2.2_二元相图的基本类型

图2.10 共 晶 相 图 的 形 成
1.相图分析
•以右图Pb-Sn相图为例，对 共晶相图进行分析。
图2.11 Pb-Sn合金相图
•（2）相区与基本相 相图中有三个单相区，即液相L、固溶体α相和β相。α相是
Sn溶于Pb中形成的固溶体，β相是Pb溶于Sn中的固溶体。各个单相区之间有三个 两相区，即L+α、L+β和α+β。在L+α、L+β和α+β两相区之间的水平线MEN表示 α+β+L三相共存区。在三相共存水平线所对应的温度下，成分相当于E点的液相 （LE）同时结晶出与M点相对应的αM和与N点所对应的βN两个相，即形成两个固 LE 溶体的混合物。此转变的反应式是： 183℃M N ,该转变必在恒温下进行，且三个相 成分应为恒定值，在相图上的特征是三个单相区与水平线只有一个接触点，其中液 体单相区在中间、位于水平线之上，两端是两固相单相区。这种在一定温度下，由 一定成分液相同时结晶出成分各自一定的两个新固相的转变，称为共晶转变或共晶 反应。共晶转变的产物为两固相的混合物，称为共晶组织.
图2-7 用热分析法建立Cu-Ni相图
2.2.2 匀晶相图—学习二元相图的基础
( Binary isomorphous diagrams) •1. 匀晶相图与匀晶转变
•两组元在液态和固态下均可以以任意比例相互溶解，即在固态下形成无限固溶体的 合金相图称为匀晶相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr等合金相图均属于此类相图。在这类合 金中，结晶时都是从液相结晶出单相固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。应该指 出，几乎所有的二元合金相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类相图是学习 二元合金相图的基础。
2.典型合金的平衡结晶过程
•（2）合金Ⅱ(共晶合金) •当合金Ⅱ由液相冷却至E点时，将发生共晶反应: L ,在恒温(tE)下一 直进行到液相完全消失为止，这时所获得α和β呈层片状交替分布的细密机械混合物 (α+β)就是共晶组织或称共晶体。其共晶体(αM+βN)中αM和βN两相的相对质量分数可 用杠杆定律求出: WαM =EN/MN×100%，WβN=ME/MN×100%。在E点以下，随 温度下降，α和β的溶解度分别沿各自固溶线MF、NG变化，从α中析出βⅡ，从β中 析出αⅡ，但由于αⅡ和βⅡ量小且在显微组织中不易分辨，故一般不予考虑。因此， 其室温组织为(α+β)共晶体。 •合金Ⅱ结晶过程中的反应特征为共晶反应＋二次析出反应。
2.典型合金的平衡结晶过程
•（1）合金Ｉ(w（Sn）≤19w%的合金)
• 见图2-11，合金在3点以上的结晶与固溶体合金结晶过程一样，开始结晶出来
的α称为初晶或一次晶。在2～3点间，合金为均匀α单相组织。当温度降至3点以 下时，α相变为过饱和固溶体，过剩Sn以β相形式从α相中析出，随温度下降β相 增多。从固态α相中析出的β相即称为次生相(二次相或二次晶)，用符号βⅡ表示。 这种从单一固溶体相中析出的单一新固相的反应，即称为二次析出反应。当冷至 室温时，所析出βⅡ的相对质量分数可用杠杆定律计算出: βⅡ=F4/FG×100%。 由于固态下原子扩散能力小，析出的次生相不易长大，一般都比较细小，分布于 晶界或固溶体中。其室温下组织为α+βⅡ。 •根据以上分析，合金I的结晶由两种性质的反应组成:匀晶反应+二次析出反应。
•2.相图分析
①特性点：纯铜的熔点A为1083℃，纯镍的熔点B为1455℃。 ②特性线：液相线 ，固相线。 ③相区与基本相：
3.固溶体合金的平衡结晶过程分析
•现以K成分合金为例进行分析。 •当Ｉ合金从高温液态缓慢冷却至t1温度时，开始从液相中结晶出固溶体α，此时的α l1 t 1 成分为α1(其含镍量高于Ｉ合金的镍含量)，即 。随温度下降，结晶出来的α 固溶体量逐渐增多，剩余的液相L量逐渐减少。当温度冷至t2时，固溶体的成分为α2， l2 t2 2 液相的成分为l2(镍含量低于合金的镍含量)，即 。为保持相平衡，在t1温度 结晶出来的α1相，必须改变为与α2相一致的成分，液相成分也必须由l1向l2变 化。……一直冷到t4温度时，其相平衡关系 。最后的相平衡，必然使从液相 l4 t4 4 中结晶出来的全部α相都具有α4的成分，并使最后一滴液相的成分达到l4的成分。
1
图2.8 C-N合金匀晶相图
3.固溶体合金的平衡结晶过程分析
图2.8 C-N合金匀晶相图
•由以上分析可知，I合金的平衡结晶过程，其特点是:
•液态金属在无限缓慢冷却条件下，冷却到一定温度范围内进行结晶，而且 在结晶过程中固溶体的成分沿着固相线变化(即α1→α2→α3→α4)，而液相的 成分沿液相线变化(即l1→l2→l3→l4)，如图2－8（a）所示。这就是固溶体 合金的平衡结晶规律。
图2.10 共 晶 相 图 的 形 成
1. 相图分析
•（1）共晶相图的形成
根据固溶体结晶规律，固溶体α、β结晶时，液相成分 沿着各自液相线变化。当温度降至两条线交点E时，此时E点成分液相既要与M点成 分的α平衡，又要与N点成分β平衡。液相、α与β相必处于三相平衡状态，它只能在 恒温tE下进行。即在此温度下既要从液相中结晶出α相、又要结晶出β相，一直进行 到液相消失为止。 •因此，通过E点作水平线交α固相线于M点、交β固相线于N点，水平线MN即液相 存在的最低温度。在此温度以下，不存在液相，不可能再按匀晶转变继续结晶出α、 β相。通常已结晶出的α或β相可发生溶解度变化(虚线所示)。 •据上所述，二元共晶相图［(d)图示］可分解为三部分，即水平线以上为匀晶转变 部分、以下为脱溶转变部分，水平线上则为共晶转变部分。
4.杠wenku.baidu.com定律及其应用
•设合金总质量为W(100%即1)，液相的质量分数为WL,固相的质量分数为Wα，则 • WL+ Wα=W(即1) (2.1) •若已知液相中镍的质量分数为x1，固溶体中镍的质量分数为x2，合金中镍的质量分 数为x，则 WL· 1+ Wα· 2=W· x x x (2.2) •解(2.1)和(2.2)组成的方程:WL=（x2-x）/(x2-x1);Wα=（x-x1）/(x2-x1)。将分子 和分母都换成相图中的线段，并将 WL和Wα的质量分数用百分数表示时，则 WL=xx2/x1x2×100%，Wα=x1x/x1x2×100%;两相相对质量之比为：WL/ Wα=xx2/x1x。 •由图2-9(b)可以看出，以上所求得的两平衡相相对质量之间的关系与力学中的杠杆 定律颇为相似，因此称为“杠杆定律”。杠杆定律说明:某合金两平衡相的质量分数 (WL与Wα)之比等于该两相成分点到合金成分点距离的反比，即线段xx2与x1x之比。 •杠杆定律仅适用于两相区，用于求两平衡相的成分及其相对质量。
1.相图分析
图2.11 Pb-Sn合金相图
（3）特性线与特性点
相图中MEN水平线称为共晶线，E点称为共晶点，E点对应的温度称为共晶温度， 成分对应于共晶点的合金称为共晶合金。成分位于共晶点以左、M点以右的合金 为亚共晶合金。成分位于共晶点以右、N点以左的合金称为过共晶合金。AE、 BE为液相线，AM、BN线为固相线，MF、NG这两条曲线称为固溶线。M、N点 分别表示α、β相的最大溶解度极限，随温度降低，α、β相溶解度分别沿曲线MF、 NG变化。
•建立相图的方法有实验测定和理论计算两种，但目前所
使用的相图大部分都是根据大量实验结果绘制出来的。
2.2.1 相图的建立 Setting-up of phase diagrams
•如图2.7所示，首先配制一系列不同成分的合金，测出其从液态到室温的冷 却曲线，求得各相变点，然后把这些特性点标在温度-成分的坐标图纸上， 把相同意义的特性点联结成线。这些特性线将相图划分出一些区域，这些 区域称为相区;最后，在各相区内填入相应的“相”的名称。 •在二元相图中，有的相图简单(如Cu-Ni相图)，有的相图很复杂(如Fe-C相 图)。但不管多么复杂，任何二元相图都可以看成是由几类基本类型的相图 迭加、复合而组成的。
•2.2.1 相图的建立( Setting-up of phase diagrams ) •2.2.2 匀 晶 相 图 —— 学 习 二 元 相 图 的 基 础 ( Isomorphous
diagram-the diagram ) fangdation of studying two-component
•2.2.5 具 有 稳 定 化 合 物 相 图 (Phase diagrams with stable
compound) reaction)
•2.2.6 具 有 共 析 反 应 的 相 图 (Phase diagrams with eutectoid •2.2.7
properties and phase diagrams of binary alloys)
用冷却曲线描述K合金的平衡结晶过程，则如图2－8（b）所示。
4.杠杆定律及其应用
图2.9 杠杆定律的证明
•在合金相图中的两相区(如液相和固相)内，若给定某一温度，就能确定在 该温度下两平衡相(如液、固两相)的成分，以及在该温度下两平衡相(如液、 固两相)的相对质量，这就是杠杆定律的内容。 •分析成分为K的Cu-Ni合金，见图2-9 (a)，在tx温度时，液相成分为x1， 固相成分为x2(通过tx温度作一水平线，此水平线与液、固相线的交点即为 L相的成分与α相的成分)。现求在该温度下，已结晶出固溶体α和剩余液相 L的质量分数。
二元合金相图与性能之间的关系 (Relationship between
2.2.1 相图的建立 Setting-up of phase diagrams
•相图是表示材料(合金)体系中材料(合金)的状态与温度、成
分间关系的简明图解，它清楚地表明了材料中各种相的存在 范围以及相与相之间的关系。 •相图中的相是指平衡相，它不反映时间因素的影响。 •材料在一定成分和一定温度下的相状态，以及当成分和温 度改变时相状态的变化,可用温度—成分坐标系的图示明确而 系统地表示出来。
5.不平衡结晶 —— 枝晶偏析
•在实际结晶过程中，很难保持体系的平衡状态，冷却过程往往是比较快的（即不平 衡结晶），此时原子不能充分进行扩散，这时先结晶出的固相含高熔点组元(镍)较 多，后结晶出的固相含低熔点组元(铜)较多，快冷使这种成分不均匀现象保留下来， 形成了在同一晶粒中的成分偏析，因结晶一般是以树枝状方式进行，先结晶的主干 和后结晶的分支成分不一致，故这种偏析称为枝晶偏析。因这种偏析发生在一个 晶粒内，故又称晶内偏析。 • 枝晶偏析，会使合金的力学性能、耐蚀性和加工工艺性能变坏。为消除枝晶偏析， 可采用高温扩散退火(又称均匀化退火)方法，即将合金铸件加热至固相线以下100～ 200℃长时间保温(一般5～8h)，使原子充分扩散，从而达成分均匀化的目的。
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Basic 第二级 types of two-component phase diagram 第三级 第四级 第五级
2.2
二元相图的基本类型
Basic types of two-component phase diagram
phase
•2.2.3 共晶相图——学习二元相图的关键 ( The eutectic phase
diagram-the key to study two-component phase diagram ) diagram )
•2.2.4 包 晶 相 图 特 征 ( Characteristics of peritectic phase
不平衡结晶 －－枝晶偏 析示意图
2.2.3 共晶相图—学习二元相图的关键
Binary eutectic phase diagram
•何谓共晶相图？ •两组元在液态下能完全互溶，在固态时相互有限互溶并发生共晶反应(转变)、形成 共晶组织的二元相图称为二元共晶相图。
•1. 相图分析
•（1）共晶相图的形成 共晶相图可以抽象地看作是两匀晶相图重叠结果，如图210所示。其中(a)图示出从液相内结晶出以A组元为基α固溶体;(b)图示为从液相内结 晶出以B为基β固溶体;(c)图为(a)、(b)两相图重合在一起图示。