第三章二元合金相图

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3.3.2 二元共晶相图
相图中有两条重要的曲线，DF线为α 相的固溶度（即锡Sn在铅Pb中的溶解度）曲 线，EG线为β相的固溶度（即铅Pb在锡Sn中 的溶解度）曲线。随着温度下降，固溶体的 固溶度降低，α相中的锡Sn以β相的形式析 出，为了区别于从液相中结晶出的β相，称 为二次β，写作βⅡ。同样，β相中的铅Pb 以α相的形式析出，称为二次α，写作αⅡ。
3.2.3 杠杆定律
1.平衡相成分的确定 成分为b的合金在T1 温度下处于液相L和 固相α两相共存状 态，如何确定T1温度 下液相L和固相α的 成分呢？
3.2.3 杠杆定律
平衡相成分的确定：过温度T1做水平线，分 别交液相线和固相线于a点和c点，则a点和c 点在成分坐标轴上的投影点即对应为液相L 和固相α的成分。
3.1固态合金中的相与组织
组织：把金属材料的金相试样放在金相 显微镜下观察，所看到的内部的微观形貌称 为组织。组织由相构成，相是组织的基本组 成部分，相的形态、大小、数量和分布方式 不同，则形成的组织不同。 不同的组织对应不同的性能，因此，在 生产上可以通过控制化学成分和工艺过程来 得到不同的组织，从而获得不同的性能。
3.3.2 二元共晶相图
小，从初晶α中析出βⅡ,同时从共晶体 (αD+βE)中析出的βⅡ和αⅡ不予考虑，因 此室温组织为：初晶α+βⅡ+（αD+βE） 成分在BE之间的合金称为过共晶合金， 其平衡结晶过程与亚共晶合金类似，室温组 织为 β+αⅡ+（αD+βE）。
3.3.2 二元共晶相图
图3-11 合金Ⅲ的平衡结晶过程示意图
3.3.1 二元匀晶相图
扩散退火 枝晶偏析会降低合金的力学性能和工艺 性能，生产上常采用扩散退火来消除其影响 ，即把钢加热到高温（低于固相线100℃左 右），进行长时间保温，使原子充分扩散， 从而获得成分均匀的固溶体。
3.3.2 二元共晶相图
二元共晶相图 二元合金系中的两组元在液态时无限互 溶，在固态时有限互溶，并发生共晶转变的 相图，称为二元共晶相图。 具有这类相图的二元合金系主要有Pb-Sn 、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等。下面以Pb-Sn相 图为例，分析共晶相图。
3.3.2 二元共晶相图
1.相图分析
图3-8二元共晶相图（Pb-Sn合金）
3.3.2 二元共晶相图
共晶反应 成分在DE之间的合金，在三相共存水平线对 应的温度下将发生一种转变，即B点成分的液 相LB同时结晶出D点成分的αD相和E点成分的 βE相，转变的反应式为：
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 物叫共晶体（或共晶组织），B点是共晶点。
3.3.1 二元匀晶相图
相图分析 相图只有两条线，上 面一条是液相线，下 面一条是固相线。液 相线以上是液相区L ，固相线以下是固相 区α，液、固相线之 间是液、固两相共存 区L+α。
图3-6二元匀晶相图（Cu-Ni合金）
3.3.1 二元匀晶相图
分析Ⅰ合金平衡结晶过程 平衡结晶是指在极缓慢条件下进行的结 晶。t1点温度以上都是液相L，缓慢冷却至 t1点，从液相中开始结晶出α固溶体，此时 液相、固相成分分别为L1点和α1点在成分 坐标上的投影，因为刚结晶，因此基本上全 部是液相。继续缓慢冷却到t2温度，原子经 过充分扩散，液相、固相成分分别为L2点和 α2点在成分坐标上的投影，固相的质量增 加，液相的质量减少。
3.3.3 二元包晶相图
1.相图分析 ABC为液相线，ADEC为固相线。 相图中有三个基本相：α、β和液相L。 α是银Ag溶于铂Pt中的固溶体，β是铂Pt溶 于银Ag中的固溶体，液相L是Pt与Ag形成的 液溶体。三个基本相对应相图上三个单相区， 单相区之间有三个两相区：L+α、L+β和 α+β。一条水平线DEB对应L、α、β三相 共存区。
3.3.2 二元共晶相图
图3-10 合金Ⅱ（共晶合金）的平衡结晶过程示意图
3.3.2 二元共晶相图
（3）合金Ⅲ(DB之间的合金,即亚共晶合金) 的平衡结晶过程 液态合金冷却到1点时，发生匀晶转变， 从液相中开始结晶出α固溶体，把这种从液 相中直接析出的α固溶体称为初晶α。当温 度降至接近2点时，组织为液相L与初晶α混 合物。当温度降至2点时，液相L将发生共晶 转变，LB → (αD+βE),初晶α保持不变。温度 继续下降，初晶α固溶体的溶解度逐渐减
3.1固态合金中的相与组织
相：在金属或合金中，凡化学成分相 同、晶体结构相同并有界面与其他部分分 开的均匀组成部分。 相分为固溶体和金属化合物两大类。 如果合金是由化学成分、晶体结构都相同 的同一种晶粒组成，则属于由同一种相构 成，称为单相合金；如果合金由化学成分 、晶体结构不相同的几种晶粒组成，则合 金由这几种相构成，称为多相合金。
3.3.3 二元包晶相图
包晶反应 成分在DBE之间的合金，在三相共存水平 线对应的温度下（tE）将发生一种转变，即B 点成分的液相LB和D点成分的αD相反应生成E 点成分的βE相，转变的反应式为： 这种由一种液相与一种固相在恒温下反应 生成另一种固相的反应叫做包晶反应，E点 是包晶点。
3.3.3 二元包晶相图
3.2.3 杠杆定律
由Cu–Ni合金相图可以看出，液相线以上 所有合金都处于液态。固相线以下，所有合金 都结晶完毕，处于固态。在液相线和固相线之 间，表示合金在结晶过程中，处于液相和固相 两相共存状态。在单相区内，相的成分就是合 金的成分，相的质量就是合金的质量。在两相 区内，由于合金处在结晶过程中，两相的成分 及相对含量都在不断变化。某一成分的合金， 在某一温度下，两相的成分是可以确定的，两 相的质量比也是一定的。
3.2.2二元合金相图的测定方法
（4）将各个合金的相变点分别标注在横 坐标为成分、纵坐标为温度的平面图中相应 的合金线上。 （5）将所有的结晶开始点连线，称为液 相线，再将所有结晶终了点连线，称为固相 线，这样就获得了Cu–Ni合金相图。 配制合金的数目、金属的纯度、冷却速 度及实验设备等因素都会影响测定精度。
3.2.1 二元相图的表示方法
3.2.2 二元合金相图的测定方法
3.2.2 杠杆定律
3.2.1二元相图的表示方法
合金的状态由合 金的成分和温度 决定，对于二元 合金，通常用横 坐标表示成分， 纵坐标表示温度。
图3-3 二元相图的表示方法
3.2.1二元相图的表示方法
在成分―温度坐标平面上的任一点的坐 标值表示一个合金的成分和温度。
3.3.2 二元共晶相图
（1）合金Ⅰ（FD间的合金）的平衡结晶过程 液态合金冷却到1点时，发生匀晶转变，从液 相中开始结晶出α相，随着温度下降，液相 成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化 ，结晶出的α相逐渐增多，液相逐渐减少， 到2点全部结晶成α相。2～3温度范围内，α 相不发生变化。从3点开始，Sn在α相中的溶 解度达到饱和，随着温度下降，α相的溶解 度沿DF线逐渐减小，Sn以βⅡ的形式从α相 中析出，到室温时组织为α+βⅡ。
3.2.3 杠杆定律
2.平衡相相对含量的确定 在两相平衡区内，温度一定时，两相的 质量比是一定的。 两相的相对含量可用（3-1）式来表达：
式中: QL —液相的质量； Qα — 固相的质量； bc、ab—线段长，用成分坐标上的 数值来度量。
3.2.3 杠杆定律
（3-1）式可写成QL· ab= Qα· bc，形式上与力 学中的杠杆定律相似，因此称为杠杆定律， 杠杆的支点为合金的成分点，杠杆的两个端 点为给定温度时两相的成分点。 液相和固相在合金中所占的质量分数： 运用杠杆定律时要注意， 它只适合于相图中的两相 区，并且只能在平衡状态 下使用。
3.3.3 二元包晶相限互 溶，在固态时有限互溶，并发生包晶转变的 相图，称为二元包晶相图。具有这类相图的 二元合金系主要有Pt-Ag、Sn-Sb等。下面以 Pt-Ag相图为例，简要分析包晶相图。
3.3.3 二元包晶相图
图3-12 二元包晶相图（Pt-Ag合金）
A点合金的成分为wNi40%、wCu60%； B点表示成分为wNi60%、wCu40%的合金1000℃ 时为单相α固溶体； C点表示含wNi30%、wCu70%的合金在1200℃时 处于液相L和固相α两相共存状态。
3.2.2二元合金相图的测定方法
相图大部分是根据实验方法测定的，测 定方法也很多，以Cu–Ni合金为例，说明用 热分析法测定二元合金相图的过程。 （1）首先配制一系列不同成分的Cu–Ni 合金，合金的数目越多，测得的相图就越精 确。选取纯铜、镍含量wNi30%、50%、70%的 Cu–Ni合金及纯镍。 （2）用热分析法分别测出各合金从液 态到室温的冷却曲线。
3.3 几种典型二元合金相图
3.3.1 二元匀晶相图
3.3.2 二元共晶相图 3.3.3 二元包晶相图 3.3.4 二元共析相图
3.3.5 组元间形成稳定化合物的相图
3.3.1 二元匀晶相图
二元匀晶相图：两组元不但在液态无 限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合 金系所形成的相图。 具有这类相图的二元合金主要有Cu-Ni 、Fe-Cr、Ag-Au等。在这类合金中，结晶 时都是从液相结晶出单相固溶体，这种结 晶过程称为匀晶转变，几乎所有的二元合 金相图都包含匀晶转变部分。
3.3.1 二元匀晶相图
到达t3点，全部结晶完了，获得与原合金成 分相同的单相α固溶体。可见，结晶过程中 液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线 变化，同时液相的相对质量逐渐减少，固相 的相对质量逐渐增加。
图3-7 二元匀晶合金平衡 结晶过程示意图
3.3.1 二元匀晶相图
枝晶偏析 合金的平衡结晶是在一定温度范围内进 行的，随着温度缓慢下降，原子充分扩散。 如果冷却速度较快，原子扩散不能充分进行 ，则会形成成分不均匀的固溶体。先结晶的 树枝晶轴含高熔点的组元（Ni）较多，后结 晶的树枝晶枝干含低熔点的组元（Cu）较多 ，造成一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 ，称为枝晶偏析。