7.3 二元相图分析(1)
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二元系相图基本类型介绍及分析(自己整理)
图 4 二元连续固溶体相同的两种特殊情况(a)具有最高熔点的二元连续固溶体相 图; (b)具有最低熔点的二元连续固溶体相图
②形成不连续固溶体的二元系统相图
溶质只能以一定的限量溶入溶剂,超过限度便会出现第二相,这种固溶体称 为不连续(也称部分互溶或有限互溶)固溶体。在 A,B 两组元形成有限固溶体 系统中,以 SA(B)表示 B 组元溶解在 A 晶体中所形成的固溶体,SB(A)表示 A 组元 溶解在 B 晶体中所形成的固溶体。根据无变量点性质的不同,这类相图又可以 分为具有“低共熔点”和具有“转熔点”两种类型。 1)具有“低共熔点”的有限固溶体的二元系统相图(共晶体系)
LE S A(B) (C) SB(A) (D)
aCF 是不同温度下,B 在 A 中的溶解度曲线,bDG 是不同温度下,A 在 B 中的溶解度曲线。C 点表示了组元 B 在组元 A 中的最大固溶度,D 点则表示了 组元 A 在组元 B 中的最大固溶度。相图中的六个相区里有三个单相区和三个二 相区。 将熔体 M 冷却到 T1 温度,液相对固溶体 SB(A)饱和,并从 L1 液相中析出组 成为 S1 的溶体 SB(A)。继续冷却,液相点沿着液相线向 E 点移动,固相点沿着固 相线从 S1 向 D 点移动。 当到达低共熔温度 TE 时,进行“低共熔过程”,从液相 LE 中“同时”析出 组成为 C 的固溶体 SA(B)和组成为 D 的固溶体 SB(A),系统进入三相平衡状态, P=3。根据二元相图中的相律 F=3-P 可知,此时 F=0,系统的自由度(组分,温 度,压力等)为零,体系没有可变因素,即温度不能变,液相的组分也不能变。 而现在系统中有相的数目为 3 个(液相 LE,固相 SA(B),和固相 SB(A)) 。因
图 1 形成连续固溶体的二元系统相图
二元相图的分析和使用
31
本章小结与习题讨论课
1 分析下列说法是否正确及其原因。 (1) 铁素体与奥氏体的主要区别是含碳量不同。 (2) 正温度梯度下,纯金属与固溶体合金凝固时都以平面状生长。 (3) 在二元相图中,杠杆定律不仅适用于两相区,而且也能用于计算三 相平衡时相的含量。 (4) 绑扎物件一般用高碳钢丝,而起重机吊重物用铁丝。 (5) 1050℃时含碳0.4%的钢可进行锻造,而含碳4%的白口铸铁难以锻造。
4 平衡结晶过程及其组织
(1)典型合金(7种)的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其 相对量计算。 工业纯铁结晶过程(+Fe3CⅢ,三次渗碳体最大量计算)
13
第六节 铁碳合金相图
4 平衡结晶过程及其组织
( 1 )典型合金( 7 种)的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及 其相对量计算。 共析钢结晶过程 P(+Fe3C)
21
第六节 铁碳合金相图
5 含碳量对平衡组织和性能的影响
(1)对平衡组织的影响(随C%提高)
组织:α+Fe3CⅢ
相:α减少,Fe3C增多;
Ld`+Fe3CⅠ;
共析Fe3C(层片状)
Fe3C形态:Fe3CⅢ(薄网状、点状)
Fe3CⅡ(网状)
共晶Fe3C(基体)
Fe3CⅠ(粗大片状)。
22
第六节 铁碳合金相图
28
第八节 铸锭组织及其控制
1 铸锭组织
(2)组织控制
受浇铸温度、冷却速度、 化学成分、变质处理、
机械振动与搅拌等因素
影响。
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
29
二元相图分析
ω (aM ) =
×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
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。
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
二元系相图及其合金的凝固
图7.5 具有极小点与极大点的相图 (a)具有极小点 (b) 具有极大点
2.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时间进行组 元间的扩散,以达到平衡相的成分。 固溶体的凝固过程与纯金属一样,也包括 形核与长大两个阶段,但由于合金中存在第二 组元,使其凝固过程较纯金属复杂。例如合金 结晶出的固相成分与液态合金不同,所以形核 时除需要能量起伏外还需要一定的成分起伏。 另外,固溶体的凝固在一个温度区间内进行, 这时液、固两相的成分随温度下降不断地发生 变化,因此,这种凝固过程必然依赖于两组元 原子的扩散。
c.亚共晶合金
在图7.6中,成分位于M,E两点之间的 合金称为亚共晶合金,因为它的成分低于 共晶成分而只有部分液相可结晶成共晶体。 室温组织通常可写为 α初+(α+β)+βII,甚至 可写为α初+(α+β)。
d.过共晶合金
成分位于E,N两点之间的合金称为过 共晶合金。其平衡凝固过程及平 衡组织与亚共晶合金相似,只是初生相为β 固溶体而不是α固溶体。室温时的组织为β 初+(α+β)。
合金III在包晶反应前的结晶情况与上述 情况相似。包晶转变前合金中a相相对量大 于包晶反应所需的量,所以包晶反应后, 除了新形成的b相外,还有剩余的a相存在。 包晶温度以下,b相中将析出aII,而a相中 析出bII,因此该合金金的室温平衡组织为 a+b+aII+bII,
3.包晶合金的非平衡凝固
如前所述,包晶转变的产物b相包围着 初生相a,使液相与a相隔开,阻止了液相 和a相中原子之间直接地相互扩散,而必须 通过b相,这就导致了包晶转变的速度往往 是极缓慢的. 显然,影响包晶转变能否进行 完全的主要矛盾是所形成新相b内的扩散速 率。
chap7-2 Binary Alloy Phase Diagram and Solidification
Xinjiang University
Materials Science and Engineering, Dr. Q. Li
2017/3/23
§7.3.1 匀晶相图及其凝固过程
Cu-Ni匀晶相图 Cu: fcc, rcu=1.57 A, Tm=1358 K; Ni: fcc, rNi=1.62 A, Tm=1726 K。 Cu和Ni在液态和固态能完全互溶,请尝试画出不同 温度下它们的自由能-成分曲线,并由此画出它们的 相图。
合金的性能取决于合金的组织,而合金组织与相图有 关,所以可根据相图预测合金平衡状态下的一些 性能。 包括:
使用性能(力学性能、物理性能等) 工艺性能(合金的铸造 、压力加工 、切削加工 、热处
理 强化性能)
Xinjiang University
Materials Science and Engineering, Dr. Q. Li
Cu15% 40% 55% Cu-Ni相图
Xinjiang University
冷却曲线
Materials Science and Engineering, Dr. Q. Li
§7.3.1 匀晶相图及其凝固过程
2. 匀晶系的凝固(以Cu-Ni合金为例)
② 非平衡凝固
凝固速度不是无限慢,固相中的扩散无法彻底进行, L T 则此时的凝固将偏离平衡相图,称为非平衡凝固。
2. 共晶组织
(a) 片层状共晶
(b) 棒状共晶
共晶组织示意图
Xinjiang University Materials Science and Engineering, Dr. Q. Li 2017/3/23
二元相图分析
a
2
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
a
3
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, Au-Ag,Au-Pt等只发生匀晶相变;有些二元陶瓷如NioCoO,CoO-MgO,NiO-MgO等也只发生匀晶相变。
a
当冷却到t3温度(1210℃) 时,此时固溶体成分即为 原合金成分,它和最后一 滴液体(成分为G)形成平 衡.当温度略低于t3温度 时,最后一滴液体也结晶 成固溶体.合金凝固完毕 后,得到的是单相均匀固 溶体.
5
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.
下面我们就以Pt-Ag相图来说 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 ACB:液相线 PF线:Ag在Pt为基的β固溶体的溶解度曲线 包晶转变是恒温转变P点包晶点
a
DPC包晶转变线成分在DC范围内的 合金在该温度都将发生包晶转变
a
6
非平衡凝固时液.固两相的成分变化的示意图
a
7
7.3.2 共晶相图及其合金凝 固
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
a
8
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.
第四章 二元相图(1)
图 表明k0的示意图 (a) k0<0 ; (b) k0>1
(1)平衡冷却时固相的溶质分布
图 固溶体长大机制的模型
形核→相界平衡→扩散破坏平衡→长大→相界平衡
(2)三种混合状态下的溶质分布
液相完全 不混合 液相完全 混合
液相部分 混合
图 三种混合状态下溶质分布
图 定向凝固后得到的溶质分布曲线 a-平衡凝固,b-液相完全混合 c-液相完全不混合,d-液相部分混合
4.2.1 匀晶相图
1.相图分析 由液相结晶出单相固溶体的 过程称为匀晶转变。
L
两组元在液态无限溶解,在 固态无限固溶,并且发生匀 晶反应的相图,称为匀晶相 图。
匀晶转变动画
图 Cu-Ni相图
2.固溶体合金的平衡凝固及组织
当合金缓慢冷却至l1点以前时,均为单一的液相; 冷却到l1点时,开始从液相中析出α固溶体,冷却到α4点 时,合金全部转变为α固溶体; 若继续从α4点冷却到室温,为单一的α固溶体。
温度 成分
L
质量分数
α
变化趋势 成分 质量分数 变化趋势
t1
t2 t3
l1
l2 l3
100%
2 X 0 2 l2 3 X 0 3 l3
α
α α
1
0%
X 0 l2 2 l2 X 0 l3 3 l3
2
3
α 4 t4 l4 0% 100% 在液固两相共存区,随着温度的降低,液相的量不断减少, 固相的量不断增多,同时液相的成分沿液相线变化,固相 成分沿固相线变化。
2.Pb-Sn合金的平衡凝固 (1)端部固溶体合金(10%Sn-Pb合金)
图 10%Sn-Pb 合金凝固过程示意图
7.3.1二元匀晶相图
通常将固溶体中析出另一种固相的过程称 为脱溶转变,脱溶转变的产物一般称为次 生相或二次相。次生相β固溶体用βⅡ表示, 以区别从液相中直接凝固出的β固溶体。由 于次生相是从固相中析出的,而原子在固 相中的扩散速度慢,所以次生相一般都较 细小,并分布在晶界上或固溶体的晶粒内 部。由上述分析可知该合金在室温时的组 织为α+βⅡ,见图7.27。图中黑色基体为α相, 白色颗粒为βⅡ相。图7.28为该合金的平衡 凝固过程示意图。
2.共晶合金(61.9%Sn-Pb)
由相图可以看出共晶合金②从液态缓慢冷却到tE 温度时, 在恒温下从液相中同时结晶出两个成分不 同的固相,即发生共晶转变LE→αM+βN (L61.9%→α19%+β97.5% )由于发生共晶转变时是 三相平衡,所以可以用相律证明它是在恒温下进行 的。共晶转变在恒温下一直进到液相完全消失,继 续冷却αM 和βN分别析出次生相βⅡ 和αⅡ,成分分 别沿着MF和NG线变化。 由于析出的αⅡ和βⅡ与 共晶体中的α和β常常混合在一起,所以在显微镜下 很难分辨。因此该合金在室温时的组织一般认为 是由(α+β) 共晶体组成。
图7.29 铅锡共晶合金的显微组织 200×
图7.30 共晶合金凝固过程示意图
合金的显微组织: 是指在金相显微镜下能够 观察到的组成部分。 共晶合金的显微组织是由α和β两相组成,所以 它的相组成物为α和β两相。 相组成物:是指组成合金显微组织的基本相。 组织组成物: 是指合金在结晶过程中,形成的 具有特定形态特征的独立组成部分。 如共晶合金的组织组成物为100%的( α + β ) 共晶体。 而相组成物的相对量可用杠杆定律计算 。
二元系相图
共晶温度eutectic temperature ——TE
(2)平衡凝固及其组织
Pb-Sn相图
①w(Sn)≤19%的合金Ⅰ
室温下 相组成物 , 组织组成物
4f 相对量 w 100 % fg
f4 w 100 % fg
②共晶合金 合金Ⅱ w(Sn)=61.9%
(1)相图分析
液相线
固相线
固溶线
(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 3个两相区 L, α , β L+α ,L+β , α +β
1个三相区
L+α +β (水平线DPC)
wL w 1 C 1 C wLCL w
由以上两式可以得出
w ob C C L w ao C C L
杠杆定律
杠杆定律解决某一成分的合金在某一温度下的相组成。
一垂线:成分线。 一水平线:温度线。 三点:原始成分点:垂线与成分 线的交点。 两个组成相成分点:水平 线与相界线的交点。 注意:
室温平衡组织
合金Ⅰ
合金Ⅱ
合金Ⅲ
合金Ⅰ、合金Ⅱ(共晶合金)、合金Ⅲ(亚共晶合金) 室温平衡组织
3.包晶相图(Peritectic Phase Diagram)
包晶反应
T P L C D P
在一定温度下,由一固定成分的液相与一个 固定成分的固相作用,生成另一个成分固相的 反应,称为包晶反应。 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。
t e L ( ) e c d
第七章 二元相图及其合金的凝固
枝晶偏析对合金的力学性能影响较大。枝晶偏析程度大小 与铸造时冷却条件、原子的扩散能力,相图形状有密切关 系: •(1)冷却速度:在其它条件不变时,V冷越大,晶内偏析程 度严重,但得到枝晶较小。如果冷速极大,致使偏析来不 及发生,反而又能够得到成分均匀的铸态组织。 •(2)合金的结晶范围:偏析元素在固溶体中扩散能力越小, 相图上液、固相线间距离的间隔愈大,形成树枝晶状偏析 的倾向愈大。 要 消 除 枝 晶 偏 析 采 用 均 匀 化 退 火 ( 扩 散 退 火 diffusion annealing)
果。会几种典型Fe-C合金的冷却过程分析。熟练杠杆定律 在Fe-C合金中的应用。 • 组织组成物及相组成物。
重点与难点
重点: • 1 组元、相、组织、组织组成物、铁素体、奥氏体、珠光
体、莱氏体 、渗碳体等基本概念; • 2 多相平衡成分确定的公切线方法; • 3 掌握分析相图的基本方法; • 4 熟记铁碳相图,弄清重要温度与成分点、重要线意义;
7.2.1 固溶体的自由能-成分曲线
固溶体的自由能为
G xAA xBB xAxB RTxA ln xA xB ln xb
G
Hm
TSm
式中,xA和xB分别表示A,B组元的摩尔分数;uAº和uBº分 别表示A,B组元在T(K)温度时的摩尔自由能;R是气体常
• 当Ω <0,由(7.4)式可知,A-B对的能量低于A-A和B-B对的 平 均能量,所以固溶体的A,B组元互相吸引,形成短程有序分 布,在极端情况下会形成长程有序,此时ΔHm<0。
• 当Ω =0,A-B对的能量等于A-A和B-B对的平均能量,组 元的配置是随机的,这种固溶体称为理想固溶体,此时 ΔHm =0。
• 当Ω >0,A-B对的能量高于A-A和B-B对的平均能量,意 味着 A-B对结合不稳定,A,B组元倾向于分别聚集起来, 形成偏聚状态,此时ΔHm >0。
果。会几种典型Fe-C合金的冷却过程分析。熟练杠杆定律 在Fe-C合金中的应用。 • 组织组成物及相组成物。
重点与难点
重点: • 1 组元、相、组织、组织组成物、铁素体、奥氏体、珠光
体、莱氏体 、渗碳体等基本概念; • 2 多相平衡成分确定的公切线方法; • 3 掌握分析相图的基本方法; • 4 熟记铁碳相图,弄清重要温度与成分点、重要线意义;
7.2.1 固溶体的自由能-成分曲线
固溶体的自由能为
G xAA xBB xAxB RTxA ln xA xB ln xb
G
Hm
TSm
式中,xA和xB分别表示A,B组元的摩尔分数;uAº和uBº分 别表示A,B组元在T(K)温度时的摩尔自由能;R是气体常
• 当Ω <0,由(7.4)式可知,A-B对的能量低于A-A和B-B对的 平 均能量,所以固溶体的A,B组元互相吸引,形成短程有序分 布,在极端情况下会形成长程有序,此时ΔHm<0。
• 当Ω =0,A-B对的能量等于A-A和B-B对的平均能量,组 元的配置是随机的,这种固溶体称为理想固溶体,此时 ΔHm =0。
• 当Ω >0,A-B对的能量高于A-A和B-B对的平均能量,意 味着 A-B对结合不稳定,A,B组元倾向于分别聚集起来, 形成偏聚状态,此时ΔHm >0。
材料科学基础二元相图01.答案
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27
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29
30
7.3 二元相图分析
7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固
匀晶转变
Lα
液相线
L (单相区) L+α
由液相结晶出单相固溶体的过程
TB
匀晶相图及特点
表示匀晶转变的相图 在固态、液态无限互溶
TA
两相区 固相线
α (单相区)
匀晶反应的条件
具有相同的晶体结构 原子半径接 近 (相差不超过15%) 相同的原子价 相似的电负性
38
问答题: 从结晶条件和过程分析,纯金属和单相固溶体合金结晶时的 异同点?
①
相同点:基本过程:形核-长大;
热力学条件:⊿T>0; 能量条件:能量起伏; 结构条件:结构起伏。
② 不同点:合金在一个温度范围内结晶
合金结晶是选分结晶:需成分起伏。
39
例题:图1为一匀晶相图,试根据相图确定:
(1)计算wB = 40 %的合金开始凝固出来的固相成分为多少? (2)若开始凝固出来的固体成分为wB = 60 %,合金的成分为多少? (3)成分为wB = 70%的合金最后凝固时的液体成分为多少? (4)若合金成分为wB = 60 %,凝固到某温度时液相成分wB = 40 %,固相 成分为wB = 85%,此时液相和固相的相对量各为多少?
A
B
只发生 匀晶转变的二元合金: Cu-Ni, Au-Ag, Au-Pt等; 二元陶瓷:NiO-CoO, CoO-MgO, NiO-MgO等
特殊匀晶相图:
L
L
α
A B A
α
如:Cu-Au
如:Pb-Tl
B
★ ∵
极点处结晶在恒温下进行,自由度为0,而不是1。 xL = xα 增加了一个约束条件
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7.3 二元相图分析
7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固
匀晶转变
Lα
液相线
L (单相区) L+α
由液相结晶出单相固溶体的过程
TB
匀晶相图及特点
表示匀晶转变的相图 在固态、液态无限互溶
TA
两相区 固相线
α (单相区)
匀晶反应的条件
具有相同的晶体结构 原子半径接 近 (相差不超过15%) 相同的原子价 相似的电负性
38
问答题: 从结晶条件和过程分析,纯金属和单相固溶体合金结晶时的 异同点?
①
相同点:基本过程:形核-长大;
热力学条件:⊿T>0; 能量条件:能量起伏; 结构条件:结构起伏。
② 不同点:合金在一个温度范围内结晶
合金结晶是选分结晶:需成分起伏。
39
例题:图1为一匀晶相图,试根据相图确定:
(1)计算wB = 40 %的合金开始凝固出来的固相成分为多少? (2)若开始凝固出来的固体成分为wB = 60 %,合金的成分为多少? (3)成分为wB = 70%的合金最后凝固时的液体成分为多少? (4)若合金成分为wB = 60 %,凝固到某温度时液相成分wB = 40 %,固相 成分为wB = 85%,此时液相和固相的相对量各为多少?
A
B
只发生 匀晶转变的二元合金: Cu-Ni, Au-Ag, Au-Pt等; 二元陶瓷:NiO-CoO, CoO-MgO, NiO-MgO等
特殊匀晶相图:
L
L
α
A B A
α
如:Cu-Au
如:Pb-Tl
B
★ ∵
极点处结晶在恒温下进行,自由度为0,而不是1。 xL = xα 增加了一个约束条件
第7-3章二元系相图
38
当w(c)>1%时,渗碳体形成连续网状分布于晶界,则合金
的塑性和韧性显著下降,脆性增加,致使抗拉强度也随
之降低。
在白口铸铁中,由于含有大量的渗碳体,故脆性很大,
强度很低。
39
例1、同样形状和大小的两块铁碳合金,其中一块是低碳钢, 一块是白口铸铁。试问用什么简便方法可迅速将它们区分 开来? 答:由于两种合金的含碳量不同,使它们具有不同的特性。 最显著的是硬度不同,低碳钢含碳量低,硬度低,韧性好; 白口铸铁含碳量高,硬度高,脆性大。若从这方面考虑, 可以有多种方法,如
7
8
9
10
②ω c=0.77%的合金(共析钢):结晶过程
共析钢室温时的平衡组织为珠光体。
室温时珠光体中铁素体和渗碳体的相对量可由杠杆法则求得:
珠光体的层片间距随冷却速度增大而减小,珠光体层片越细, 其强度越高,塑性和韧性也越好。 片状珠光体呈片层状两相的机械混合物,经球化退火后渗碳 体可呈球状分布在铁素体基体上,称为粒状珠光体。 粒状珠光体的强度比片状珠光体低,但塑性和韧性比其好。
4.3 0.0008 w(Fe 3C ) 100 % 64.2% 6.69 0.0008 4.3 2.11 w(Fe3C 共晶 ) 100 % 47.8% 6.69 2.11
26
2.11 0.77 6.69 - 4.3 w(Fe 3C ) 100 % 11.8% 6.69 0.77 6.69 - 2.11
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28
⑥ω c=3.0%的合金(亚共晶白口铸铁):结晶过程
29
亚共晶白口铸铁室温时的平衡组织为室温莱氏体+珠光体+ 二次渗碳体。其相对量为:
当w(c)>1%时,渗碳体形成连续网状分布于晶界,则合金
的塑性和韧性显著下降,脆性增加,致使抗拉强度也随
之降低。
在白口铸铁中,由于含有大量的渗碳体,故脆性很大,
强度很低。
39
例1、同样形状和大小的两块铁碳合金,其中一块是低碳钢, 一块是白口铸铁。试问用什么简便方法可迅速将它们区分 开来? 答:由于两种合金的含碳量不同,使它们具有不同的特性。 最显著的是硬度不同,低碳钢含碳量低,硬度低,韧性好; 白口铸铁含碳量高,硬度高,脆性大。若从这方面考虑, 可以有多种方法,如
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②ω c=0.77%的合金(共析钢):结晶过程
共析钢室温时的平衡组织为珠光体。
室温时珠光体中铁素体和渗碳体的相对量可由杠杆法则求得:
珠光体的层片间距随冷却速度增大而减小,珠光体层片越细, 其强度越高,塑性和韧性也越好。 片状珠光体呈片层状两相的机械混合物,经球化退火后渗碳 体可呈球状分布在铁素体基体上,称为粒状珠光体。 粒状珠光体的强度比片状珠光体低,但塑性和韧性比其好。
4.3 0.0008 w(Fe 3C ) 100 % 64.2% 6.69 0.0008 4.3 2.11 w(Fe3C 共晶 ) 100 % 47.8% 6.69 2.11
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2.11 0.77 6.69 - 4.3 w(Fe 3C ) 100 % 11.8% 6.69 0.77 6.69 - 2.11
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⑥ω c=3.0%的合金(亚共晶白口铸铁):结晶过程
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亚共晶白口铸铁室温时的平衡组织为室温莱氏体+珠光体+ 二次渗碳体。其相对量为:
二元相图-精品
二元相图
忻州职业技术学院 机电工程系 葛寒
温故
1.合金:含有两种或两种以上金属元素,或金属元
素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。
2.合金系:给定组元后按不同比例配制的一系列成 分不同的合金。
3.组元:组成合金最基本的独立物质,可以是元素, 也可以是稳定的化合物。
4. 相:合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀 部分称为相。
二、二元合金相图的建立
开始结晶温度t1 结晶终了温度t3
1.以铜镍合金为例,
用热分析法建立相
图。
2.按照Ni含量0%、30%、 50%、70%、100%配 制合金系。
3.用热分析法测量出 所配合金的冷却曲 线。
4.将所有冷却曲线绘制在同一个坐标系下。 5.将各临界点对应在温度-成分坐标系中,
把意义相同的临界点用平滑线条连接起来,
★相和组元的区别(相可以包含很多不同组元,但 一定要成分、结构相同且均匀)
知新
一、概念
合金相图:合金平衡图或合金状态图。平衡状态下
(缓冷,理想状态;两相平衡),合金的组成相 和温度、成分之间的图解。 相图作用 1.表明不同成分合金在不同温度下的相组成及相对 含量。 2.揭示合金在缓慢冷却或加热过程中的相变规律。 3.研究相图组织形成和变化规律是制定各种机械工 艺的理论依据。
构成Cu-Ni相图。
上临界点以上合金系处于液态,对应曲线称为液相线;下 临界点以下合金系处于固态,对应曲线称为固相线。
三、匀晶相图
1.匀晶相图:两组元在液态、 固态下都能%的合金I从
液态 缓慢冷却到室温组 织的变化。
LL+αα
剩余的液相沿着液相线变 化,析出的固相沿着固相 线变化。
杠杆的杆是某一温度
忻州职业技术学院 机电工程系 葛寒
温故
1.合金:含有两种或两种以上金属元素,或金属元
素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。
2.合金系:给定组元后按不同比例配制的一系列成 分不同的合金。
3.组元:组成合金最基本的独立物质,可以是元素, 也可以是稳定的化合物。
4. 相:合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀 部分称为相。
二、二元合金相图的建立
开始结晶温度t1 结晶终了温度t3
1.以铜镍合金为例,
用热分析法建立相
图。
2.按照Ni含量0%、30%、 50%、70%、100%配 制合金系。
3.用热分析法测量出 所配合金的冷却曲 线。
4.将所有冷却曲线绘制在同一个坐标系下。 5.将各临界点对应在温度-成分坐标系中,
把意义相同的临界点用平滑线条连接起来,
★相和组元的区别(相可以包含很多不同组元,但 一定要成分、结构相同且均匀)
知新
一、概念
合金相图:合金平衡图或合金状态图。平衡状态下
(缓冷,理想状态;两相平衡),合金的组成相 和温度、成分之间的图解。 相图作用 1.表明不同成分合金在不同温度下的相组成及相对 含量。 2.揭示合金在缓慢冷却或加热过程中的相变规律。 3.研究相图组织形成和变化规律是制定各种机械工 艺的理论依据。
构成Cu-Ni相图。
上临界点以上合金系处于液态,对应曲线称为液相线;下 临界点以下合金系处于固态,对应曲线称为固相线。
三、匀晶相图
1.匀晶相图:两组元在液态、 固态下都能%的合金I从
液态 缓慢冷却到室温组 织的变化。
LL+αα
剩余的液相沿着液相线变 化,析出的固相沿着固相 线变化。
杠杆的杆是某一温度
二元系相图ppt课件
12
7.2.3 混合物的自由能
混合物的摩尔吉布斯自由能Gm应与两组成相α 和β的摩尔吉布斯自由能Gm1和Gm2在同一直线 上,且位于x1和x2之间,其值为式7.6,该直线 即为相α和β平衡时的公切线。
13
7.2.4 从G—成分曲线推测相图
根据公切线原理可求出体系中在某一温度下平衡 相的成分,因此可根据二元系的不同温度下的自 由能G—成分曲线推出二元系相图。公切线的位 置代表二平衡相成分或三平衡相成分。
1. 按质量分数先配制一系列具有代表性成分不同的 Cu—Ni合金。
2. 测出上述所配合金及纯Cu、纯Ni的冷却曲线。
3. 求出各冷却曲线上的临界点。 纯Cu、纯Ni的冷却 曲线上有一平台,表示其在恒温下凝固。合金的冷却 曲线上没有平台,而为二次转折,温度较高的折点表 示凝固的开始温度,而温度低的转折点对应凝固的终 结温度。
❖ (3) 二元相图中的三相平衡必为一条水平线,表示恒温反 应。在这条水平线上存在3个表示平衡相的成分点,其中两 点在水平线两端,另一点在端点之间,水平线的上下方分别 与3个两相区相接。
❖ (4) 当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交则分界 线的延长线应进入另一两相区内,而不会进入单相区。 15
26
3. 固溶体的不平衡结晶-D
枝晶偏析程度大小与铸造时冷却条件、原子的扩散能 力,相图形状有密切关系: (1) 在其它条件不变时,V冷越大,晶内偏析程度严重, 但得到枝晶较小。如果冷速极大,致使偏析来不及发 生,反而又能够得到成分均匀的铸态组织。 (2) 偏析元素在固溶体中扩散能力越小,相图上液、 固相线间距离的间隔愈大,形成树枝晶状偏析的倾向 愈大。 ❖ 要消除枝晶偏析采用均匀化退火(扩散退火) (diffusion annealing)。
7.2.3 混合物的自由能
混合物的摩尔吉布斯自由能Gm应与两组成相α 和β的摩尔吉布斯自由能Gm1和Gm2在同一直线 上,且位于x1和x2之间,其值为式7.6,该直线 即为相α和β平衡时的公切线。
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7.2.4 从G—成分曲线推测相图
根据公切线原理可求出体系中在某一温度下平衡 相的成分,因此可根据二元系的不同温度下的自 由能G—成分曲线推出二元系相图。公切线的位 置代表二平衡相成分或三平衡相成分。
1. 按质量分数先配制一系列具有代表性成分不同的 Cu—Ni合金。
2. 测出上述所配合金及纯Cu、纯Ni的冷却曲线。
3. 求出各冷却曲线上的临界点。 纯Cu、纯Ni的冷却 曲线上有一平台,表示其在恒温下凝固。合金的冷却 曲线上没有平台,而为二次转折,温度较高的折点表 示凝固的开始温度,而温度低的转折点对应凝固的终 结温度。
❖ (3) 二元相图中的三相平衡必为一条水平线,表示恒温反 应。在这条水平线上存在3个表示平衡相的成分点,其中两 点在水平线两端,另一点在端点之间,水平线的上下方分别 与3个两相区相接。
❖ (4) 当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交则分界 线的延长线应进入另一两相区内,而不会进入单相区。 15
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3. 固溶体的不平衡结晶-D
枝晶偏析程度大小与铸造时冷却条件、原子的扩散能 力,相图形状有密切关系: (1) 在其它条件不变时,V冷越大,晶内偏析程度严重, 但得到枝晶较小。如果冷速极大,致使偏析来不及发 生,反而又能够得到成分均匀的铸态组织。 (2) 偏析元素在固溶体中扩散能力越小,相图上液、 固相线间距离的间隔愈大,形成树枝晶状偏析的倾向 愈大。 ❖ 要消除枝晶偏析采用均匀化退火(扩散退火) (diffusion annealing)。
二元合金相图的基本类型和分析
液相线曲线al液相区液相线以上的液相l区域固相区固相线以下的固a相区域液相线与固相线之间为液固两相区laa为cu的熔点1083b为ni的熔点1452
4.2 二元合金相图的基本类型和分析 一、二元匀晶相图
在液态和固态两组元都能无限互溶的相图称为均晶相图。 二元合金系Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Fe-Ni、W-Mo等具有这类相 图。 1.Cu-Ni相图分析 分析: ① 液相线—曲线Al1B ② 固相线—曲线Aa4B ③ 液相区—液相线以上的液相L区域 ④ 固相区—固相线以下的固a相区域 ⑤ 液相线与固相线之间为液、固两相区(L+a) ⑥ A为Cu的熔点(1083℃),B为Ni的熔点(1452℃)。
LE C B
183 。 C
⑤ 固溶线:CF线及DG线分别为α固溶体和β固溶体的固溶线。
2.合金的结晶过程及组织 合金Ⅰ、合金Ⅱ、合金Ⅲ、合金Ⅳ的结晶过程及其组织如 图所示。 分析: ① 相组成 ② 组织组成物 ③ 属这类相图的合金还 有Pb-Sn、Al-Si、AlSn、Al-Cu、Pb-Sb、 Ag-Cu等。
② 设液、固相含Ni浓度分别为x1、x2,x为试验合金中的平均 含Ni量(%),则
QL x1 Qs x2 x
可得:
x2 x QL x2 x1
;
x x1 Qs x2 x1
用图中线段来表示,即为:
xx2 QL 100 % x1 x2
;
Qs
x1 x 100 % x1 x2
3.共析转变 由图分析可知: ① 从固相中同时析出两种不同新相的反应称为共析反应。 ② 共析反应的产物为共析物。 ③ 由于共析反应在固态进行,所以共析组织比共晶组织要细 得多。
六、二元相图的分析与应用
4.2 二元合金相图的基本类型和分析 一、二元匀晶相图
在液态和固态两组元都能无限互溶的相图称为均晶相图。 二元合金系Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Fe-Ni、W-Mo等具有这类相 图。 1.Cu-Ni相图分析 分析: ① 液相线—曲线Al1B ② 固相线—曲线Aa4B ③ 液相区—液相线以上的液相L区域 ④ 固相区—固相线以下的固a相区域 ⑤ 液相线与固相线之间为液、固两相区(L+a) ⑥ A为Cu的熔点(1083℃),B为Ni的熔点(1452℃)。
LE C B
183 。 C
⑤ 固溶线:CF线及DG线分别为α固溶体和β固溶体的固溶线。
2.合金的结晶过程及组织 合金Ⅰ、合金Ⅱ、合金Ⅲ、合金Ⅳ的结晶过程及其组织如 图所示。 分析: ① 相组成 ② 组织组成物 ③ 属这类相图的合金还 有Pb-Sn、Al-Si、AlSn、Al-Cu、Pb-Sb、 Ag-Cu等。
② 设液、固相含Ni浓度分别为x1、x2,x为试验合金中的平均 含Ni量(%),则
QL x1 Qs x2 x
可得:
x2 x QL x2 x1
;
x x1 Qs x2 x1
用图中线段来表示,即为:
xx2 QL 100 % x1 x2
;
Qs
x1 x 100 % x1 x2
3.共析转变 由图分析可知: ① 从固相中同时析出两种不同新相的反应称为共析反应。 ② 共析反应的产物为共析物。 ③ 由于共析反应在固态进行,所以共析组织比共晶组织要细 得多。
六、二元相图的分析与应用
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第七章 二元系相图及其合金凝固
7.3.2 共晶相图及合金凝固
组成共晶相图(the eutectic phase diagram)的两组元的相互作用的特 点是:液态下两组元能无限互溶,固态下只能部分互溶(形成有限固溶体或化 合物),甚至有时完全不溶,并具有共晶转变(the eutectic reaction)。 共晶转变是在一定条件下(温度、成分不变),由均匀液体中同时结晶出两 种不同固相的转变。即:L→α+β 具有共晶转变的相图称为共晶相图。 所得到两固相的混合物称为共晶组织(eutectic structure),其特点是两 相交替细弥混合,其形态与合金的特性及冷却速度有关,通常呈片层状。
过共晶合金的平衡结晶的显微组织
第七章 二元系相图及其合金凝固
共晶系合金的平衡凝固小结
• 共晶系合金的平衡凝固分为两类:固溶体合金和共晶型合金。前者的结 晶的组织为初生固溶体和次生组织;后者的结晶的组织为初生固溶体、共晶 体和次生组织。在室温时合金是由α和β两个基本相构成。 • 组织组成物是在结晶过程中形成的,有清晰轮廓的独立组成部分,如上 述组织中α、αⅡ、β、βⅡ、(α +β)都是组织组成物。相组成物是指组 成显微组织的基本相,它有确定的成分及结构但没有形态上的概念,上述各 类合金在室温的相组成物都是α相和β相。 • 不同成分范围的合金,室温的相组成除固溶体区外其余都是α+β,而 组织组成不相同 。图中6个组织区分别为: Ⅰ区:α单相组织; Ⅱ区: α+βⅡ ;Ⅲ区:α+βⅡ+(α+β) 共 ;Ⅳ区:(α+β) 共 ;Ⅴ区:β+αⅡ+ (α+β)共;Ⅵ区:β+αⅡ
第七章 二元系相图及其合金凝固
7.3 二元相图分析
第七章 二元系相图及其合金凝固
主要讨论
• • • • • • • 匀晶相图及固溶体凝固 共晶相图及其合金凝固 包晶相图及其合金凝固 其他类型的二元相图 复杂二元相图的分析方法 根据相图推测合金的性能 二元合金相图分析实例 Fe—C合金的组织和性能 Al2O3—SiO2系的组织性能 Cu—Zn合金 Cu—Sn合金
第七章 二元系相图及其合金凝固
7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固
由液相直接结晶出单相固溶体(solid solution),的过程 称为匀晶相变。 匀晶相图: 匀晶相图的特点:两组元在液态和固态都能无限相互溶解。 当两个金属组元之间形成无限固溶体时,其条件为:两者的 晶体结构相同,原子尺寸接近,△r<15%,两者具有相同的原子 价的电负性。
共晶体的结构
第七章 二元系相图及其合金凝固
共晶相图的建立
第七章 二元系相图及其合金凝固
1.共晶相图分析
• • • 相图中的三个基本相:液相(L)、固相α和β 点:纯组元熔点;最大溶解度点;共晶点(eutectic point) 相图中有相线:液相线(AEB)、固相线(AMNB)和共晶转变线(MEN)。 MF和NG则代表两固溶体α和β的溶解度曲线。共晶转变线是一条水平线,是 L、α和β三相共存的温度和各相的成分。成分为E的液相在该温度下发生共 晶反应(eutectic reaction): LE→ αM +βN • 根据相律,三相平衡时有f=0。因此三个平衡相的成分及反应温度都是确 定的,在冷却曲线中出现一个平台。
第七章 二元系相图及其合金凝固
2.固溶体的平衡凝固
• • • • • • 平衡凝固(equilibrium solidification): 平衡组织(equilibrium microstructure): Cu—Ni合金冷却曲线(cooling curve):温度-时间曲线 结晶过程:L→L+α→α Cu—Ni合金平衡结晶时的组织变化示意图: 成分均匀化:每时刻结晶出的固溶体的成分不同。
第七章 二元系相图及其合金凝固
枝晶偏析对合金的力学性能影响较大。枝晶偏析程度大小与 铸造时冷却条件、原子的扩散能力,相图形状有密切关系: • (1)冷却速度:在其它条件不变时,V冷越大,晶内偏析程 度严重,但得到枝晶较小。如果冷速极大,致使偏析来不及发 生,反而又能够得到成分均匀的铸态组织。 • (2)合金的结晶范围:偏析元素在固溶体中扩散能力越小, 相图上液、固相线间距离的间隔愈大,形成树枝晶状偏析的倾 向愈大。 • 要 消 除 枝 晶 偏 析 采 用 均 匀 化 退 火 ( 扩 散 退 火 diffusion annealing)
2.共晶系合金的平衡凝固
根据相变特点和组织特征将共晶系合金分为了四类:端部 固溶体合金、亚共晶合金(hypoeutectic alloys)、过共晶 合 金 ( hypereutectic alloys)、 共 晶 合 金 ( eutectic alloy)。
第七章 二元系相图及其合金凝固
(1) 端部固溶体合金(WSn<19%) • 冷却曲线: • 结晶和组织转变过程:L→L+ αⅠ→αⅠ→αⅠ+βⅡ • 匀晶反应+脱溶转变
第七章 二元系相图及其合金凝固
•
固溶体非平衡结晶时,一个晶粒内部化学成分不均匀,称为 晶内偏析。先结晶的晶粒与后结晶晶粒的成分是不同的,这种 成分的不均匀称为晶间偏析。 • 由于固溶体一般都以枝晶状方式结晶,先结晶的枝晶轴(干) 含有高熔点组元多,而后结晶的分枝枝晶间含有低熔点的组元 多,导致先结晶的枝干和后结晶的枝间成分不同。在一个枝晶 范 围 内 成 分 不 均 匀 的 现 象 称 为 枝 晶 偏 析 ( dendritic segregation)。
第七章 二元系相图及其合金凝固 在共晶转变之前,从液态中先结晶出α相。先结晶出的相叫先共晶相 (pro-eutectic phase)。先共晶相和液相比例可用杠杆法则求出 室温组织中α 、β的相对量,先共晶α相和共晶(α +β)共的相对量都 可通过杠杆法则求出 。 组织组成和相组成的计算: 共晶反应结束时,组织组成: Wα1=(61.9-50)/(61.9-19) W(α +β)共=(50-19)/(61.9-19) 共晶反应结束时, α、β的相对量: Wα2=(97.5-50)/(97.5-19) Wβ=(50-19)/(97.5-19) 室温时,组织组成: Wα3= (100-19)/(100-2)×Wα1 WβⅡ=(50-19)/(100-2)×Wα1 W(α +β)共=(50-19)/(61.9-19) 室温时, α、β的相对量: Wα4=(100-50)/(100-2) Wβ=(50-2)/(100-2)
Pb-Sn共晶合金(Ⅱ)的平衡结晶的显微组织
第七章 二元系相图及其合金凝固
(3)亚共晶合金的平衡结晶 • 冷却曲线: • 其组织变化示意图: • 结 晶 和 组 织 转 变 过 程 : L→L+α→L+α+(α+β) 共 → α+ (α+β)共→α+βⅡ+(α+β)共 匀晶反应+共晶反应+脱溶转变 室温组织:α+βⅡ+(α+β)共
第七章 二元系相图及其合金凝固
3. 固溶体的不平衡结晶(链接)
非平衡凝固(结晶) (non-equilibrium solidification): 不平衡组织(non-equilibrium microstructure): 原因:冷速快(假设液相成分均匀、固相成分不均匀)。
对非平衡凝固结论如下: • (1) 固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同, 有一定的偏离,其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大, 其偏离程度越严重;冷却速度越小,偏离程度越小,越接近于 平衡条件。液相线的偏离程度较固相线小。 • (2) 先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni),后结晶部分 含有较多的低熔点组元(Cu)。 • (3) 非平衡结晶条件下,凝固的终结温度低于平衡结晶时 的终止温度。结晶的晶 点 或 共 晶 成 分 (eutectic composition): • 相图中相区:3个单相区为L相区、 α相区和β相区;3个双相区为 L+α相区、L+β相区、α+β相区; 1 个 三 相 共 存 区 , MEN 线 , 为 L+α+β
第七章 二元系相图及其合金凝固
第七章 二元系相图及其合金凝固
端部固溶体合金室温组织:α+βⅡ • α、β相对量都可通过杠杆法则求出: Wα= (1.0-0.1)/(1.0-0.02)=91.8% Wβ= (0.1-0.02)/(1.0-0.02)=8.2%
含10%Sn量合金的平衡结晶的显微组织 500×
第七章 二元系相图及其合金凝固
第七章 二元系相图及其合金凝固
1.匀晶相图的分析
两点:端点分别为纯Cu、Ni的熔点。 两线:相图由一条液相线和一条固相线组成。 三区:液相区(用L表示)、固溶体区(用α表示)、结 晶区间 (用L+α表示)。当系统处于两相平衡时f=1。
第七章 二元系相图及其合金凝固
有些合金的匀晶相图还 有极点: • 在Au-Cu、Fe-Co、Ti-Zr 合金的相图上有极小点; • 在Pb-Tl、Al-Mn合金的相 图上有极大点。 • 在分析此类匀晶相图时, 把极小点和极大点的合金看 作一个组元,该点的合金结 晶是在恒温下进行的。
第七章 二元系相图及其合金凝固
室温组织:α+βⅡ+(α+β)共
亚共晶合金的平衡结晶的显微组织
第七章 二元系相图及其合金凝固
(4) 过共晶合金的平衡凝固
• • • • • • 过共晶合金的凝固过程和组织特征与亚共晶合金相类似,只是 初生相(先共晶相)为β固溶体而不是α固溶体。 类合金的冷却曲线类似于亚共晶合金 其结晶过程组织变化类似于亚共晶合金. 结晶过程:L→L+β→L+β+(α+β)共→β+(α+β)共→β+αⅡ +(α+β)共 匀晶反应+共晶反应+脱溶转变 室温组织:β+αⅡ+(α+β)共