最新4-2二元相图及其类型-西安交大材料科学基础幻灯片
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材料科学基础4 二元相图PPT课件
由于结晶成树枝状晶---枝晶偏析。 液、固相线距离越大，则偏析越 严重。 冷速越快，偏析越严重。
第四章：二元相图
4．2．1匀晶相图 3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。 （1）晶内偏析： ②枝晶偏析对性能影响
力学性能降低,尤其是塑性、韧性↓↓ 耐蚀性 ↓ 压力加工性↓ ③消除枝晶偏析方法。
高温扩散退火（均匀化退火）：
将铸件加热至固相线下100--200℃长期保温， 使溶质、溶剂原子相互扩散。
第四章：二元相图 3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。 （2）区域偏析
实际铸件表面与心部化学成分不均匀现象→宏 观偏析。 以K 0 <1为例 (图示) 先结晶溶质含量低（表面），后结晶溶质含量 高（心部）。
Ko ＜1
第四章：二元相图 3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。 （3）区域提纯
第四章：二元相图 复习合金、组元、相、相结构（固溶体、化物）
纯金属结晶→单相。
相图： 以温度为纵坐标,成分为横坐标,反映不同成分
的合金在任意温度下所处的平衡相状态的图解。 相图→状态图，平衡状态图 。
第四章：二元相图 平衡：
合金从液态（高温）到室温是在极其缓慢的条 件下完成的。 相图用途：
①帮助认识相的变化规律 ②计算任意合金在不同温度下相和组织含量。 ③ 帮助制定热加工工艺：
第四章：二元相图 4．1．3相律及杠杆定律 2.杠杆定律： 问题提出：
①当二元合金（成分已知）由两相组成时两相的 相对重量是多少？
例：45钢（含C=0.45%）,铁素体（F）和Fe3C 两相各占多少？
②当二元合金两相相对重量已知时，合金成分是 多少？
例：金相观察：F:95%; Fe3C：5%；求钢的含 碳量？
液相平衡成分为L2点，α相平衡成分为α2 点。
第四章：二元相图
4．2．1匀晶相图 3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。 （1）晶内偏析： ②枝晶偏析对性能影响
力学性能降低,尤其是塑性、韧性↓↓ 耐蚀性 ↓ 压力加工性↓ ③消除枝晶偏析方法。
高温扩散退火（均匀化退火）：
将铸件加热至固相线下100--200℃长期保温， 使溶质、溶剂原子相互扩散。
第四章：二元相图 3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。 （2）区域偏析
实际铸件表面与心部化学成分不均匀现象→宏 观偏析。 以K 0 <1为例 (图示) 先结晶溶质含量低（表面），后结晶溶质含量 高（心部）。
Ko ＜1
第四章：二元相图 3．固溶体合金的非平衡结晶及组织。 （3）区域提纯
第四章：二元相图 复习合金、组元、相、相结构（固溶体、化物）
纯金属结晶→单相。
相图： 以温度为纵坐标,成分为横坐标,反映不同成分
的合金在任意温度下所处的平衡相状态的图解。 相图→状态图，平衡状态图 。
第四章：二元相图 平衡：
合金从液态（高温）到室温是在极其缓慢的条 件下完成的。 相图用途：
①帮助认识相的变化规律 ②计算任意合金在不同温度下相和组织含量。 ③ 帮助制定热加工工艺：
第四章：二元相图 4．1．3相律及杠杆定律 2.杠杆定律： 问题提出：
①当二元合金（成分已知）由两相组成时两相的 相对重量是多少？
例：45钢（含C=0.45%）,铁素体（F）和Fe3C 两相各占多少？
②当二元合金两相相对重量已知时，合金成分是 多少？
例：金相观察：F:95%; Fe3C：5%；求钢的含 碳量？
液相平衡成分为L2点，α相平衡成分为α2 点。
材料科学基础二元系相图及其合金凝固二元包晶相图PPT课件
➢在0~1点温度范围，合金为液相。
➢在1点温度时，合金开始结晶，从 液相中结晶出固相。
➢在1~2点温度范围，发生匀晶转变， 合金处于固液两相平衡。
➢温度达到2点，液相全部转变为相， 此时的组织为 单相组织。
第19页/共80页
➢2－3点范围内合金不发生任何组织 转变，仍为单相组织。 ➢当温度达到3点时，由相开始脱溶 出αⅡ相 因此，室温组织为：
2.包晶系合金的平衡凝固－（1） 包晶点(P)合金
1
L＋
D
P2
42.4
L＋
第5页/共80页
➢在0~1点温度范围，合金为液相。 ➢在1点温度，合金开始结晶出固相α。 ➢在1~2点温度范围，合金发生匀晶 转变，L→α。 ➢在略高于2点温度，合金处于液相 和α相的两相平衡，液相的平衡成分 为C点成分，α相的成分为D点成分。
超出包晶反应所需比例，包晶反80页
➢因 此 ， 包 晶 转 变 后 ， 合 金 处 于 α 和 β 两 相 平衡。 ➢温度低于2点时，开始分别从α、β两相中 脱溶出βⅡ 和αⅡ 结晶过程：
L→L+α→L+α+β→α+β→α+β+αⅡ+βⅡ
匀晶反应＋包晶反应＋脱溶转变 ➢ 室温组织：
即：L1→ A+L2 • 具有偏晶转变的二元系 第52页/共80页 有：Cu－ S、Cu
具 有 偏 晶 转 变 的 相 图
第53页/共80页
α+ β+αⅡ+ βⅡ
第26页/共80页
（6）包晶点(P)以左其它合金的平衡凝固
1
L＋
D
P2
42.4
L＋
第27页/共80页
（6）包晶点(P)以左其它合金的平衡凝固
二元系相图.ppt
到2点，液体数量为0， 固体成分回到合金原始 成分，凝固完成
2点以下固相冷却， 无组织变化
合金C冷却曲线及结晶过程示意图
t
L
L
t1
L+α
L→α
t2
α
α
C
A
B％
B
时间
（3）有极值的匀晶相图
a）具有极大点 b）具有极小点
Fe-Co、Co-Pb、Fe-Ni、Fe-V、Fe-W、 Mn-Co、Mn-Ni、Pb-Ti、V-W、Ti-Zr等。
wL CP w PD
理论上讲液相L和α相同时消耗完毕，得到单一 的β相晶体。
②合金Ⅱ（D～P间成分合金）
合金Ⅱ的平衡结晶过程示意图
α相的量比包晶反应时所需的量多，即
w
C 2 CD
CP CD
（包晶转变后α相有剩余）
室温平衡组织
③合金Ⅲ（P～C间成分合金）
根据相律 包晶反应时 F=0 此时三个平衡相的成分及反应温度都是确
定的。
（1）相图分析
固相线 固溶线
液相线
（1）相图分析
TACTB-液相线
TADPTB-固相线
DF-α固溶体溶解度曲线
PG-β固溶体溶解度曲线
DPC（水平线）- 包晶线 P－包晶点
相区：3个单相区 L, α, β
3个两相区 L＋α，L+β, α+β
具有这类相图的合金系主要有Cu-Ni、Cu-Au、 Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
（1）相图分析
2条线： 液相线 固相线
2个单相区：固相区α 液相区L
1个两相区： L+α
A
T
液相线 L
α+L 固相线
2点以下固相冷却， 无组织变化
合金C冷却曲线及结晶过程示意图
t
L
L
t1
L+α
L→α
t2
α
α
C
A
B％
B
时间
（3）有极值的匀晶相图
a）具有极大点 b）具有极小点
Fe-Co、Co-Pb、Fe-Ni、Fe-V、Fe-W、 Mn-Co、Mn-Ni、Pb-Ti、V-W、Ti-Zr等。
wL CP w PD
理论上讲液相L和α相同时消耗完毕，得到单一 的β相晶体。
②合金Ⅱ（D～P间成分合金）
合金Ⅱ的平衡结晶过程示意图
α相的量比包晶反应时所需的量多，即
w
C 2 CD
CP CD
（包晶转变后α相有剩余）
室温平衡组织
③合金Ⅲ（P～C间成分合金）
根据相律 包晶反应时 F=0 此时三个平衡相的成分及反应温度都是确
定的。
（1）相图分析
固相线 固溶线
液相线
（1）相图分析
TACTB-液相线
TADPTB-固相线
DF-α固溶体溶解度曲线
PG-β固溶体溶解度曲线
DPC（水平线）- 包晶线 P－包晶点
相区：3个单相区 L, α, β
3个两相区 L＋α，L+β, α+β
具有这类相图的合金系主要有Cu-Ni、Cu-Au、 Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
（1）相图分析
2条线： 液相线 固相线
2个单相区：固相区α 液相区L
1个两相区： L+α
A
T
液相线 L
α+L 固相线
4-2二元相图及其类型-西安交大材料科学基础
（2）共晶转变 在三相共存水平线men上，两条液相
线汇交于e点。e点以上是液相区，e点下 方是α+β两相共存区。这说明，相当于 e点成分的液相，当冷至三相共存线men 时会同时结晶出成分为m的α相与成分为 n的β相。
三个单相区： L,,
三个两相区： L ,L ,
后退 下页
●共晶反应：Lc tc mn
固相线： amcnb
后退
●组成
液相线： acb
下页
me的溶解度变化线
nf 的溶解度变化线
●凝固过程：
合金1：L L 合金2 ：L L
●不平衡凝固
◆伪共晶
在非共晶成分处获得100%的共晶组 织，只能在非平衡条件下得到。
后退 下页
后退
下页
◆不平衡共晶
m点以左，n点以右合金不平衡凝固时出现的 共晶组织 。
●不平衡凝固：出现枝晶偏析(主枝与分 枝成分不均匀)图5-16
后退 下页
固溶体与纯金属结晶的不同之处：
（1）固溶体结晶是在一个温度范围内
完成的，而纯金属结晶是在恒温下完
成的。
（2）合金结晶过程中，结晶出的固相
与共寸液相的成分不同，这种结晶称
为选分结晶。而纯金属在结晶过
程中，固相与液相的成分始终是相同
一、单元系相图
返回 下页
下图是水的相图，在以温度和压力为两 坐标的平面图上，表示出水的3种存在 状态与温度和压力的关系。（如图）
二、合金的相平衡概念及相律
由于相平衡条件的约束，处于平
衡状态的合金中可能存的相数，将受到
组元数及外界条件的限制，这种限制可
从相平衡的热力学条件推处，这就是相
律，即 f=C–P+2
第4章第2节二元合金相图PPT课件
第2节 二元相图及应用
重点：应用相图说明合金的 组织和性能。 难点：、合金的结晶过程。 学时：2 学时。
❖ 合金相图：
①是用图解的方法表示不同 成分、温度下合金中相的 平衡关系，即成分-温度相三者关系。
②由于相图是在极其缓慢 的冷却条件（退火）下测 定的,又称为平衡相图。
❖ 相图主要作用：
①根据相图可以了解不同成 分合金在温度变化时的相 变及组织形成规律。
3）特征线（5条）
aeb — 为液相线； amenb — 为固相线；
mf和ng — 代表两固溶体ɑ 和 β溶解度曲线；
men —— 一段水平线又称共 晶反应线，成分在该范围 内的合金都将发生共晶反 应。
4）特征区（7个区）
❖ 3个单相区： L、ɑ 和β； ❖ 3个双相区：（L+ ɑ ）、（
L+β）和（ ɑ +β）； ❖ 1个三相区：（L+ ɑ +β）
③但两相十分细密时，合金 的强度、硬度将偏离直线 关系而出现峰值。
2、合金成分与合金铸造性能 之间关系
❖ 固溶体合金:
当相线与液相线距离 越大，越容易产生偏析和 分散缩孔。
❖ 共晶合金:
具有最好的流动性， 并在结晶时易形成集中缩 孔。
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
ɑ +（ ɑ +β）+βⅡ
❖ 其中ɑ 、（ ɑ +β）、βⅡ
均称为合金的组织组成物 ，是合金显微组织的独立 部分。
三、共析相图
1、特点 ❖ 上部分为匀晶相图， ❖ 下部分类似共晶相图。
匀
晶
相
γ
图
γ
共析合金
重点：应用相图说明合金的 组织和性能。 难点：、合金的结晶过程。 学时：2 学时。
❖ 合金相图：
①是用图解的方法表示不同 成分、温度下合金中相的 平衡关系，即成分-温度相三者关系。
②由于相图是在极其缓慢 的冷却条件（退火）下测 定的,又称为平衡相图。
❖ 相图主要作用：
①根据相图可以了解不同成 分合金在温度变化时的相 变及组织形成规律。
3）特征线（5条）
aeb — 为液相线； amenb — 为固相线；
mf和ng — 代表两固溶体ɑ 和 β溶解度曲线；
men —— 一段水平线又称共 晶反应线，成分在该范围 内的合金都将发生共晶反 应。
4）特征区（7个区）
❖ 3个单相区： L、ɑ 和β； ❖ 3个双相区：（L+ ɑ ）、（
L+β）和（ ɑ +β）； ❖ 1个三相区：（L+ ɑ +β）
③但两相十分细密时，合金 的强度、硬度将偏离直线 关系而出现峰值。
2、合金成分与合金铸造性能 之间关系
❖ 固溶体合金:
当相线与液相线距离 越大，越容易产生偏析和 分散缩孔。
❖ 共晶合金:
具有最好的流动性， 并在结晶时易形成集中缩 孔。
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
ɑ +（ ɑ +β）+βⅡ
❖ 其中ɑ 、（ ɑ +β）、βⅡ
均称为合金的组织组成物 ，是合金显微组织的独立 部分。
三、共析相图
1、特点 ❖ 上部分为匀晶相图， ❖ 下部分类似共晶相图。
匀
晶
相
γ
图
γ
共析合金
材料科学基础4-2二元相图及其类型
材料科学基础4-2二元相 图及其类型
在材料科学中，二元相图是研究材料相变和物质结构的重要工具。掌握二元 相图的概念和表示方法对于理解材料的组成和行为非常关键。
二元相图的概念和基本原理
二元相图是描述两种组分在不同温度和组成条件下的相变行为的图表。它由 相平衡曲线、相区、反应区和相组成等基本元素组成。
总结和结论
二元相图是材料科学中重要的工具，它能够帮助我们理解材料的相变行为和 结构特点。掌握二元相图的基本原理和应用是进行材料研究和开发的关键。
不平衡相图描述的是在非平衡条件下的相变行为。它们可以是偏离平衡相图 的曲线，或者是描述非平衡相变过程的相图。
常见的二元相图实例
常见的二元相图实例包括铜-锌、铁-碳、铝-硅等。通过研究这些实例，我们 可以更好地理解不同材料的相变行为和结构特点。
二元相图在材料科学中的应用
二元相图在材料科学中具有广泛的应用，包括合金设计、材料制备和性能优 化等方面。通过研究相图，我们可以更好地控制和改进材二元相图通常由实验数据和计算结果得出。它们可以用等温截面、等组分截面和等压截面等方式进行表 示，以便更好地理解相变的规律和行为。
平衡相图的类型和特点
平衡相图分为几种类型，如共晶、共饱和、共晶点偏离、共析和不共晶等。每种类型都有其特定的特点 和相变行为。
不平衡相图的类型和特点
在材料科学中，二元相图是研究材料相变和物质结构的重要工具。掌握二元 相图的概念和表示方法对于理解材料的组成和行为非常关键。
二元相图的概念和基本原理
二元相图是描述两种组分在不同温度和组成条件下的相变行为的图表。它由 相平衡曲线、相区、反应区和相组成等基本元素组成。
总结和结论
二元相图是材料科学中重要的工具，它能够帮助我们理解材料的相变行为和 结构特点。掌握二元相图的基本原理和应用是进行材料研究和开发的关键。
不平衡相图描述的是在非平衡条件下的相变行为。它们可以是偏离平衡相图 的曲线，或者是描述非平衡相变过程的相图。
常见的二元相图实例
常见的二元相图实例包括铜-锌、铁-碳、铝-硅等。通过研究这些实例，我们 可以更好地理解不同材料的相变行为和结构特点。
二元相图在材料科学中的应用
二元相图在材料科学中具有广泛的应用，包括合金设计、材料制备和性能优 化等方面。通过研究相图，我们可以更好地控制和改进材二元相图通常由实验数据和计算结果得出。它们可以用等温截面、等组分截面和等压截面等方式进行表 示，以便更好地理解相变的规律和行为。
平衡相图的类型和特点
平衡相图分为几种类型，如共晶、共饱和、共晶点偏离、共析和不共晶等。每种类型都有其特定的特点 和相变行为。
不平衡相图的类型和特点
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（2）共晶转变 在三相共存水平线men上，两条液相
线汇交于e点。e点以上是液相区，e点下 方是α+β两相共存区。这说明，相当于 e点成分的液相，当冷至三相共存线men 时会同时结晶出成分为m的α相与成分为 n的β相。
三个单相区： L,,
三个两相区： L ,L ,
后退 下页
●共晶反应：Lc tc mn
成的。
（2）合金结晶过程中，结晶出的固相
与共寸液相的成分不同，这种结晶称
为选分结晶。而纯金属在结晶过
程中，固相与液相的成分始终是相同
的。
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2.共晶相图 ●形成：液相完全互溶，固相有限互 溶，有共晶反应的相图。
后退
下页
后退 下页
（1）相图分析 液相线：αe 、be 后退 下页 固相线：αm 、bn mf为Sn在Pb中的固溶度曲线 ng为Pb在Sn中的固溶度曲线 三个单相区：L、α、β 三个两相区：L+α、L+β、α+β。 三个两相区的接触线men为共晶反应线， 此线表示三相共存区
后退 下页
◆离异共晶
当初相较多，当发生 共晶反应时，与当初相相 同的一相优先形核，将另 一相推到最后处形成，失 去了共晶形貌，即组织为 离异组织。
上页 下页
●包晶相图
后退
下页
后退
下页
后退
下页
1.包晶型反应有何特点？与 共晶反应相比，你能否总结 其规律？
2.分析其冷凝过程，比较平 衡与非平 衡凝固的异同？
上页
下页
◆起他类型的二元系相图
（1）熔晶反应：一个固相在某一恒温下分 解成一个固相与一个液相的反应。 （2）合晶反应：由两个不同成分的液相在 某一恒温下生成一个一定成分的固相的反。 应。 （3）偏晶反应：在某一恒温下，由一定成 分的液相分解出另一成分的液相，并同时 结晶出一定成分的固相的反应。
后退
温
度 a L o b
a
o
b
Q Qo
QL
Qa
wL Ni
w Ni
A
o
B
w w Q
QL
o
Ni
L
Ni o
w w Ni
Ni
后退 下页
二.二元系相图
1.匀晶相图
后退 下页
℃
L tB
℃
1
L
L
tA
2
1 L
2
A
X
B%
B0
冷却曲线 t
●形成：液态完全互溶，固态完全互 溶 ，即形成 匀晶相图。
●冷凝过程：L L
2）固溶体的塑性、电导率随溶质含量 的增加而降低。
3）电阻随溶质量的增加而增加。
上页
下页
对于共晶系和包晶系： 1）当两相混合物中两相的大小及分 布都较均匀时，材料的性能是两组 成相的平均值，即呈线性关系。 2）当共晶组织十分细密，且在不平 衡结晶出现伪共晶时，其强度和硬 度在共晶成分俯近偏离直线关系而 出现峰值。图5-42中虚线所示。
下页
（4）共析反应：在某一恒温下，一定成分 的固相同时分解成两个成分与结构不同的固 相反应。 （5）包析反应：两个不同成分的固相，在 某一恒温下相互作用生成另一固相的反应。
表5-6是对以上反应类型的总结
上页
下页
后退 下页
二元相图的分析方法
后退 下页
一、二元相图的一些基本规律
（1）相接触法则：在二元相图中，相邻相区 的相数差为1，点接触除外。 （2）在二元相图中，三相平衡一定是一条水 平线，该向上一定与3个单相区有点接触，其
后退 下页
●相平衡——L4.3==r2.11+Fe3C6.69 温度：1148℃
一、相图的基本知识 合金相图是应用图解的方法，表示合金 的成分、平衡相状态及外界条件（温度、 压力等）之间关系的图线，它是研究合 金中的相变规律的基础。
一、单元系相图
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下图是水的相图，在以温度和压力为两 坐标的平面图上，表示出水的3种存在 状态与温度和压力的关系。（如图）
素，包括各组成相的成分、数量及 温度、压力等。在金属及合金的制 造和应用过程中，一般都是在常压 下进行的，因此常把压力看成一个 常数，相律的表达式可写成
f=C–P+1
返回 下页
相律在相图中的应用 返回 下页
组元数（C） 相数（P） f=C–P+1
含义
1 2
2 二元系 3
1 3
2
三元系
3
2 单相合金，成分和温度都可变
图5-15
液相线:合金凝固的开始转变线
●组成
L=时液相 的平衡成分线 。 固相线:合金凝固终了线L=时固
相的平衡成分线。
后退
下页
13
返回
●不平衡凝固：出现枝晶偏析(主枝与分 枝成分不均匀)图5-16
后退 下页
固溶体与纯金属结晶的不同之处：
（1）固溶体结晶是在一个温度范围内
完成的，而纯金属结晶是在恒温下完
中两点在水平线的两端，另一点在水平线中 间某处，3点对应于3个平衡相的成分，此外 该线一定与3个两相区相邻。 （3）两相区与单相区的分界线与水平线相交 处，前者的延长线应进入另一个两相区。
四.相图与性能的关系
1、根据相图判断材料的力学性能 和物理性能
图5-42所示。 1）对于匀晶系，固溶体的强度和硬度 均随溶质组元含量的增加而提高。
两相平衡，成分、相对量和温度
1 等因素中只有一个独立变量
0
三相平衡，三相的成分、相对 量及温度都确定
3
单相合金其中两个组元的含量 及温度三个因素均可变
两相平衡，两相的成分、数量
2
及温度中有两个独立变量
三相平衡，所有变量中只有一
1
个是独立变量
4
0
四相平衡所有因素都确定不变
●相图的建立 上页 下页
●杠杆定律
4-2二元相图及其类型-西安交大 材料科学基础
了解相图的分析和使用方法后，就可以 了解合金的组织状态，进而预测合金的 性能。另外，可以根据相图来制订合金 的锻造和热处理工艺。
组元——组成材料最基本的、独立的物 质。 合金——有两种或两种以上的金属、或 金属与非金属经熔炼或用其它方法制成 的具有金属特性的物质。
固相线： amcnb
后退
●组成
液相线： acb
下页
me的溶解度变化线
nf 的溶解度变化线
●凝固过程：
合金1：L L 合金2 ：L L
●不平衡凝固
◆伪共晶
在非共晶成分处获得100%的共晶组 织，只能在非平衡条件下得到。
后退 下页
后退
下页
◆不平衡共晶
m点以左，n点以右合金不平衡凝固时出现的 共晶组织 。
二、合金的相平衡概念及相律
由于相平衡条件的约束，处于平
衡状态的合金中可能存的相数，将受到
组元数及外界条件的限制，这种限制可
从相平衡的热力学条件推处，这就是相
律
水
冰 气
返回 下页
水的状态示意图 T
其中f为系统的自由度数，C为组元数， P为相数。相律表明：在只受外界温度 和压力影响的平衡系统中，其自由度数 等于组元数与相数之差再加上2。所谓 自由度，即指独立可变的因