第八章 相平衡与相图原理

补充：单元系相图 特征：C=1， f=C-P+2=3-P
一、相图的建立
二、相图分析
• 1. 三个单相区：
f＝1-1+2＝2
2. 三个两相线： oa代表水汽二相图共存 (蒸发曲线)； ob代表冰汽二相的平衡共存 (升华曲线)； oc线则代表冰水二相图共存（冰的熔融曲线）
f＝1-2+2＝1
3.一个三相点：系统中的冰、水、汽三相共存的状态。 （f=1-3+2=0)
（1148℃ ）
• 共析转变（PSK共析 线）：
• γS→αP + Fe3C
（727℃ ）
包晶线 共晶线
共析线
②特性点分析
0
③相图中的线
3条重要的固态转变线：
a、GS线——
•奥氏体中开始析出铁素体 （降温时） •或铁素体全部溶入奥氏体 （升温时）的转变线 •常称此温度为A3温度。
b、ES线——碳在奥氏体中 的溶解度曲线。此温度 常称Acm温度。
0.77~6.69
网状
0.0008~6.69
2.11~6.69
0.0218~6.69
极细短条 状
片状
片状、粒 状
④5个单相区 δ
• ⑤7个两相区； • 3个三相区
（2）同素异构转变
δ(b.c.c) γ(f.c.c)
γ(f.c.c) α (b.c.c)
铁与碳形成固溶体之间的同
b、莱氏体 A与Fe3C混合物，用Ld表示，高温莱氏体 液相共晶转变产物，硬度高，塑性差。 室温莱氏体（变态莱氏体）：P与Fe3C混合物， Ld´
二、Fe-Fe3C相图分析
①三个恒温转变：
• 包晶转变（HJB包晶
线）： • LB + δH→ γJ（1495
℃）
• 共晶转变（ECF共晶 线）：
• LC → γE + Fe3C
2．具有偏晶转变的相图
3、具有合晶转变的相图
4、具有熔晶转变的相图
5、具有固态转变的二元相图 （1）具有共析转变的相图 （2）具有包析转变的相图
（3）具有固溶体多晶型的转变
（4）固溶体形成中间相 的相图
（5）具有有序－无序转变的相图
四、二元相图的分析
（一） 二元相图的几何规律
• 1、平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化
3、组织：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、 光学显微镜、电子显微镜等）所观察到的材料形貌。
4、组织组成物：组织中形貌相同的组成部分。
5、相：体系中具有相同物理与化学性质的，且与其他部分 以界面分开的均匀部分称为相。
相的理解： （1）一个相中可以包含几种物质，即几种物质可以形成
一个相； （2）一种物质可以有几个相； （3）固体机械混合物中有几种物质就有几个相。
• （3）热处理性：相图上无固 态相变或固溶度变化的合金 不能进行热处理。
第三节 铁碳相图
一、铁碳合金的组元及基本相
• ①组元
• a、纯铁 • 铁的原子序数为26，原
子量为55.85，密度为 7.87g/cm3，属于过渡族 元素。 • 纯铁的力学性能是塑韧 性好、强硬度低，很少 用作结构材料，但磁导 率高。
• C 、渗碳体 • 铁与碳形成的金属间隙化合物，用Fe3C或Cm表示。
含碳6.69% • 性能：很高的硬度，而塑性几乎为零
d、石墨： 含碳100%，六方晶格 硬度低，塑性几乎为零，通常用 C或G表示。
石墨的晶体结构
③铁碳合金中的基本组织
• a、珠光体 • F与Fe3C混合物，用P表示 • 强度、硬度、塑性、韧性介于两者之间。 • 奥氏体共析转变产物
8、凝固：材料由液态转变成固态的过程称为凝固。
结晶：若凝固后的物质为晶体，则这种凝固称为结晶。 一般金属及其合金皆为晶体，故称为金属结晶。
二、相平衡条件和相律
1、平衡
（平衡状态：系统吉布斯自由能处于最低所对 应的状态。）
当合力为零时，系统处于机械平衡；
当温差消失时，系统处于热平衡；
当系统中各相的化学势相等，各组元的浓度不再变化 时，系统就达到了化学平衡
c、PQ线——碳在铁素体 中的溶解度曲线。
注意：几种渗碳体的比较
名称
形成温度
母相
（℃）
一次渗碳 1227~1148
L
体Fe3CⅠ
二次渗碳 1148~727
A
Hale Waihona Puke 体Fe3CⅡ三次渗碳
<727
F
体Fe3CⅢ
共晶渗碳
1148
L
体Fe3C共晶
共析渗碳
727
A
体Fe3C共析
含碳量 （%）
4.3~6.69
形状 粗大片状
常用术语：
• 先共晶相：共晶转变形成前的相。 • 二次结晶（脱溶）：从一个固溶体中析出另
一个固相的过程。 • 二次相（次生相）：二次结晶析出的相。 • 组织组成物：在结晶的各个阶段中形成清晰
轮廓的独立组成部分。 • 相组成物：是指组成显微组织的基本相。
2、共晶合金的平衡凝固及其组织
（1）ω(Sn)＜19％的合金
2、二元相图分析举例
五、相图与性能的关系 • 1．根据相图判断合金的使用性能
2、根据相图判别合金的工艺性能
• （1）铸造性：主要取决于相 图上液相线与固相线之间的 水平距离及垂直距离，即结 晶的温度间隔与液、固相间 的成分间隔。此间隔越大， 铸造性越差。
• （2）压力加工性：压力加工 合金通常是相图上单相固溶 体成分范围内的单相合金或 含有少量第二相的合金。
2、相区接触法则：相图中相邻相区的相数差值与接触 几何特征间的关系
3、二元相图中的三相平衡必为一条水平线
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 入单相区内。
指出下列相图的错误之处：
（二）复杂二元相图的分析方法 1、分析方法
• 一般的分析方法如下： • （1）先看相图中是否存在稳定化合物，如有，则以这
（二）共晶相图
1、共晶相图
• 共晶转变：是指从一个液相中 同时结晶出两个成分不同的固 相的过程。
• 共晶体（共晶组织）：共晶转 变的产物（两相机械混合物）。
• 共晶温度：发生共晶转变时的 液相的温度。
• 共晶相图：两个组元在液态无 限互溶，而在固态有限互溶或 互不相溶并发生共晶转变形成 共晶组织的相图。
如果同时达到三种平衡，那么系统就达到了化学热力学 平衡
2、相平衡：各相的化学热力学平衡。
具体指合金系中，参与结晶或相变过程的各相之间的相 对量和相的浓度不再改变时所达到的一种动态平衡。
3、自由度：在平衡系统中独立可变的因素。 4、自由度数：指在平衡系统中可以独立改变的变量的最 大数目。
5、相律（吉布斯相律）：
b、铁的同素异晶转变
•②铁碳合金相
• a、铁素体： • 碳与α-Fe中形成的间隙固溶体，用F或α表示。 • 性能：与纯铁相差无几，即强度和硬度低，塑性和韧
性好。 • 高温铁素体：碳与δ-Fe中形成的间隙固溶体，用δ表示。
• b、奥氏体： • 碳与γ-Fe中形成的间隙固溶体，用A或γ表示。 • 高温组织，在大于727℃时存在。 • 性能：塑性好，强度和硬度高于F
注意：不同的相之间必然有界面将其分开，但由 界面分开的并不一定就是两个不同的相
6、相图 表示合金系中合金状态、压力、温度及成分之间关
系的图解。是研究不同成分合金平衡关系的图形。又 称为平衡图或状态图。
对单元系采用T~P图，两元系采用T~P~X。
7、相变：从一种相到另一种相的转变 固态相变: 由不同固相之间的转变
（2）共晶合金 β
共晶合金的显微组织
共晶合金性质：
• ①比纯组元熔点低，简化了熔化 和铸造的操作
• ②共晶合金比纯金属有更好的流 动性，从而改善铸造性能
• ③恒温转变（无凝固温度范围） 减少了铸造缺陷
• ④共晶凝固可获得多种形态的显 微组织
层状共晶
树枝状共晶
棒状共晶
（3）亚共晶合金 亚共晶合金的显微组织
• b. 固溶体的凝固过程与纯金属一 样，也包括形核与长大两个阶段
• c. 合金结晶形核时需要能量起伏 和成分起伏
• d. 固溶体的凝固依赖于两组元原 子的扩散
• e. 平衡凝固得到的固溶体显微组 织和纯金属相同，除了晶界外， 晶粒之间和晶粒内部的成分却是 相同的。
固溶体平衡结晶示例
合金全部凝固完毕，得到与原液相成分相同的单相均匀固 溶体
（4）过共晶合金
H J
过共晶合金的显微组织
（三）包晶相图
• 1、包晶相图 • 包晶转变：由一个固
相与液相作用生成另 一个固相的过程。
• 包晶相图：两组元在 液态无限互溶，固态 下有限互溶（或不互 溶），并发生包晶反 应的二元系相图。
2、包晶合金的凝固及其平衡组织 • （1）ω (Ag)为42.4％的Pt－Ag合金（合金I）
第八章 相平衡与相图原理
第一节 相、相平衡与相律
一、基本概念
1、合金：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有 一种为金属，组成具有金属性的材料称为合金。
2、组元：构成材料的最简单、最基本、可以独立存在的 物质。它可以是纯元素也可以是稳定化合物。
C=1，单元系统，如纯铁 C=2，二元系统，如Pb－Sn合金 C=3，三元系统，如Fe－C－Si合金 C>3，多元系统
自由能-成分曲线与匀晶相图的关系
自由能-成分曲线与共晶相图的关系
二、杠杆定律
设合金的总重量为1，则有
杠杆定律的说明：
两相平衡共存（两相区） 确定相的含量
三、二元相图的基本类型
（一）匀晶相图 1、匀晶相图 • 匀晶转变：由液相直接结晶
出单相固溶体的过程。