第七章相图-刘彤

过共晶合金
初生(Sb)质量分数为10.3%
共晶体中(Pb):(Sb)≈11:l
• 共晶点附近的合金自液态快冷时，初生相来不及凝固 就已冷却到共晶线以下成为共晶体，称为伪共晶体。 • 凝固后 (Pb) 和(Sb) 相对含量不同，显微组织区别很大。
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亚共晶、共晶及过共晶显微组织的特点
• 共晶 体组织 一般是 细小的 两相混 合物。
晶内 析出相γ
晶界
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包晶系相图
在有限互溶二组合金中的包晶相图也是最基本二元相图。
液相分 数多 析出
(Ru )
包晶线 3相平衡
固溶 度线
(Pt)+(Ru)
L
α
β
铂
钌
包晶反应
液相成分位于 2个固相以外
析出次生的(Ru)相，两个相的成分分别沿各自的固溶度线改变。
包晶反应机理
L+α→β
溶质原子从 L-β界面 快速扩散到L-α界面
标出等温线与两
相区边界的交点
(4) 读出交点坐标成分
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相图分析（2）
对于给定温度和成分，可以决定： 3. 相的百分含量（杠杆定律）
Cu-Ni
例：已知C0=35wt%Ni, 求TB时L和α各占多少？
固溶体的不平衡凝固过程
• 液相和固相成分变化主要是通过扩散进行的。 固相中的扩散要比液相慢几个数量级，凝固需要很长的时间。
• 合金性能和相图的关系
（固溶强化，固溶体的流动性等）
***看懂基本二元相图，会利用相律和 杠杆定律解决问题。
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ANNOUNCEMENTS
课堂小考
• 教科书p177：7.4题; 7.5题
作业
• 教科书 p177-178：7.3题; 7.6题; 7.9题; 7.10题; 7.11题; 7.12题; 7.16题。
α+β
T1 ● m
杠杆定律 表达式
B组元的质量百分数
wa +wβ =1
wa
=
b− m b−a
waa+ wβb = m
wβ
=
m -a b -a
wα = ( b - m)
wβ ( m - a) w α × ( m - a ) = w β × ( b - m)
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匀晶系相图
• 匀晶系是二元系在液、固态均能完全互溶的系统。
康铜
45%Ni
相图
Bonding Structure
性能
(1) 固溶体
Defects
• 纯金属经固溶后常具有较高强度及塑性，称为固溶强化。
•单相固溶体是理想的变形合金。
• 固溶体型合金的比电阻远高于纯金属，但其电阻 温度系数随T变化比纯金属小得多，可做电阻材料。
(2) 共晶合金流动性最好 (好于纯金属)；可做钎焊材料。
初生(Al)相具有典型
的枝晶偏析组织
枝晶轴间 的共晶体
均匀的 (Al)晶粒
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固溶度极小时的共晶系相图
固溶体单 相区非常 窄小
• 理论上讲，共晶水平线不会与纯组元的温度轴相交。
过饱和固溶体的分解
缓慢冷却
次生相或沉淀相γ为中 间相Ag2Al(A3型结构)
溶解度随T 变化很大
自(Al)单相 区快速冷却
自(Al)单相 区缓慢冷却
目和相对含量）与温度及组元成分之间关系的一种图形。
Binary Alloy Phase Diagrams
相图作用
相图
熔点以及相变
温
(1) 设定熔炼温度和浇铸温度
度
热加工温度范围（退火、渗C等）
$ 1,635.00
(2) 预测合金的某些性能
合金设计(高温、非晶合金)
wt. % or at. % • 实际系统偏离平衡状态，但掌握平衡状态相图是基础。
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实验法建立二元相图
• 合金从一种相组成状态转变为另一种相组成状态的温度称为临界点。
临界点 测量方法
• 热性能：热分析、差热分析、热膨胀 • 组织结构：金相分析、 X 射线 • 电、磁等性能：电阻和磁性
热分析法（冷却曲线法）绘制二元相图
75% 57%
50g
L
凝固放热
1 ℃/min 缓冷
温度---时间曲线
数与组元数和相数之间的关系的规律。 P + F = C + N
P为相数；F为自由度数或变量( t, p, composition)； C为组元数；N为非成分变量(t, p)
F= C - P + 2
元素或化合物
F=1-2+2=1 FCC
T(℃)
● F=1-3+2=0
BCC F=1-1+2=2
HCP
纯铁相图
黑色枝晶是初 生（Pb）相
枝晶间细小的两 相混合物是(Pb ) + ( Sb）共晶体
(Sb)初生相具 有光滑的界面 而呈较规则的 外形
非平衡凝固出现的共晶体
非平衡 冷凝
Al-Cu
(LAl) + L
扩散不完全
• 应当完全凝固为固溶体 的合金中却出现了共晶体。
wcu < 5.65%应完 全凝固为固溶体
存在共晶反应
通常强度不高且 脆，性能不均匀。
偏析程度与相图形状有关
扩散退火或均匀化后
分枝间Cu 多腐蚀较深
处理温度＜凝固终了温度
单相固溶体晶粒 塑性明显提高
氧化物夹杂
匀晶相图中的极值点和固溶体分解
1728 K
如Pb-Tl
1358 K
极小点无偏析
Ni-base FCC
成分相同
Au-base 不互溶线 FCC
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共晶相图---最基本的二元相图
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高温铁素体， C在δ-Fe的间 隙固溶体
存在同素异构转变
铁碳相图
Fe-C系是碳钢、低合金钢和铸铁的基础。
L+ δ γ
奥氏体
L γ+ Fe3C
渗碳体
稳定系 (Fe-石墨)
共析反应γ α+ Fe3C
亚稳定系 (Fe-Fe3C)
铁素体，C处于α-Fe 八面体间隙
共析组织
虽然碳钢和低合金钢的C含量很少超过 1.5% 常把奥氏体的最大C含量(2.11%)作为碳钢和铸铁的分界线。
纯锑
液相线
熔点
纯铅 熔点
共晶线含3相平衡
固溶
度线
E 点是两条液相线的交点，从液相同时凝固出成分不 同的(Pb)和(Sb)相称为共晶转变。 F=0，T和C不变。
共晶、亚共晶和过共晶合金
共晶体的质量 分数为 32.5 ％
w共晶
=
Cx CE
− CM − CM
= 6 − 3.5 11.2 − 3.5
亚共晶合金 共晶 合金
Monel合金 67%Ni
顺利流过
单一凝固温度 较整齐生长
凝固T范围大，易长枝晶， “通道” 易被阻塞，流动受阻。
SUMMARY
• 相律 F= C - P + 2
• 杠杆定律
wα wβ
=
(Cb -Cm ) (Cm -Ca )
• 匀晶、共晶和包晶转变的特征
• 含中间相的二元相图
• 铁碳相图（含有共析反应）
合金(Cu-Ni, Au-Ag, Au-Pt等)
陶瓷(NiO- MgO, CoO- MgO, α-Al2O3-Cr2O3等)
温 度
相图分析（1）
对于给定温度和成分，可以决定：
1. 相类型
F= C-P+1=3-2
2. 相成分
(1) 确定成分和温度
开始凝固
(2) 在两相区画等温线
T相同，两相成分
不变，比例可变。(3)
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热力学数据计算出相图
• 简单相图可能得到相当精确的结果。
Pascoe与 Mackowiak计算结果（1970年）
早期测定结果
Feest等重新测定点
• 目前还不能普遍地准确计算出相图，特别是复杂相图。 • 对于预测未知的多元相图，可减轻实验工作量。
相律---Gibbs Phase Rule
相律是热力学平衡状态的系统中，定量地表示出系统的自由度
α1
凝固终了温度降低
Cu
α2
Ni
匀晶转变中异类原子扩散
假定液相成分能保持均匀，而固相不能。
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晶内偏析与扩散退火
凝固后枝晶组织中成分不均匀叫做枝晶偏析，又叫晶内偏析。
低熔点组元较多
铸态Ni-70wt.%Cu Tm-Cu = 1358 K
Tm-Ni = 1728 K
主干含Ni多 不易腐蚀。
高熔点组元较多
自奥氏体相区缓慢冷 却到室温得到的组织
α: Fe3C=7.97: 1
珠光体
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亚共析组织
A3
C0=0.40wt%; Cα=0.022wt%; CFe3C=6.7wt% 求100g钢中的渗碳体含量？
过共析组织
Acm
先共析Fe3C 常沿γ晶界析 出成网状
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合金的性能与相图的关系
康铜比电阻是Cu
的30倍，但电阻温 度系数仅Cu的 1/100。
T
材料科学基础
第七章 相图
刘彤
Chapter Outline
• 相图的表示和建立 • 相律和杠杆定律 • 基本的二元相图（匀晶、共晶和包晶相图） • 含中间相的二元相图 • 铁碳相图 • 合金性能和相图的关系
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相图及其作用
系统中成分、结构相同，物化性能一致的部分具有相同的相。 • 相图又叫状态图或平衡图，是系统在平衡状态下的相组成（数
状态与T及P的关系
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相律应用
在大气压力下
压力为常量
F=C-P+N
纯金属C=1
单相(S/L)
F= 2-p
F= C-P+1 F= 2-1=1
二元系
F= 2-P+1=3-P
温度和源自文库的成分可变
F=3-p=3-1
F=3-p=3-2
二元系
3相平衡 F=3-P=3-3
●
不能4相共存
杠杆定律
• 杠杆定律用来计算两相区中每相质量（或摩尔量）分数
继续长大
初生 部分溶解
围绕α相长大
β包围α 继续长大 (Kerr)
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有中间相的二元相图（1）
（1）有一定的熔点的中间相
β’, C15型结构
β, C14型结构
分为2个共晶相图 中间相有一定的熔点又称稳定化合物
固溶度 非常小
有中间相的二元相图（2）
(2) 中间相 升温
液相 + 固相
γ不断熔化
β
L+γ