二元相图教案

理论课教案

教师活动内容学生活动内容时间∵W1 ·ac= W2·bc a 支点c b （成分点）

∴W1

W2=

bc

ac

W1W2

两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应的合金系，称为匀晶系并构成匀晶相图。例如Ni

Cu-、Cr

Fe-、Ag

Au-合金相图等。

现以Ni

Cu-合金相图为例，对匀晶相图及其合金的结晶过程进行分析。

匀晶相图

1）相图分析

Ni

Cu-相图（见图2.3）为典型的匀晶相图。图中acb线为液相线，该线以上合金处于液相；adb线为固相线，该线以下合金处于固相。液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点以及加热时熔化的终点和始点。L为液相，是Cu和Ni形成的液溶体；α为固相，是Cu和Ni组成的无限固溶体。图中有两个单相区：液相线以上的L相区和固相线以下的α相区。图中还有一个两相区：

液相线和固相线之间的L+α相区。

2）合金的结晶过程

图2.6 匀晶合金的结晶过程

以b点成分的Ni

Cu-合金(Ni含量为b％)为例分析结晶过程。该合金的冷却曲线和结晶过程如图2.6所示。首先利用相图画出该成分合金的冷却曲线，在1点温度以上，合金为液相L。缓慢冷却至l-2温度之间时，合金发生匀晶反应，从液相中逐渐结晶出α固溶体。2点温度以下，合金全部结晶为α固溶体。其它成

分合金的结晶过程也完全类似。

3）匀晶结晶的特点

⑴与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程，且固溶体更趋于呈树枝状长大。⑵固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。⑶在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。确定相成分的方法见2.1.4。⑷两相区内，温度一定时，两相的相对质量是一定的，且符合结合图形详细讲

解

学生认真听讲

指导学生看书

认真听讲

10分

15分

教 师 活 动 内 容

学生活动内容 时间

杠杆定律。⑸固溶体结晶时成分是变化的（L 相沿1a →2a 变化，α相

沿1c →2c 变化），缓慢冷却时由于原子的扩散充分进行，形成的是成

分均匀的固溶体。如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（Ni ）较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元（Cu ）较多。结果造成在一个晶粒之内化学成分的分布不均。这种现象称为枝晶偏析（见图2.7）。枝晶偏析对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。生产上为了消除其影响，常把合金加热到高温（低于固相线100℃左右），并进行长时间保温，使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体。这种处理称为扩散退火。 图2.7 枝晶偏析示意图 （四）课堂小结 点出重点，分析难点 （五）布置作业 1、复习本次课的内容 2、习题册上的习题 3、预习下一节内容

记笔记

学生根据老师的提示认真回顾本次课的重点内容

5分 5分 3分

理论课教案

教 师 活 动 内 容

学生活动内容 时间

（一）组织教学

点名考勤，稳定学生情绪，准备上课 （二）提出问题

1、二元合金相图的基本定义

2、杠杆定律的应用

3、匀晶相图 （三）讲授新课

§4-3二元合金相图（二）

三、共晶相图

两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生共晶反应的合金系，称为共晶系并构成共晶相图。例如Sn Pb -、Si Al -、Cu Ag -合金相图等。

现以Sn Pb -合金相图为例，对共晶相图及其合金的结晶过程进行分析。

1 相图分析

Sn Pb -合金相图（图2.8）中，adb 为液相线，acdeb 为固相线。合金系有三种相:Pb 与Sn 形成的液溶体L 相，Sn 溶

于Pb 中的有限固溶体α相，Pb 溶于Sn 中的有限固溶体β相。相图中有三个单相区（L 、α、β相区）；三个两相区（L +α、L +β、α+β相区）；一条L +α+β的三相并存线（水平线cde ）。 图2.8 Pb-Sn 合金相图及成分线

d 点为共晶点，表示此点成分（共晶成分）的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度）时，共同结晶出c 点成分的α相和

e 点成分的β

相：e c d L βα+−→−恒温

。

这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反

应。所生成的两相混合

物（层片相间）叫共晶体。发生共晶反应时有三相共存，它们各自的成分是确定的，反应在恒温下平衡地进行着。水平线cde 为共晶反应钱，成分在ce 之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。

cf 线为Sn 在Pb 中的溶解度线（或α相的固溶线）。温度降低，固溶体的溶解度下降。Sn 含量大于f 点的合金从高温冷却到室温时，从α相中析出β相以降低其 Sn 含量。从固态α相中析出的β相称为二次β，常写作βⅡ。这种二次结晶可表达为：βα→Ⅱ。 eg 线为Pb 在Sn 中的溶解度线（或β相的固溶线）。Sn 含量小于g 点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次α：αβ→Ⅱ。 2.3.2 典型合金的结晶过程

2.3.2.1 合金Ⅰ

准备上课

学生思考并回答所提出的问题。学生分组讨论并发言 听 讲 记笔记 学生思考、讨论 准备回答

听 讲 记笔记 2分

5分 5分

15分

教 师 活 动 内 容

学生活动内容 时间

合金Ⅰ的平衡结晶过程（如图 2.9所示）。液态合金冷却到1点温度以后，发生匀晶结晶过程，至2点温度合金完全结晶成α固溶体，随后的冷却（2-3点间的温度），α相不变。从3点温度开始，由于Sn 在α中的溶解度沿cf 线降低，从α中析出βⅡ，到室温时α中

Sn 含量逐渐变为f 点。最后合金得到

的组织为α+βⅡ。其组成相是f 点成分

的α相和g 点成分的β相。运用杠杆定

律，两相的相对质量为：

%)%%(%%;%αββα-=⨯=⨯=1或1004

1004fg

f f

g g

合金的室温组织由α和βⅡ组成，α和βⅡ即为组织组成物。组织组成物是指合金组织中那些具有确定本质，一定形 图2.9 合金Ⅰ结晶过程示意图 成机制和特殊形态的组成部分。组织组成物可以是单相，或是两相混合物。

合金Ⅰ的室温组织组成物α和βⅡ皆为单相，所以它的组织组成物

的相对质量与组成相的相对质量相等。

2.3.2.2 合金Ⅱ

合金Ⅱ为共晶合金，其结晶过程如图2.10所示。合金从液态冷却

到1点温度后，发生共晶反应：e c d L βα+−→−恒温

，经一定时间到1'时反应结束，全部转变为共晶体（e c βα+）。从共晶温度冷却至室温时，共晶体中的c α和e β均发生二次结晶，从α中析出βⅡ，从β中析出αⅡ。

α的成分由c 点变为f 点，β的成分由e 点变为g 点；两种相的相对

质量依杠杆定律变化。由于析出的αⅡ和βⅡ都相应地同α和β相连在

一起，共晶体的形态和成分不发生变化，不用单独考虑。合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为α和β相。

图2.10共晶合金结晶过程示意图 图2.11 亚共晶合金结晶过程示意图 2.3.2.3 合金Ⅲ

合金Ⅲ是亚共晶合金，其结晶过程如图2.11所示。合金冷却到1

学生认真听课

听 讲 记笔记

学生认真思考

听课记笔记 总结归纳

10分

15分