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。
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。
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
图4-12 Cu-Ni合金的铸态组织
2.平衡结晶过程分析
图4-3 Bi-Sb相图
匀晶结晶有下列特点：
1）与纯金属一样，α 固溶体从液相中结晶 出来的过程中，也包括有生核与长大两个过 程，但固溶体更趋向于树枝状长大。 2）固溶体结晶是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，两相的成分（即Ni含量） 是确定的。
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。
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) 。
第三节 二元共晶相图


组织组成物 组织组成物：组成材料显微组织的各个不同本 质和形态的部分。 组织图：用组织组成物填写的相图
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
(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
第四节 二元包晶相图
一、相图分析 点 线
区
第四节
一、相图形式
二元包晶相图
两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，并且发生包 晶转变。Ag-Sn、Ag-Pt、Cd-Hg、Cu-Zn、Cu-Sn
相图的构成：ac和bc为两液相线， 与其对应的ad和bp为两固相线；df 和pg固溶体α 、β 的溶解度随温度 变化线；dpc为包晶转变线。 它们分隔相图为三个单相区L、α 、 β ；三个双相区L＋α 、L＋β 、α ＋β ； 一个三相区 L＋α ＋β ， 即水平线dpc为包晶线。
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%
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。

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。
2、相平衡


处于平衡状态下的多相系统，每个组元 在各相中的化学位都必须相等。 化学位代表系统内物质传递的驱动力 相平衡是一种动态平衡，从系统内部来 看，分子和原子仍在相界面处不停地转 换，只不过各相之间的转换速度相同。
3、相律和自由度



一、 相律 （1）相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相 数和自由度数之间的关系。 （2）表达式：f=c-p+2; 。 在只受外界温度和压力影响的平衡系统中，它的自由 度数等于系统的组元数和相数之差再加上 2
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。
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
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

选分结晶
第二节 二元匀晶相图
二、 固溶体合金的平衡结晶 （1）平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过 程。 （2）平衡结晶过程分析 ① 冷却曲线：温度－时间曲线； ② 相（组织）与相变（各温区相的类型、相变 反应式，杠杆定律应用。）； ③ 组织示意图； ④ 成分均匀化： 每时刻结晶出的固溶体的成分不同。
第三节 二元共晶相图及合金凝固
二、 合金的平衡结晶及其组织 （1）Wsn<19％的合金（分析要点） ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 二次相（次生相）的生成： 脱溶转变（二次析出或二次再结晶）。 ③ 室温组织（α＋βⅡ）及其相对量计算。
图4-26 含10%Sn的Pb-Sn合金平衡凝固示意图
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）


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。
第二节 二元匀晶相图
（3）成分偏析：
晶内偏析：一个晶 粒内部化学成分不均匀现 象。一个晶粒中先结晶的 树枝晶枝干含高熔点组元 较多，后结晶的树枝晶晶 枝含低熔点组元较多，结 果造成在一个晶粒内化学 成分的分布不均，这种现 象称为


枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均 匀的现象。 消除：扩散退火，在低于固相线温度长 时间保温。）
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%
二、包晶Hale Waihona Puke Baidu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。
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

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。