二元合金相图分析实例
二元合金相图实验报告
二元合金相图实验报告
二元合金相图实验报告
本次实验的目的是研究二元合金的相图，以及它们的组成和性质之间的关系。
实验中，我们使用了一种名为“二元合金相图”的实验方法。
该方法是通过改变合金中两种元素的比例，来研究合金的性质变化。
我们使用的合金是铝锰合金，它由铝和锰组成，比例分别为90％和10％。
实验过程中，我们首先将铝和锰的比例改变为80％和20％，然后将其熔炼，并将其冷却到室温，以观察其相变。
结果发现，当比例改变为80％和20％时，合金的结构发生了变化，表面出现了一层薄膜，表明合金中出现了新的相。
接下来，我们将铝和锰的比例改变为70％和30％，并重复上述实验步骤。
结果发现，当比例改变为70％和30％时，合金的结构发生了变化，表面出现了一层薄膜，表明合金中出现了新的相。
最后，我们将铝和锰的比例改变为60％和40％，并重复上述实验步骤。
结果发现，当比例改变为60％和40％时，合金的结构发生了变化，表面出现了一层薄膜，表明合金中出现了新的相。
经过上述实验，我们发现，随着铝和锰的比例的改变，合金的结构也会发生变化，出现新的相。
这表明，铝锰合金的组成和性质之间存在着密切的关系。
总之，本次实验成功地研究了二元合金的相图，以及它们的组成和性质之间的关系。
二元相图（匀晶,共晶）（精）
三）固溶体的非平衡凝固
不平衡结晶的过程分析 假定：不平衡结晶时，液相成分借助扩散、对流或搅拌等 作用完全均匀化，固相内却来不及扩散。
三）固溶体的非平衡凝固
① 将各温度下固溶体和液相的平均成分点连接成线，得 到固溶体和液相的平均成分线。
② 不平衡凝固时，液固相在各温度时的相平衡成分仍然 在平衡凝固时的液固相线上，只是其平均成分线偏离 了平衡凝固时的液固相线。
四、杠杆定律
在二元合金相图的两相区内，温度一定时，两相的重量比是一定的。 合金成分为C0，总重量为1, 在T 温度时，由液相和固相组成，液 相的成分为CL，重量为WL，固 相成份为Cα，重量为Wα。
1 = WL +Wa
1 C0 WL CL W C
WL = Ca - C0 Wa C0 - CL
固溶体凝固与纯金属凝固的比较
固溶体的凝固与纯金属的凝固相比有两个显著特点：
⑴ 固溶体合金凝固时结晶出来的固相成分与原液相成分不 同。结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶 (又称选择结晶)；纯金属凝固结晶时结晶出的晶体与母相化 学成分完全一样称为同分结晶。
固溶体的结晶属于异分结晶，在结晶时的溶质原子必然要在 液相和固相之间重新分配。
的相图上有极小点；
在Pb-Tl、Al-Mn等合金的相图上 有极大点。
二）固溶体的平衡凝固
平衡凝固：从液态无限缓慢冷却，在相变过程中充分进行组元间互相 扩散，达到平衡相的均匀成分，这种凝固过程叫平衡凝固。
x合金凝固过程及组织
冷至T1时
开始凝固出α1成分的固相 α1中的含Ni量比x合金高， α1旁的液体中含Ni量降 低，扩散平衡后液体成分 为L1
一、 二元系相图的表示法
二元系物质有成分的变化，在反映它的 状态随成分、温度和压力变化时，必须用一 个坐标轴的三维立体相图。由于二元合金的 凝固是在一个大气压下进行，所以二元系相 图的表示多用一个温度坐标和一个成分坐标 表示，即用一个二维平面表示。
Pb-Sn二元相图测定及其组织分析报告
实验10 二组分合金相图班级：材料（硕）01 组长：丁斌组员：陈越凡门明达王光王晓宇魏瑛康何林温雅欣杨多雪杨俊杰实验日期：2013年5月221.1实验目的1.2①掌握用热分析法测定材料的临界点的方法；②学习根据临界点建立二元合金相图；③自制二元合金金相样品，并分析组织。
热分析法（冷却曲线法）热分析法（冷却曲线法）是绘制凝聚体系相图时常用的方法。
它是利用金属及合金在加热或冷却过程中发生相变时，潜热的释出或吸收及热容的突变，使得温度－时间关系图上出现平台或拐点，从而得到金属或合金的相转变温度。
由热分析法制相图，先做冷却曲线，然后根据冷却曲线作图。
通常的做法是先将金属或合金全部熔化。
然后让其在一定的环境中自行冷却，通过记录仪记录下温度随时间变化的曲线（步冷曲线）。
以合金样品为例，当熔融的体系均匀冷却时（1所示），如果系统不发生相变，则系统温度随时间变化是均匀的，冷却速率较快（如图中ab线段）；若冷却过程中发生了相变，由于在相变过程中伴随着放热效应，所以系统的温度随时间变化的速率发生改变，系统冷却速率减慢，冷却曲线上出现转折（如图中b点）。
当熔液继续冷却到某一点时（如图中c点），此时熔液系统以低共熔混合物的固体析出。
在低共熔混合物全部凝固以前，系统温度保持不变，因此步冷曲线出现水平线段（如图中cd线段）；当熔液完全凝固后，温度才迅速下降（如图中de线段）。
由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物系统，可根据它的冷却曲线得出有固体析出的温度和低共熔点温度。
根据一系列组成不同系统的步冷曲线的各转折点，即可画出二组分系统的相图（温度－组成图）。
不同组成熔液的冷却曲线对应的相图2所示。
测定一系列不同Pb-Sn合金成分下的由液体缓慢冷却至完全凝固的数据，作冷却曲线，找出转折点或者平台，即对应转变开始或者完成所对应的温度，由此，综合这一系列的温度和其所对应的成分即可作出平衡态下的相图。
图1 图2实验结果：金相组织分析：何林温雅欣杨多雪杨俊杰组：成分组织相理论相对量相实际相对量90%Pb-10%Sn α+βⅡα90% 87.1% β10% 12.9%最终为ɑ固溶体，其冷却到固溶度线以下，将析出二次β，通常呈粒状或小条状分布于晶界与晶内。
二元合金相图（1）
第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。
合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。
合金相图正是研究这些规律的有效工具。
一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。
其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。
组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。
由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
二元以上的合金称多元合金。
合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。
利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。
掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。
在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。
本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。
2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。
液态物质为液相，固态物质为固相。
相与相之间的转变称为相变。
在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。
由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。
组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。
由不同组织构成的材料具有不同的性能。
二元合金相图
（二）枝晶偏析
在平衡条件下结晶时，由于冷速缓慢，原子可充分进行扩散，能够 得到成分均匀的固溶体。但在实际生产条件下，由于冷速较快（不平衡 结晶），从液体中先后结晶出来的固相成分不同，使得一个晶粒内部化 学成分不均匀，这种现象称为晶内偏析。由于固溶体一般都以树枝状方 式结晶，先结晶的树枝晶轴含高熔点的组元较多；后结晶的晶枝间含低 熔点组元较多，因此晶内偏析又称为枝晶偏析。通常冷却速度越大，实 际结晶温度越低，原子扩散能力越弱，枝晶偏析越严重。
图2-20 杠杆定律的应用
若要确定某合金（Ⅰ）在某温度（t）时两平衡相的相对质量，则可进行如下的 运算。
设合金（Ⅰ）的总质量为 1，温度 t 时液相的质量为 QL ，固相的质量为 Qα 。又 已知液相的含 Ni 量为 xL ，固相的含 Ni 量为 xα ，合金（Ⅰ）的含 Ni 量为 x，则
QQLL
结晶终了温度/℃ 1 083 1 130 1 195 1 270 1 360 1 455
（2）如图2-18（a）所示，测定每一合金在缓冷条件下的冷却曲线， 得到转变开始和转变终了的临界点温度，其数据如表2-1所示。
（3）建立一个以温度为纵轴，Ni的质量分数为横轴的直角坐标系。 从横轴上的成分点向上作垂线，把临界点分别标在成分垂线上。
（4）将转变开始点和转变终了点分别用平滑的曲线连接起来，根据已 知条件和实际分析结果标上数字、字母和各区内相（或组织）的名称，便得 到了一个完整的Cu-Ni二元合金相图，如图2-18（b）所示。
（a）冷却曲线
（b）相图
图2-18 Cu-Ni合金的冷却曲线及合金相图
二、二元合金相图的分析
两组元在液态和固态均能无限互溶时所形成的二元合金相图称为匀晶相 图，它是相图中最简单的一种。除此之外，还有二元共晶相图、二元包晶相图 等。现以Cu-Ni二元匀晶合金相图为例进行分析。
二元合金与相图.ppt讲解
共晶反应的产物，即两 相的机械混合物称共晶 体或共晶组织。发生共 晶反应的温度称共晶温 度。代表共晶温度和共
晶成分的点称共晶点。
Pb原子 扩散 Sn原子 扩散
Pb-Sn共晶组织 共晶体长大示意图
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡 成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共 晶点以右的合 金称过共晶合 金。
A
L+பைடு நூலகம்
C D
B
凡具有共晶线
成分的合金液
体冷却到共晶
温度时都将发
生共晶反应。
⑵ 合金的结晶过程 ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种 直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
.2
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开 始析出（相变过程也称析出）新相— 相。由已有固相析出的 新固相称二次相或次生相,由 析出的二次 用Ⅱ 表示。。
成分大于 D点合金结晶 过程与Ⅰ合金相似，室 温组织为 + Ⅱ 。
C
E
D
F
G
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程
液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共
晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’
19.2
wt%Sn
析出过程中两相相间形核、互相促进、共 同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、 点球等形状。
C(19.2) E(61.9) D(97.5)
相的相对重量百分比为：
Q Q ED 97.5 61.9 100% 100% 45.4% CD 97.5 19.2 100% Q 54.6%
2.2二元合金相图
三、共晶相图：
二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时 有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二元 共晶相图。
共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相 的复合混合物的反应。
共晶体：共晶反应的产物是共晶体。
共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。
1、相图分析
（1）共晶点 C点－－ α相＋β相 （2）共晶线 ECF线－－ LC恒→温αE+ ΒF
第五节 二元合金相图
相图：表示在平衡状态下，合金系的相与温度、成分之间关
系的图形。（又称状态图，平衡图）
注：
1、平衡状态是指在十分缓慢加热或冷却条件下，参与加热时 相的转变或冷却时结晶过程中的各相之间的成分及相对量，均 相对稳定所达到的一种平衡。 2、 物系为合金系的情况下，其压力通常视为定值，因此坐标 为温度和成分。
t/s
Ag%
P57图3-20 包晶合金的平衡结晶过程
概括起来，包晶合金平衡结晶过程为：
包晶温度以上： 液态 L42.4 液相线到包晶温度之间： 液态L 包晶温度（1186℃）：包晶转变 L66.3 10.5 42.4 包晶温度以下： Ⅱ 室温组织： + Ⅱ
➢包晶偏析——即包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不 均匀现象。
冷却过程中不会发生共晶反应。如图合金Ⅳ冷却至1
点时结晶出α1 相,经过2点时全部转变为α1 相,经 过3点时,开始析出βⅡ相,即
L→1 L+α1→2 α1 →3 α1＋ βⅡ
同理，F点右侧的合金在冷却过程中也会有β1 相和αⅡ相生成 。最终组织为 β1＋αⅡ 。
§2-4 二元包晶相图
一、二元包晶相图分析
二、匀晶相图
两组元在液态和固态均能无限互溶时，结晶时发生匀晶转变（即从 液相中结晶出成分均匀一致的固溶体)所构成的相图称为二元合金相 图。
第二节 二元合金相图
α+β
Pb 无论从何处开始, 无论从何处开始
LE⇔ α 体系点达到共晶线 M
液相组成达到E点 液相组成达到 点
+ βN
共晶反应要点
• • • • 共晶转变在恒温下进行。 共晶转变在恒温下进行。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
f 4
X1
冷却曲线 t
(3)X2合金结晶过程分析
共晶合金） （共晶合金）
L T,°C L
T,°C °
(α+ β) α
L
183
α
L+ α
M
L
E
L+ β
Nβ
L→(α+ β) 共晶体 α
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
共晶转变： 共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固 相的转变。 相的转变。 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。（液态无限互溶、 。（液态无限互溶 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。（液态无限互溶、 固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。 固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。) 共晶组织：共晶转变产物（是两相混合物） 共晶组织：共晶转变产物（是两相混合物） 。
3 合金的平衡结晶及其组织 （以Pb-Sn相图为例） Pb-Sn相图为例） 相图为例
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Fe与C在高温下形成的液体 溶液。(ABCD线以上)
(2)δ相[高温铁素体（high temperature ferrite）]
C在δ－Fe的间隙固溶体。在 1495℃时最大溶解量可达 0.09%，为bcc结构，也称高 温铁素体（high temperature ferrite）。
(3)渗碳体（cementite） 前面 已讨论过.
▪ 纯 铁 固 态 下 具 有 同 素 异 构 转 变 （ allotropic transformation）：912°C以下为体心立方 (bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面 心立方(fcc)结构, 1394°C到熔点之间为体心 立方(bcc)结构。
▪ 纯铁具有磁性转变（770/768℃磁性转变、 magnetic transformation）。纯铁的强度 低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利 用铁磁性（ferromagnetism）。
2020/6/11
-
15
2.Fe—C合金中的基本相 －B
（4） 奥氏体（austenite）
奥氏体(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的
间隙固溶体称为奥氏体（austenite）。
γ具有fcc结构。具有面心立方晶体结构
的奥氏体可以溶解较多的碳，1148°C 时 最 多 可 以 溶 解 2.11% 的 碳 ， 到 727°C时含碳量降到0.8%。碳原子存 在于面心立方晶格中正八面体的中心，
2020/6/11
-
10
渗碳体的晶格
2020/6/11
-
11
Fe-Fe3C双重相图－1
2020/6/11
-
12
Fe-Fe3C双重相图－2
2020/6/11
-
13
(2) 渗碳体(Fe3C)-B
▪ Fe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表示这个
临界点。 ▪ Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。
2020/6/11
-
3
1538 1495 1394
Fe
2020/6/11
-
4
1.Fe—C合金中的组元
Fe-Fe3C相图
铁碳合金中 组元： 纯铁(Fe)和 渗碳体（Fe3C）
2020/6/11
-
Fe3C
5
(1) 纯铁（Fe）
▪ 纯铁（pure iron） WFe > 99.8%，原子序数 26 ， 原 子 相 对 质 量 55.85 ， 纯 铁 的 熔 点 1538℃，汽化点2738℃，密度7.87g/㎝³。
▪ Fe3C熔点为1227℃，Fe3C是一种亚稳化合物，在一定条件 下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。所以 Fe—Fe3C相图又叫介稳定系相图，Fe－C相图又叫稳定系相 图，若把Fe—Fe3C相图与Fe－C相图画在同一图上，称为 Fe－C合金双重相图，如图7.50。两相图各有不同适用范围。
7.3.8 二元合金相图分析实例
重点：铁碳相图
2020/6/11
-
1
7.3.8 二元合金相图分析实例
▪ Fe—C合金的组织和性能 ▪ Al2O3—SiO2系的组织和性能 ▪ Cu—Zn合金相图 ▪ Cu—Sn合金 ▪ 其他例子
2020/6/11
-
2
一. Fe—C合金的组织和性能 ▪ 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材
渗碳体硬而脆(HB800)，塑性极低，延伸率接近于 0。它是钢铁材料中的主要强化相。Fe3C中碳和Fe 可以被其它元素替代形成以Fe3C为基的固溶体。Fe 被Cr、Mn等原子金属置换，形成以Fe3C为基的固 溶体，称为合金渗碳体。
2020/6/11
-
14
2. Fe—C合金中的基本相 －A
在Fe—Fe3C相图中，Fe—C合金在不同条件(成分，温度)下，可 有六个基本相： L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、石墨（C）
2020/6/11
-
6
纯铁的同素异构转变
2020/6/11
-
7
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
2020/6/11
-8Leabharlann 纯铁的显微组织2020/6/11
-
9
(2) 渗碳体(Fe3C)－A
▪ 渗碳体（cementite）是Fe—C合 金中碳以化合物(Fe3C)形式出现的。 它具有复杂的晶格。Fe3C是由C原 子构成的一个斜方晶格， C原子周 围有六个Fe原子，构成一个八面体， 而每个Fe原子属于两个八面体共有， Fe:C=3:1。
单 相 γ 区 存 在 于 NJBESGN 区 域 内
（ 727---1459℃ ） 。 奥 氏 体 的 硬 度 (HB170-220)较低，塑性(延伸率δ为 40%-50%)高。奥氏体的显微组织见下
图 。 γ 是 顺 磁 性 （ paramagnetism ） ，
具有fcc结构。晶粒呈平直多边形。
2020/6/11
-
16
碳在γ－Fe晶格中的位置
2020/6/11
-
17
奥氏体的显微组织
2020/6/11
-
18
2.Fe—C合金中的基本相 －C
(5)铁素体（ferrite）
铁素体（α或F）是C溶于α－Fe形成的 间隙固溶体称为铁素体（ferrite）。C原 子溶于八面体间隙。单相α相在GPQ以左 部分。铁素体的含碳量非常低，在727℃ 时C在α－Fe中最大溶解量为0.0218%， 室温下含碳仅为0.005%，所以其性能与 纯铁相似：硬度(HB50-80)低，塑性(延 伸 率 δ 为 30%~50%) 高 。 铁 素 体 的 显 微 组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多边形。
料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基 本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合 金（alloys of the iron－carbon system）。因此， 学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问 题是非常重要的。
▪ 铁碳相图(如图7.50)是一个较复杂的二元合金相图， 它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。 在FF物ee铁是23CC碳硬-、F合脆eF2e金C相C,中。，F，e所后2FC以面e-与F，三eCCF部可e和-分以CF相e相形C图图-成C实可一四际以系个上列划部没化分分合有成。物应由Fe：用于-FF价化ee33值合CC,、 （工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此， 通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。