4 第四章 相图(二元)

配制合金系中几种不同成分合金 熔化后，测试其冷却曲线 根据曲线上的转折点，确定各合金的凝固温度 将上述数据引入以温度为纵轴，成分为横轴的坐标
平面中 连接意义相同的点，作出相应的曲线 曲线将图面分成若干区域----相区。经过金相组织分 析，测出各相区所含的相，将相的名称标注其中， 相图工作就完成
4，过共晶合金
★ E点以右，D点以左，为过共晶合金，与亚 共晶合金类似，白色卵形为初晶β，黑色为共 晶体（α＋β）。 ★α,β,αⅡ,βⅡ,(α+β)称组织组成物 ★α,αⅡ为一个相。(α+β)两相混合物，称共晶 体。 ★求组织组成物的相对量，同样可用杠杆定理 标明各区的组织---组织分区图
四、共晶组织和初晶形貌 1，共晶组织的形貌
测试时要求合金的成分准确，纯度高，冷却
速度要慢0.5~1.5℃/min
下面是Ni-Cu合金相图，是最简单的相图之一
Ni 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 20% 40% Cu Cu
80% Cu 60% Cu
Cu
Ni 20 40 60 80 Cu Cu%
2.2. 使用二元合金相图的基本方法
2 > 2 ；此时 2 -2 <0




dG＜0
当α相与β相彼此平衡时，在dG=0, 同理 ：------------------------------
= =
1
2
2
1
1.3. 相律
相律是分析和使用相图的重要依据。凝集态
受压力影响很小，在恒压下：相平衡条件的 数学表达式：f=c-p+1 (在物理化学中也指出) 式中C为组元数，P为共存的平衡相数，f为自 由度数。 单元系(纯金属) f=1-2+1=0，自由度为1，表 明恒温下平衡熔化或凝固。 二元系C=2，当f=0,p=3,在恒定温度下处于三 相平衡；两相共存时，自由度数目为1，表明 平衡凝固或熔化就在一定温度范围
1，表象点：二元相图图面的任意一点。所在
相区，该合金在某一温度下的相----所有合金 在不同温度下的状态。 2，相变温度确定：对给定合金的成分作垂线， 与相图中各曲线交点所对应的温度就是相恋 温度，有时称临界点。 杠杆定律：表象点若在双相区，以表象点作 水平线，与两侧的相区边界线相交，通过交 点成分坐标可确定两相的平衡成分。
杠杆定律只能在两相平衡的状态下使用
L T/℃ c b o a
α
O
Cu%
3，平衡相成分的确定
等温线与液相线、固相线的交点所对应的成 分表示。
(T) T/℃ n G n m α
Xm
Xn
Xm
Xn
2.3. 匀晶相图
一、相图分析
★二组元在液态、固态均无限互溶的合金 系的相图为匀晶相图，如： ۩ Cu-Ni, Nb-Ti, Cr-Mo, Sb-Bi, Au-Ag, Cd-Mg, Pt-Rh, ۩ ★分析： 液相线之上，单一液相区 固相线之下，单一固相区 两线之间，是液相与α固溶体的二相平衡区
2.2. 使用二元合金相图的基本方法
2.3. 匀晶相图
2.4. 共晶相图
2.5. 包晶相图
2.6. 其它相图
2.1. 二元相图的建立
测定合金系中若干成分不同的合金的平衡凝
固温度和固态相变温度 具体方法：热分析、金相分析、硬度测试、X 射线分析、膨胀试验、电阻试验等。是根据 相变时发生某些物理变化为基础，精确建立 相图常采用几种方法来校定。 热分析法是利用相变潜热来测定的，步骤如 下：
到液体中，在界面上堆集距离长，一出现连 续过冷，平界面不稳定而成胞状结构。(开拓 地)如下图：
形核和长大
形核时要成分起伏，能量起伏 凝固时是一个温度范围
在这个温度范围中，液固成分不断变化，需
要扩散达到平衡
三，匀晶系合金的不平衡凝固
偏析
实际铸造生产中，合金在铸型中的冷却速度 比较快，是非平衡态。注意不平衡条件下的 固线相 ☆晶体内部化学成分不均匀的现象称枝晶或晶 内偏析 ☆晶内偏析决定于冷却速度，偏析元素的扩散 能力以及液固相线之间距离
b/M B h= a/M A b / M B
1.4. 相图的物理意义
a.已知合金成分，根据相图找出不同温度下
合金所处的状态和相变点。 b.温度一定，合金所处的状态以及合金随成 分发生的相转变。 二元相图通常用纵坐标表示温度，横坐标表 示成分
第二节 二元相图
2.1. 二元相图的建立
气
T
1.2. 合金相平衡的热力学条件
相平衡及相转变的可能及方向－－
热力学问题。 根据自由能高低判别－G最低状态。 △G=0平衡，△G＜0是相转变的驱 动力。除了温度和压力(P，T) 以外，成分也对自由能有影响。
G G (T , P, n1 , n2 ,......) G G dG ( ) p ,n1 ,n2 ... dT ( )T ,n1 ,n2 .... dp T P G G ( )T , p ,n2 .... dn1 ( ) p ,T ,n1 ... dn2 ...... n1 n2 G ( )p s T G ( ) T =v P
例：
设合金O重量为W0，液相为WL，固相为Wα，
则WL+Wα=W0.液相中含Cu重WL.ca,固相中含 Cu重Wα.cb. 见下图 WL ca W cb Wo co
WL ca (Wo WL ) cb Wo co Wo (Cb Co) WL (cb ca) Wo ob=WL ab Wa ob = Wo ab WL WL ao WL ob =1= = Wo Wo ab W ao
t1
t2 温度 t3
液相区 L
固相区+液相区 (α +L)
固相α
A B%
B
二、匀晶转变 合金凝固时，t1温度是凝固开始温度 t2温度是凝固过程温度 t3温度是凝固结束温度 在一定温度范围内不断由液相中凝固出固溶 体，液相和固相成分都不断随温度下降而沿 液相线和固相线变化的过程---匀晶转变
★两相界面的单位面积界面能
如果两组成相中的给定晶面与界面平行时，
单位面积界面能可以达到最小值，其界面力 求保持上述平面，此时共晶体为片层状。即 是说，如果两相界面能γAB是各向同性的。 两相之间体积比大于约3:1时，就应该呈间距 为λ的纤维状(棒状)。为各向异性时，(界面为 结晶学平面)则为片层状
tE
三、共晶系合金的平衡凝固 1，含锡量小于19%的合金凝固
2，共晶合金
含锡量为61.9%的合金，
LE C + D W =45.4% W =54.6%
183℃
α、β成分分别沿CF和DG变化，从中析出βⅡ 和 αⅡ，难辨别
3，亚共晶合金
E点以左，C点以右的合金。有初晶α。
点是Sn的熔点 AC，BD分别是α和β相结晶完毕的固相线。 AE，BE是液相线 CF和DG线为固溶体的饱和溶解度曲线，简 称为固溶线，它们分别表示α和β固溶体的溶 解度随温度降低而减少的变化曲线
共晶反应：
LE C D
冷却时由一个液相变为两个固相的转变，CED 是一个三相共存区，表象点落在此处要发生 共晶反应，对应温度称共晶温度
第四章 二元合金相图
吴润
绪
物质的状态随温度，压力与成分等而变化，
相图的形式表明某金属或合金在某一温度， 某一压力下存在状态，或者说各相之间的关 系,以及各相之间的相对量。相图就是给定 合金系中合金成分、温度和压力与其组织状 态之间关系的图形。
相图是研究和开发新材料的最重要 最基本的工具
相图表明的是热力学的平衡状态。 并未表明各相的分布状态。如弥散度、晶
1.4. 相图的物理意义
1.5.
1.6.
1.1.
单元系相图
下图是纯铁的相图，表现出同素异晶性，常
压下随温度的改变，纯铁各相中平衡关系。
L € € €
原子或分子相互转变充分而达到的相互平衡
1538℃
1394℃
912℃
状态－－动态平衡
液态
δ-Fe P α-Fe γ-Fe
a ( )
( )
a
2
其总表面积
2 ra( )2
a

其总表面积 2a ( )
2
a
两表面积相等时 2 ra( ) 2a ( ) r
a
2 2
a
此时β相体积分数
2 a 1 ( ) ( ) 3 30% a
a
2
۩β相所占体积分数小于30%，r<λ/π.棒状β表 面积小，此时共晶体应为棒状，反之为片层 状
合金成分表示方法：可用重量百分数wt%，
原子百分数at%，通常是wt% 组元A、B；原子量为MA、MB；a、b为A、B 的重量百分数；k,h表示原子百分数。两者换 算关系是 MA k MB h a= b= M A k+M B h M A k+M B h
a/M A k= a/M A b / M B
2.4. 共晶相图
一、相图定义 液相互溶，固相有限溶解，并且发生共晶 反应的相图。如Pb-Sn, Pb-Sb, Al-Si等 ♠两相性能不同， 通过定向结晶---新型的生命材 料；非晶合金----以共晶为基础而形成的。 二、相图分析 二元共晶相图如下图：
α、β是固溶体
E是共晶点，CED共晶线，A纯Pb的熔点，B
粒大小，与形状。 许多理论研究和实际生产工艺都是从相图 出发或以此为依据的。 不同温度时组织状态及随成分而改变的规 律---金相分析的重要依据。 (新合金的研究--熔铸--加工--热处理工艺规范)