1.概述

两个组元在液态、固态时都无限互溶形成连续固溶体的二元相图称为二元匀晶相图。图8.28为Cu-Ni系统在高温下的匀晶相图。具有匀晶转变的二元系统还有Fe-Cr、Ag-Au、W-Mo、Nb-Ti、Cr-Mo、NiO-MgO及CoO-MgO系统。

图8.28　Cu-Ni系统在高温下的匀晶相图（引自蔡珣，2010）

图8.28中，t点温度为Cu的熔点TCu，k点温度为Ni的熔点TNi。最上方的tbk为液相线。液相线上方为液相单相区。下方的tgk线为固相线。固相线以下是固相（即固溶体）单相区。固溶体常用希腊字母表示。液相线和固相线之间为液、固共存区。

2.平衡结晶过程及组织变化

我们以Ni质量分数为30%的系统为例。将该系统加热到完全熔融，状态点为液相区的a点。从a点开始对其做平衡冷却。ab段只有液相，F=2。当温度降低到Tb时，α固溶体开始析出。α固溶体的组成在c点，液相组成在b点。此时F=1，能独立变化的只有温度。温度继续降低时，液相沿液相线从b向s移动；α固溶体的组成点从c向g移动。在此过程中，α固溶体不断地从液相析出。当液相组成点到达s点时，α固溶体的组成点也到达g点。液相在s点消失，并全部转化为α固溶体。α固溶体的组成为系统组成。以上液相和固相的变化路径可用下式表示：

液相：s（L消失）。

固相：ab段无固相析出，在b点开始有α相析出。故固相组成从c点开始：。图8.29示意了其中部分阶段在平衡凝固时的组织变化。(www.daowen.com)

图8.29　Cu Ni二元系统平衡凝固时的组织变化示意图（引自蔡珣，2010）

3.非平衡结晶过程及组织变化

仍以Ni质量分数为30%的系统为例。当温度降低到Tb时，液相组成在b点、固溶体组成在c点。液相中Ni的质量分数为30%，固溶体中Ni的质量分数大于40%。温度继续降低到To时，e点组成即为液相组成（Ni质量分数小于30%）；d点组成为固溶体组成（Ni质量分数小于40%）。在液相消失温度Tg，s点组成即为液相组成；g点组成为固溶体组成。综上所述，在结晶过程中，液相和固溶体的成分是不一样的，即液相中Ni的质量分数始终小于固溶体中Ni的质量分数。而且，先结晶的固溶体（c点）中Ni质量分数要大于后结晶固溶体（d、g点）的质量分数。熔体在平衡结晶过程中，液相和固相中的原子有充裕的时间和足够的能力进行扩散，故先后结晶的α固溶体，其成分在平衡态时是一致的。

但在实际中，由于生产工艺的原因（如冷却不是足够慢），而且原子在固相中的扩散比在液体中难，因此，液相和固相中的原子没有充裕的时间和足够的能力扩散成平衡态。较大的冷却速度将导致液相线和固相线偏离平衡态。图8.30（a）中分别为降温过程中，偏离平衡态的液相线和固相线（L1L4、α1α4分别是平衡态的液相线和固相线）。系统在温度T1析出α1。温度降到T2时，α2析出。由于原子扩散未达到平衡，后析出的α2与先析出的α1成分不一样。温度降到T3、T4时，从熔体中析出的α3、α4也如此。由此可见，熔体的不平衡凝固、原子扩散不充分等导致了偏析组织的出现，如图8.30（b）所示。

图8.30　Cu-Ni二元系统不平衡凝固时，成分和组织变化示意图（引自蔡珣，2010）

因固溶体在凝固结晶时常按树枝状方式进行，故成分会不均匀地沿树枝晶分布。早先结晶的内部枝干富含高熔点组元（如Ni），后结晶的分枝富含低熔点组元（如Cu）。这种成分偏析也叫枝晶偏析（dendritic segregation）。冷却速度越大，扩散越不充分，偏析程度越大。枝晶偏析会引起材料性能的不均匀。人们常常在高温下通过扩散退火来加以消除。虽然凝固偏析会影响材料的性能，但却可利用结晶时，固、液相成分不同的原理来提纯材料。