二元合金相图
合集下载
二元合金相图分析实例
三、二元包晶相图
二组元在液态无限互溶，在固态有限固溶且发生包晶 反应。如Fe-Fe3C合金（Fe3C----渗碳体）。 1．相图分析 包晶相图组成如图所示。 包晶反应过程如图所示。 2．合金结晶过程 Fe-Fe3C合金结晶过程如图所示。
四、形成稳定化合物的二元合金相图
分析： ① 稳定化合物指熔化前不分解的化合物。
4.2 二元合金相图的基本类型和分析 一、二元匀晶相图
在液态和固态两组元都能无限互溶的相图称为均晶相图。 二元合金系Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Fe-Ni、W-Mo等具有这类相 图。 1．Cu-Ni相图分析 分析： ① 液相线—曲线Al1B ② 固相线—曲线Aa4B ③ 液相区—液相线以上的液相L区域 ④ 固相区—固相线以下的固a相区域 ⑤ 液相线与固相线之间为液、固两相区（L+a） ⑥ A为Cu的熔点（1083℃），B为Ni的熔点（1452℃）。
3．共析转变 由图分析可知： ① 从固相中同时析出两种不同新相的反应称为共析反应。 ② 共析反应的产物为共析物。 ③ 由于共析反应在固态进行，所以共析组织比共晶组织要细 得多。
六、二元相图的分析与应用
1．二元相图的分析步骤
1）若有稳定化合物，则将其看作一独立组元，把相图分成 几个部分分析。 2）相区接触法则： 二元相图中，相邻相区中的相数只相差一个（点接触 除外）。分析时首先熟悉单相区中的相，再根据相区接触 法则辨别其它相区。
所以：
QL xx2 QS x1 x
或
QL x1 Qs x2
3）注意：杠杆定律只能用于两相平衡共存时计算。
4．成分偏析 实际生产条件下为非平衡结晶，因此，先后结晶的部 分成分会不相同。 ① 枝晶偏析（晶内偏析）：先结晶的枝轴与后结晶的枝轴 间成分不同。 ② 区域偏析：由于不平衡冷却造成宏观区域成分不一致。 例如焊接接头中的中心线偏析和层状偏析。 注意：杠杆为x1、x2，x为试验合金中的平均 含Ni量(%)，则
第四章-二元合金相图
Pb WSn(%) Sn
G
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 L
19
t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应： L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
一、相律
在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。
二、二元匀晶相图的分析
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。 具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
标注在温度— 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点
确定各合金 的相变温度
确定相
如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。
Cu20% Cu60%Cu80% Cu Ni Cu40%
1600
1500
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
Ni
WCu(%)
Cu
将铸件加热到低于固相线100~200℃的温 度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩 散，以达到成分均匀化。
设A、B组元的熔点分别为1450℃和1080℃，它们 在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的 二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体 中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ， 通过 工艺可以减轻或消除这种现 象。
G
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 L
19
t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应： L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
一、相律
在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。
二、二元匀晶相图的分析
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。 具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
标注在温度— 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点
确定各合金 的相变温度
确定相
如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。
Cu20% Cu60%Cu80% Cu Ni Cu40%
1600
1500
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
Ni
WCu(%)
Cu
将铸件加热到低于固相线100~200℃的温 度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩 散，以达到成分均匀化。
设A、B组元的熔点分别为1450℃和1080℃，它们 在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的 二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体 中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ， 通过 工艺可以减轻或消除这种现 象。
材料科学基础 -二元合金相图
1、相图分析
（1）相区 单相区：L, a, b 两相区： L+a, L+ b，a+b
（2）相变线
TAP及TBP：L→a, L→b。
TAC及TBD：初生a及b结晶终了线。
CE及DF：
a
→bII，b→
a
。
II
CDP： L＋ a →b。
液相线：TAPTB
固相线：TACDTB
（3）相变点 P：包晶转变点，发生包晶反应的液相成分点。
相区
单相区：L, a, b 两相区： L+a, L+ b，a+b
相变线
TAE及TBE：初生（初晶）a及b析出线 即L→a, L→b
TAM及TBN：初生a及b结晶终了线 MF及NG： a及b溶解度变化线
即a→bII，b→aII MEN： 共晶线，即L→a＋b
相变点
TA及TB：纯组元A、B的熔点 M及N：a及b的最大溶解度点 F及G：a及b室温溶解度点 E：共晶点，发生共晶反应的液相成分点
问题：假定合金分别冷却到1，2，3，4温度开始结晶，获得的组织特点有何不同？
（2）晶内偏析共晶
晶内偏析共晶： 端部固溶体合金非平衡结晶时出现共晶组织
的现象。 由于晶内偏析共晶数量较少，往往以离异
共晶形式存在。 两种情况促使离异共晶形成： ►靠近极限溶解度的端部固溶体的非平衡冷却。 ►靠近极限溶解度的亚共晶合金的平衡冷却。
（3）x2合金
组织组成物：a0＋ b包＋aII ＋bII
Wa II
DF EF
Cx2 CD
100%
相 对 量
Wb II
CE Dx2 EF CD
100%
计 算
Wa0
4 第四章 相图(二元)
配制合金系中几种不同成分合金 熔化后，测试其冷却曲线 根据曲线上的转折点，确定各合金的凝固温度 将上述数据引入以温度为纵轴，成分为横轴的坐标
平面中 连接意义相同的点，作出相应的曲线 曲线将图面分成若干区域----相区。经过金相组织分 析，测出各相区所含的相，将相的名称标注其中， 相图工作就完成
4，过共晶合金
★ E点以右，D点以左，为过共晶合金，与亚 共晶合金类似，白色卵形为初晶β，黑色为共 晶体（α＋β）。 ★α,β,αⅡ,βⅡ,(α+β)称组织组成物 ★α,αⅡ为一个相。(α+β)两相混合物，称共晶 体。 ★求组织组成物的相对量，同样可用杠杆定理 标明各区的组织---组织分区图
四、共晶组织和初晶形貌 1，共晶组织的形貌
测试时要求合金的成分准确，纯度高，冷却
速度要慢0.5~1.5℃/min
下面是Ni-Cu合金相图，是最简单的相图之一
Ni 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 20% 40% Cu Cu
80% Cu 60% Cu
Cu
Ni 20 40 60 80 Cu Cu%
2.2. 使用二元合金相图的基本方法
2 > 2 ；此时 2 -2 <0
dG＜0
当α相与β相彼此平衡时，在dG=0, 同理 ：------------------------------
= =
1
2
2
1
1.3. 相律
相律是分析和使用相图的重要依据。凝集态
受压力影响很小，在恒压下：相平衡条件的 数学表达式：f=c-p+1 (在物理化学中也指出) 式中C为组元数，P为共存的平衡相数，f为自 由度数。 单元系(纯金属) f=1-2+1=0，自由度为1，表 明恒温下平衡熔化或凝固。 二元系C=2，当f=0,p=3,在恒定温度下处于三 相平衡；两相共存时，自由度数目为1，表明 平衡凝固或熔化就在一定温度范围
二元合金相图4
• 不平衡凝固过程中通常先结晶的固溶体内部 含高熔点组元，而后结晶的外部则富含低熔 点组元。这种在晶粒内部出现的成份不均匀 现象称为晶内偏析。如果固溶体是以树枝状 结晶长大的，则枝干与枝间会出现成份差别， 称为枝晶偏析。
第四章 二元合金相图
第四章 二元合金相图
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结 晶，或称选择结晶。 • （２）固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围 • 固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行，在此温 度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数量的固相。 • 随着温度的降低，固相的数量增加，同时固相和液相的成 分分别沿着固相线和液相线而连续地改变，直至固相的成 分与原合金的成分相同时，才结晶完成。
• 一个表象点的坐标值反
Pb + Sb
映一个给定合金的成分 Pb X1 X
Sb（X2）
和温度。
图 二元Pb-Sb合金相图
• 在相图中，由表象点所在的相区可以判定在该温 度下合金由哪些相组成。
• 二元合金在两相共存时，两个相的成分可由过表 象点的水平线与相界线的交点确定。
第四章 二元合金相图
• 2 相图的建立 • 建立相图的关键是要准确地测出各成分合金的相
图 70%Sn-Pb 合金显微组织
第四章 二元合金相图
图 铅锡合金组织分区图
第四章 二元合金相图
3.共晶组织的形态
图 层片状共晶的形成及前沿液相中原子扩散示意图 图 共晶生长的搭桥机制
第四章 二元合金相图
图 典型的共晶合金组织
第四章 二元合金相图
4.伪共晶 在非平衡凝固条件下，成分接近共晶成分的亚共晶或过 共晶合金，凝固后组织却可以全部是共晶体,称为伪共晶。 伪共晶的组织形态与共晶相同，但成分不同。 两组元熔点大致相同的，一般出现对称的伪共晶区；两 组元相差悬殊，伪共晶区偏向高熔点组元。
第四章 二元合金相图
第四章 二元合金相图
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结 晶，或称选择结晶。 • （２）固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围 • 固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行，在此温 度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数量的固相。 • 随着温度的降低，固相的数量增加，同时固相和液相的成 分分别沿着固相线和液相线而连续地改变，直至固相的成 分与原合金的成分相同时，才结晶完成。
• 一个表象点的坐标值反
Pb + Sb
映一个给定合金的成分 Pb X1 X
Sb（X2）
和温度。
图 二元Pb-Sb合金相图
• 在相图中，由表象点所在的相区可以判定在该温 度下合金由哪些相组成。
• 二元合金在两相共存时，两个相的成分可由过表 象点的水平线与相界线的交点确定。
第四章 二元合金相图
• 2 相图的建立 • 建立相图的关键是要准确地测出各成分合金的相
图 70%Sn-Pb 合金显微组织
第四章 二元合金相图
图 铅锡合金组织分区图
第四章 二元合金相图
3.共晶组织的形态
图 层片状共晶的形成及前沿液相中原子扩散示意图 图 共晶生长的搭桥机制
第四章 二元合金相图
图 典型的共晶合金组织
第四章 二元合金相图
4.伪共晶 在非平衡凝固条件下，成分接近共晶成分的亚共晶或过 共晶合金，凝固后组织却可以全部是共晶体,称为伪共晶。 伪共晶的组织形态与共晶相同，但成分不同。 两组元熔点大致相同的，一般出现对称的伪共晶区；两 组元相差悬殊，伪共晶区偏向高熔点组元。
2.2二元合金相图
三、共晶相图：
二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时 有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二元 共晶相图。
共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相 的复合混合物的反应。
共晶体：共晶反应的产物是共晶体。
共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。
1、相图分析
（1）共晶点 C点－－ α相＋β相 （2）共晶线 ECF线－－ LC恒→温αE+ ΒF
第五节 二元合金相图
相图：表示在平衡状态下，合金系的相与温度、成分之间关
系的图形。（又称状态图，平衡图）
注：
1、平衡状态是指在十分缓慢加热或冷却条件下，参与加热时 相的转变或冷却时结晶过程中的各相之间的成分及相对量，均 相对稳定所达到的一种平衡。 2、 物系为合金系的情况下，其压力通常视为定值，因此坐标 为温度和成分。
t/s
Ag%
P57图3-20 包晶合金的平衡结晶过程
概括起来，包晶合金平衡结晶过程为：
包晶温度以上： 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
➢包晶偏析——即包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不 均匀现象。
冷却过程中不会发生共晶反应。如图合金Ⅳ冷却至1
点时结晶出α1 相,经过2点时全部转变为α1 相,经 过3点时,开始析出βⅡ相,即
L→1 L+α1→2 α1 →3 α1＋ βⅡ
同理，F点右侧的合金在冷却过程中也会有β1 相和αⅡ相生成 。最终组织为 β1＋αⅡ 。
§2-4 二元包晶相图
一、二元包晶相图分析
二、匀晶相图
两组元在液态和固态均能无限互溶时，结晶时发生匀晶转变（即从 液相中结晶出成分均匀一致的固溶体)所构成的相图称为二元合金相 图。
第三章二元合金相图和二元合金的结晶
第三章⼆元合⾦相图和⼆元合⾦的结晶第三章⼆元合⾦相图和⼆元合⾦的结晶§1 概述⼀、合⾦系由⼀定数量的组元配制成的不同成分的⼀系列合⾦组成的系统，称合⾦系。
两个组元的称⼆元合⾦系，三个组元的称三元合⾦系。
例如,Cu-Ni是⼆元合⾦系，⽽Pt-Pd-Rh是三元合⾦系。
⼆、什么是合⾦相图合⾦相图是表⽰平衡状态下合⾦系的合⾦状态和温度、成分之间关系的图解。
该定义中，“平衡状态”是指⼀定条件下，合⾦⾃由能最低的稳定状态；⽽“合⾦状态”是指合⾦由哪些相组成，各相的成分及其相对含量是多少。
三、合⾦相图的作⽤利⽤合⾦相图可以了解各种成分的合⾦，在⼀定温度的平衡条件下，存在哪些相、各相的成分及其相对含量。
但它不能指出相的形状、⼤⼩和分布状况，即不能指出合⾦的组织状况。
尽管如此，如果能把相图和相变机理、相变动⼒学结合起来，那么相图便可成为分析组织形成和变化的有利⼯具，成为⾦属材料⽣产、科研的重要参考资料，因此，相图是⾦属学的重要内容之⼀。
§2⼆元合⾦相图的建⽴⼀. ⼆元合⾦相图的表⽰⽅法1.⽤平⾯坐标系表⽰⼆元合⾦系物质的状态通常由成分、温度和压⼒三个因素确定。
由于合⾦的熔炼、结晶都是在常压下进⾏的，所以，合⾦的状态可由成分和温度两个因素确定。
对于⼆元合⾦系来说，⼀个组元的浓度⼀旦确定，另⼀个组元的浓度也随之⽽定，因此成分变量只有⼀个，另⼀个变量是温度，所以⽤平⾯坐标系就可以表⽰⼆元合⾦系。
通常⽤纵坐标代表温度，横坐标代表成分。
成分多⽤重量百分⽐来表⽰。
（如图3.1所⽰），横坐标的两个端点A、B代表组成合⾦的两个组元。
2.⼆元合⾦相图中的表象点和表象线在⼆元合⾦相图中，平⾯上任意⼀点称为表象点。
其坐标值表⽰合⾦的成分和温度。
例如图中的E点表⽰合⾦由40%的B组元和60%的A组元组成，合⾦的温度为500℃。
在⼆元相图上，过合⾦成分点的垂线，称合⾦的表象线。
⼆. ⼆元合⾦相图的测定⽅法建⽴相图的⽅法有两种：实验测定和理论计算。
第三章 二元合金相图汇总
TL
TA
mCo1
1 K0 K0
exp
RX D
（2） （3）
而界面温度： Ti (TL ) x0 TA mCo / K0 （4）
若自液-固界面开始的温度梯度为G，则距界面X处液体实 际温度为
T=Ti+Gx
（5）
将（4）式代入（5）式：T=TA-mCo/K0+Gx （6）
当液体实际温度T<TL （7），产生成分过冷，成分过 冷是由于界面前沿液相中成分差别与实际温度分布两 个因素共同决定的。
在稳态凝固过程中，固溶体溶质分布方程为：
CS
K eC0
1
X L
Ke 1
其中Ke为有效分配系数，
Ke
(CS )i (CL ) B
K0
K0 (1 K 0 )e R / D
常数
式中 R：凝固速度 δ：边界层厚度 D：扩散系数
19
Ke
(CS )i (CL ) B
K0
K0 (1 K 0 )e R / D
1 4
5
10
1．晶内偏析（枝晶偏析） ·定义：晶粒内部出现的成份不均匀现象。 ·通过扩散退火或均匀化退火，使异类原子互相
充分扩散均匀，可消除晶内偏析。
11
晶内偏析（枝晶偏析）
2．影响晶内偏析的因素 a、·冷却速度 b、 元素的扩散能力 c、 相图上液相线与固相 d、线之间的水平距离
12
四、固溶体合金凝固过程中的溶质分布
1．成分过冷
①成分过冷的产生 设一个K0<1的合金Co在 圆棒形锭模中自左向右 作定向凝固，假定溶质 仅依靠扩散而混合
C
Co1
1 K0 K0
exp
二元合金相图
2 ,2 dG ,dG
dG=dG +dG
dG =2 dn dG =2 dn 2 且-dn =dn 2 (守恒) 2 2 dG=2 dn +2 dn 2 =(2 -2 )dn 2 2
组元2从α相自动地转移到β相和条件是
严重枝晶偏析会使铸件力学性能降低，枝晶
空隙位置有夹杂(低熔点)，抗蚀能力下降。 可利用扩散退火，在低于固相线100~200℃ 长期保温来消除枝晶偏析。
有些匀晶合金系相图具有极大或极
小点---在恒温下凝固。极大点，极 小点合金凝固时，液固相成分相同， 减少了一个确定合金状态的变量。 该合金相律公式修改为f=c-p
b/M B h= a/M A b / M B
1.4. 相图的物理意义
a.已知合金成分，根据相图找出不同温度下
合金所处的状态和相变点。 b.温度一定，合金所处的状态以及合金随成 分发生的相转变。 二元相图通常用纵坐标表示温度，横坐标表 示成分
第二节 二元相图
2.1. 二元相图的建立
形态(千姿百态) ： 片层状，棒状(条状或纤维状)， 球状(短棒状)，针片状，细螺状(实际上是层片状 共晶体的一种变态) ★影响因素：形貌受多种因素影响，其中两个组成 相的本质是主要因素 ★凝固时，液固相界面微观粗糙的相是金属相，界 面光滑的相是非金属相。
金属—金属型共晶体 (粗糙—粗糙型)组织
片层状或棒状、带状、纤维状 金属—金属和金属---金属间化合物共晶
★形核与长大：
两组成相是不会同时形核，首先形核的叶领先相，
然后两相交替生长，互相创造条件。 而且α片与α片，β片与β片常以搭桥方式互相联 系形成整体。
二元合金相图
教学内容
1
§4.1 二元合金相图的建立
§4.1.1 名词涵义
组元：组成合金的独立的最基本的单元。一般是 一种元素（如Pb-Sn合金中的Pb和Sn） 或一种稳 定的化合物（如Fe3C） 。
合金系： 由两个或两个以上组元按不同比例配制 成的一系列不同成分的合金（如Pb-Sn系，FeFe3C 系） 。
相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的 简明图。
成分不均匀 组织不均匀 性能不均匀
富Ni区 富Cu区
18
§4.2.2 共晶相图 1. 相图分析
Pb－Sn合金相图
一定成分的均匀液相， 在一定温度下，从液相 中同时结晶出两种不同 固相的转变称为共晶转 变。所生成的两相混合 物叫共晶体。水平线ced 为共晶反应线。
L
19
共晶相图：两组元液态时彼此无限 互溶，固态下彼此部分固溶，并发 生共晶转变的合金系形成的相图。
Q0
ac
Qa a% ab
Q0
ac
运用杠杆定律时注意，它只适用于相图中的两相 区，并且只能在平衡状态下使用。
杠杆定律的应用： ①确定某一温度下两平衡相的成分； ②确定某一温度下两平衡相的相对量。
16
4. 非平衡结晶与枝晶偏析
实际金属的结晶主要以树枝状长大：这是由于当冷却 速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的 温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，且晶 核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一 次轴又会产生二次轴……，树枝间最后被填充。
α固溶体中Sn 的溶解度极限曲线；
•
dg ， Pb在Sn中溶解度线，或称β相的固溶线；
•
β固溶体中Pb的溶解度极限曲线。
20
④相区： 三个单相区： L、α、β（α、β是有限固溶体）
第3章 二元合金相图
of Chapter 3
二、共晶相图
液相线 固相线
T,°C °
α
Pb
L+ α
L
L+ β
β
Sn
α固溶线
α+β
Sn%
β固溶线
铅-锡合金共晶相图
共晶转变分析
T,°C °
α
Pb
L+ α
M
L
E
L+ β
Nβ
共晶反应线 表示从M点到 点到N点 表示从 点到 点 范围的合金， 范围的合金，在 该温度上都要发 生不同程度上的 共晶反应。 共晶反应。 共晶点 表示E点成分的合 表示 点成分的合 Sn 金冷却到此温度 上发生完全的共 晶转变。 晶转变。
L+ α
M
L
E
L+ β
Nβ
L→(α+ β) 共晶体 α
α+β
Pb X2 Sn
(α+ β) α (α+ β) α 冷却曲线 t
X3合金结晶过程分析
T,°C °
T,°C L 1
183
α
L+ α
M
L
E
L+ β
Nβ
2L+ α
L+(α+β)+α α β α
α+β
Pb X3
(α+ β)+ α α (α+ β)+ α + β Ⅱ α Sn
t
标注了组织组成物的相图
M
E
N
1. 合金的使用性能与相图的关系
三、相图与性能的关系
固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑ 固溶体中溶质浓度 强度、硬度 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
二元合金相图
一、相与相图
相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀 组成部分，称之为相。
相图：相图又称为状态图，它是表示体系的成分、外界环境和组 成相与相之间的平衡关系的几何图形。它是研究材料组织变 化规律的重要参考工具。外界环境主要是温度和压力，例如 物理学中已经介绍的纯水和纯铁的相图。
二元合金相图
二元合金相图
组织特点
当两个固相都是金属性较强相时，共晶体一般生长成层片 状。当两相的相对数量比相差悬殊时，在界面能的作用下，数 量较小的相将收缩为条、棒状，更少时为纤维状，甚至为点 (球)状。
当有一相或两相都具有较强的非金属性时，它们表现出较强 的各向异性，不同方向的生长速度不同，并且有特定的角度关 系，同时生长过程要求的动态过冷度也有差异，往往有一个相 在生长中起主导作用，决定了两相的分布，共晶体的形态也具 有独特性，这时常见的形态有针状、骨肋状(鱼骨状)、蜘蛛网状、 螺旋状等。
L → L+α → α初+(L+α+β)→ (α初+ βII)+(α+β)共
二元合金相图
相对量的计算
组织组成物
wa
2C EC
100%, wa b
E2 EC
100%
相组成物
wa
2F EF
100%, wb
E2 EF
100%
二元合金相图
二元合金相图
四、共晶合金非平衡凝固
1、伪共晶 在共晶点附近非共 晶成分的合金在快速冷却时，少 量初生相的析出未进行就被冷却 到共晶温度以下，直接发生共晶 转变，可以得到全部的共晶体组 织，这种组织称为伪共晶。它们 的形貌和共晶体没有明显的差别， 仅内部两相的数量比有觉察不到 差别。
相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀 组成部分，称之为相。
相图：相图又称为状态图，它是表示体系的成分、外界环境和组 成相与相之间的平衡关系的几何图形。它是研究材料组织变 化规律的重要参考工具。外界环境主要是温度和压力，例如 物理学中已经介绍的纯水和纯铁的相图。
二元合金相图
二元合金相图
组织特点
当两个固相都是金属性较强相时，共晶体一般生长成层片 状。当两相的相对数量比相差悬殊时，在界面能的作用下，数 量较小的相将收缩为条、棒状，更少时为纤维状，甚至为点 (球)状。
当有一相或两相都具有较强的非金属性时，它们表现出较强 的各向异性，不同方向的生长速度不同，并且有特定的角度关 系，同时生长过程要求的动态过冷度也有差异，往往有一个相 在生长中起主导作用，决定了两相的分布，共晶体的形态也具 有独特性，这时常见的形态有针状、骨肋状(鱼骨状)、蜘蛛网状、 螺旋状等。
L → L+α → α初+(L+α+β)→ (α初+ βII)+(α+β)共
二元合金相图
相对量的计算
组织组成物
wa
2C EC
100%, wa b
E2 EC
100%
相组成物
wa
2F EF
100%, wb
E2 EF
100%
二元合金相图
二元合金相图
四、共晶合金非平衡凝固
1、伪共晶 在共晶点附近非共 晶成分的合金在快速冷却时，少 量初生相的析出未进行就被冷却 到共晶温度以下，直接发生共晶 转变，可以得到全部的共晶体组 织，这种组织称为伪共晶。它们 的形貌和共晶体没有明显的差别， 仅内部两相的数量比有觉察不到 差别。
材料科学基础第五章二元合金相图
第五章二元合金相图第一节相图的基本知识一. 相律相图：研究合金在平衡的条件下，（无限缓慢冷却）合金的状态与温度、成分间的关系的图解称为相图或平衡图。
组元：组成合金的基本物质。
包括：单个元素或金属化合物如: Fe-C合金组元Fe、Fe3CCu-Ni合金组元Cu、Ni合金系：指研究的对象。
如：Fe-C系，Pb-Sn系等。
状态：指合金在一定条件下有那几项组成，称为合金在该条件下的状态。
如：水在零度时的状态是水和冰两项共存，在零度以上为水，在零度以下为固相冰。
组织：合金中的相以不同的大小、形状、分布组成为组织。
如：珠光体是由F和Fe3C组成的组织。
（二）相律（恒压状态下）系统平衡:如果某组元在各相中的化学位相同，那么就没有物质的迁移现象，系统处于平衡状态。
相律：处于平衡状态的合金，保持相数不变的条件下，独立可变的，且影响和金状态的内、外部因素的数目。
数学表达式：f=C-P+1（恒压）f 为系统的自由度数（系统中独立可变因素）；C系统的组元；P相数实例：1.纯金属—正在结晶时相数不变（P=2）f=02.二元合金--正在结晶时两相平衡，（P=2）若温度独立可变（T1 T2）则两相的成分随之变化(T1:L I αH)⑩（T2:L M αN）反之相成分独立可变，温度随之而变f=1正在结晶时三相平衡（P=3）T=T C相成分温度、均不可变f=0图5-2错误二元相图图5-1二元相图应用：（1）确定平衡系中的最大平衡相数（2）判断相图正确与否（3）分析合金的平衡结晶二、二元合金相图的表示方法横坐标表示成分A％＋B％＝100％纵坐标表示温度C点（表象点）成分：30％Sb，70％Bi温度：450三、二元相图的建立（Cu-Ni系以匀晶相图为例）图5-3 二元相图的表示方法(一)用热分析方法建立相图。
1）配制不同成分的合金（ T mA > T Mb）（1）100％Cu，0％Ni (2)70%Cu，30％Ni (3)50%Cu，50％Ni(4)30％Cu，70％Ni （5）0％Cu，100％Ni2)熔化后作各合金的冷却曲线（T-t）3)将各T-t曲线上、下各临界点投影到温度-成分坐标系中4）连接同类型的临界点即得到Cu-Ni二元相图。
二元合金相图
第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。
合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。
合金相图正是研究这些规律的有效工具。
一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。
其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。
组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。
由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
二元以上的合金称多元合金。
合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。
利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。
掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。
在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。
本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。
2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。
液态物质为液相，固态物质为固相。
相与相之间的转变称为相变。
在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。
由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。
组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。
由不同组织构成的材料具有不同的性能。
金属学第四章 二元合金相图
热分析法 利用合金在转变时伴有热学性能变化的特性，通
过测量系统温度的变化来得到临界温度，从而建立起
相图。
热分析法建立二元合金相图的步骤
• 将给定两组元配制成一系列不同成分的合金； • 将它们分别熔化后在缓慢冷却的条件下，分别测出它 们的冷却曲线； • 找出各冷却曲线上的相变临界点（曲线上的转折点） ； • 将各临界点注在温度——成分坐标中相应的合金成分 线上； • 连接具有相同意义的各临界点，并作出相应的曲线； • 用相分析法测出相图中各相区（由上述曲线所围成的 区间）所含的相，将它们的名称填入相应的相区内， 即得到一张完整的相图。
c
L+ L+
+
f
Ag%
g
Ag
+ Ⅱ
t
4.3.4. 共析相图
共析转变：
T,C
( + ) 共析体 L L+
A
+
c
+ d
e
+
B
4.4 相图与性能的关系
1. 合金的使用性能与相图的关系
● 固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑ ● 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
T,C
固相线
Pb
L+
L
L+
Sn
固溶线 固溶线
+
Sn%
共晶转变分析
T,C
Pb
L+
c
L
d
L+
e
共晶反应线 表示从c点到e点 范围的合金，在 该温度上都要发 生不同程度上的 共晶反应。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
α+L α
匀晶转变的特点
合金在一定温度范围内结晶；
在合金结晶过程中，先结晶出的固相和剩余液
相的成分都与原来合金的成分不同，它们分别
沿着固相线和液相线变化。
结论：两相区中，相互处于平衡状态的两个
相的成分，分别沿着两相区的两个边界线改变。
杠杆定律
杠杆定律是确定状态图中两相区内两平衡相
的成分和相对重量的重要工具
成的固溶体。
形成条件：溶剂与溶质原子尺寸相近，直径
差别较小，容易形成置换固溶体。
置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称
之为无序固溶体。在某些条件下，原子成为 有规则的排列，称为有序固溶体。
固溶体的溶解度
浓度：溶质原子在固溶体中所占的百分比 溶解度：在一定条件下的极限浓度 置换固溶体中，影响溶解度的因素有原子
相图分析（相图三要素）
T,C
Pb
L+
L
L+
Sn
+
Sn%
1 ）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共晶、过共晶合金 成分分界点）等。 2）线：液相线、固相线；溶解度曲线；共晶线等。 3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。
液相线：AEB
固相线：AMENB 共晶线：MEN
2、间隙固溶体（interstitial solid solution）
溶质原子溶入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体 晶体结构类型
晶格畸变（lattice distortion）
由于溶质原子的介入，原子的排 列规律受到局部的破坏，使晶格 发生扭曲变形。
溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力增 大，金属的强度及硬度升高的现象------固溶强化
时间
三相平衡线的图形特征及性质
α β
二元合金相图的总结
• 相图中的每点都代表某一成分的合金在某
一温度的状态 • 两个单相区之间必有一个两相区，并由这 两相组成 • 两个两相区之间必定是以单相区或三相区 （水平线）隔开 • 水平线必定是三相平衡 • 各种反应式
二元合金相图的分析与使用
合金的性能取决于合金的化学成分和组织 合金的化学成分与组织间的关系体现在合
固溶体的分类
•按溶质原子在溶剂晶格中的位置分：
置换固溶体与间隙固溶体
•按溶质原子在溶剂中的溶解度分：
有限固溶体和无限固溶体
•按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分：
无序固溶体和有序固溶体
• 1、置换固溶体 • (substitutional solid solution) • 溶剂原子被溶质原子所置换
指在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌
组织由相构成，
观察时应分析相的形态、数量、大小和分布方式。
金属材料性能由组织决定， 而组织由化学成分和工艺过程决定。
4.2 二元合金相图
相图：描述合金系的状态、温度、压力及成分
之间关系的一种图解，又称状态图。
反映不同成分的材料在不同温度下的相状态、
金相图上
故合金相图与合金的性能之间必然存在着
一定的联系。
铁碳相图
课后作业
1.为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金、要进 行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？
2.会画并且学会看铁碳相图。
相和组织的比较
假设：红色、蓝色分 别表示不同的两个相
白口铸铁
球墨铸铁
4.1 合金的相结构
固态合金的相，分成两大类：
固溶体：相的晶体结构与某一组成元素的晶体
结构相同
金属化合物：相的晶体结构与组成元素的晶
体结构均不相同
一、固溶体 固态下互相溶解所形成的物质
固溶体概念 合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、 结构上与组元之一相同的固相。如，Fe(C)固溶 体。
MF是Sn在α相中的溶解度线，
NG是Pb在β中的溶解度线。
三个单相区：α、β、L； 三个双相区：L+α、L+β、α+β； 一个三相区： L+α+β。
二元共晶反应
共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出 两种固相的反应。
LE→αM＋βN
共晶点、共晶线、共晶反应温度
共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金
共晶合金的结晶过程
相图分析
液相线：adb
固相线：aceg cf是Ag在α相中 的溶解度线， eg是Pt在β中的溶解度线。
三个单相区：α、β、L； 三个双相区：L+α、L+β、α+β； 一个三相区： L+α+β。
二元包晶反应
包晶反应：先析相和剩余液相在恒温下发 生反应，生成一种新固相的反应。
αc＋ Ld→βe
平衡结晶过程
结晶过程中发生共晶反应 室温下的相为： α+β 室温下的组织为： 共晶体 （α+β）
共晶体中的α和β的相对重量 可以用杠杆定理计算如下：
• α=EN/MN*100% • β=ME/MN*100% • 图中黑色的α固溶体和白色的β固溶体呈相
间分布；
共晶组织形态
针 状 共 晶
树 枝 状 共 晶 螺 旋 状 共 晶
间隙固溶体的特点
溶质原子分布于溶剂晶格间隙所形成的固溶
体，其溶解度有限。
形成条件：只有溶质原子与溶剂原子的直径
之比小于0.59时，才会形成间隙固溶体
通常，由原子直径很小的碳、氮、氢、硼、
氧等非金属元素溶入过渡族金属元素的晶格 间隙中而形成。
置换固溶体的特点
溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形
尺寸、晶格类型、电化学性质以及电子浓度
等。
间隙固溶体与置换固溶体的比较
晶格畸变
有限固溶与无限固溶 固溶强化
固溶体的晶体结构特点
保持溶剂金属的晶体结构类型；
成分可以在或大或小的范围内变化；
由于溶质原子的加入，使晶格点阵发生畸变，
周围原子离开平衡位置，不可避免地引起溶 剂晶格常数发生变化。
固溶体的性能
固溶强化：通过形成固溶体使
金属强度和硬度提高的现象
固溶强化原因：溶质原子的溶
入→晶格畸变及钉扎位错→增 大位错运动的阻力，提高变形 抗力，从而提高合金的强度和 硬度。
固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含 量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性 和韧性没有明显降低。
组织（显微组织）
1、铜镍合金相图相区分析
液固两相区
T,C 液相线 1500 1400 1300 1200 1100 1083 纯铜 1000 熔点 Cu 固相区 20 40 60 Ni% 80 L 液相区1455 纯镍 熔点
100
固相线
Ni Ni
铜-镍合金匀晶相图
2、合金的结晶过程
形核和晶粒的长大 L
固溶体合金在平衡结晶过程中，固相成分沿固相线变化， 液相成分沿液相线变化
热ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ析法
L
温度
凝固开始
凝固终了
L+S
S
时间
差热分析基本原理图
DTA与TG曲线
二、 二元匀晶相图
二元匀晶相图：两组元在液态、固态均能无 限互溶的二元合金系所形成的相图。如Cu-Ni、 Cu-Au、Au-Ag、Fe-Ni、W-Mo、Cr-Mo等。
匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程 特点：匀晶相图中任意成分合金在冷却过程 中发生单相固溶体的凝固过程。
第四章
二元合金相图及其分类
内容简介
1.合金相结构和组织的基本概念 2.二元合金相图的建立过程和分析相图的基本
方法
3.了解匀晶、共晶、包晶相图
4.学会看铁碳相图
重点掌握合金相结构，并学会分析二元合金相
图。
1相图的基本知识
合金：一种金属元素同另一种或几种元素(k
可以是金属，也可以是非金属), 通过熔化或 其它方法结合在一起所形成的具有金属特性 的物质。
消除方法：扩散退火
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
平衡组织
枝晶偏析组织
三、 二元共晶相图
二元共晶相图：两组元在液态无限互溶，固
态有限互溶或完全不互溶，且冷却过程中发生 共晶反应的二元合金系所形成的相图。如Pb-Sn 、Cu-Ag、Al-Ag、Al-Si、Pb-Bi等。
共晶转变：由一个液相同时结晶出两种成分
组织状态及温度变化时可能发生的变化。
用途：在生产中，相图可以作为制定金属材料
熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重要 依据。
一、二元合金相图的建立
在常压下，二元合金的相状态决定于温
度和成分。因此二元合金相图是一个以温度 为纵坐标，合金成份为横坐标的平面图形。 到目前为止，几乎所有的合金相图都是 通过实验方法得到的。建立相图最常用的实 验方法是热分析法。
放 射 状 共 晶
Pb-Sn合金 组织组成物 在相图上的 标注
4. 二元包晶相图
二元包晶相图：两组元在液态无限互溶，固
态有限互溶或完全不互溶，且冷却过程中发生 包晶反应的二元合金系所形成的相图。如Pt-Ag 、Ag-Sn、Sn-Sb等。 包晶转变：由先结晶出的固相和剩余液相相 互作用，形成另一种成分不同的固相的过程。
• • • •
合金的结晶过程
① 包晶成分合金：匀晶包晶二次析出。
室温组织为β + II
II出现的原因是因为溶解度随温度的变化而减小
• ② PD成分合金：匀晶包晶二次析出。
• 室温组织为 +βII+β + II
时间
• ③ DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出
• 室温组织为β +II。
况，包括相的种类和相对量。
组织：在显微镜下所观察到的，具有一定大
小、形状和分布的金属内部的微观形貌。