第三章 二元合金相图和二元合金的结晶

第三章二元合金相图和二元合金的结晶

§1 概述

一、合金系

由一定数量的组元配制成的不同成分的一系列合金组成的系统，称合金系。两个组元的称二元合金系，三个组元的称三元合金系。例如,Cu-Ni是二元合金系，而Pt-Pd-Rh是三元合金系。

二、什么是合金相图

合金相图是表示平衡状态下合金系的合金状态和温度、成分之间关系的图解。该定义中，“平衡状态”是指一定条件下，合金自由能最低的稳定状态；而“合金状态”是指合金由哪些相组成，各相的成分及其相对含量是多少。

三、合金相图的作用

利用合金相图可以了解各种成分的合金，在一定温度的平衡条件下，存在哪些相、各相的成分及其相对含量。但它不能指出相的形状、大小和分布状况，即不能指出合金的组织状况。尽管如此，如果能把相图和相变机理、相变动力学结合起来，那么相图便可成为分析组织形成和变化的有利工具，成为金属材料生产、科研的重要参考资料，因此，相图是金属学的重要内容之一。

§2二元合金相图的建立

一. 二元合金相图的表示方法

1.用平面坐标系表示二元合金系

物质的状态通常由成分、温度和压力三个因素确定。由于合金的熔炼、结晶都是在常压下进行的，所以，合金的状态可由成分和温度两个因素确定。对于二元合金系来说，一个组元的浓度一旦确定，另一个组元的浓度也随之而定，因此成分变量只有一个，另一个变量是温度，所以用平面坐标系就可以表示二元合金系。通常用纵坐标代表温度，横坐标代表成分。成分多用重量百分比来表示。（如图3.1所示），横坐标的两个端点A、B代表组成合金的两个组元。

2.二元合金相图中的表象点和表象线

在二元合金相图中，平面上任意一点称为表象点。其坐标值表示合金的成分和温度。例如图中的E点表示合金由40%的B组元和60%的A组元组成，合金的温度为500℃。

在二元相图上，过合金成分点的垂线，称合金的表象线。

二. 二元合金相图的测定方法

建立相图的方法有两种：实验测定和理论计算。目前使用的相图大多是用实验方法建立的。实验方法有多种，如：热分析法、金相法、膨胀法等。现以Cu—Ni合金为例，介绍用热分析法测定二元合金相图的过程。

三.相律及其应用

1.相律

相律是表示平衡状态下，系统自由度数、组元数和相数三者之间的关系的定律，它可用下列数学表达式来表示：

c

f

=p

2

+

-

式中c ——合金系的组元数。

p ——平衡条件下相的数目。

“2”——温度和压力两个因素。

f ——自由度数，它表示合金系中在保持相数不变的条件下，可以改变的影响合金状态

的内部和外部因素。

2. 相律的作用

相律是建立相图的基础，是检验、分析和使用相图的重要工具。测定的相图是否正确，要用相律来检验，分析和使用相图时，也要用到相律。

3. 相律在二元相图中的应用

合金的熔炼、加工一般是在常压下进行的，相律可写为1+-=p c f 。对二元合金，相律为：P p f -=+-=312。这说明二元合金中，相的数目最多为3（因为自由度最小值为0）。所以，二元相图中有单相区、两相区和三相区。

● 单相区 当合金中只有一个相时，相数1=p 时，自由度213=-=f 。这说明，温度和成分两个变量的独立变化不会影响合金以单相形式存在，也就是说，单相区应是一个成分、温度独立变化的区域，它在相图上表现为一块面积。如Cu —Ni 合金中的固相区和液相区。 ● 两相区 当合金中有两个相时，相数2=p 时，自由度1=f 。这说明两相区中两相平衡只能有一个独立变量。若温度确定了，则0=f ，两相的成分也确定了；反之，若两相的成分确定了，温度也随之而定，也就是说：温度和成分的关系是一一对应的。温度改变，两个相的成分也要改变。这就意味着，随温度的变化，两相成分在相图上表现为两条曲线，例如Cu —Ni 相图中的固相线和液相线，由这两条曲线围成的区域称为固液两相区。在平衡状态下，表象点处于两相区内的合金都由两相组成。若温度一定，两相的成分可以确定。以Cu —Ni 合金为例说明如何确定，具体做法是：过合金表象点做等温水平线和液相线、固相线有两个交点A 、B ，线段AB 称为连接线，A 、B 两点在横轴上对应的成分B A C C ,就是液、固两相的成分。

● 三相区 当合金由三相组成时，相数3=p ，自由度0=f ，这说明三相区的温度是固定不变的，并且三个平衡相的成分也是固定不变的，所以，三个相的成分点只能在一条等温水平线上。把三个成分点的等温水平线称为三相区。

四. 杠杆定理——两相区中两个平衡相的定量法则

杠杆定律是用于求已知成分的二元合金在某温度处于两相区时，两个平衡相的成分和相对量。例如：在图3.3中，要求成分为C 的Ni Cu -二元合金在温度1T 时，固相α、液相L 两个平衡相的成分和相对量。具体做法是这样的：

（1） 做连接线确定两个平衡相的成分 过1T 温度做等温水平线交液相线和固相线于b

a ,两点，直线a

b 称为连接线。b a ,两点在横轴上所对应的成分L C 、αC 就是液固两个

个平衡相的成分。

（2） 用杠杆定律确定两个平衡相的相对量（证明略）

⨯--==⨯--==L

L L L C C C C ab ar C C C C ab br αβααωω%;100%100 注意：杠杆定律只适用于在两相区确定合金中两平衡相的成分和相对量。单相区只有一个相，不存在相对量的问题；而三相区有三个相，杠杆定律无法确定。

§3 二元匀晶相图和固溶体的结晶

一、二元匀晶相图和匀晶转变

两组元在液态和固态都无限互溶的二元合金相图，称为二元匀晶相图。如Cu —Ni 、Ag —Au 二元合金相图都是二元匀晶相图。这类合金结晶时从液相中结晶出来的都是固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。

现以Cu —Ni 合金相图为例介绍匀晶相图的结构。如图3.5所示，上边一条曲线称液相线，下边一条曲线称固相线，两曲线将相图分为三个区域：液相线以上的区域称液相区，固相线以下的区域称固相区，两曲线围成的区域液固两相区，Cu T 和Ni T 分别是纯铜和纯镍的平衡熔点。

二、 固溶体合金的平衡结晶

1. 平衡结晶的定义

平衡结晶是指在结晶过程中，液、固两相成分均匀一致，并分别沿相图的液相线和固相线变化，这只有在极缓慢的冷却条件下才能实现。

2. 平衡结晶过程

现以Cu —Ni 合金相图为例说明固溶体平衡结晶过程，体会为什么只有在极缓慢的冷却条件下才能实现。

如图所示，设成分为0C 的固溶体冷却至液相线以下1T 温度开始结晶。过1T 温度做等温水平线，分别和液相线、固相线交于1L 、1α。1α为结晶出来的固相成分，1L 为此时液相的成分，它们都不同于原始合金的成分，溶质镍在固、液两相中进行了分配。此时，固、液两个平衡相的相对量可用杠杆定理求出，分别为：

1

101

1110;L C C C L C L C L --=--=ϖωα 若温度保持1T 不变，则固、液两相的成分不变，相对量也不变，结晶便停止了。

当温度降至2T 时，结晶出的固相成分2α，它是依附在1α固相上生成的（如图所示）。显然，1T 和2T 温度结晶出的固相成分是不相同的，整个固相的成分不均匀。固相成分的均匀化是通过原子扩散进行的，扩散不仅发生在固相中，也发生在液相中和固、液两相之间。而原子的扩散，尤其在固相中是相当缓慢的，其成分均匀化需要很长的时间。只有当固、液