二元相图分析

7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固 匀晶相图
固溶体的平衡凝固
固溶体的非平衡凝固
匀晶相图
由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀转变，绝大多数的 二元相图都包括匀晶转变。有些二元合金，如Cu-Ni，AuAg，Au-Pt等只发生匀晶相变；有些二元陶瓷如Nio-CoO， CoO-MgO,NiO-MgO等也只发生匀晶相变。
DC 66 . 3 − 10 . 5 PC 66 . 3 − 42 . 5 ω (α ) = × 100 % = × 100 % = 42 . 7 % DC 66 . 3 − 10 . 5
式中ω(L)和ω(α)分别表示 液相和固相在包晶反应时的质量 分数。包晶转变结束后，液相和α相反应正好全部转变为β 分数。包晶转变结束后， 固溶体。 固溶体。
包晶合金的凝固及其平衡组织
包晶合金的非平衡凝固
包晶相图
组成包晶相图的两组元，在液 态可无限互溶而在固态只能部 分互溶。在二元相图中，包晶 转变就是已结晶的固相与剩余 液相反应形成另一固相的恒温 转变。具有包晶转变的二元合 金有Fe-C,Cu-Zn,Ag-Sn, AgPt等。Pt-Ag相图是具有包晶 转变相图中的典型代表。 下面我们就以Pt-Ag相图 相图来说 相图 明包晶相图的一些特点，以期 对包晶相图能有一些了解: AD.PB线:固相线 DE线:Ag在Pt为基的α固溶体的溶解度曲线 DPC包晶转变线成分在DC范围内 ACB:液相线 的合金在该温度都将发生包晶转变 PF线:Ag在Pt为基的β固溶体的溶解度曲线 C D P 包晶转变是恒温转变P点包晶点
包晶合金的非平衡凝固
ω (aM ) =百度文库
×100% =
×100% = 45.4%
亚共晶合金
最终室温组织为a 最终室温组织为 初+(a+ β)+ βⅡ
过共晶合金
成分位于E,N两点之间的合金。其平衡凝固过程及 两点之间的合金。 成分位于 两点之间的合金 平衡组织与亚共晶合金相似，只是初相为β固溶体 平衡组织与亚共晶合金相似，只是初相为 固溶体 而不是a固溶体 而不是 固溶体
随着温度继续下降，由于 在 相中的溶解度随温度降低而沿 线减小， 相中的溶解度随温度降低而沿PF线减小 随着温度继续下降，由于Pt在β相中的溶解度随温度降低而沿 线减小， 因此将不断从β固溶体中析出 Ⅱ 于是该合金的室温平衡组织为β+αⅡ。 因此将不断从 固溶体中析出αⅡ。于是该合金的室温平衡组织为 固溶体中析出 Ⅱ 凝固过程如下图所示： 凝固过程如下图所示：
时才产生固相的形核 和长大过程， 和长大过程，此时结 晶出来的固溶体成分 接近于Ｃ． Ｃ．随温度继 接近于Ｃ．随温度继 续降低， 续降低，固相成分沿 固相线变化， 固相线变化，液相成 分沿液相线变化． 当冷却到t 温度(1210℃) 当冷却到 3温度 ℃ 时,此时固溶体成分即为 此时固溶体成分即为 原合金成分,它和最后一 原合金成分 它和最后一 滴液体(成分为 成分为G)形成平 滴液体 成分为 形成平 当温度略低于t 衡.当温度略低于 3温度 当温度略低于 时,最后一滴液体也结晶 最后一滴液体也结晶 成固溶体.合金凝固完毕 成固溶体 合金凝固完毕 后,得到的是单相均匀固 得到的是单相均匀固 溶体. 溶体
Cu-Ni相图及 相图及NiO-MgO相图 相图及 相图
固溶体的平衡凝固
平衡凝固是指凝固过程中的每个阶段都能达到平衡，即 在相变过程中有充分的时间进行组元间的扩散，以达到 平衡相的成分．现以w(Ni)为30%的Cu-Ni合金为例来描 述平衡凝固过程． 合金需略低于t 合金需略低于 温度
1
为了在液相内形成结晶核 需要做表面功， 心，需要做表面功，同时 在合金系中形成晶核的成 分与原合金的成分不同， 分与原合金的成分不同， 存在一定的自由能差， 存在一定的自由能差，所 以需要有一定的过冷 度．
共晶合金
该合金从液态缓冷至183℃时，液相LE同时结晶出 和β两种固溶体，这 ℃ 两种固溶体， 该合金从液态缓冷至 液相 同时结晶出a和 两种固溶体 一过程在恒温下进行，直到凝固结束此时结晶出的a和 相的相对量可用 一过程在恒温下进行，直到凝固结束此时结晶出的 和β相的相对量可用 杠杆法则计算： 杠杆法则计算： EN 97.5 − 61.9
由L相中开始 相中开始 析出,a相的开 析出 相的开 始线 由L相中开始 相中开始 析出,b相的开 析出 相的开 始线
共晶温 度线
Pb-Sn相图 相图
共晶合金的平衡凝固及其组织
现以Pb-Sn为例讨论各种典型成分合金 的平衡凝固及其显微组织
a.w(Sn)<19%的合金 b.共晶合金 c.亚共晶合金 d.过共晶合金
第七章 二元系相图及其 合金的凝固
制作人：070207030 刘香君
7.3 二元相图分析
• • • • • • • • 7.3.1 匀晶相图和下一张幻灯片固溶体凝固 7.3.2 共晶相图及其合金凝固 7.3.3 包晶相图及其合金凝固 7.3.4 溶混间隙相图与调幅分解 7.3.5 其它类型的二元相图 7.3.6 复杂二元相图的分析方法 7.3.7 根据相图推测合金的性能 7.3.8 二元相图实例分析
固溶体的非平衡凝固
固溶体的凝固依靠组元的扩散,要达到平衡凝 固,必须有足够的时间使扩散充分进行.但在工业 生产中,合金溶液浇涛后的冷却速度较快,在每一 温度下不能保证足够的扩散时间,使凝固过程中 偏离了平衡条件,这称为非平衡凝固.在非平衡凝 固中,液.固两相的成分将偏离平衡相图中的液相 线和固相线.
当冷却到t 温度（ 当冷却到 2温度（1220℃) ℃ 由联结线EF与液 时,由联结线 与液 固相 由联结线 与液.固相 线相交点可知,液相线成分 线相交点可知 液相线成分 （Ｎi） 为E,w（Ｎ ）约为 （Ｎ 约为24%,而 而 固相线成分为F, （Ｎ （Ｎi） 固相线成分为 w（Ｎ ） 约为36%. 约为
b.42.4%＜ (Ag)＜66.3%的Pt-Ag合金 b.42.4%＜ω(Ag)＜66.3%的Pt-Ag合金(合 合金( 金Ⅱ)
合金Ⅱ缓冷至包晶转变前的结晶过程与上述包晶成分合金相同，由于合金Ⅱ 合金Ⅱ缓冷至包晶转变前的结晶过程与上述包晶成分合金相同，由于合金Ⅱ 是的液相的相对量大于包晶转变所需的相对量，所以包晶转变后， 是的液相的相对量大于包晶转变所需的相对量，所以包晶转变后，剩余的液 相在继续冷却过中，将按匀晶转变方式继续结晶出β 其杨分沿CB CB液相线 相在继续冷却过中，将按匀晶转变方式继续结晶出β相，其杨分沿CB液相线 变化， 相的成分沿PB线变化，直至t 温度全部凝固结束， PB线变化 变化，而β相的成分沿PB线变化，直至t3温度全部凝固结束，β相成分为原 温度之间，单相β无任何变化。 温度以下， 合金成分。 合金成分。在t3至t4温度之间，单相β无任何变化。在t4温度以下，随着温 度下降，将从β相中不断地析出α 因此，该合金的室温平衡组织为β 度下降，将从β相中不断地析出αⅡ。因此，该合金的室温平衡组织为β + αⅡ
w(Sn)<19%的合金 w(Sn)<19%的合金
的合金由液相冷却至t 当w(Sn)=10%的Pb-Sn的合金由液相冷却至 1温度时， 的 的合金由液相冷却至 温度时， 开始结晶a固溶体 当冷却至t 固溶体。 开始结晶 固溶体。当冷却至 2温度时 ，凝固结 束， 全部为单相a固溶体 固溶体， 温度之间， 全部为单相 固溶体，在t2至t3温度之间，固溶体 不发 生任何变化，当冷却至t 温度以下时， 生任何变化，当冷却至 3温度以下时，有多余的 Sn以 以 β固溶体形式从 固溶体析出，即为次生 固溶 体，用 固溶体形式从a固溶体析出 固溶体形式从 固溶体析出，即为次生β固溶 βⅡ表示。随着温度变化，a和βⅡ相平衡成分将分别沿 表示。随着温度变化， 和 着MF和NG溶解曲线变化 和 溶解曲线变化
L +α → β
包晶合金的凝固及其平衡组织
a.w(Ag)为42.4%的Pt-Ag合金 为 的 合金
合金相图可知, 由Pt-Ag合金相图可知,合金自高温液态冷至 1温度时与 合金相图可知 合金自高温液态冷至t 液相线相交,开始结晶出初生相α 在继续冷却的过程中, 液相线相交,开始结晶出初生相α.在继续冷却的过程中, 固相量逐渐增多，液相量不断减少, α固相量逐渐增多，液相量不断减少,α相和液相的成分 分别沿固相线AD和液相线AC变化。 AD和液相线AC变化 分别沿固相线AD和液相线AC变化。当温度降至包晶反应 温度1186 1186℃ 合金中初生α的成分达到D 温度1186℃时，合金中初生α的成分达到D点，液相成分 达到C 达到C点。在开始进行包晶反应时的两相的相对量可由杠 杆法则求出： 杆法则求出： L ) = DP × 100 % = 42 .5 − 10 .5 × 100 % = 57 .3 % ω(
在大多数情况下，由包晶反应所形成的β相倾向于依附初生相α 在大多数情况下，由包晶反应所形成的β相倾向于依附初生相α的表面形 以降低形核功，并消耗液相和α相而生长。 相被新生的β 核，以降低形核功，并消耗液相和α相而生长。当α相被新生的β相包围 以后， 相就不能直接与液相L接触。 Pt-Ag合金相图可知 液相中的Ag 合金相图可知， 以后，α相就不能直接与液相L接触。由Pt-Ag合金相图可知，液相中的Ag 含量较β相高， 相的Ag含量又比α相高，因此，液相中Ag Ag含量又比 Ag原子不断通 含量较β相高，而β相的Ag含量又比α相高，因此，液相中Ag原子不断通 相向α相扩散， 相的Pt原子以反方向通过β相向液相扩散， Pt原子以反方向通过 过β相向α相扩散，而α相的Pt原子以反方向通过β相向液相扩散，这一 过程示于右图中。这样， 相同时向液相和α相方向生长， 过程示于右图中。这样，β相同时向液相和α相方向生长，直至把液相和 相全部吞食为止。由于β 包围初生相α α相全部吞食为止。由于β相是在 包围初生相α，并使之与液相隔开的 形式下生长的，故称之为包晶反应。 形式下生长的，故称之为包晶反应。
c.10.5%＜ c.10.5%＜ω(Ag) ＜42.4%的Pt-Ag合金(合 42.4%的Pt-Ag合金 合金( 金Ⅲ)
合金Ⅲ在包晶反应前的结晶情况与前述情况相似。包晶转变前合金中α 合金Ⅲ在包晶反应前的结晶情况与前述情况相似。包晶转变前合金中α 相的相对量大于包晶反应所需的量，所以在包晶反应后， 相的相对量大于包晶反应所需的量，所以在包晶反应后，除了新形成的 相外，还有剩余的α相存在。包晶温度以下， 相中将析出α β相外，还有剩余的α相存在。包晶温度以下，β相中将析出αⅡ,α 相中析出βⅡ 因此该合金的室温平衡组织为α βⅡ, 相中析出βⅡ,因此该合金的室温平衡组织为α+β+ αⅡ+ βⅡ
非平衡凝固时液.固两相的成分变化的示意图
7.3.2 共晶相图及其合金凝固
共晶相图共晶相图 共晶相图共晶相图
共晶合金的非平衡凝固
共晶合金的平衡凝固及其组织
共晶相图
组成共晶相图的两 组元,在液态下可无 限互溶,甚至完全不 溶.两组元的混合使 合金的熔点比各组 元低,因此,液相线从 两端纯组元向中间 凹下,两条液相线的 交点所对应的温度 称为共晶温度.在该 温度下,液相通过共 晶凝固同时结晶出 两个固相,这样的混 合物称为共晶组织 或共晶体.
MN 97.5 − 19 ME 61.9 − 19 ω ( βN ) = ×100% = ×100% = 54.6% 97.5 − 19 MN
继续冷却时，共晶体中的 相和 相将沿MF和 溶解曲线 相和β相将沿 继续冷却时，共晶体中的a相和 相将沿 和NG溶解曲线 变化而改变溶解度， 中分别析出β 变化而改变溶解度，从a和β中分别析出 Ⅱ和aⅡ。 和 中分别析出
共晶合金的非平衡凝固
伪共晶 在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过
共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这 种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为 伪共晶
非平衡共晶组织 某些合金在平衡凝固条件下获
得单相固溶体，在快冷时可能出现少量的非平 衡晶体，如离异共晶 .
7.3.3 包晶相图及其合金凝固
包晶相图