工程材料基础-6. 相图

过共晶合金组织和相图
可划分为6个组织区： Ⅰ α 单相组织 Ⅱ α ＋β II Ⅲ α +β II+(α +β )共晶 Ⅳ (α +β )共晶 Ⅴ β +α II +(α +β )共晶 Ⅵ β +α II 可以看出，两相区中由两相可组成不同的组织状态。
图6-14 过共晶合金组织
图6-15 标注组织的共晶相图
将具有相同意义的点连接成线，标明各区域 内所存在的相，即得到Cu-Ni合金相图，见图6-2。
建立相图的示意图
图6-2 建立Cu-Ni相图的示意图
6．2 相律和杠杆定律
6.2.1 相律 相律是表示材料在平衡条件下，系统的 自由度数f与组元数c和平衡相数p三者之间 关系的定律。它们之间的关系为： f = c-p+1 自由度：在保持平衡相数不变的条件下, 影响相状态的内外部因素中可独立发生变 动的数目。
图6-7 Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
枝晶偏析影响因素
（1）冷却速度(冷速)愈大，扩散进行愈 不充分，偏析程度愈大。 （2）相图的结晶范围愈大，偏析成分的 范围愈大。 消除偏析的方法：扩散退火
6.4 二元共晶相图
两组元在液态无限互溶，固态有限 溶解，通过共晶反应形成两相机械混合 物的二元相图称为二元共晶相图。共晶 反应是液相在冷却过程中同时结晶出两 个结构不同的固相的过程。 Pb-Sn、PbSn、Al-Si、Ag-Cu、Mg-Al 和 Mg-Si 等 二 元 合 金 系 ， 以 及 Fe-C 合 金 、 陶 瓷 材 料 MgO-CaO系等，都具有此类相图。下面以 Pb-Sn合金相图为例进行讨论。
图6-22 Cu4％-Al合金 中的离异共晶组织
3. 非平衡共晶
成份点位于共晶转变线两端点之外， 且又靠近端点的合金，在平衡结晶时无共 晶转变发生，但在非平衡结晶条件下，也 能发生共晶转变得到少量共晶体，称这种 共晶组织为非平衡共晶。
6.5 二元包晶相图
二组元在液态无限溶解，固态下有 限溶解，发生包晶反应的相图称为二元 包晶相图。包晶反应是一个液相与一个 固相相互作用，生成一个新的固相的过 程 。 Cu-Sn,Cu-Zn,Ag-Sn,Pt-Ag, CdHg,Sn-Sb 等二元合金系都具有此类相图。 下面以Pt-Ag合金相图为例进行分析。
ω ( ) fg cd 100% fc 2d ω ( ) 100% II fg cd 2c ω ( ) 100% cd
合金III结晶过程和合金组织
图6-12 亚共晶合金的结晶过程示意图
图6-13 亚共晶合金组织
成分在cd之间的所有亚共晶合金的结晶过程与合金Ⅲ 相同，仅组织组成物和组成相的相对质量不同，成分越靠 近共晶点，合金中共晶体的质量分数越大。
6.5.1 相图分析
1.相区有液相L、α 相和β 相三个 单相区，两单相区之间为相应 的两相区。 2.相界线有液相线adb固相线aceb， 固溶线cf、eg和包晶反应水平 线ced。与水平线对应成分的合 金，冷却时在水平线温度 （1186℃）发生包晶反应： 图6-23 Pt-Ag合金相图 3.根据相律,三相反应自由度为零， 温度恒定，三相成分一定。
6.3.3 非平衡结晶过程分析
在实际生产中，冷却较快，不能保持平衡状态， 扩散过程来不及进行，使相成分不均匀。因固溶体结晶按 树枝状方式进行，因而成分不均匀沿树枝晶分布，枝晶的 主干含高熔点组元Ni多，枝晶外围含低熔点组元Cu多，形 成所谓“树枝状偏析”或枝晶偏析，如图6-7所示。
图6-6 固溶体的非平衡结晶
(a)层片状；(b)棒状；(c)球状；(d)针片状；(e)螺旋状 图6-18 典型共晶组织形态
6.4.4 非平衡结晶的特点
1. 伪共晶
共晶成份的合 金在缓冷条件下 会得到100%的共 晶组织，而非共 晶成份合金在快 冷条件下也能得 到100%的共晶组 织，把这种非共 晶成份的共晶组 织称为伪共晶。
6.4.1 相图分析
左图有三个单相区液相 L,α 和 β 。 两个单相区之间为相应的三个两相区： L+α 、L+β 和 α +β 。水平线 cde 为三 相共存线，亦为共晶反应线，合金在此 线对应的温度发生共晶反应，自液相 L 同时析出和两个固溶体，即 c e ) Ld ( 183℃
Ld e e
1186℃
6.5.2 典型合金平衡结晶过程分析
1. 合金Ⅰ的平衡结晶过程 2. 合金Ⅱ的平衡结晶过程
图6-24 合金Ⅰ的结晶过程示意图
图6-25 合金Ⅱ的结晶过程示意图
6.4.3 初晶和共晶的组织形态
1. 初晶的组织形态
如果初晶是金属相有粗糙界面，如固溶体一般呈树枝 状，在金相显微镜下截断的枝晶断面为椭圆形，如图6-16。 如果初晶为非金属性质的光滑界面时，如亚金属、非金属 和中间相，一般多有规则的外形，在显微镜下常见有三角 形、四边形和六边形等，图6－17为呈多边形的初晶。
图6-1 Cu-Ni合金相图
6.3.2 平衡结晶过程分析
在1点温度以上，合金 为液相L。缓慢冷却至1－ 2 温度之间时，合金发生 均晶反应：
L
图6-4 匀晶相图合金的结晶过程
从液相中逐渐结晶出 固溶体， 2 点温度时，合 金全部结晶α 为固溶体。 2－3温度区间为固溶体α 的降温过程。其他成分合 金的结晶过程与其类似。
2．合金II的结晶过程
图6-10 共晶合金 的结晶过程示意图
图6-11 共晶合 金组织的形态
3．合金III的结晶过程
合金的组成相为α 和β ，它们的相对质量为：
x3 g ω ( ) 100% fg ω ( ) fx3 100% fg
合 金 的 组 织 组 成 物 为 ： 初 生 α 、 β II 和 共 晶 体 (α +β )。它们的相对质量可两次应用杠杆定律求得。计 算得到合金III在室温下的三种组织组成物的相对质量为 （请自行推导）： cg 2d
6.1.2 相图的表示方法
二元合金相图可用温度 成分坐标系的平面图形来表示。
图 6-1 为铜镍二元合金相 图，以纵坐标表示温度，横坐 标表示材料成分。 在温度—成份坐标系中 的任一点称为表象点,该点对 应某一成份合金在某一温度下 的相组成及其相平衡关系,或 者说该点代表某一合金在某一 温度下所处的相状态。
6.3 二元匀晶相图
两组元在液态无限互溶，在固态也 无限互溶，形成固溶体的二元相图称为 二元匀晶相图。Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、 Fe-Ni、W-Mo、Cr-Mo、Si-Be和Nb-Ti等 二元合金系均具有匀晶相图。下面以CuNi合金相图为例进行讨论。
6.3.1 相图分析
Cu-Ni合金相图见图6-1。 组元为Cu和Ni，在成分线 两端。相图中 aa1b 为液相线， 为 ac1b 固相线。两条曲线将 图面分成三个区间，液相线 以上为液相区L，固相线以下 为固相区 α ，两线之间为液 固两相共存区 L+α 。液相线 是 L/L+α 的分界线，固相线 是L+α /α 的分界线。
6
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9
相图
相图基本概念 相律和杠杆定律 二元匀晶相图 二元共晶相图 二元包晶相图 具有中间相或化合物的相图 相图基本类型小结 相图与性能的关系 铁碳合金相图
6.1 相图基本概念
6.1.1 相图 材料性能决定于其内部的组织，而组织又由 相组成。材料中相的状态是其组织的基础。 材料的相状态由其成分和所处温度来决定。 相图就是反映材料在平衡状态下相状态与成分和 温度关系的图形。相图不仅反映了不同成分材料 在不同温度下所存在的相及其相平衡关系，而且 反映了温度变化时的相变过程及组织形成的规律。 因此，相图是研究和使用材料、制订材料生产和 加工工艺的主要依据。本章仅研究二元相图。
称为共晶体。共晶反应时三相成分是确 定的，反应在恒温下进行。相图中 d 点 为共晶点。
图6-8 Pb-Sn合金相图
共晶反应线与共晶点有如下关系：成分在ce之间的合金平衡结晶时都 发生共晶反应，而发生共晶反应时液相成分均为d点。
具有d点成分的合金称为共晶合金，d点以左成分的合金为亚共晶合金， d点以右为过共晶合金。
6.4.2典型合金平衡结晶过程分析
1．合金I的平衡结晶过程
运用杠杆定律，两相的质量 分数为：
x1 g ω ( a ) 100% fg ω ( ) fx1 100%a[或w ( ) 1 w ( )] fg
合金 I 的室温组织组成物 α 和β 皆为单相，所以它的组织组 图6-9合金I的平衡结晶过程 成物的质量分数与组成相的质量 分数相等。
相律应用的不同情况
相律：f=C-P+1 对二元系，C=2,则f=3-P，可知:
P=3, f=0，平衡相最多为3； P=3，f=0, 温度、相成分一定； P=2，f=1, 温度或相的成分可变，但只有 一个独立变量； P=1，f=2，温度和相成分均可独立改变。
6.2.2 杠杆定理
杠杆定理是分析相图的重要工 具，可用来确定两相平衡时的两平 衡相成分和相对量,也可确定最后形 成的组织中两相的相对量以及组织 的相对量。
匀晶结晶特点
（1）与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出 来，也包括有生核与长大两个过程 。 固溶体的形态主要是胞状晶和树枝晶 , 而且更趋于呈树枝状长大，见图6-5。 （2）固溶体结晶在一个温度区间内进行，即 为一个变温结晶过程。
（ 3 ）在两相区内，温度一定时，根据杠杆 定律，两相的成分（即 Ni 质量分数） 是确定的，两相的质量也是一定的 。 随着温度的下降，液相成分沿液相线 变化，固相成分沿固相线变化 , 两相的 图6-5 固溶体的 质量也发生相应变化 ，液相的质量减 组织形态示意图 少,而固相的质量增多。
4.合金IV的结晶过程wenku.baidu.com
结晶过程与亚共晶合金相似，也包括匀晶反应、 共晶反应和二次结晶三个转变阶段。不同之处是初生 β 相为固溶体，二次结晶过程为:
II
所以室温组织为 β +α II+(α +β ) 。图 6-14 为过共晶 合金组织。图中白色树枝状组织为β ，其上少量的黑 点为α II，其余为共晶(α +β )。
图6-19 共晶系合金的不平衡凝固
图6-20 Al-Si合金系的伪共晶区
四种伪共晶区
图6-21 四种伪共晶区
2. 离异共晶
成份点靠近共晶转变线两端点 的亚共晶和过共晶合金，结晶后组 织中初晶量很多，共晶体数量很少， 而且共晶体中与初晶相同的一相， 同初晶结合在一起，将共晶体中的 另一相推至晶界，造成共晶体两相 分离的组织称为离异共晶。图6-22 为 Al-Cu 合金的离异共晶组织，失 去了共晶组织的形态，在晶界上有 孤立的共晶相，在共晶数量很少的 情况下，就是在平衡结晶时也可能 出现离异共晶。
图6-16 6％Sb的Pb-Sb 合金初晶（100×）
图6-17 亚金属初晶16％Sb的 Pb-Sb合金初晶（100×）
2．共晶体的组织形态
共晶体的组织有多种形态，如层片状、棒状、球 状、针状、螺旋状、树枝状、花朵状等，见图6-18。共 晶体是两相混合物，影响其组织形态的因素很多，其中 最主要的是组成相的基本性质。
图6-1 Cu-Ni合金相图
6.1.3 相图的建立方法
常用的方法有热分析法、金相法、膨胀法、 硬度法及射线结构分析法等。下面以铜镍合金系 为例，简单介绍用热分析法建立相图的过程。 (1) 配制系列成分的铜镍合金。 (2) 测出每个合金的冷却曲线，找出各冷却 曲线上的临界点 ( 转折点或平台 ) 的温度。 (3) 画出温度-成分坐标系，在各合金成分垂 线上标出临界点温度。
杠杆定律的证明和力学比喻
两相质量分数可计算为：
ab Q 100% ac bc QL 100% ac
两相的质量比可用下式表达：
即两相的质量比与两线段的长度成 反比。上式可写成
QL bc Qa ab
QL· ab = Qα · bc,
称为杠杆定律。
注意：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。