第7章二元系相图

Ag-Cu 共晶相图及合金的凝固 Ag-Cu共晶相图及合金的凝固
7.3.2共晶相图
1.共晶相图
E 点：共晶点 共晶点E ，纯组元熔点 ，最大溶解度 点
Ag-Cu共晶相图及合金的凝固
液相线 共晶线
和BE 线 AE AE和 BE线
固相线
和BD AC AC和
三相平衡 LE→αC＋βD，亦为固相线，自由度 CED, CED,三相平衡 三相平衡L 为零，温度和相成分都恒定不变 和DG ：α和β固溶体的溶解度随温度的降低而减少 CF CF和 DG：
四、二元相图的几何规律
: 二元相图应遵循如下规律 二元相图应遵循如下规律: (1) 相图中所有的线条都代表发生相转变的温度 � 和平衡相的成分，所以相界线是相平衡的体现， 平 衡相的成分必须沿着相界线随温度而变化。 � (2) 两个单相区之间必定有一个由该两相组成的 (即两个单相区只 两相区分开，而不能以一条线接界 两相区分开，而不能以一条线接界( )。两个两相区必须以 能交于一点而不能交于一条线 能交于一点而不能交于一条线) :在二元相图中，相邻 单相区或三相水平线分开。即 单相区或三相水平线分开。即: 1，这个规则为相区接触法则。 相区的相数差为 相区的相数差为1
四、二元相图的几何规律
� (3)
二元相图中的三相平衡必为一条水平 线，表示恒温反应。在这条水平线上存在 3个 线，表示恒温反应。在这条水平线上存在3 表示平衡相的成分点，其中两点在水平线两 端，另一点在端点之间，水平线的上下方分 3个两相区相接。 别与 别与3 (4) 当两相区与单相区的分界线与三相等 � 温线相交则分界线的延长线应进入另一两相 区内，而不会进入单相区。
•
先后从液体中凝固出来 的固相成分不同 冷速快，固相中均匀扩 散来不及进行，使晶粒 内部化学成分不均匀
•
晶内偏析（或枝晶偏析） 晶粒内部成分不均匀现象
结晶中的原子扩散
7.3.1匀晶相图
3.固溶体的非平衡凝固
Ni-Cu合金的枝晶偏析 (a)铸造组织（枝晶偏析）；(b)相邻两枝臂间的电子探针扫描图象
先凝固的晶体中心树枝状骨架（白色）含镍量高
固溶度线
7.3.2共晶相图
1.共晶相图
单相区 两相区
3个，自由度ƒ=2 ， =2， 3个，ƒ=1
如T0温度 α和β相的 温度α k和h 成分分别为 成分分别为k 三相区 一条水平线
2 共晶系合金的平衡凝固和组织
D点右边的合金属 C点左边和 点左边和D 于固溶体合金
�
固态继续冷却时不同
共晶型合金
�
80% Bi ， x2：含 20%Cd Cd，
重量百分数和原子百分数
AA x A wA = 100% AA x A + AB xB
AB xB wB = 100% AA x A + AB xB
WB AB xB = 100% WA AA + WB AB
WA和WB表示A和B组元的质量分数 AA和AB表示A和B组元的摩尔量 XA和XB表示A和B组元的摩尔分数
7.3.1匀晶相图
2.固溶体的平衡凝固 T2温度 温度降至 温度降至T •凝固出的固相成分沿 α2 ，与之 固相线变至 固相线变至α 平衡的液相成分则沿液 相线变至 L2 相线变至L
7.3.1匀晶相图
2.固溶体的平衡凝固
T2温度 温度降至 温度降至T 两相的含量为
;
a 2o L2 % = 100% L2a 2
�
7.1
相图的表示和测定方法
� 1.二元合金中存在的相 � 2.二元相图的表示、含义和杠杆定律 � 3. �
用实验方法测绘二元相图
4. 二元相图的几何规律
二元相图举例（Bi-Cd相图）
纵 坐 标 表 示 温 度
二元相图举例（Bi-Cd相图）
横坐标表示成分（或浓度）
二元相图举例（Bi-Cd相图）
7.3.1匀晶相图
1.匀晶相图 液态 和固态 下均 无限互溶 时所构成的相图称二元匀晶相图。 两组元在 两组元在液态 液态和 固态下均 下均无限互溶 无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。 以Cu-Ni 合金为例进行分析。 Cu-Ni合金为例进行分析。 L
温度（℃）
液相线 L + α 固相线
B
α
A Cu
线的合金，凝固时 CD CD线的合金，凝固时 有共晶反应 亚共晶合金
C、E之间的 成分在 成分在C 合金属于亚共晶合金
� �
Bi 和纯 Cd 横坐标的左、右两端点分别代表纯 横坐标的左、右两端点分别代表纯Bi Bi和纯 和纯Cd 横坐标上任一点代表某一成分的合金，从左至右表示合金 中含镉量逐渐增加，含铋量相应地减少
� �
，相当于横坐标左边 Qp 线； 25%Bi ，相当于右边 pr 线 X1:75%Cd :75%Cd，相当于横坐标左边 ，相当于横坐标左边Qp Qp线； 线；25%Bi 25%Bi，相当于右边 ，相当于右边pr pr线
WA AA xA = 100% WA AA + WB AB
二、热分析法测绘Cu-Ni二元相图
�
相变伴随某种物理、化学性质的变化，测定合金 的某种物理、化学性质随温度的变化找出相变点
金相组织法 热分析法
静 态 法
动 态 法
电阻法
X射线分析法
测定相图 常用方法
硬度法
热膨胀法
二、热分析法测绘Cu-Ni二元相图
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+ α）
T
1200
1200 1100
1000
1000 900
α
0 20 40 60 80 100
800
t
800
在微观体积内 高于或低于平 均成分的现象
7.3.1匀晶相图
固溶体平衡凝固的三个过程
（1）液体内的扩散过程 （2）固相的继续长大 （3）固相内的扩散过程
7.3.1匀晶相图
3.固溶体的非平衡凝固
：冷速快，固相不能均匀化 不平衡原因 不平衡原因：冷速快，固相不能均匀化
7.3.1匀晶相图
3.固溶体的非平衡凝固
L2o a 2% = 100% L2a 2
7.3.1匀晶相图
2.固溶体的平衡凝固 再降温，凝固过程 继续进行
;
T4 温度降至 温度降至T
•
遇到固相线，凝固 完毕 α4 ，相 固相成分为 固相成分为α 当于原合金成分，为 α固溶体晶粒 均匀的 均匀的α
•
7.3.1匀晶相图
例（如图）
;
Ca - C0 S WL % = = R + S Ca - CL 42.5 - 35 = = 68% 42.5 - 31.5
Ag-Cu共晶相图及合金的凝固
课堂练习
1、根据二元相图相区接触规则， � A 两个单相区之间必定有一个三相区隔开 � B 两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开 � C 三相水平线和四个两相区相邻 � 2、根据相律，二元系三相平衡时自由度为0.即表明 三相反应是在恒温下进行,三个平衡相的成分也是相 同的，不可改变。 � A 正确 � B 错误
7.3.1匀晶相图
3.固溶体的非平衡凝固
•
每一温度下固相平均成分点连接起 来，得到固相平均成分线，在固相 线的下方
固相线与冷却速度无关，位置固定 固相平均成分线随冷速的改变而移动
• •
冷速愈大，偏离固相线愈远 冷却极慢（平衡凝固）与固相 线重合
7.3.1匀晶相图
3.固溶体的非平衡凝固
依赖原子互相扩散达到成分均匀，凝固速度比纯金属慢
后凝固的晶体外层部分枝与枝之间（黑色）含铜量高
7.3.1匀晶相图
3.固溶体的非平衡凝固
通过扩散退火或均匀化退火消除晶内偏析
(a) Ni-Cu的组织经均匀化退火后的晶粒组织 的组织经均匀化退火后的晶粒组织(a) 及穿过晶粒的电子探针扫描图象 (b)
1. 固溶体合金的相图如图所示，试根据相图确定： (a) 成分为40%B的合金首 先凝固出来的固体成分； � (b) 若首先凝固出来的固体 成分含60%B，合金的成分 为多少？ � (c) 成分为70%B的合金最 后凝固的液体成分；
第7章二元系相图及其合金的凝固
二元相图
合金
�
两种以上 的金属和非金属熔合（或烧结）在一起而具 两种以上的金属和非金属熔合（或烧结）在一起而具 有金属特性 的物质 金属特性的物质 (四元以上 ) 分二元合金、三元合金，多元合金 分二元合金、三元合金，多元合金( 四元以上)
�
合金相图
�
用图的形式表明一个合金系的成份、温度和相态之间 的关系
Cu-Ni合金相图的建立
WCu(%)
二、热分析法测绘Cu-Ni二元相图
测定合金的冷却（或加热）曲线 1. 选取代表性合金，测 1.选取代表性合金，测 绘其冷却曲线，获得 相变临界点
2. 将同类临界点成分 -温 2.将同类临界点成分 将同类临界点成分度图上连接
Cu-Ni二元相图形成动画
二、热分析法测绘Cu-Ni二元相图
�
课堂作业
判断左边相图的正 3. 3.判断左边相图的正 误，说明为什么是错 的，并改正。 4. 二元相图中的三相平 4.二元相图中的三相平 衡反应为什么是在恒 温下进行的。 二元合金正常凝固和 5. 5.二元合金正常凝固和 平衡凝固是否相同？ 说明两者之间的相同 和不同之处。
7.3二元相图分析
7.3.1匀晶相图 7.3.2共晶相图 7.3.3包晶相图 7.3.5具有其他类型的二元相图
液相线 液相区 T,°C
1500 1400 1300 1200 1100 1000
L
1455 L+ α
纯镍 熔点
纯铜 熔点
1083
α
100
固相线 Ni
Cu 固相区 20 40 60 Ni% 80
液固两相区
三、杠杆定律
在二元合金相图的两相区内，温度一定时，两相的重量比是一定的。 C0，总重量为 1, 在T 合金成分为 合金成分为C ，总重量为1, 温度时，由液相和固相组成，液 CL,重量为 WL，固相成 相的成分为 相的成分为C 重量为W Cα,重量为 Wα。 份为 份为C 重量为W
合金品种
金属材料合金品种非常多
�
种元素配制合金，任取三种元素组成的 80 80种元素配制合金，任取三种元素组成的 三元合金系有 80 ×79 ×78/3 ×2=82160 种 三元合金系有80 80× 79× 78/3× 2=82160种 各组元的相对含 每一合金系中还可以改变 每一合金系中还可以改变各组元的相对含 形成许多合金品种 量， 量，形成许多合金品种
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1 = WL + Wa
1 × C 0 = WL × C L + Wα × Cα
WL Ca - C0 = Wa C0 - CL
三、杠杆定律
杠杆定律 与力学中的杠杆定律相似，因而亦被称为 与力学中的杠杆定律相似，因而亦被称为杠杆定律
三、杠杆定律
成分（浓度）； 确定两平衡相的 相对量。 运用：确定两平衡相的 运用：确定两平衡相的成分（浓度）； 成分（浓度）；确定两平衡相的 确定两平衡相的相对量 ：只适用于两相区，并且只能在平衡状态下使用； 注意 注意：只适用于两相区，并且只能在平衡状态下使用； 三点（支点和端点）要选准。
二元合 金什么 条件下 只发生 匀晶转 变？
成分（wt%Ni）
Ni
7.3.1匀晶相图
2.固溶体的平衡凝固
：从液态缓慢冷却，在相变过程中充分进行组 平衡凝固 平衡凝固：
元间互相扩散，达到平衡相的均匀成分
x合金凝固过程
T1时 冷至 冷至T α1成分 •开始凝固出 开始凝固出α 的固相 Ni 量比 x合 •α1中的含 中的含Ni Ni量比 量比x 金高， α1旁的液体 Ni 量降低，扩散 中含 中含Ni Ni量降低，扩散 平衡后液体成分为 L1 平衡后液体成分为L
�
) 合金成分为50%B，凝固到某温度 时液相含有40%B，固体含有80%B，此 时液体和固体各占多少分数？
�(d
2.指出下列相图中的错误，并加以改正。
7.3.2共晶相图
1.共晶相图
α和β，具有共晶 两组元在固态部分溶解，形成有限固溶体 两组元在固态部分溶解，形成有限固溶体α 转变 Ag-Cu、Pb-Sn、Al-Si、AlSn、Cd-Sn、Au-Pt…… Al-Sn
31.5 35
42.5
C0 - CL R 35 - 31.5 Wa % = = = = 32% R + S Ca - CL 42.5 - 31.5
7.3.1匀晶相图
依赖原子互相扩散达到成分均匀，凝固速度比纯金属慢
结晶中的原子扩散
1.匀晶过程动画
7.3.1匀晶相图
固溶体凝固与纯金属凝固的比较
凝固得到的固相成分与液相不一致 固相成分 不 ，先凝固的与后凝固的 ，先凝固的与后凝固的固相成分 固相成分不 一致的现象