二元相图

5.3 共晶相图
固溶体的铸造性能（流动性）一般都比金 属或共晶合金差。
5.3 .1 相图分析
5.3 共晶相图
5.3 共晶相图(eutectic phase diagram)
大多数二元系液态下完全互溶，固态下有限互溶，
形成的相图有共晶、包晶等。
5.3 .1 相图分析
5.3 共晶相图
线: 液相线 tAE tBE , 固相线 tAM tBN 溶解度曲线 MF NG, 共晶线MEN
5.1.3. 相图的建立
例：用热分析方法测定相图
5.1. 基本概念
5.1.4 相图的使用
5.1. 基本概念
5.1.4 相图的使用
5.1.4 相图的使用 以Al2O3-ZrO3为例说明相图的使用
表象点 相图中的任意点
5.1. 基本概念
表征：材料的成分、温度、所在的 相区，即表征不同成分材料在不同温 度下的的状态，故又称之为状态图。
固相中扩散慢， 反应来不及进行， 凝固后，初生相剩余 如:Cu-Sn合金系中， 含Cu 25％的合金
4150C L+＝ 2270C L=＋
~1900C ’ 平衡组织 （’+） 实际组织 ＋（’+）
5.1.2 相图的表示方法
2) 成分表示法
1. 基本概念
组元浓度的表示方法： 质量百分数 wA wB 摩尔百分数 xA xB
两者之间是可以相互转换的。
设组元的原子量分别位：RA、RB,
wA
=
RA xA RA xA RB xB
100%
wB
=
RB xB RA xA RB xB
100 %
wA
xA
=
5.2 匀晶相图
1) 匀晶相图 二组元在液态和固态都完全互溶
2) 匀晶转变 从液相结晶出单相固溶体的过程 大多数的二元系中都包含匀晶转变，
但只有少数的二元相图是匀晶相图 。
5.2.2 平衡转变
5.2.2 平衡转变
T=T1 相的成分为1 T=T2 相的成分为2 T=T3 相的成分为3
1≠2≠3 所以凝固时 晶粒内部发生扩散。
线：
液相线 AC BC 固相线 AP DB 溶解度曲线 PE DF
包晶反应线 PDC
相区：
单相区 L
b
三相区 L ＋ ＋ b
两相区 L+
5.4 包晶相图
L+b +b
5.4.1 相图分析
5.4 包晶相图
3. 包晶相图与共晶相图的区别
共晶：一个反应相，两个生成相；
包晶：两个反应相，一个生成相
共晶反应后液相消失，包晶反应后液相可能还存在
3) 三相区是水平线， 其两侧是两个两相区，
两端点是生成相的成分点
5.3.3 共晶材料的性能特征
5.3.3 共晶材料的性能特征
1.铸造性能好 2.可以作为自生成复合材料 3.熔点低，有的可以做焊料
5.3 共晶相图
5.3.4 平衡凝固过程及组织
5.3.4 平衡凝固过程及组织 1.端部固溶体(10wt.% Sn) L L+
5.3 共晶相图
成分在非共晶区，但由于冷却速度快，引起偏析，致使 冷却到共晶温度时，凝固过程未结束，出现共晶组织.
5.3.5 非平衡凝固过程及组织
离异共晶 (divorced eutectic)
5.3 共晶相图
如果亚（过）共晶组织中共晶的分数很小，共晶组织中一相会与 先共晶相连在一起，此时称之为离异共晶。
L L b L b bb
5.3.4 平衡凝固过程及组织
L L L b
bb
5.3 共晶相图
5.3 共晶相图
亚共晶组织 过共晶组织
5.3.4 平衡凝固过程及组织
5.先结晶相的百分数
5.3 共晶相图
例：30％Sn 合金
% = 61.9 30 100% = 74.4%
61.9 19
( b )% = 30 19 100% = 25.6%
总的特点：成分不均匀 易形成枝晶偏析 固相线偏离
5.2 匀晶相图
5.2 .3 非平衡转变
5.2 匀晶相图
1260 1240 1220 1205
固相线偏离
5.2 .3 非平衡转变
5.2 匀晶相图
先凝固的部分富Ni，不易侵蚀，呈现亮白色，成为枝干.
后凝固的部分富Cu，易被侵蚀，呈现暗黑色，分布于枝间.
点: tA tB E M N F G
相区: 单相区: L, , b；两相区： L+, L+b, +b 三相区：L＋＋b 自由度：f=C-P+1＝3－3＝0
共晶
亚共晶
过共晶
5.3.2、相图的基本特征
5.3.2、相图的基本特征
5.3 共晶相图
1) 存在共晶反应
L
+ b
2) 共晶点是二元系最低的凝固点
相区： 单相区、两相区、 三相区（水平线）
相变温度
成分坐标（垂直于横坐标的直线）与相区边界线 的交点对应的温度
5.1.5 杠杆定理
5.1.5 杠杆定理 计算两相区中各相的相对分数
L
a
o
b
1. 基本概念
A
% = ob
ab
B
L% = ao ab
5.2 .1 匀晶转变和匀晶相图
5.2 匀晶相图 5.2.1、匀晶相图和匀晶转变
5.1. 基本概念
✓ 组元（component）
组成合金的最简单、最基本而且能独立存在的物质，可以是元素 或化合物。
如Fe、C、Fe3C等
Байду номын сангаас✓合金（alloy）
由两种或两种以上金属或金属与非金属，经过熔炼、烧结或其他 方法组合而成并具有金属特性的物质。
如钢、铜合金、铝合金、镁合金等
✓合金系（alloy system）
如珠光体、莱氏体、魏氏组织等
5.1.1 相平衡和相率
5.1. 基本概念
5.1 基本概念
5.1.1 相平衡和相律
1. 相平衡（phase equilibrium）
各组元在各相中的化学势相等
在c个组元组成的系统中若有个相, 则：
m1=m1b=m1=....=m1 m2=m2b=m2=....=m2 ..........
bII
5.3 共晶相图
5.3.4 平衡凝固过程及组织
2. 共晶成分（ 61.9wt.% Sn） 在T=183oC时发生共晶转变
LE
M + bN
合金中各相的相对百 分数：
% = EN = 45.4%
MN
b % = ME = 54.6%
MN
5.3 共晶相图
5.3.4 平衡凝固过程及组织
5.3 共晶相图
1. 基本概念
5.1.2 相图的表示方法
5.1. 基本概念
2. 二元系的相图
1) 二元系的自由度 根据相律：f = C－P+2，一般情况下 DP＝0
f = C－P + 1 = 3－P 系统最大的自由度是2（单相平衡） 分别是： T （温度）
W （一个组元的浓度）
二元相图中，横坐标是成分（组元浓度）， 纵坐标是温度
此图反映了: 在确定的温度和压下 H2O的相组成， 温度和压力变化时相 组成的变化。 若压强不变，相图是一 条直线。
5.1.2 相图的表示方法
1. 基本概念
例二： 纯铁的相图―反映固态下的相转变 反映纯铁在不同温度和压强下发生的相转变
5.1.2 相图的表示方法
例三：石英的相图
陶瓷晶体的同质异构 转变比金属晶体多。 如：石英在平衡转变时 可能出现 －石英、 b－石英、 b－鳞石英、 b－方石英 等同质异构体。
共晶相图的液相点在水平线中间，包晶则在一端
共晶反应产物是两相混合物，包晶则是单一固相
5.4.2 平衡凝固及组织
5.4.2平衡凝固 及组织
1. 标准成分
L
L－
b中还会析出II
L＋－b
b
5.4 包晶相图
5.4.2 平衡凝固及组织
5.4 包晶相图
反应伴随扩散，液相中富Ag, 相中富Pt，所以反应时Ag向里 扩散，Pt向外扩散。
5.4.2 平衡凝固及组织
包晶反应前两相的相对百分数：
L% = DP 100% PC
= 42.4 10.5 100% = 57.3% 66.3 10.5
% = DC 100%
PC = 66.3 42.4 100% = 42.7%
66.3 10.5
5.4 包晶相图
5.4.2 平衡凝固及组织 2. 非标准包晶成分
合金 II
5.4 包晶相图
L
L
L－ L－ L＋－b b
L＋－b
L－b
b
b＋
5.4.2 平衡凝固及组织 合金 III
5.4 包晶相图
L
L
L－ L－ L＋－b b L＋－b
＋b＋ ＋b
5.5.3 非平衡条件下的包晶转变
5.5.3 非平衡条件下的包晶转变
包晶名词的来源 b包 （合金III） 1）初生相剩余
61.9 19
5.3.5 非平衡凝固过程及组织
5.3 共晶相图
5.3.5 非平衡凝固过程及组织
1) 伪共晶 （coupled zone）
成分偏离共晶成分时却得到100％的共晶组织
伪共晶区
形成原因 凝固时有过冷度 此时液相相对于 和b都饱和，所以同时结晶出两相
5.3.5 非平衡凝固过程及组织
b. 伪共晶区的形状和位置
5.4 包晶(peritectic)相图
5.4 包晶相图
5.4.1 相图分析
1. 特征 a.两组元固态不完全固溶
b.含包晶反应 L＋=b
从液相中结晶出来，又和液相合成b 典型相图： Pt－Ag、 Ag－Sn、 Cu-Sn、 Cu－Zn
b
5.4.1 相图分析
2. 相图分析
点： 组元熔点 A B， 包晶点 D， 包晶反应时各相成分点 P C
第五章－I
二元相图
Binary Phase Diagram
T
米
水
基本概念－ 相律、成分表示方法、相图测定、杠杆定理
匀晶
形成化合物的相图
二
典型的
共晶
元
二元相图
包晶
相
共晶型 包晶型
图
其它类型的
二元相图
具有固态相变
两相平衡转变
相图的热力学基础－ G-X曲线、公切线法则、相图的几何规律
实例分析, Fe-C相图
对称型
非对称型
5.3 共晶相图
非对称的原因 两相的熔点不同
伪共晶区偏向于高熔点组元，这是因为此时共晶点偏 向于低熔点组元，共晶成分和低熔点相接近，低熔点 相容易先生成。
5.3.5 非平衡凝固过程及组织
C、共晶成分的亚共晶
5.3 共晶相图 伪共晶的另一种形式
5.3.5 非平衡凝固过程及组织
2) 由于偏析引起的亚共晶
由给定组元配置成的一系列成分不同的合金，组成一个合金系统。
如Fe-C系、Sn-Pb系、Cu-Zn系等
5.1. 基本概念
✓相（phase）
合金中具有同一聚集状态、同一结构，以及成分性质完全相同的 均匀组成部分。单相、多相
如-Fe、 -Fe 、Fe3C等
✓组织（structure）
一定的外界条件下，一定成分的合金可能由不同成分、结构和性 能的合金相组成，这些相的总体称为合金的组织。
枝 晶 偏 析
均 匀 化 退 火
5.2 .4 具有极大和极小点的匀晶相图
5.2.4 具有极大和极小点的匀晶相图
5.2 匀晶相图
有些匀晶相图具有成分的极大或极小点
凝固时这个成分的材料液固相成分相同，此时少一个自由度。 f=C-P
5.3 共晶相图
Pb
无铅焊料的成分多为共晶或近共晶。
如Sn-0.7Cu、Sn-3.5Ag、Sn-3.8Ag-0.7Cu、Sn-9Zn等
RA wA wB
100 %
RA RB
wB
xB
=
RB wA wB
100 %
RA RB
5.1.3. 相图的建立
5.1.3 相图的建立
5.1. 基本概念
可以从理论和实验两条途径获得相图
实验：测临界点
理论：热力学函数计算
测定临界点的方法：热分析、X射线、 热膨胀、磁性方法等
原理：材料在到达临界点时，相关的性能或参数 有一个突变，通过测突变点来确定临界点。
5.1. 基本概念
相图：反映组织（相组成）和系统参数之间关系
的一种工具
若DP=0，
1. 单元系的相图
最多只能两相平衡，
对于单元系，若DP≠0，则： 相图为直线
f＝C－P＋2＝3－p， 最多可出现三相平衡。
若DP≠0， 横坐标：温度 纵坐标：压力（强）
5.1.2 相图的表示方法
例一：水的相图：
5.1. 基本概念
mc=mcb=mc=......=mc
5.1.1 相平衡和相率
2) 相律（phase rule）
5.1. 基本概念
系统的自由度与组元数和相数之间的关系 f＝C－P＋2
f：系统自由度数； C：系统组元数； P：系统相数
对于衡压系统，DP＝0， 相律可写成：f＝C－P＋1
5.1.2 相图的表示方法
5.1.2 相图的表示方法
L
L b b
共晶组织中的II、bII，不容易在金相中被辨认
5.3.4 平衡凝固过程及组织
5.3 共晶相图
5.3.4 平衡凝固过程及组织
3. 亚共晶材料 液相中先生成 平衡反应后继续 冷却时析出bII
4. 过共晶材料 液相中先生成b 平衡反应后继续 冷却时析出II
L L L b
bb
5.3 共晶相图
5.2 匀晶相图
B(Ni)从里向外扩散， A(Cu)从外向里扩散 。
只有充分扩散，晶粒从里 到外成分均匀。扩散需要 时间，所以只有冷却速度足够慢时才能实现平衡凝固。
注意：匀晶转变时，液固相成分不同，所以形核要靠成分起伏。
1260 1250
1220
5.2 .3 非平衡转变
5.2.3 非平衡匀晶转变