第五章 相图

第三节 二元共晶相图及合金凝固
（2）共晶合金（分析要点） ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋β）及其相对量计算。
2h
图4-28 Pb-Sn共晶合金平衡凝固过程示意图
1) 在液体中α 和β 同时具有析出条件，都可以析出。
2) 由于α 和β 析出过程在成分上可以互相补充和促进， 共同析出。
二元匀晶相图
一、匀晶相图及其分析 （1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的 转变。 （2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。 Cu-
Ni、 Cu-Au、 Au-Ag、Fe-Cr等
（3）相图分析（以Cu-Ni相图为例） 两点：纯组元的熔点； 两线：L, S相线； 三区：L, α, L+α。
固溶体合金的平衡结晶
金相法
膨胀法 电阻法

热分析法（以Cu-Ni系相图为例）：

配制一系列成分不同的Cu-Ni合金； 测定上述合金的冷却曲线 找出各合金的临界点 以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将各临 界点连接起来即得到Cu-Ni合金相图
二.相图的建立
名称 晶格类型 熔点 合金1 合金2 合金3 …….. 合金9 合金10 合金11 A金属 fcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0% B金属 fcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
二、包晶体转变
过程
成分为P点合金的凝固 β 相的形核在α 相晶体和液体 的边界处，由于β 相的成分介于 液体和α 相之间，所以它是靠消 耗部分已有的α 相和部分液体来 实现。 β 相的生长在液体和α 相的交 界面处最有利，沿边界同时消耗 液体和α 相来长大，形成的β 相 包围在α 相外围，将α 相与液体 分隔开，所以把这种转变称为包 晶转变。
第二节 二元匀晶相图
（3）与纯金属结晶的比较 不同点：合金在一个温度范围内结晶； （可能性：相律分析；必要性： 成分均匀化。） 合金结晶是选分结晶：需成 分起伏。
第二节 二元匀晶相图
三、固溶体的不平衡结晶
固溶体的不平衡结晶
（1）原因：冷速快（假设液相成分均匀、固相成 分不均匀）。 （2）结晶过程特点：固相成分按平均成分线变 化（但每一时刻符合相图）； 结晶的温度范围增大； 组织多为树枝状。
(成分在CE之间)L
β II)+(α +β )共 在到达TE温度前转变同固溶体的转变,在TE温度下剩余的 液体转变同共晶成分E(合金Ⅳ)的转变。 组织组成物：一般将显微组织中能清晰分辨的独立组成 部分，称为 亚共晶合金室温组织： α 初+ β II+(α +β )共 相组成物： α +β
→ L+α → α

地区性


系统的自由度数，就是平衡系统的独立可变因 素(如温度、压力、浓度等)的数目。这些因素 可在一定范围内任意独立地改变而不会影响到 原有的共存相数和状态，即不会影响原有的平 衡状态。值不能为负 压力一定时，f=c-p+1 分析不同的组元数，最多可以平衡共存的相 数
二、相图的建立

第二节。二元相图及其类型 一、相图的基本知识
1、有关相图的基本概念 相图:是描述系统的状态、 温度、压力及成分之间 关系的图解，利用相图 可以知道不同成分的材 料在不同温度下存在哪 些相、各相的相对量、 成分及温度变化时所可 能发生的变化。
地区性
相图是铸造、锻造、焊接、热处理和冶金 等专业的重要理论工具。 仅在热力学平衡条件下成立，不 能确定相结构、分布状态和具体形貌。
第四节 二元包晶相图
二、包晶体转变
二、一元系相图地区性
图5-3 纯铁的相图 a)温度和压力都变动的情况 b)只有温度变动的情况

[例] 图4-3为Bi-Sb二元合金相图，求 40%Sb的Bi-Sb合金在450℃时的组成。
图4-3 Bi-Sb相图
WL
DE 77 40 100 % 80.4% ; W 100 % Wl 19.6% CE 77 31
3) 凝固过程可以在恒温下进行到结束。
4) 最终得到两相交替的混合组织。
结论：合金(成分在E点附近) L →α +β 转变发生在TE 温度，得到的两项交替分布的组织称为共晶体。
第三节 二元共晶相图
图4-29 Pb-Sn合金系中亚共晶合金的平衡凝固
（3）亚共晶合金（要点） ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相对量计算。
第四节 二元包晶相图
二、包晶体转变
过程
成分为P点合金的凝固 在略低于TP的温度下，进一步 的生长过程，伴随A组元从α 相穿过 β 相到达液体界面，液体转变为β 相，同时多余的B组元穿过β 相到达 α 相界面，α 相中A组元的减少使部 分α 相转变为β 相以保证α 相要求 的成分。即β 相长大的过程是A组元 穿过β 相向液体处扩散，B组元穿过 β 相向α 相处扩散，同时消耗液相 和α 相。


相与相之间的转变称为相变。 如果系统中各相经历很长时间而不互相转化， 则是处于平衡状态。实际上相平衡是一种动态 平衡，从系统内部来看，分子或原子仍在相界 处不停地转换，只不过同一时间内各相之间的 转化速度相同。 合金可以根据其所含的相的数目来分类，如果 合金仅由一个相组成，称为单相合金如果合金 由二个或二个以上的不同相所构成，则称为多 相合金。
第三节 二元共晶相图
三、不平衡结晶及其组织 （1）伪共晶 ① 伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。 ② 形成原因：不平衡结晶；成分位于共晶点附近。 ③ 不平衡组织 由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。 共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。（伪共晶区偏移）
第三节 二元共晶相图
三、 不平衡结晶及其组织 （2）不平衡共晶 ①不平衡共晶：位于共晶线以外成分的合金发生共晶反 应而形成的组织。 ② 原因：不平衡结晶。成分位于共晶线以外端点附件。
4）在两相区内，成分一定、温度一定时，两相的
质量比是一定的，如在温度T1时，两相的质量比可 用杠杆表达
图4-3 Bi-Sb相图
第三节 二元共晶相图
共晶转变：由一定成分的液相同时结晶 出两个一定成分固相的转变。 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。 （液态无限互溶、固态有限互溶或完全不 溶 ， 且 发 生 共 晶 反 应 。 Al-Si、Pb-Sb、 Pb-Sn、Ag-Cu 共晶组织：共晶转变产物。（是两相混 合物）
热 分 析 法
二.相图的建立
温 度 温 度 温 度
时间
A 90 70 50
30
B B
温 度
L L +
a
S
S
A
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 S : 固相区 L+S:液固共存区
b
B
温 度
L
a
TL Tn TS
S
A
b a c b
B
温 度
L
杠杆定理 QS + QL = 1 aQS + bQL = c QL=(ac／ab) 100% QS=(bc／ab) 100%
19 97.5
第三节 二元共晶相图
一、 相图分析（相图三要素） （1）点：纯组元熔点；最大溶解 度点；共晶点 （是亚共晶、过共晶成分分 界点）等。 （2）线：结晶开始、结束线；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。 （4）共晶反应特点、反应式、温 度、相区间的接触关系
第三节 二元共晶相图
三、 不平衡结晶及其组织 （3）离异共晶 ① 离异共晶：两相分离的共晶组织。 ② 形成原因 平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。 不平衡条件下，成分位于共晶线外两端点附。 ③ 消除：扩散退火。
第四节 二元包晶相图
包晶转变：由一个特定成分的固相和 液相生成另一个特定成分固相的转变。 包晶相图：具有包晶转变特征的相图。

脱溶过程：由固溶体中析出另一相的过 程；即过饱和固溶体的分解过程，也称 二次结晶（次生相、二次相βⅡ ）
L → L+α → α → α +β II 在到ac线之前同固溶体， 到Cf线之下，α 相中溶剂B组元的量为过饱和，从中 将有β 相析出。一般从固态α 析出的β 相在的内部 成点状分布。值得指出的是β 量少时往往先在α 的 晶界处，此外，固态析出转变原子迁移和β 形核较 困难，当过饱和度不大时，这个析出往往不发生。
a
TL Tn TS
S
Qs A QL
b a c b
B
相图的建立
第一节 相图的基本知识
三、 杠杆定律 （1）平衡相成分的确定（根据相律，若温度一定， 则自由度为0，平衡相成分随之确定。） （2）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测 量计算。 （3）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。
包晶转变
L+α → β
第四节 二元包晶相图
二、包晶体转变
过程
成分为P点合金的凝固 在液相区为液体的冷却，进入 两相区，发生与固溶体凝固相同的 凝固转变，到达P点，液体的成分为 C，固体的成分为D。 从L+β 相区可知也满足液体和β 相的平衡，与C成分液体平衡还有P 成分的固体β 相。
第四节 二元包晶相图
初+(L+α
+β )→ (α
初+
第三节 二元共晶相图
（4）过共晶合金 位于共晶点右边, 成分在 de之间的合金为过共晶合 金(例如图中的合金Ⅳ)，结晶过程与亚共晶合金相似，室 温组织为初生 β+ 二次α + (α+β) 。