四二元相图的建立

20
30
40
50
60
70
80
90 100
t/s
WSn(%)
亚共晶合金的结晶过程分析
第四章 二元相图及应用
亚共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态L50 t1~ t2温度： 液相中析出，L t2温度时发生共晶反应：L61.91997.5 t2温度以下： 初Ⅱ 室温组织： 初+（+）共晶 + Ⅱ “匀晶反应+共晶反应+二次析出”
600
区：
40 60 80
400
0E
20
F 100
Pt P58图4-9
Ag%
Pt-Ag合金相图
Ag
单相区L、 、 双相区L 、 L + 、 +
第四章 二元相图及应用
(2)包晶合金的平衡结晶过程与室温组织
L L
1800

A
T/ ℃ 1
L
1600
1

1400
1200 温 度 1000
了解
相 图 的
制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处 理等工艺规程的重要依据和有效工具。也 作用 可作为陶瓷选配原料、制定生产工艺、分 析性能的重要依据。
第四章 二元相图及应用
第一节 二元相图的建立
以Cu-Ni合金为例，介绍用热分析法建立相图的具体步骤 1.配制不同成分的 Cu-Ni合金； 2.作出各合金的冷 却曲线。并找出 各个冷却曲线上 的临界点； 3.画出温度—成分 坐标系。在相应 成分垂线上标出 a)冷却曲线 b)相图 临界点温度； 图4-1 用热分析法测绘Cu-Ni相图 4.将物理意义相同的点连成曲线，即得Cu-Ni合金相图。
分析方法： 同共晶相图
共析反应是在固态下进行的，转变 温度低，反应中的原子扩散比较困难， 易于达到较大的过冷度，从而形核率高。 与共晶组织相比，共析组织要细得多。
第四章 二元相图及应用
第三节 相图与合金性能之间关系 相图和合金性能之间存在着一定的联系。掌 握这些规律，对选用和配制合金是必要的。 一.相图与合金力学 性能的关系 1.两相机械混合物的合金: 合金的性能大致是两 相性能的算术平均值， 即性能与合金成分呈直 线关系。
Ni
WCu(%)
Cu
将合金加热到低于固相线100～200℃的温 度，进行长时间保温，使合金进行充分扩散， 消除晶枝偏析，以达到成分均匀化。
第四章 二元相图及应用
二、二元共晶相图 共晶反应：
合金在冷却到某一温度时，由一定成分的液 相同时结晶出成分不同、结构不同的两个固相， 这就是共晶反应（L ）。反应产物是两 个固相的混合物，称为共晶组织或共晶体。 二元共晶相图：
第四章 二元相图及应用
第四章 二元相图的建立
第一节 二元相图的建立 第二节 二元相图基本类型及应用 第三节 相图与合金性能之间关系 第四节 铁碳合金相图 第五节 二元陶瓷相图
第四章 二元相图及应用
相图（平衡图或状态图）：
相图
由 相 图 可
表示在平衡条件下合金相或组织与成分、 温度之间关系的图形。 不同成分的材料在不同温度下存在哪些 相、各相的相对量、成分及温度变化时可 能发生的变化。
两组元在液态下无限互溶，冷却时发生 共晶转变的二元合金相图叫二元共晶相图。
属于这类相图的有：Pb-Sn、Cu-Ag、 Pb-Bi等，一些陶瓷材料也具有共晶相图， 如Al2O3-ZrO2。
第四章 二元相图及应用
1.相图分析
500
（以Pb-Sn相图为例 ） P55
1点：共晶点
L
T 4种线：
液相线 固相线 溶解度线 共晶转变线 231.9 B 183 61.9 L+ N 97.5 G
PbF
Sn WSn(%)
500
第四章 二元相图及应用
（3）合金Ⅲ （WSn=50%）的结晶过程
400
T 327.5 A L
T/℃
L
L
Ⅲ
+
300
L+
t1
t2
61.9
200

M
19
183
+
E
t1

t2
L
t2 '
+ + Ⅱ
100
+ Ⅱ
+
0 F 0 Pb 10
第四章 二元相图及应用
3.共析相图 一定成分的固相，在一定温度下，同时 析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新 固相，这个转变过程称为共析反应。 下部共析 反应相图与共 晶相图很相似 不同之处 是自固相同时 析出两种不同 的新相。
图4-11 具有共析反应的二元相图
第四章 二元相图及应用
共析转变： c 1D 2E
+
0 F 0 10 20 30 40
Pb
G
50 60 70 80 90 100
Sn WSn(%)
t/s
过共晶合金的结晶过程分析
第四章 二元相图及应用
过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 t1~ t2温度： 液相中析出， L t2温度时发生共晶反应： L61.91997.5 t2温度以下： 初 Ⅱ 室温组织： 初 +（+）共晶 + Ⅱ “匀晶反应+共晶反应+二次析出”
第四章 二元相图及应用
第二节 二元相图基本类型及应用 一、二元匀晶相图 二、二元共晶相图
三、二元包晶相图及其它相图
第四章 二元相图及应用
一、二元匀晶相图 匀晶反应：
组成合金的元素互相溶解， 形成一种与某一元素的晶体结 构相同，并包含有其它元素的 合金固相，称为固溶体。
从液相中直接结晶出固溶体的反应。 二元匀晶相图：
“匀晶反应+二次析出”， 其室温下的组织为α+βⅡ。
图4-4 合金Ⅰ的结晶过程分析
第四章 二元相图及应用
500
（2）合金Ⅱ(共晶成分)的结晶过程
Ⅱ
L
+ L+ t1 t1' +
400
T 327.5 A
300
T/℃
L
200

M
19
183 +
61.9
E
100
+
0 0F Pb 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
共晶()
初生
Ⅱ
亚共晶组织（ 50% Sn 的Pb-Sn合金）
第四章 二元相图及应用
500
（4）合金Ⅳ（WSn=70%）的结晶过程
L L T/℃
400
T
A
Ⅳ
L B L+ E M +
+
300
t1
L+
t1
N
+
200

t 2
t2
L
t2'
Ⅱ
100
（ +Ⅱ）
第四章 二元相图及应用
枝晶偏析(如Cu-Ni合金)
后结晶出来的，含Ni元素少
先结晶出来的，含Ni元素多
第四章 二元相图及应用
非平衡结晶
枝间偏析
1500 1400
L
塑性、韧性下降， 热加工困难
扩散退火
1300 1200 1100 1000 900
+ L

加热温度范围
800 0 20 40 60 80 100
Ⅱ和Ⅱ 忽略 L
t/s
WSn(%)
共晶合金结晶过程分析
第四章 二元相图及应用
共晶合金平衡结晶过程为： 共晶温度以上：液态L61.9 共晶温度：共晶转变 L61.919 97.5 共晶温度以下： 二次结晶 Ⅱ 室温组织： （+）共晶
，
Ⅱ
[由于 Ⅱ和Ⅱ常与共晶和相连， 显微镜下很难分辨，室温组织为： （+）共晶 ]
C 10.5
1186
D 42.4
P 66.3 B D D' + Ⅱ
L

600
400
+ Ⅱ
800

0E
20
40
60
80
F 100
t/s
Ag%
包晶合金的平衡结晶过程
第四章 二元相图及应用
包晶合金平衡结晶过程为： 液相线以上： 液态 L42.4
液相线到包晶温度之间： 液态L
包晶温度（1186℃）： 包晶转变 L66.3 10.5 42.4 包晶温度以下： Ⅱ 室温组织： + Ⅱ
第四章 二元相图及应用
Ⅱ
初生
共晶()
过共晶平衡组织（70%Sn的Pb-Sn合金）
第四章 二元相图及应用
图4-8 由组织组成物填 写的Pb-Sn相图
图4-3 由相组成物填写的Pb-Sn相图
第四章 二元相图及应用
三、二元包晶相图及其它相图
1.包晶相图 包晶反应:
合金在冷却到某一温度时，已结晶出 的一定成分的固相和它周围尚未结晶的一 定成分的液相发生反应结晶出另外一种固 相，即：L 包晶相图: 两组元在液态时无限互溶,在固态时形 成有限固溶体,并发生包晶反应的二元相图。
第四章 二元相图及应用
例：求含Ni60%的Cu-Ni合金，冷却至温度t 时两相的质量分数。
解：由相图知 Xa＝ 40% Xb＝ 70% Qa ＝bc/ab ＝(70-60)/(70-40)×100% ＝33.3% ； Qb＝66.7% ；
二元相图中杠杆定律只适用平衡状态下的两 相区。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成 分点，而支点为合金的成分点。
第四章 二元相图及应用
两相区中T温度下的两个相的成分确定：
温 度 K
L
T1 T2 T3 1 2 3
K合金的成分垂的水平温度 线与相线的交点 交点在成分轴 上的投影

Cu
C L 3 CL 2 C1 C 2 C 1 Ni L3
第四章 二元相图及应用
3.杠杆定律 两相区中某温度下的两个相的相对重量确定
（Pb-Sn）共晶组织（层片状）
第四章 二元相图及应用
亚共晶合金：以Pb-Sn相图为例，成分在M、 E之间的Pb-Sn合金属于亚共晶合金。
过共晶合金: 成分在E 、N之间的Pb-Sn 合金属于过共晶合金。
T
500
400
A
300
B
200
M
E
N
100
0
G
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
第四章 二元相图及应用
(1)相图分析
1772A
1600 1800
点：D 线：
L
匀晶反应
L
1400
温 度
1200

C
10.5
1186 42.4
D
P
66.3 L+ 962
1000
B
800

+
液相线APB 固相线ACDB 包晶线CDP L P + C D 固溶度曲线 CE、DF
温 度
Ⅰ
L
L
L
合金Ⅰ的成分垂线
L
1
2

垂线与相线的交点


Cu Ni% Ni 时间
做出冷却速度曲线
第四章 二元相图及应用
（1）单相区中，不论温度怎么变化 单相的成份=合金的成份， 单相的重量=合金的重量。 （2）两相区中的两个相随温度变化会 发生两个变化：
①两个相的成分随温度变化分别沿各 自的相线变化（水平温度线） ②两个相的相对重量随温度变化也要 发生变化（杠杆定律）
表示匀晶反应的相图。
匀晶相图中两组元在液态、固态下都 能无限互溶。
二元匀晶相图： 二组元在液态和固态下均无限互溶时 所构成的相图。
第四章 二元相图及应用
1.相图分析 Cu-Ni二元合金相图
温 度 液相区 L 液相线 固相线 A 固相区α B
两个点 两条线 三个相区
Cu
Ni
第四章 二元相图及应用
2.结晶过程分析（合金Ⅰ）
0 F 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
400
A 327.5
300
L+
200

M
19

E
共晶反应： L61.919 97.5 6个区：L、、
L+、 L+、 +
100
+
0
Pb
WSn(%)
Sn
第四章 二元相图及应用
2.合金的结晶过程 （1）合金Ⅰ（WSn<19%）的结晶过程
第四章 二元相图及应用
2.具有稳定化合物的二元相图
稳定化合物是指在熔化前既不分解也不产生任何化 学反应的化合物；形成稳定化合物的二元合金系有 Mg-Si、Mn-Si、Fe-P、Cu-Sb等。 Mg和Si能形成稳定的化学物Mg2Si，它结晶过程 与纯组元完全类似，所以可把它看作一个组元对待。 Mg2Si在相 图中是一条垂 线， Mg-Si合 金相图是由 Mg-Mg2Si和 Si-Mg2Si两个 共晶相图组成。 图4-10 Mg-Si合金相图
温 度
Ⅰ
求合金Ⅰ在温度t3下 两个相的相对重量
L
L
t3
Q QL 1 Q X a QL X L X 0
QL ( X0 Xa ) 100% X L Xa

Q
QL
X L X0 Q ( ) 100% X L Xa
A
Xa X0
XL
B
QL X 0 X a Q X L X 0
第四章 二元相图及应用
4.非平衡结晶与枝晶偏析 在平衡条件（极其缓慢地冷却条件）下结晶 时，由于冷速缓慢，原子可进行充分扩散，能 够得到成分均匀的固溶体。 在实际生产条件下，一般不可能实现平衡结晶。 在实际生产时，冷速较快，从液体中先后结 晶出来的固相成分不同，使得一个晶粒内部化 学成分不均匀，这种现象称为晶内偏析。由于 固溶体一般都以树枝状方式结晶，先结晶的树 枝晶轴含高熔点组元（Ni）较多；后结晶的晶 枝间含低熔点组元(Cu)较多，故把晶内偏析又 称为枝晶偏析。