二元合金的凝固和组织
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第五章 二元合金相图及合金的凝固
5.1 相平衡与相图 5.2 匀晶相图及固溶体合金的凝固和组织 5.3 共晶相图及共晶系合金的凝固和组织
2019/10/23
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合金
两种以上的金属或金属和非金属熔合(或烧结)在一起 而具有金属特性的物质
分二元合金、三元合金，多元合金(四元以上)
合金相图
间内不互相转化，可视之为处于“相平衡”状态。实际
上这种平衡属于动态平衡。
从微观上看，即使在平衡状态，组元仍会不停地
通过各相界面进行转移，只不过同一时间内相互迁移的
速度相等而已。
在平衡条件下，合金的组元数和相数之间存在着
一定的关系，这种关系称为“相律”。
4
5.1 相平衡与相图
根据热力学定律，化学位差是组元在各相间转移的驱动 力，组元转移会引起体系自由能变化。在、两相平衡系统 中的平衡条件为 i＝i 即平衡时，同一组元在两相中的化学位相等。
的数字和字母。
相图的表示和实验测定方法
• a）冷却曲线
b）相图
相图的表示和实验测定方法
• 组元：系统中每一个能单独分离出来并能 独立存在的均匀物质。
• 组元数(c)：决定一个相平衡系统成分所必
需的最少的组元个数。 • C=1，单元系统 • C=2，二元系统 • C=3，三元系统
相图的表示和实验测定方法
若合金中有c个组元，P个相，则它们的平衡条件为：
自由度是指不改变平衡系中 平衡相数的独立可变的因素的 数目(T、P、平衡相的浓度)。
系统的自由度为: f=C-P+2。式中C为合金系组元数，P为平
衡共存的相数，f为自由度，2表示温度与压力两个因素。
5
相律的推导
相律可由热力学相平衡条件推导， 由影响状态的可变因素减去相平衡决定 的条件数即可确定自由度数。
相图的表示和实验测定方法
• 2 相图的建立 • 建立相图的关键是要准确地测出各成分合
金的相变临界点(临界温度)。 • 测临界点的方法通常有热分析法、硬度法、
金相分析、X射线结构分折、磁性法、膨胀 法、电阻法等。
• 由于合金凝固时的结晶潜热较大，结晶时 冷却曲线上的转折比较明显，因此常用热 分析法来测合金的结晶温度，即测液相线、 固相线。
wA
②摩尔分数（x）：
RAxA RAxA RB xB
, wB
RB xB RAxA RB xB
xA
wA
/
wA / RA RA wB
/
RB
, xB
wA
/
wB / RB RA wB
f = C-P+ 2 =1- P + 2 =3- P 单组分平衡体系最多能3相共存
一个纯物质可以有许多不同的相态。例如炭： 气相、液相、固相 (无定形碳、石墨、金刚石、富 勒烯族(C60)。 但碳的相图中最多只能三相共存,不可能四相共存.
8
举例：
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相图的表示和实验测定方法
二、二元系相图
二元合金相图常用温度、成分相图，表示合金的 状态随成分和温度变化而发生变化的情况。
相图的表示和实验测定方法
• 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。
相图的表示和实验测定方法
• 二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为 例]
• 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）。
• 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，并标上相应
相：一个物系中，结构相同，成分和性能均一， 并以界面相互分开的组成部分。
合金：由两种以上的金属和非金属熔合（或烧 结）在一起而具有金属特性的物质。
组元：组成一个体系的基本单元，例如单质 （元素）和化合物。
通常把具有n个组元都是独立的体系称为n元 系，组元数为一的体系称为单元系。
相图的表示和实验测定方法
• 在相图中，任意一点都
L
叫“表象点”。
• 一个表象点的坐标值反 映一个给定合金的成分 和温度。
a o L+ Sb b
Pb + Sb
Pb 百度文库1 X
Sb（X2）
图 二元Pb-Sb合金相图
• 在相图中，由表象点所在的相区可以判定在该温 度下合金由哪些相组成。
• 二元合金在两相共存时，两个相的成分可由过表 象点的水平线与相界线的交点确定。
假定系统中有p个相，c个组元，则相组分引起的变数有p(c1)个。系统的总变数为p(c-1)＋2。 平衡条件数由热力学相平衡条件确定，在多相平衡时，组 元在各相间的化学位相等。每个组元可以写出p-1个等式，c 个组元的平衡条件总数应为c(p-1)。
系统的自由度数f=变数-条件数=P(c-1)+2-c(p-1)=c-p+2 6
相律的推导
在研究不包括气相反应在内的合金相变时
，压力的影响不大，可以忽略。相律的表达式为：
f=C-P+1
应用举例：纯金属最多只有两相平衡；二元系则 存在三相平衡，此时自由度等于零。
相律是分析、检验相图的理论基础，可以
用于指导生产实践，具有普遍指导意义。
7
相图的表示和实验测定方法
一、单元系相图 单组分体系的相律为:
用图的形式表明一个合金系的成分、温度和相态之间 的关系
研究合金中各种相结构和组织的形成和变化规律的有 效工具
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5.1 相平衡与相图
5.1.1 二元合金中存在的相
相：一个体系中结构相同、成分和性能均一， 并以界面相互分开的均匀部分。
相与相之间有界面：如冰和水; 食盐水溶液是一个相， 饱和溶液中析出食盐晶体为两个相。
有界面分开的不一定都是相，如合金中同一相的不 同晶粒。
各微区的性质并不完全相同：成分偏聚造成各微区 的成分并不完全均匀；结构缺陷也可能造成各微区 的性质并不完全相同。
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5.1 相平衡与相图
一、相平衡概念和相律
一个结构的相转变为另一种结构相的过程称为“相变 ”。
从宏观上看，如果系统中同时共存的各相在长时
相的特性： • 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； • 4.一个相可以连续成一个整体，也可以不
连续。
相图的表示和实验测定方法
3、平衡相成分的确定
二元相图中的成分按国家标准有两种表示法：
①质量分数（w）：
5.1 相平衡与相图 5.2 匀晶相图及固溶体合金的凝固和组织 5.3 共晶相图及共晶系合金的凝固和组织
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合金
两种以上的金属或金属和非金属熔合(或烧结)在一起 而具有金属特性的物质
分二元合金、三元合金，多元合金(四元以上)
合金相图
间内不互相转化，可视之为处于“相平衡”状态。实际
上这种平衡属于动态平衡。
从微观上看，即使在平衡状态，组元仍会不停地
通过各相界面进行转移，只不过同一时间内相互迁移的
速度相等而已。
在平衡条件下，合金的组元数和相数之间存在着
一定的关系，这种关系称为“相律”。
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5.1 相平衡与相图
根据热力学定律，化学位差是组元在各相间转移的驱动 力，组元转移会引起体系自由能变化。在、两相平衡系统 中的平衡条件为 i＝i 即平衡时，同一组元在两相中的化学位相等。
的数字和字母。
相图的表示和实验测定方法
• a）冷却曲线
b）相图
相图的表示和实验测定方法
• 组元：系统中每一个能单独分离出来并能 独立存在的均匀物质。
• 组元数(c)：决定一个相平衡系统成分所必
需的最少的组元个数。 • C=1，单元系统 • C=2，二元系统 • C=3，三元系统
相图的表示和实验测定方法
若合金中有c个组元，P个相，则它们的平衡条件为：
自由度是指不改变平衡系中 平衡相数的独立可变的因素的 数目(T、P、平衡相的浓度)。
系统的自由度为: f=C-P+2。式中C为合金系组元数，P为平
衡共存的相数，f为自由度，2表示温度与压力两个因素。
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相律的推导
相律可由热力学相平衡条件推导， 由影响状态的可变因素减去相平衡决定 的条件数即可确定自由度数。
相图的表示和实验测定方法
• 2 相图的建立 • 建立相图的关键是要准确地测出各成分合
金的相变临界点(临界温度)。 • 测临界点的方法通常有热分析法、硬度法、
金相分析、X射线结构分折、磁性法、膨胀 法、电阻法等。
• 由于合金凝固时的结晶潜热较大，结晶时 冷却曲线上的转折比较明显，因此常用热 分析法来测合金的结晶温度，即测液相线、 固相线。
wA
②摩尔分数（x）：
RAxA RAxA RB xB
, wB
RB xB RAxA RB xB
xA
wA
/
wA / RA RA wB
/
RB
, xB
wA
/
wB / RB RA wB
f = C-P+ 2 =1- P + 2 =3- P 单组分平衡体系最多能3相共存
一个纯物质可以有许多不同的相态。例如炭： 气相、液相、固相 (无定形碳、石墨、金刚石、富 勒烯族(C60)。 但碳的相图中最多只能三相共存,不可能四相共存.
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举例：
9
相图的表示和实验测定方法
二、二元系相图
二元合金相图常用温度、成分相图，表示合金的 状态随成分和温度变化而发生变化的情况。
相图的表示和实验测定方法
• 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。
相图的表示和实验测定方法
• 二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为 例]
• 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）。
• 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，并标上相应
相：一个物系中，结构相同，成分和性能均一， 并以界面相互分开的组成部分。
合金：由两种以上的金属和非金属熔合（或烧 结）在一起而具有金属特性的物质。
组元：组成一个体系的基本单元，例如单质 （元素）和化合物。
通常把具有n个组元都是独立的体系称为n元 系，组元数为一的体系称为单元系。
相图的表示和实验测定方法
• 在相图中，任意一点都
L
叫“表象点”。
• 一个表象点的坐标值反 映一个给定合金的成分 和温度。
a o L+ Sb b
Pb + Sb
Pb 百度文库1 X
Sb（X2）
图 二元Pb-Sb合金相图
• 在相图中，由表象点所在的相区可以判定在该温 度下合金由哪些相组成。
• 二元合金在两相共存时，两个相的成分可由过表 象点的水平线与相界线的交点确定。
假定系统中有p个相，c个组元，则相组分引起的变数有p(c1)个。系统的总变数为p(c-1)＋2。 平衡条件数由热力学相平衡条件确定，在多相平衡时，组 元在各相间的化学位相等。每个组元可以写出p-1个等式，c 个组元的平衡条件总数应为c(p-1)。
系统的自由度数f=变数-条件数=P(c-1)+2-c(p-1)=c-p+2 6
相律的推导
在研究不包括气相反应在内的合金相变时
，压力的影响不大，可以忽略。相律的表达式为：
f=C-P+1
应用举例：纯金属最多只有两相平衡；二元系则 存在三相平衡，此时自由度等于零。
相律是分析、检验相图的理论基础，可以
用于指导生产实践，具有普遍指导意义。
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相图的表示和实验测定方法
一、单元系相图 单组分体系的相律为:
用图的形式表明一个合金系的成分、温度和相态之间 的关系
研究合金中各种相结构和组织的形成和变化规律的有 效工具
2019/10/23
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5.1 相平衡与相图
5.1.1 二元合金中存在的相
相：一个体系中结构相同、成分和性能均一， 并以界面相互分开的均匀部分。
相与相之间有界面：如冰和水; 食盐水溶液是一个相， 饱和溶液中析出食盐晶体为两个相。
有界面分开的不一定都是相，如合金中同一相的不 同晶粒。
各微区的性质并不完全相同：成分偏聚造成各微区 的成分并不完全均匀；结构缺陷也可能造成各微区 的性质并不完全相同。
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5.1 相平衡与相图
一、相平衡概念和相律
一个结构的相转变为另一种结构相的过程称为“相变 ”。
从宏观上看，如果系统中同时共存的各相在长时
相的特性： • 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； • 4.一个相可以连续成一个整体，也可以不
连续。
相图的表示和实验测定方法
3、平衡相成分的确定
二元相图中的成分按国家标准有两种表示法：
①质量分数（w）：