体。在t₁～t₃之间，随着温度的下降，α固溶体的量不断增多，剩余液相L的量则不断减少。温度降至t₃时，结晶结束，液相全部转变为α固溶体。

图3-6　Cu-Ni合金相图及合金平衡结晶过程

固溶体的结晶也是一个形核和晶核长大的过程。但与纯金属结晶不同的是，合金在结晶过程中，其液相L和固相α的成分随温度下降是在不断变化的。刚开始形成的α固溶体，往往含有较多的高熔点组元，即这时α内的含镍量高于合金的平均含镍量，因而将同时导致剩余液体的含镍量减少。在整个结晶过程中，液-固两相的成分可用某一温度下的水平线与液相线和固相线的交点在成分坐标上的投影来确定。在温度由t₁下降至t₃的过程中，如果冷却速度极其缓慢，原子扩散能够充分进行，则液相成分由L₁点沿液相线变化到L₃点，固溶体的成分由α₁沿固相线变化至α₃。温度到达t₃时结晶结束，得到成分均匀单相固溶体α。

由以上分析可知，固溶体合金的结晶具有以下特点:

(1)结晶是在一个温度区间内进行的，为一个变温过程。

(2)在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的;但随着温度的变化，两相的成分在不断地变化，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。

(3)合金相图是在极其缓慢冷却的条件下测得的，结晶结束后将得到平衡组织。但在实际生产中，由于冷却速度较快，往往出现不平衡结晶的情况，原子扩散不能充分进行，结晶结束后，固溶体内部会出现成分不均的现象，这种现象称为偏析。

(三)枝晶与偏析

根据相平衡条件，固溶体结晶时，较高温度下先结晶出来的α固溶体内高熔点组元(镍)含量较多，而后结晶出来的α内低熔点组元(铜)含量较多。在快速冷却过程中，这种固溶体内部成分不均匀的现象很难通过原子的扩散而改观，最终将被保留了下来，结果使同－个晶粒中出现了成分不均匀的偏析现象。因这种偏析发生在一个晶粒内，故称为晶内偏析。又因为固溶体晶粒一般都是以树枝状的方式长大，偏析使先结晶的树枝主干和后结晶的分枝部分成分不一致，故将这种现象又称为枝晶偏析。

图3-7(a)所示为Cu-Ni合金的铸态组织。从图中可以看出，α固溶体呈树枝状，浸蚀后呈现深浅不同的颜色。枝干与枝间显著的颜色差别说明它们的成分存在很大的差异。先结晶的枝干富Ni，不易浸蚀，呈亮色;后结晶的枝间富Cu，易浸蚀而呈暗色。用电子探针测量两枝晶间Ni与Cu的成分，得到如图3-7(b)所示的结果，表明枝干富Ni而枝间富Cu。图3-7(b)中横向为测量距离，纵向为Ni与Cu的成分;图中贫Ni富Cu的区域对应枝间部分，而贫Cu富Ni的区域，则对应于枝干部分。

图3-7　Cu-Ni合金的铸态组织与微区分析

铸钢组织也易呈树枝状，其中先结晶的树干中心碳含量较低，后结晶的分枝部位碳含量较高，严重的枝晶偏析将会使铸件的力学性能降低，特别是韧性、塑性变差。此外，枝晶偏析还会导致合金的化学性能不均匀，使合金的抗蚀性下降。

生产中消除偏析的方法是将铸件缓慢加热至固相线以下100～200℃的高温，进行较长时间保温，使偏析元素的原子在高温下充分扩散，合金成分均匀化。这种处理方法叫扩散退火或均匀化退火。铸锭经过热轧或热锻也可以使晶内偏析有所减轻。