武汉理工工程材料4第二章2.2.1-2.2.2PPT课件
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平衡条件下，表明合金系中各相的状态与温度、成分之间关系 的图形（图解）。常压下，二元合金的相状态决定于温度和成 分，二元合金相图即为温度-成分坐标系的平面图。
几乎所有的相图都是通过实验得到的，实验室建 立相图的方法很多，最常用的方法是热分析法。
二元相图的建立步骤：
配制合金。 将合金熔化，冷却并测出冷却曲线。 从冷却曲线上找出临界点并标在相图上。 绘制相图。
温度 温度
相图的建立
时间 A 90 70 50 30 B
温度
L a
c L
+ S
d S
A
acb : 液相线
adb : 固相线
L : 液相区
S : 固相区 b
L+S:液固两相
B
共存区
2.2.1 二元合金的结晶
1．匀晶相图 2．共晶相图 3．包晶相图 4．共析相图
1．匀晶相图
两组元在液态和固态下均无限互溶所构成的相图称匀晶相图。 匀晶反应：合金系结晶时从液相结晶出单相固溶体的反应。
T,C
1500 1400 1300 1200
1100 1000 1083
L
L+
1455
匀晶反应： L
Cu 20
40 60 Ni%
Ni 80 100
液相线 铜-镍合金匀晶相图分析
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083 熔点
液相区 1455
L
L+
纯镍 熔点
a1 1 b1L+ c1
1200
1100a 1000
1083
2
1.在两相区内，对应 每一确定的温度，两 相的成分是确定的。
145c5 2.随着温度的降低，
T1 两相的成分分别沿着 T2 液相线和固相线变化。
Cu
Ni
20 b 40 60 80 100
Ni%
匀晶相图分析要点
• 固溶体结晶也包括生核和长大过程，固溶体结晶更趋 于树枝状长大。
固相线
Cu
固相区
20
液固两相区
40 60 Ni%
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
L
T,C
T,C
L
1500
1455
L
1400 c
a
1300 1200d
T1 L+
匀晶转变 L
L
1100
b
1000 1083
Cu 20
40 60 Ni%
80
Ni 100
冷却曲线 t
T,C
L
Fra Baidu bibliotek
1500
1400 1300
配制一系列成分不等的合金
名称 熔点 合金1 合金2 合金3 …….. 合金9 合金10 合金11
金属A 高
100% 90% 80% …….. 20% 10% 0%
金属B 低 0% 10% 20%
……. 80% 90% 100%
热分析法
Temperature/℃
L L+S S
热分析法得到的冷却曲线
B
举例：求30%Ni合金在1280℃时相的相对量。
T,C
L
1500
1400 1300
a1 b1L+ c1
1200
1100a 1000
1083
1455
c
解：作温度线 和成分线如图。
1280 C
根据杠杆定律推论， Q / QH = a1b1 /a1c1=
(30-18)/(66-18)
Cu
18 20
30 40
• 变温结晶过程：与纯金属不同，固溶体结晶没有一个 恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内结晶。
• 液固相线不仅是相区分界线, 也是结晶时两相的成分 变化线。两相区内，温度一定时，两相的成分是确定 的。随着温度的变化，液相成分沿着液相线变化，固 相成分沿着固相线变化。结晶时，液、固两相的成分 不断地变化，成分变化通过原子扩散完成。
T,C
L
1500
1400 1300
a1 1 b1L+ c1
1200
1100 1000 1083
2
杠杆定律：在两相区内，对 应每一确定的温度T1，两相 质量的比值是确定的。即
QL/Q=b1c1/a1b1
145c5 杠杆定律推论：在两相
T1
区内，对应温度T1，两 相在合金中的相对质量
为：
QL/QH=b1c1/a1 c1
• 两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的，可 用杠杆定律进行计算。
杠杆定律的力学比喻
计算公式与力学中的杠杆定律相似，因此也称为杠杆定律。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是要 求的两平衡相的成分。合金在某温度下两平衡相的质量比等 于该温度下各自相区成分线段的长度之比。
杠杆定律及其的适用条件
66 60 80
Ni =12/48 =1/4
100 答：1280 ℃时相
Ni%
的相对质量为1/4。
平衡结晶
平衡是合金系各相成分与相对质量不随 时间发生变化。平衡结晶要求冷却速度 极其缓慢，足够足够地慢，使原子扩散 能够充分进行。
固溶体结晶时成分是不断 变化的，固相成分沿固相 线变化。理论上：冷却速 度无限缓慢时，扩散使先 凝固与后凝固的固溶体成 分均匀一致。
树枝晶内枝干和枝间化学成分不均匀现象——枝晶偏析。
扩散退火
生产上常将铸件加热到高温（固相线以下 100-200℃），长时间保温，使原子充分 扩散，获得成分均匀的固溶体，消除枝晶 偏析现象，这种热处理工艺称扩散退火。
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
富 Ni
富 Cu
平衡组织
枝晶偏析组织
2．共晶相图
非平衡结晶——枝晶偏析
固溶体结晶时成分是不断变化的。如果冷 却速度较快，原子扩散不能充分进行，就 形成了不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶 轴含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶枝 干含低熔点组元较多，造成枝晶偏析。
实际生产中，结晶常常在几分钟至几个小时内完成，冷却 过程并非无限缓慢，在一定温度下，扩散过程不能充分进 行——导致液态金属的不平衡结晶——一个晶粒内部化学 成分不均匀现象——晶内偏析。
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 2.2.2 合金的性能与相图的关系 2.2.3 铁碳合金的结晶
平衡
一定条件下，合金系参与相变过程的各相成分与相对质量不再 变化所达到的一种状态。平衡不是静止不变的过程，而是一种 动态的平衡，这时合金系是稳定的，各相成分与相对质量不随 时间发生变化。
相图（又称平衡图、状态图）
液相线
T,C
Cu
20 b 40 60 80 100 QNi/QH=a1b1/a1
Ni%
c1
杠杆定律只适用于：（1）平衡状态，（2）两相=区1。- QL/QH
温度
TL Tn TS
S
A
L
Qs
QL
a cb
杠杆定理的证明 QS + QL = Q合金 aQS + bQL = cQ合金 QL=(ac／ab) 100% QS=(bc／ab) 100%
几乎所有的相图都是通过实验得到的，实验室建 立相图的方法很多，最常用的方法是热分析法。
二元相图的建立步骤：
配制合金。 将合金熔化，冷却并测出冷却曲线。 从冷却曲线上找出临界点并标在相图上。 绘制相图。
温度 温度
相图的建立
时间 A 90 70 50 30 B
温度
L a
c L
+ S
d S
A
acb : 液相线
adb : 固相线
L : 液相区
S : 固相区 b
L+S:液固两相
B
共存区
2.2.1 二元合金的结晶
1．匀晶相图 2．共晶相图 3．包晶相图 4．共析相图
1．匀晶相图
两组元在液态和固态下均无限互溶所构成的相图称匀晶相图。 匀晶反应：合金系结晶时从液相结晶出单相固溶体的反应。
T,C
1500 1400 1300 1200
1100 1000 1083
L
L+
1455
匀晶反应： L
Cu 20
40 60 Ni%
Ni 80 100
液相线 铜-镍合金匀晶相图分析
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083 熔点
液相区 1455
L
L+
纯镍 熔点
a1 1 b1L+ c1
1200
1100a 1000
1083
2
1.在两相区内，对应 每一确定的温度，两 相的成分是确定的。
145c5 2.随着温度的降低，
T1 两相的成分分别沿着 T2 液相线和固相线变化。
Cu
Ni
20 b 40 60 80 100
Ni%
匀晶相图分析要点
• 固溶体结晶也包括生核和长大过程，固溶体结晶更趋 于树枝状长大。
固相线
Cu
固相区
20
液固两相区
40 60 Ni%
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
L
T,C
T,C
L
1500
1455
L
1400 c
a
1300 1200d
T1 L+
匀晶转变 L
L
1100
b
1000 1083
Cu 20
40 60 Ni%
80
Ni 100
冷却曲线 t
T,C
L
Fra Baidu bibliotek
1500
1400 1300
配制一系列成分不等的合金
名称 熔点 合金1 合金2 合金3 …….. 合金9 合金10 合金11
金属A 高
100% 90% 80% …….. 20% 10% 0%
金属B 低 0% 10% 20%
……. 80% 90% 100%
热分析法
Temperature/℃
L L+S S
热分析法得到的冷却曲线
B
举例：求30%Ni合金在1280℃时相的相对量。
T,C
L
1500
1400 1300
a1 b1L+ c1
1200
1100a 1000
1083
1455
c
解：作温度线 和成分线如图。
1280 C
根据杠杆定律推论， Q / QH = a1b1 /a1c1=
(30-18)/(66-18)
Cu
18 20
30 40
• 变温结晶过程：与纯金属不同，固溶体结晶没有一个 恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内结晶。
• 液固相线不仅是相区分界线, 也是结晶时两相的成分 变化线。两相区内，温度一定时，两相的成分是确定 的。随着温度的变化，液相成分沿着液相线变化，固 相成分沿着固相线变化。结晶时，液、固两相的成分 不断地变化，成分变化通过原子扩散完成。
T,C
L
1500
1400 1300
a1 1 b1L+ c1
1200
1100 1000 1083
2
杠杆定律：在两相区内，对 应每一确定的温度T1，两相 质量的比值是确定的。即
QL/Q=b1c1/a1b1
145c5 杠杆定律推论：在两相
T1
区内，对应温度T1，两 相在合金中的相对质量
为：
QL/QH=b1c1/a1 c1
• 两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的，可 用杠杆定律进行计算。
杠杆定律的力学比喻
计算公式与力学中的杠杆定律相似，因此也称为杠杆定律。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是要 求的两平衡相的成分。合金在某温度下两平衡相的质量比等 于该温度下各自相区成分线段的长度之比。
杠杆定律及其的适用条件
66 60 80
Ni =12/48 =1/4
100 答：1280 ℃时相
Ni%
的相对质量为1/4。
平衡结晶
平衡是合金系各相成分与相对质量不随 时间发生变化。平衡结晶要求冷却速度 极其缓慢，足够足够地慢，使原子扩散 能够充分进行。
固溶体结晶时成分是不断 变化的，固相成分沿固相 线变化。理论上：冷却速 度无限缓慢时，扩散使先 凝固与后凝固的固溶体成 分均匀一致。
树枝晶内枝干和枝间化学成分不均匀现象——枝晶偏析。
扩散退火
生产上常将铸件加热到高温（固相线以下 100-200℃），长时间保温，使原子充分 扩散，获得成分均匀的固溶体，消除枝晶 偏析现象，这种热处理工艺称扩散退火。
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
富 Ni
富 Cu
平衡组织
枝晶偏析组织
2．共晶相图
非平衡结晶——枝晶偏析
固溶体结晶时成分是不断变化的。如果冷 却速度较快，原子扩散不能充分进行，就 形成了不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶 轴含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶枝 干含低熔点组元较多，造成枝晶偏析。
实际生产中，结晶常常在几分钟至几个小时内完成，冷却 过程并非无限缓慢，在一定温度下，扩散过程不能充分进 行——导致液态金属的不平衡结晶——一个晶粒内部化学 成分不均匀现象——晶内偏析。
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 2.2.2 合金的性能与相图的关系 2.2.3 铁碳合金的结晶
平衡
一定条件下，合金系参与相变过程的各相成分与相对质量不再 变化所达到的一种状态。平衡不是静止不变的过程，而是一种 动态的平衡，这时合金系是稳定的，各相成分与相对质量不随 时间发生变化。
相图（又称平衡图、状态图）
液相线
T,C
Cu
20 b 40 60 80 100 QNi/QH=a1b1/a1
Ni%
c1
杠杆定律只适用于：（1）平衡状态，（2）两相=区1。- QL/QH
温度
TL Tn TS
S
A
L
Qs
QL
a cb
杠杆定理的证明 QS + QL = Q合金 aQS + bQL = cQ合金 QL=(ac／ab) 100% QS=(bc／ab) 100%