二元合金相图
二元合金相图
第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。
合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。
合金相图正是研究这些规律的有效工具。
一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。
其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。
组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。
由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
二元以上的合金称多元合金。
合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。
利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。
掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。
在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。
本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。
2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。
液态物质为液相，固态物质为固相。
相与相之间的转变称为相变。
在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。
由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。
组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。
由不同组织构成的材料具有不同的性能。
二元合金相图
物理化学实验报告院系化环学院班级学号姓名萧逸实验名称二元合金相图日期2011 09 29 同组者姓名乐松菊、陈伟、冯学智室温22.2℃气压724.6mmHg成绩一、目的要求1.用热分析法测绘Pb-Sn二元金属相图。
2.了解热分析法的测量技术。
二、预习要求1.掌握热分析法测量绘制相图的基本原理。
2.熟悉实验仪器的性能及使用方法，了解影响实验测定的各种因素。
3.理解步冷曲线的物理意义，掌握如何由实验数据绘制相图的方法。
三、基本原理相图是多相(二相或二相相以上)体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形，图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。
二元或多元体系的相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。
由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变(例如冶金工业冶炼钢铁或其他合金的过程，石油工业分离产品的过程等)，都要用到相图。
图4.1是一种类型的二元简单低共熔物相图。
图中A、B表示二个组分的名称，纵轴是物理量温度T，横轴是组分B的百分含量B％。
在acb线的上方，体系只有一个相(液相)存在；在ecf线以下，体系有两个相(两个固相——晶体A、晶体B)存在；在ace所包为的面积中，一个固相(晶体A)和一个液相(A在B中的饱和熔化物)共存；在bcf所包围的面积中，也是一个固相(晶体B)和一个液相(B在A中的饱和熔化物)共存；图中c点是ace与bef两个相区的交点，有三相（晶体A、晶体B、饱和熔化物）共存。
测绘相图就是要将相图中这些分隔相区的线画出来。
常用的实验方法是热分析法。
热分析法所观察的物理性质是被研究体系的温度。
将体系加热熔融成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，并每隔一定时间(例如半分钟或一分钟)读体系温度一次，以所得历次温度值对时间作图，得一曲线，通常称为步冷曲线或冷却曲线，图4.2是二元金属体系的一种常见类型的步冷曲线。
二元合金相图的绘制与应用
实验 二元合金相图的绘制与应用一、目的要求1、理解步冷曲线，学会用热分析方法测绘Sn-Bi 二元合金相图2、学会铂电阻的测温技术，尝试用金属相图测量装置测量温度的方法3、掌握微电脑控制器的使用方法4、理解产生过冷现象的原因及避免产生过冷现象的方法二、基本原理相图是用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图。
对蒸气压较小的二组分凝聚体系，常以温度-组成图来描述。
热分析方法与步冷曲线热分析方法是绘制相图常用的基本方法之一。
将两种金属按一定比例配成并把它加热成均匀的液相体系，然后让它在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间（例如0.5min 或1min ）记录一次温度，以温度T 为纵坐标，以时间t 为横坐标，做出温度-时间（T-t ）曲线，称为步冷曲线。
若体系均匀冷却时，冷却过程不发生相变化，则体系的温度随时间的变化是均匀的，则步冷曲线不出现转折或平台，而是一条直线，冷却速度快。
若冷却过程中发生了相变化，由于相变化过程中伴随有热效应，发生相变热，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减缓，步冷曲线就出现转折或平台。
测定一系列组成不同的样品的步冷曲线，从曲线上找出各相对应体系发生相变的温度，就可以绘制出被测系统的相图。
这就是用热分析法绘制液固相图的概要.如图所示：Bi-Cd 合金冷却曲线曲线1、5是纯物质的步冷曲线。
当系统从高温冷却时，开始没有发生相变化，温度下降比较快，步冷曲线较陡；冷却到A 的熔点时，固体A 开始析出，系统出现两相平衡（固体A 和溶液平衡共存），根据相律，此时f= k-Ø+1=1-2+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现bc 的水平线段；直到液相完全凝固后，温度又继续下T /℃t降。
曲线2、4是A与B组成的混合物的步冷曲线。
与纯物质的步冷曲线不同。
系统从高温冷却到温度b’时,开始有固体A不断析出，这时体系呈两相，溶液中含A的量随之减少，由于不断放出凝固热，所以温度下降速度变慢，曲线的斜率变小（b’c’段）。
二元合金相图
（4）共晶白口铁：共晶白口铁的室温组织为变态莱氏体(Ld′)。
（5）亚共晶白口铁：室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体 (P+Fe3CⅡ+Ld′)。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。
五、 Fe-Fe3C相图
PQ线：碳在α -Fe中的溶解度曲线。 碳在 α -Fe 中的溶解度随温度的下降而减小，在 727℃时溶解度 为0.0218%(P点)，到600℃时降为0.008%(Q点)。 因此，铁碳合金从727℃向下冷却时，多余的碳从铁素体中以渗 碳体的形式析出，这种渗碳体称为三次渗碳体。用符号Fe３CⅢ表示。 因其数量极少，常予以忽略。 （3）相图中的相区 单相区：L、F、A、Fe3C。 两相区：L+A、L+Fe3C、F+A、 A+Fe3C、F+Fe3C。 三相区（三相平衡线）：ECF、 PSK。
六、 钢铁材料生产简介
钢铁材料是工程实践中应用最广泛的金属材料，是现代工 业特别是机械制造业的重要支柱。 钢铁材料的生产过程，一般是由钢铁厂先用铁矿石等原料 经过高炉冶炼成生铁. 再用生铁或加入废钢等在炼钢炉内冶炼成钢液，将钢液浇 注成钢锭，最后通过轧制等压力加工方法制成各种钢材。 （1） 炼铁 铁是组成铁碳合金的组元，是钢铁材料的基本组成元素。 自然界中的铁以各种化合物的形式存在，并同其他元素的 化合物混合在一起形成矿石. 炼铁的过程实质上就是将铁从其化合物中还原出来，并同 其他元素相分离的过程。
属化合物，用化学式Fe３C表示。
性能：渗碳体中碳的质量分数为 6.69% ，熔点为 1227℃， 硬度很高(800HBW)，塑性和韧性很低，脆性大。 作用：渗碳体是钢中主要的强 化相，它的数量、形状、大小及分 布状况对钢的性能影响很大。
二元合金相图ppt课件
共晶 ]
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28
2、共晶合金室温平衡组织特征
共晶组织的基本特征是 两相均匀并交替分布， 根据合金组元的不同，共晶组织的形态各异， 有层片状、棒状、球状、针状、螺旋状等。
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29
（Pb-Sn）共晶组织（层片状）
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30
（Al-Si）共晶组织（针状）
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共晶合金结精选晶版课过件p程pt 分析
+ +
t/s
27
概括起来，共晶合金平衡结晶过程为： 共晶温度以上： 液态L61.9 共晶温度： 共晶转变 L61.919 97.5
共晶温度以下： 二次结晶 Ⅱ ， Ⅱ
室温组织： （+）共晶 [由于 Ⅱ和Ⅱ常与共晶和相连， 显微镜下很难分辨，室温组织为：（+）
V1×10%+V2×30精%选=版2课0件%p×pt (V1+V2)
11
这种方法可推广到固相和固液混合相
如图：成分为C的Ni-Cu合金，缓冷到t℃时,根据相图分 析：（Ⅰ）此状态下存在哪几相？（Ⅱ）各相的成分如 何？（Ⅲ）各相的数量（绝对数量与相对数量）？
（Ⅰ）由相图可知，C点
1500
存在L+α两相区
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。
二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。
具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
精选版课件ppt
6
（一）二元合金相图的建立 （以Cu-Ni二元合金为例）
1、建立相图的思路：
二元共晶相图：两组元在液态下无限互溶，冷却 时发生共晶转变的二元精选合版课金件p相pt 图叫二元共晶相图。21
二元合金相图
2 ,2 dG ,dG
dG=dG +dG
dG =2 dn dG =2 dn 2 且-dn =dn 2 (守恒) 2 2 dG=2 dn +2 dn 2 =(2 -2 )dn 2 2
组元2从α相自动地转移到β相和条件是
严重枝晶偏析会使铸件力学性能降低，枝晶
空隙位置有夹杂(低熔点)，抗蚀能力下降。 可利用扩散退火，在低于固相线100~200℃ 长期保温来消除枝晶偏析。
有些匀晶合金系相图具有极大或极
小点---在恒温下凝固。极大点，极 小点合金凝固时，液固相成分相同， 减少了一个确定合金状态的变量。 该合金相律公式修改为f=c-p
b/M B h= a/M A b / M B
1.4. 相图的物理意义
a.已知合金成分，根据相图找出不同温度下
合金所处的状态和相变点。 b.温度一定，合金所处的状态以及合金随成 分发生的相转变。 二元相图通常用纵坐标表示温度，横坐标表 示成分
第二节 二元相图
2.1. 二元相图的建立
形态(千姿百态) ： 片层状，棒状(条状或纤维状)， 球状(短棒状)，针片状，细螺状(实际上是层片状 共晶体的一种变态) ★影响因素：形貌受多种因素影响，其中两个组成 相的本质是主要因素 ★凝固时，液固相界面微观粗糙的相是金属相，界 面光滑的相是非金属相。
金属—金属型共晶体 (粗糙—粗糙型)组织
片层状或棒状、带状、纤维状 金属—金属和金属---金属间化合物共晶
★形核与长大：
两组成相是不会同时形核，首先形核的叶领先相，
然后两相交替生长，互相创造条件。 而且α片与α片，β片与β片常以搭桥方式互相联 系形成整体。
第四章二元合金相图PPT课件
由杠杆定律可算出在T1时液相和固相在合金中的质量 分数：
运用杠杆定律时要注意: 只适用于相图中两相区并且只能在平衡状态下使用。 杠杆定律的应用：
1、确定某一温度下两平衡相的成分 2、确定某一温度下两平衡相的相对量
（a）冷却曲线 （b）Cu-Ni相图
三、相律
相律是分析和使用相图的重要理论依据，它表示 在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平 衡相数之间的关系式。在衡压条件下，其数学 表达式为: f=c-p+1 式中 f－自由度数 c－组元数 p－平衡相数
第二节 二元合金相图的基本类型
一、匀晶相图及固溶体的结晶 Isomorphous Phase Diagrams
共晶合金组织的形态
( 机械混合物，两相交 替分布其中黑色片层为 α 相，白色基体为β 相）
（3）合金III的平衡结晶过程
（ 亚共晶合金）结晶过程分三个阶段，即匀晶反应+共晶反应 +二次结晶反应。
L
L+a初 L+a初+（ ac+βd)
a初+（ ac+βd)
（ a初+βII）+（ a+β）
合金的室温 和β。
其结晶过程与合金iii相似只是匀晶产物为初晶二次结晶产物为4合金的平衡结晶过程进化心理学综合了进化生物学的各种理论和当代心理学的研究法则主张用进化论的视野来看待和研究人格问题为人格心理学核心概念的建构提供了一个系统的框架
工程材料与热加工基础
The Fundamentals of Engineering Materials & Heat
二元合金相图
⑵ 杠杆定律
处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的 成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。
① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成
分垂线。在成分垂线相当 以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律
于温度t 的o点作水平线，
其与液固相线交点a、b所 t
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
二元合金相图
合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。 相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程
的简明图解，又称状态图或平衡图。
合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制 的一系列不同成分的合金。
组元是指组成合金的最简
单、最基本、能够独立存
L
在的物质。
温度（℃）
多数情况下组元是指组成 合金的元素。但对于既不 发生分解、又不发生任何 反应的化合物也可看作组 元, 如Fe-C合金中的Fe3C。
在分D和的相两G的一固机P区相线液定溶b械在：区分相温体混：别SL同度，合n、为L时下中形物+，结S的成、：n、由晶固这在L；出一溶两+P三两定b线个、中个成个。相+
固成固低溶线相分；而体C的和一下的EL转结DE个降溶。⇄变构三。解(称都相度C不作区随+ 相共：温D同晶)即度的转水降新变平
或共晶反应。
L
这种从液相中结晶出单一固相的 转变称为匀晶转变或匀晶反应。
成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3 时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又变 回到合金成分3上 来。
液固相线不仅是相 区分界线,也是结晶 时两相的成分变化 线；匀晶转变是变 温转变。
(2) 枝晶偏析
合金的结晶只有在缓慢冷却 条件下才能得到成分均匀的 固溶体。但实际冷速较快， 结晶时固相中的原子来不及 扩散，使先结晶出的枝晶轴 含有较多的高熔点元素（如 Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶 的枝晶间含有较多的低熔点 元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。
第二节二元合金相图
固溶线
固溶线
+
1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是 Sn% 亚共晶、过共晶合金成分分界点）等。 2）线：液相线、固相线；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。
2.共晶转变分析
T,C
L+
M
L
E
L+
N
共晶反应线 表示从M点到N点 范围的合金，在 该温度上都要发 生不同程度上的 共晶反应。
两点：纯组元的熔点 两线：L, S相线 三区：L, α, L+α。
1455
纯镍 熔点 固相线 Ni 100
液固两相区
铜-镍合金匀晶相图
2、合金的结晶过程
形核和晶粒的长大
能量起伏 、结构起伏、成分起伏
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(2)X1合金结晶过程分析（ 2％< Wsn<19％L）
T,C
T,C
1 2 183 L
3
L+
M
L
E
L+
L
L+
N
+ Ⅱ
Sn
+
g
Ⅱ
Pb
{
f 4
X1
冷却曲线 t
(3)X2合金结晶过程分析
（共晶合金）
L
T,C
T,C L
(+ )
L
183
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x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。
因此两相的相对重量百分比为：
QL
xx2 x1x2
ob ab
Q
x1x x1x2
ao ab
两相的重量比为：
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该 温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。
固两同低溶线个的；而体C成新E一下的D分固。个降溶和 相三。解结 的相度L构 转区随E 都 变⇄：温(不称即度C相作水降+ 平D)
共晶转变或共晶反应。
共晶反应的产物，即两相 的机械混合物称共晶体 或共晶组织。发生共晶 反应的温度称共晶温度。 代表共晶温度和共晶成 分的点称共晶点。
Pb原子 扩散
Fe-C二元相图
三元相图
一、二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的 是热分析法。
（1） 二元相图的建立
[以Cu-Ni合金(白铜)为例]
步骤：
1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲 线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点和 平台）的温度值。
2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。 3. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相
生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长 时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消 除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
平衡组织
枝晶偏析组织
2、二元共晶相图
当两组元在液态 下完全互溶，在 固态下有限互溶, 并发生共晶反应 时所构成的相图 称作共晶相图。
L
这种从液相中结晶出单一固相的 转变称为匀晶转变或匀晶反应。
成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3 时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又变 回到合金成分3上 来。
液固相线不仅是相 区分界线,也是结晶 时两相的成分变化 线；匀晶转变是变 温转变。
(2) 枝晶偏 合析金的结晶只有在缓慢冷却
其与液固相线交点a、b所 t
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
1
2
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1
QL x1 +
Q x2 =x
解Q方L 程 组xx22得：xx1
Qα
x x1 x2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
杠杆定律只适用于两相区。
例（如图）
Q
0.53 0.45 100% 0.58 0.45
61.5%
QL
0.58 0.58
0.53 0.45
100%
38.5%
二、二元相图的基本类型与分析
1成、，相二上图元面由匀是两晶液条相相线图线构， 下两面组是元固在相液线态。和固
相图被两条线分 为态三下个均相无区限，互液溶相时 线所以构上成为的液相相图区称L 二， 固溶元体相匀区线晶，以相两下图条为。线 之固 间为两相共存的两 相区（L+ ）。
组元是指组成合金的最简
单、最基本、能够独立存
L
在的物质。
温度（℃ ）
多数情况下组元是指组成 合金的元素。但对于既不 发生分解、又不发生任何 反应的化合物也可看作组 元, Ni） Ni
Cu-Ni合金相图
相图表示了在缓冷条件下，不同成分合金的组织随 温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热 处理工艺的重要依据。 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
以 Pb-Sn 相图为
Pb
例进行分析。
成分（wt%Sn）
Sn
Pb-Sn合金相图
③⑤⑴液共相固晶图相线分线：：水析平液线相线CEADE叫B做，
①固共相相晶：线线相。AC图ED中B。有AL、、B分、别 A
为三P在种b、共相S晶,n的线熔对是点应溶。的质温S度n在下
（Pb1中83的℃固）溶，体E，点成是分溶的
L
液相线 L
+
固相线
Cu
成分（wt%Ni）
Ni
⑴ 合金的结晶过程
除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合金 为例说明。
当 随液 温态度金 下属 降自 ， 高温固加溶温度，体冷时液重却 ， 相量到 开 重增始 量t1
结减少晶。出同成时分，为1 的液相固成溶分体沿，液其 N相i线含变量化高，于固合 金相平成均分成沿分固。相 线变化。
第四节 合金的结晶
本节要点：
1、掌握合金结晶的基本概念； 2、掌握几种基本的二元相图及其相变过程； 3、能够利用相图判定一定条件下的金属性能。
合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。 相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程
的简明图解，又称状态图或平衡图。
合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制 的一系列不同成分的合金。
应的数字和字母。
相图中，结晶开始点的连线叫液相线。 结晶终了点的连线叫固相线。
⑵ 杠杆定律
处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的 成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。
① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成
分垂线。在成分垂线相当 以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律
于温度t 的o点作水平线，
Sn原子 扩散
条件下才能得到成分均匀的 固溶体。但实际冷速较快， 结晶时固相中的原子来不及 扩散，使先结晶出的枝晶轴 含有较多的高熔点元素（如 Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶 的枝晶间含有较多的低熔点 元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。
在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的 现象称作枝晶偏析。它不仅与冷速有关，而且与液 固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。
B
④合质固金P溶b同在线时S:n结中溶晶的解出固度C溶点点体成的。分连
②线的相称区固固：溶溶相线体图。和相中D图有点中三成的个分C单的F、
在D相G一线固区定分溶：温别体度L为，、下形S，n成、在由这；一P两b三定中个个和相
成P的两b分机在相的械区S液混n：中相合的同L物+固时：溶、结L线晶+。出、+