材料科學(xué)基礎(chǔ)第五章材料的相結(jié)構(gòu)及相圖

1、第五章第五章 材料的相結(jié)構(gòu)及相圖材料的相結(jié)構(gòu)及相圖 第一節(jié)第一節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu)材料的相結(jié)構(gòu)u第二節(jié)第二節(jié) 二元相圖及其類(lèi)型二元相圖及其類(lèi)型u第三節(jié)第三節(jié) 復(fù)雜相圖分析復(fù)雜相圖分析u第四節(jié)第四節(jié) 相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ) 第五節(jié)第五節(jié) 三元系相圖及其類(lèi)型三元系相圖及其類(lèi)型合金：根據(jù)性能要求，選用兩種或兩種合金：根據(jù)性能要求，選用兩種或兩種以上金屬元素或金屬與非金屬元素，經(jīng)以上金屬元素或金屬與非金屬元素，經(jīng)熔煉或燒結(jié)等方法形成具有金屬性能的熔煉或燒結(jié)等方法形成具有金屬性能的材料稱(chēng)為合金。材料稱(chēng)為合金。例如：例如：Fe-C鋼鐵；鋼鐵；Cu-Zn銅合金；銅合金；Mg合金；合金； Al合金；合金

2、；Ni基合金等?；辖鸬?。第一節(jié)第一節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu)材料的相結(jié)構(gòu)相：相：是合金中具有同一聚集狀態(tài)，同一晶體是合金中具有同一聚集狀態(tài)，同一晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開(kāi)的均勻組成部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開(kāi)的均勻組成部分。分。根據(jù)相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為兩大類(lèi)：根據(jù)相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為兩大類(lèi)：固溶體固溶體中間相中間相以合金中某一組元作為溶劑，其它組元為溶質(zhì)，以合金中某一組元作為溶劑，其它組元為溶質(zhì)，所形成的與溶劑有相同晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)稍有所形成的與溶劑有相同晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)稍有變化的固相，稱(chēng)為固溶體。變化的固相，稱(chēng)為固溶體。1. 固溶體固溶體固溶體的類(lèi)型固溶體的類(lèi)型 按溶質(zhì)原子在溶劑按溶質(zhì)原子在溶劑晶體

3、中所占位置晶體中所占位置間隙固溶體間隙固溶體置換置換固溶體固溶體按固溶度的大小按固溶度的大小無(wú)限固溶體無(wú)限固溶體有限固溶體有限固溶體按溶質(zhì)原子與溶劑按溶質(zhì)原子與溶劑原子的相對(duì)分布情況原子的相對(duì)分布情況有序固溶體有序固溶體無(wú)序固溶體無(wú)序固溶體（1 1）置換固溶體）置換固溶體溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子溶劑原子溶劑原子溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體I. I.尺寸因素尺寸因素 溶質(zhì)原子半徑與溶劑原子半徑之差越大，一個(gè)溶質(zhì)原溶質(zhì)原子半徑與溶劑原子半徑之差越大，一個(gè)溶質(zhì)原子引起的點(diǎn)陣畸變能就越大，溶質(zhì)原子能溶入溶劑中子引起的點(diǎn)陣畸變能就越大，溶質(zhì)原子能溶

4、入溶劑中的數(shù)量就越少，固溶體的數(shù)量就越少，固溶體的溶解度就越小。的溶解度就越小。相反就越大。相反就越大。（1 1）置換固溶體）置換固溶體溶質(zhì)與溶劑可以有限互溶也可以無(wú)限互溶溶質(zhì)與溶劑可以有限互溶也可以無(wú)限互溶， 其溶解度與以下幾個(gè)因素有關(guān)：其溶解度與以下幾個(gè)因素有關(guān)：I. I.尺寸因素尺寸因素 II.II. 晶體結(jié)構(gòu)因素晶體結(jié)構(gòu)因素 組元間晶體結(jié)構(gòu)相同時(shí)，固溶度一般都較大，而且有可組元間晶體結(jié)構(gòu)相同時(shí)，固溶度一般都較大，而且有可能形成無(wú)限固溶體。若不同只能形成有限固溶體。能形成無(wú)限固溶體。若不同只能形成有限固溶體。III.III. 電負(fù)性差因素電負(fù)性差因素 兩元素間電負(fù)性差越小，越易形成固溶體

5、，且形成的兩元素間電負(fù)性差越小，越易形成固溶體，且形成的固溶體的溶解度越大；隨兩元素間電負(fù)性差增大，固固溶體的溶解度越大；隨兩元素間電負(fù)性差增大，固溶度減小。溶度減小。n1）電負(fù)性差值電負(fù)性差值X0.40.5，傾向于形成穩(wěn)定的化合物，傾向于形成穩(wěn)定的化合物IV.IV. 電子濃度因素電子濃度因素 電子濃度的定義是合金中各組成元素的價(jià)電子數(shù)總和與電子濃度的定義是合金中各組成元素的價(jià)電子數(shù)總和與原子總數(shù)的比值，記作原子總數(shù)的比值，記作e/ae/a。電子濃度有一極限，超過(guò)。電子濃度有一極限，超過(guò)這一極限，固溶體就不穩(wěn)定，會(huì)形成新相。這一極限，固溶體就不穩(wěn)定，會(huì)形成新相。100)100(/uxxVae（

6、2 2）間隙固溶體）間隙固溶體溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子溶劑原子溶劑原子溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子進(jìn)入進(jìn)入溶劑晶格的間隙溶劑晶格的間隙所形成的固溶體，溶質(zhì)原子不所形成的固溶體，溶質(zhì)原子不占據(jù)晶格的正常位置。占據(jù)晶格的正常位置。n 溶質(zhì)原子一般是半徑小于溶質(zhì)原子一般是半徑小于0.1mm的非金屬元素的非金屬元素 例如：例如： H（0.046nm）；）；O（0.061nm）；）； N（0.071nm）；）；C（0.077nm）；）； B（0.097nm）l 無(wú)論是置換固溶體還是間隙固溶體，均能引起無(wú)論是置換固溶體還是間隙固溶體，均能引起固溶體的硬度、強(qiáng)度升高。固溶體的硬度、強(qiáng)度升高。l 對(duì)置換式固溶體，溶質(zhì)原子與溶劑原

7、子的尺寸對(duì)置換式固溶體，溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大，溶質(zhì)原子的濃度越高，其強(qiáng)化效果差別越大，溶質(zhì)原子的濃度越高，其強(qiáng)化效果就越大。就越大。l 由于溶質(zhì)原子的固溶而引起的強(qiáng)化效應(yīng)，稱(chēng)為由于溶質(zhì)原子的固溶而引起的強(qiáng)化效應(yīng)，稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化。注意：注意：2. 中間相中間相兩組元間的相對(duì)尺寸差、電子濃度及電負(fù)性差兩組元間的相對(duì)尺寸差、電子濃度及電負(fù)性差都有一溶限，當(dāng)溶質(zhì)原子的加入量超過(guò)此溶限都有一溶限，當(dāng)溶質(zhì)原子的加入量超過(guò)此溶限時(shí)便會(huì)形成一種新相，這種新相稱(chēng)為中間相。時(shí)便會(huì)形成一種新相，這種新相稱(chēng)為中間相。 中間相一般具有較高的熔點(diǎn)及硬度，可使合中間相一般具有較高的熔點(diǎn)及硬度，可使合金的

8、強(qiáng)度、硬度、耐磨性及熱腐蝕性提高。金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性及熱腐蝕性提高。按中間相形成時(shí)起主要作用的因素分類(lèi)：按中間相形成時(shí)起主要作用的因素分類(lèi)：正常價(jià)化合物；電子化合物；尺寸因素化合物正常價(jià)化合物；電子化合物；尺寸因素化合物符合原子價(jià)規(guī)則的化合物，在符合原子價(jià)規(guī)則的化合物，在AmBn中，正離子中，正離子的價(jià)電子數(shù)恰好使負(fù)離子具有穩(wěn)定的電子層結(jié)的價(jià)電子數(shù)恰好使負(fù)離子具有穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)。構(gòu)。(1)(1)正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物例如：例如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、MgS、MnS等等u金屬元素與周期表中的金屬元素與周期表中的A，A，A元素元素形成正常價(jià)化合物。形成正常價(jià)化合物。u有較高的

9、硬度，脆性很大。有較高的硬度，脆性很大。u正常價(jià)化合物的分子式只有正常價(jià)化合物的分子式只有AB，A2B或或AB2兩種。兩種。u常見(jiàn)類(lèi)型：常見(jiàn)類(lèi)型：(1)(1)正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物NaCl型型（面心立方）（面心立方）CaF2型型（面心立方）（面心立方）閃鋅礦型閃鋅礦型（立方（立方ZnS）硫鋅礦型硫鋅礦型（六方（六方ZnS） 正常價(jià)化合物其穩(wěn)定性與兩組元的電負(fù)性差值大小有關(guān)，正常價(jià)化合物其穩(wěn)定性與兩組元的電負(fù)性差值大小有關(guān)，電負(fù)電負(fù)性差值越大，穩(wěn)定性越高，愈接近離子鍵合性差值越大，穩(wěn)定性越高，愈接近離子鍵合，反之趨向于金屬，反之趨向于金屬鍵合。鍵合。 正常價(jià)化合物包括從離子鍵、共價(jià)鍵過(guò)渡到金屬

10、鍵為主的一系正常價(jià)化合物包括從離子鍵、共價(jià)鍵過(guò)渡到金屬鍵為主的一系列化合物，通常具有較高的強(qiáng)度和脆性，固溶度范圍極小，列化合物，通常具有較高的強(qiáng)度和脆性，固溶度范圍極小，在在相圖上為一條垂直線。相圖上為一條垂直線。(1)(1)正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物MgSi相圖相圖Mg2Si由由B族或過(guò)渡金屬元素與族或過(guò)渡金屬元素與B，B，B族元素族元素形成的金屬化合物。形成的金屬化合物。u 不遵守化合價(jià)規(guī)律，晶格類(lèi)型隨化合物電子濃度不遵守化合價(jià)規(guī)律，晶格類(lèi)型隨化合物電子濃度而變化。而變化。(2)(2)電子化合物電子化合物電子濃度為電子濃度為3/2時(shí)：時(shí)： 呈體心立方結(jié)構(gòu)（呈體心立方結(jié)構(gòu)（b b相）；相）；電

11、子濃度為電子濃度為21/13時(shí)：呈復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)（時(shí)：呈復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)（g g相）；相）；電子濃度為電子濃度為21/12時(shí)。呈密排六方結(jié)構(gòu)（時(shí)。呈密排六方結(jié)構(gòu)（e e相）；相）；它們的形成主要是電子濃度起主導(dǎo)作用。也與尺寸它們的形成主要是電子濃度起主導(dǎo)作用。也與尺寸因素及組元的電負(fù)性差有一定關(guān)系。溶點(diǎn)及硬度較因素及組元的電負(fù)性差有一定關(guān)系。溶點(diǎn)及硬度較高，脆性大。高，脆性大。(2)(2)電子化合物電子化合物合金系 中間相 電子濃度e/a 晶體結(jié)構(gòu)Cu-Zn系 （CuZn） 3/2 體心立方 g g Cu5Zn8） 21/13 復(fù)雜立方 （CuZn3）7/4 密排六方Cu-Al系 （Cu3Al）3/

12、2 體心立方 g g （Cu32Al19）21/13 復(fù)雜立方 （Cu5Al3） 7/4 密排六方Cu-Sn系 （Cu5Sn） 3/2 體心立方 g g （Cu31Sn8）21/13 復(fù)雜立方 （Cu3Sn） 7/4 密排六方這類(lèi)中間相的形成主要受組元的相對(duì)尺寸所控這類(lèi)中間相的形成主要受組元的相對(duì)尺寸所控制。尺寸差別越大，造成的晶格畸變就越大，制。尺寸差別越大，造成的晶格畸變就越大，畸變能也就越高?；兡芤簿驮礁摺?3)(3)尺寸因素化合物尺寸因素化合物分類(lèi)：分類(lèi)：間隙化合物；拉弗斯（間隙化合物；拉弗斯（Laves）相）相I. I. 間隙化合物間隙化合物由原子半徑較大的過(guò)渡族金屬元素和原子半徑

13、較小的由原子半徑較大的過(guò)渡族金屬元素和原子半徑較小的非金屬元素非金屬元素H，B，C，N，Si等形成的金屬間化合物等形成的金屬間化合物u間隙化合物通常可用一個(gè)化學(xué)式表示，并具有特定的結(jié)構(gòu)。間隙化合物通?？捎靡粋€(gè)化學(xué)式表示，并具有特定的結(jié)構(gòu)。u此結(jié)構(gòu)往往不同于純組元的結(jié)構(gòu)，而是取決于非金屬元素此結(jié)構(gòu)往往不同于純組元的結(jié)構(gòu)，而是取決于非金屬元素X與過(guò)渡族金屬元素與過(guò)渡族金屬元素M的原子半徑比。的原子半徑比。I. I. 間隙化合物間隙化合物 當(dāng)原子半徑比小于當(dāng)原子半徑比小于0.59時(shí)，形成時(shí)，形成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的間隙化合物，并具的間隙化合物，并具有簡(jiǎn)單的化學(xué)式。有簡(jiǎn)單的化學(xué)式。如體心立方，面心立方，

14、密排六方，簡(jiǎn)單立方如體心立方，面心立方，密排六方，簡(jiǎn)單立方 當(dāng)原子半徑比大于當(dāng)原子半徑比大于0.59時(shí)，形成時(shí)，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜的間隙化合物。的間隙化合物。如鋼如鋼中的中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。等。Fe3C稱(chēng)為滲碳體，稱(chēng)為滲碳體，具有復(fù)雜的斜方晶格。具有復(fù)雜的斜方晶格。 當(dāng)原子半徑比等于當(dāng)原子半徑比等于0.23時(shí)，非金屬原子占據(jù)過(guò)渡族金屬結(jié)構(gòu)的時(shí)，非金屬原子占據(jù)過(guò)渡族金屬結(jié)構(gòu)的四面體間隙四面體間隙； 而當(dāng)原子半徑比在而當(dāng)原子半徑比在0.41和和0.59之間時(shí)，非金屬原子占據(jù)過(guò)渡族之間時(shí)，非金屬原子占據(jù)過(guò)渡族金屬結(jié)構(gòu)則占據(jù)金屬結(jié)構(gòu)則占據(jù)八面體間隙八面體

15、間隙。I. I. 間隙化合物間隙化合物表表5-3 簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的間隙化合物成分范圍簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的間隙化合物成分范圍簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的間隙化合物雖然可以用化學(xué)式表示，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的間隙化合物雖然可以用化學(xué)式表示，但其化學(xué)成分可在一定范圍內(nèi)變化但其化學(xué)成分可在一定范圍內(nèi)變化I. I. 間隙化合物間隙化合物表表5-4 鋼中常見(jiàn)的間隙化合物鋼中常見(jiàn)的間隙化合物 間隙化合物的鍵型不完全是金屬鍵，而大多數(shù)是不同程間隙化合物的鍵型不完全是金屬鍵，而大多數(shù)是不同程度的金屬鍵與共價(jià)鍵的混合與雜交。度的金屬鍵與共價(jià)鍵的混合與雜交。 可見(jiàn)此類(lèi)化合物形成時(shí)，電負(fù)性因素也起了一定作用?？梢?jiàn)此類(lèi)化合物形成時(shí)，電負(fù)性因素也起了一定作用。I.

16、I. 間隙化合物間隙化合物表表5-5 鋼中常見(jiàn)間隙化合物的硬度及熔點(diǎn)鋼中常見(jiàn)間隙化合物的硬度及熔點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的具有極高的硬度及熔點(diǎn)，是合金工具鋼和硬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的具有極高的硬度及熔點(diǎn)，是合金工具鋼和硬質(zhì)合金的重要組成相。質(zhì)合金的重要組成相。I. I. 間隙化合物間隙化合物相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：非金屬原子以間隙的方式進(jìn)入晶格。非金屬原子以間隙的方式進(jìn)入晶格。間隙化合物和間隙固溶體的異同點(diǎn)間隙化合物和間隙固溶體的異同點(diǎn)不同點(diǎn)：不同點(diǎn)： 間隙化合物：間隙化合物中的金屬組元大多與自間隙化合物：間隙化合物中的金屬組元大多與自身原來(lái)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同身原來(lái)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同 間隙固溶體：間隙固溶體中的金屬組元仍保持自間隙固

17、溶體：間隙固溶體中的金屬組元仍保持自身的晶格結(jié)構(gòu)身的晶格結(jié)構(gòu)II.II. 拉弗斯（拉弗斯（LavesLaves）相）相當(dāng)組元間原子尺寸之差處于間隙化合物與當(dāng)組元間原子尺寸之差處于間隙化合物與電子化合物之間時(shí)，會(huì)形成拉弗斯相。電子化合物之間時(shí)，會(huì)形成拉弗斯相。u 拉弗斯相：借大小原子排列的配合而實(shí)現(xiàn)的密排拉弗斯相：借大小原子排列的配合而實(shí)現(xiàn)的密排結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。u通式通式AB2，A和和B均為金屬原子均為金屬原子 A：大原子；：大原子；B：小原子：小原子 rA/rB的理論比值為的理論比值為1.225 rA/rB的實(shí)際比值為的實(shí)際比值為1.05-1.068II.II. 拉弗斯（拉弗斯（LavesLave

18、s）相）相LavesLaves相相三種類(lèi)型三種類(lèi)型MgCu2型型 MgZn2型型 MgNi2型型II.II. 拉弗斯（拉弗斯（LavesLaves）相）相MgCu2型型：立方晶系立方晶系。每個(gè)晶胞有每個(gè)晶胞有24個(gè)原子個(gè)原子。Mg原子形成閃鋅礦型的結(jié)構(gòu)（原子形成閃鋅礦型的結(jié)構(gòu)（8個(gè)）個(gè)）；Cu原子形成四面體原子形成四面體(16個(gè)個(gè))。每個(gè)鎂原子有每個(gè)鎂原子有4個(gè)近鄰鎂原子和個(gè)近鄰鎂原子和12個(gè)近鄰銅原子；個(gè)近鄰銅原子；每個(gè)銅原子有每個(gè)銅原子有6個(gè)近鄰的銅原子和個(gè)近鄰的銅原子和6個(gè)近鄰的鎂原子。個(gè)近鄰的鎂原子。MgCuII.II. 拉弗斯（拉弗斯（LavesLaves）相）相MgZn2型型：六方

19、晶系六方晶系。Mg原子形成硫鋅礦結(jié)構(gòu)原子形成硫鋅礦結(jié)構(gòu)；Zn原子形成四面體。原子形成四面體。每個(gè)每個(gè)Mg原子有原子有4個(gè)近鄰個(gè)近鄰Mg原子原子和和12個(gè)近鄰個(gè)近鄰Zn原子。原子。 每個(gè)每個(gè)Zn原子有原子有6個(gè)近鄰個(gè)近鄰Zn原子和原子和6個(gè)近鄰個(gè)近鄰Mg原子。原子。II.II. 拉弗斯（拉弗斯（LavesLaves）相）相MgNi2型：型：六方晶系六方晶系。介于介于MgCu22之間的結(jié)構(gòu)。之間的結(jié)構(gòu)。n 第二節(jié)第二節(jié) 二元相圖及其類(lèi)型二元相圖及其類(lèi)型相圖相圖(phase diagram)：是一種能夠描述給定材是一種能夠描述給定材料系中材料（合金）成分、溫度（壓力）與其組料系中材料（合金）成分、溫

20、度（壓力）與其組織狀態(tài)之間關(guān)系的圖形?？棤顟B(tài)之間關(guān)系的圖形。利用相圖可以：利用相圖可以：1 1 可以了解各種成分材料（合金）的熔點(diǎn)和發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度；可以了解各種成分材料（合金）的熔點(diǎn)和發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度；2 2 用于研究材料（合金）的凝固過(guò)程和凝固后的組織；用于研究材料（合金）的凝固過(guò)程和凝固后的組織；3 3 是制定材料（合金）熔鑄、壓力加工、熱處理工藝的重要依據(jù)；是制定材料（合金）熔鑄、壓力加工、熱處理工藝的重要依據(jù)；4 4 相圖是在平衡條件下測(cè)得的，也叫平衡狀態(tài)圖。相圖是在平衡條件下測(cè)得的，也叫平衡狀態(tài)圖。n 第二節(jié)第二節(jié) 二元相圖及其類(lèi)型二元相圖及其類(lèi)型平衡凝固過(guò)程平衡凝固過(guò)程(eq

21、uilibrium solidification)：指在極緩慢凝固過(guò)程中，每個(gè)階段都能達(dá)到平衡指在極緩慢凝固過(guò)程中，每個(gè)階段都能達(dá)到平衡的結(jié)晶過(guò)程的結(jié)晶過(guò)程 相律：相律：描述材料在不同條件下相平衡狀態(tài)所遵循的法規(guī)，描述材料在不同條件下相平衡狀態(tài)所遵循的法規(guī)，是理解、分析相圖十分重要的理論依據(jù)。是理解、分析相圖十分重要的理論依據(jù)。注意：注意：相圖和相律只在熱力學(xué)平衡條件下成立。相圖和相圖和相律只在熱力學(xué)平衡條件下成立。相圖和相律不能反映各平衡相的結(jié)構(gòu)、分布狀態(tài)及具體形貌。相律不能反映各平衡相的結(jié)構(gòu)、分布狀態(tài)及具體形貌。一、相圖的基本知識(shí)一、相圖的基本知識(shí)1. 相圖的形式和種類(lèi)：相圖的形式和種類(lèi)：

22、溫度溫度-濃度圖（濃度圖（T-x）溫度溫度-壓力壓力-濃度圖（濃度圖（T-p-x）溫度溫度-壓力圖（壓力圖（T-p） 單元系相圖：?jiǎn)卧迪鄨D： T-p圖圖水的狀態(tài)示意圖水的狀態(tài)示意圖PT水水冰冰氣氣 二元系相圖：二元系相圖： T-p-x圖，常固定壓強(qiáng)圖，常固定壓強(qiáng)p，即，即T-x圖圖TAABXSLB%S+L 三元系相圖：三元系相圖： 考慮考慮5個(gè)變量（三種組元個(gè)變量（三種組元A、B、C，溫度，溫度T和和壓力壓力p）。）。常固定壓強(qiáng)常固定壓強(qiáng)p，即即T-x（ A、B、C ）圖，圖，三棱柱模型三棱柱模型2. 相律（相律（phase rule）：）：描述系統(tǒng)的組元數(shù)、相描述系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度

23、之間關(guān)系的法則。數(shù)和自由度之間關(guān)系的法則。Gibbs相律相律(Gibbs phase rule)：f=C-P+2 f：自由度數(shù)目自由度數(shù)目(the number of degrees of freedom)；C：給定材料的組元數(shù)給定材料的組元數(shù)(the number of components)； P：共存的平衡相數(shù)共存的平衡相數(shù)(the number of equilibrium phases)；2：壓力、溫度自由度：壓力、溫度自由度在恒壓條件下在恒壓條件下：f = C P + 1Gibbs相律相律(Gibbs phase rule)的應(yīng)用的應(yīng)用 ：u 純金屬純金屬(pure metal)：

24、 C = 1，P = 2時(shí)，時(shí)， f = 0； 兩相共存時(shí)自由度為零（恒溫下轉(zhuǎn)變）兩相共存時(shí)自由度為零（恒溫下轉(zhuǎn)變） C = 1，P = 1時(shí)，時(shí)， f = 1； 單相時(shí)自由度為單相時(shí)自由度為1（在一定的溫度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)變）（在一定的溫度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)變）u 二元系二元系(binary system)： C = 2，P = 3時(shí)時(shí)，f = 0； 只有三相共存時(shí)自由度為零（恒溫下轉(zhuǎn)變）只有三相共存時(shí)自由度為零（恒溫下轉(zhuǎn)變） C = 2， P = 2時(shí)，時(shí)，f = 1； 兩相共存時(shí)自由度為兩相共存時(shí)自由度為1（在一定的溫度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?cè)谝欢ǖ臏囟葏^(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)變）相律在相圖中的應(yīng)用相律在相圖中的應(yīng)用C P f二元系

25、二元系2三元系三元系3單相合金，成分和溫度都可變單相合金，成分和溫度都可變兩相平衡，成分、相對(duì)量和溫度兩相平衡，成分、相對(duì)量和溫度等因素中只有一個(gè)獨(dú)立變量等因素中只有一個(gè)獨(dú)立變量三相平衡，三相的成分、相對(duì)三相平衡，三相的成分、相對(duì)量及溫度都確定量及溫度都確定單相合金其中兩個(gè)組元的含量單相合金其中兩個(gè)組元的含量及溫度三個(gè)因素均可變及溫度三個(gè)因素均可變兩相平衡，兩相的成分、數(shù)量?jī)上嗥胶猓瑑上嗟某煞?、?shù)量及溫度中有兩個(gè)獨(dú)立變量及溫度中有兩個(gè)獨(dú)立變量三相平衡，所有變量中只有三相平衡，所有變量中只有一個(gè)是獨(dú)立變量一個(gè)是獨(dú)立變量四相平衡所有因素都確定不變四相平衡所有因素都確定不變1231234210321

26、0含義含義3. 3. 二元相圖建立：二元相圖建立： 二元系二元系(binary system)(binary system)由于合金有成分由于合金有成分(composition)(composition)變化，所以其相圖（變化，所以其相圖（phase phase diagramdiagram）需用縱、橫兩個(gè)坐標(biāo)軸表示，縱軸）需用縱、橫兩個(gè)坐標(biāo)軸表示，縱軸表示溫度，橫軸表示成分。即表示溫度，橫軸表示成分。即T-xT-x或或T-wT-w圖圖 如果合金系由如果合金系由A A、B B兩組元組成，橫坐標(biāo)一端兩組元組成，橫坐標(biāo)一端為組元為組元A A，而另一端為組元，而另一端為組元B B，那么體系中任，那么

27、體系中任一成分合金都可以在橫坐標(biāo)上找到相應(yīng)的點(diǎn)。一成分合金都可以在橫坐標(biāo)上找到相應(yīng)的點(diǎn)。二元合金相圖的成分有兩種表示方法：二元合金相圖的成分有兩種表示方法： 質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(W)(W)和和摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)(x)(x)。u 成分表示方法成分表示方法 通常用通常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(W)(W)表示，在沒(méi)有特別注明表示，在沒(méi)有特別注明時(shí)，合金成分都是指質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。時(shí)，合金成分都是指質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(W)(W)和摩爾分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)(x)(x)可以進(jìn)行換算可以進(jìn)行換算u 成分表示方法成分表示方法100%MMMwBAAAXBXAXA1 10 00 0% %M MM MM Mw wB BA AB

28、 BA AX XB BX XA AX XB B 1 10 00 0% %/ /M Mw w/ /M Mw w/ /M Mw wB BA AA AX XB BA AA AA A 1 10 00 0% %/ /M Mw w/ /M Mw w/ /M Mw wB BA AB BX XB BA AB BB B 相圖的建立有相圖的建立有實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)測(cè)定和和理論計(jì)算理論計(jì)算兩種方法。兩種方法。 l 二元相圖的測(cè)定是根據(jù)各種成分材料的二元相圖的測(cè)定是根據(jù)各種成分材料的臨界點(diǎn)（臨界點(diǎn)（critical point）繪制。）繪制。 (1) 動(dòng)態(tài)法：動(dòng)態(tài)法：熱分析法熱分析法、膨脹法、電阻法、膨脹法、電阻法 (2)

29、 靜態(tài)法：金相法、靜態(tài)法：金相法、X-ray衍射分析法衍射分析法 這些方法主要是利用合金在相結(jié)構(gòu)變化時(shí)，這些方法主要是利用合金在相結(jié)構(gòu)變化時(shí)，引起物理性能、力學(xué)性能及金相組織變化的特點(diǎn)引起物理性能、力學(xué)性能及金相組織變化的特點(diǎn)來(lái)測(cè)定。來(lái)測(cè)定。 l 臨界點(diǎn)是表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化的臨界點(diǎn)是表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化的臨界相變點(diǎn)。臨界相變點(diǎn)。測(cè)定材料臨界點(diǎn)有兩種方法類(lèi)型：測(cè)定材料臨界點(diǎn)有兩種方法類(lèi)型：Cu-Ni Cu-Ni 相圖測(cè)定相圖測(cè)定以熱分析法為例說(shuō)明如何測(cè)繪以熱分析法為例說(shuō)明如何測(cè)繪Cu-NiCu-Ni相圖，其步驟如下：相圖，其步驟如下： 1.1. 配制一系列不同成分的配制一系列不

30、同成分的Cu-NiCu-Ni合金。合金。2.2.熔化均勻后測(cè)出所配合金及純?nèi)刍鶆蚝鬁y(cè)出所配合金及純CuCu、純、純NiNi的冷卻曲線。的冷卻曲線。3.3.確定合金的凝固溫度。求出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)。確定合金的凝固溫度。求出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)。 純純CuCu、純、純NiNi的冷卻曲線上有一平臺(tái)，表示其在恒溫的冷卻曲線上有一平臺(tái)，表示其在恒溫 下凝固。合金的冷卻曲線上沒(méi)有平臺(tái)，而為二次轉(zhuǎn)下凝固。合金的冷卻曲線上沒(méi)有平臺(tái)，而為二次轉(zhuǎn) 折，溫度較高的折點(diǎn)表示凝固的開(kāi)始溫度，而溫度折，溫度較高的折點(diǎn)表示凝固的開(kāi)始溫度，而溫度 低的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)凝固的終結(jié)溫度。低的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)凝固的終結(jié)溫度。4.4.將各

31、臨界點(diǎn)分別投到對(duì)應(yīng)的合金成分、溫度坐標(biāo)中，將各臨界點(diǎn)分別投到對(duì)應(yīng)的合金成分、溫度坐標(biāo)中， 連接各相同意義的臨界點(diǎn)連接各相同意義的臨界點(diǎn)( (開(kāi)始點(diǎn)或終了點(diǎn)）。每個(gè)開(kāi)始點(diǎn)或終了點(diǎn)）。每個(gè) 臨界點(diǎn)在二元相圖中對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)。臨界點(diǎn)在二元相圖中對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)。5.5.填寫(xiě)相區(qū)即得到填寫(xiě)相區(qū)即得到Cu-NiCu-Ni合金的二元相圖。合金的二元相圖。 熱分析裝置示意圖熱分析裝置示意圖 溫度溫度- -時(shí)間記錄儀時(shí)間記錄儀恒溫器恒溫器（0 0）電爐電爐電源電源熱電偶熱電偶熱分析法測(cè)繪熱分析法測(cè)繪Cu-NiCu-Ni相圖相圖冷卻曲線冷卻曲線Cu-NiCu-Ni相圖相圖熱分析法測(cè)繪熱分析法測(cè)繪Cu-NiCu-Ni相圖相

32、圖冷卻曲線冷卻曲線Cu-NiCu-Ni相圖相圖l 二元相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)二元相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)Cu-NiCu-Ni相圖相圖CuCuNiNi溫度溫度點(diǎn)：點(diǎn)：其坐標(biāo)值反映一個(gè)給定合金的成分和溫度。其坐標(biāo)值反映一個(gè)給定合金的成分和溫度。 根據(jù)點(diǎn)所在的相區(qū)，可以確定該合金在該溫度下所根據(jù)點(diǎn)所在的相區(qū)，可以確定該合金在該溫度下所 處的狀態(tài)（有哪些相）。處的狀態(tài)（有哪些相）。 線：線： 液相線：由凝固開(kāi)始溫液相線：由凝固開(kāi)始溫度連接起來(lái)的線。度連接起來(lái)的線。 固相線：由凝固終了溫固相線：由凝固終了溫度連接起來(lái)的線。度連接起來(lái)的線。l 二元相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)二元相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)若三相共存、若三相共存、f=

33、0，T和成和成分都不變，屬恒溫分都不變，屬恒溫轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。Cu-NiCu-Ni相圖相圖CuCuNiNi溫度溫度相區(qū)：相區(qū)：相圖中由相界線劃分出來(lái)的區(qū)域稱(chēng)為相區(qū)相圖中由相界線劃分出來(lái)的區(qū)域稱(chēng)為相區(qū)（phase regionsphase regions），表明在此范圍內(nèi)存在的合金的平），表明在此范圍內(nèi)存在的合金的平衡相類(lèi)型和數(shù)目。衡相類(lèi)型和數(shù)目。在二元合金系中有單相區(qū)、在二元合金系中有單相區(qū)、兩相區(qū)、三相區(qū)。兩相區(qū)、三相區(qū)。 單相區(qū)內(nèi)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)內(nèi)：f=2 ，T和成和成分都可變。分都可變。 雙相區(qū)內(nèi)：雙相區(qū)內(nèi)：f=1，T和成和成分只有一個(gè)可以獨(dú)立變分只有一個(gè)可以獨(dú)立變化?；?。L+SLSl 杠桿杠桿定律

34、定律 根據(jù)相律，二元系兩相平衡共存時(shí)，根據(jù)相律，二元系兩相平衡共存時(shí)，f=c-p+1=1f=c-p+1=1 若若T T一定，則一定，則 f=0 f=0 ，說(shuō)明兩平衡相的成分也隨之而定。，說(shuō)明兩平衡相的成分也隨之而定。 杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度時(shí)兩相的成分點(diǎn)，而支點(diǎn)杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度時(shí)兩相的成分點(diǎn)，而支點(diǎn) 為合金的成分點(diǎn)。為合金的成分點(diǎn)。 ABab溫溫度度LSL+Sol 杠桿杠桿定律定律abQLaoQSbo或或 QLQS bo aooQLQSABab溫溫度度LSL+So應(yīng)用：應(yīng)用：杠桿定律僅適應(yīng)于平衡相圖的杠桿定律僅適應(yīng)于平衡相圖的兩相區(qū)兩相區(qū)(1)(1)確定兩平衡相的確定兩平衡相的成分成

35、分( (濃度濃度) )。(2)(2)確定兩平衡相的確定兩平衡相的相對(duì)量相對(duì)量。 l 杠桿杠桿定律定律二、一元系相圖二、一元系相圖相律：相律：f=c-p+2水的狀態(tài)示意圖水的狀態(tài)示意圖PT水水冰冰氣氣=1-p+2=3-p 單相狀態(tài)時(shí)：?jiǎn)蜗酄顟B(tài)時(shí)：f=2即溫度和壓力均可獨(dú)立變動(dòng)即溫度和壓力均可獨(dú)立變動(dòng) 兩相狀態(tài)時(shí)：兩相狀態(tài)時(shí)：f=1即溫度或壓力只有一個(gè)可獨(dú)立變動(dòng)即溫度或壓力只有一個(gè)可獨(dú)立變動(dòng) 三相狀態(tài)時(shí)：三相狀態(tài)時(shí)：f=0即溫度和壓力均固定不能變動(dòng)即溫度和壓力均固定不能變動(dòng)gLSiOSiO2 2相平衡圖相平衡圖純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化純鐵相圖純鐵相圖Lg三、二元系相

36、圖三、二元系相圖1.1.勻晶相圖勻晶相圖2.2.共晶相圖共晶相圖3.3.包晶相圖包晶相圖4.4.其他類(lèi)型的二元系相圖其他類(lèi)型的二元系相圖1.1.勻晶相圖勻晶相圖 勻晶反應(yīng)：勻晶反應(yīng)：由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的反應(yīng)由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的反應(yīng)。 勻晶相圖：勻晶相圖：只發(fā)生勻晶反應(yīng)的相圖。只發(fā)生勻晶反應(yīng)的相圖。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無(wú)限互溶。兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無(wú)限互溶。 晶體結(jié)構(gòu)相同，原子半徑（離子半徑）相近晶體結(jié)構(gòu)相同，原子半徑（離子半徑）相近 舉例舉例：Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、Fe-Ni、 Cr-Mo、Fe-Cr等；等；1.1.勻晶相圖勻晶相圖給定成分的合

37、金，在給定溫度下，處于平衡的給定成分的合金，在給定溫度下，處于平衡的兩個(gè)相的成分都已完全確定，不能任意的改變。兩個(gè)相的成分都已完全確定，不能任意的改變。此時(shí)兩相的成分（濃度）和相對(duì)含量都可以由此時(shí)兩相的成分（濃度）和相對(duì)含量都可以由杠桿定律確定。杠桿定律確定。ABTLSL+SABTLSL+SABTLSL+S1.1.勻晶相圖勻晶相圖（1 1）勻晶相圖的三種類(lèi)型）勻晶相圖的三種類(lèi)型組元在液、組元在液、固態(tài)均無(wú)限互溶固態(tài)均無(wú)限互溶具有極大點(diǎn)具有極大點(diǎn)具有極小點(diǎn)具有極小點(diǎn)（2 2）固溶體的平衡結(jié)晶過(guò)程）固溶體的平衡結(jié)晶過(guò)程 平衡結(jié)晶過(guò)程：平衡結(jié)晶過(guò)程：在及其緩慢冷卻過(guò)程中，每個(gè)在及其緩慢冷卻過(guò)程中，每

38、個(gè)階段都能達(dá)到平衡的結(jié)晶過(guò)程。階段都能達(dá)到平衡的結(jié)晶過(guò)程。 固溶體的結(jié)晶過(guò)程：形核和長(zhǎng)大過(guò)程。固溶體的結(jié)晶過(guò)程：形核和長(zhǎng)大過(guò)程。 形核方式：均勻形核，非均勻形核。形核方式：均勻形核，非均勻形核。（2 2）固溶體的平衡結(jié)晶過(guò)程）固溶體的平衡結(jié)晶過(guò)程Cu-NiCu-Ni勻晶相圖勻晶相圖Cu-NiCu-Ni合金冷卻曲線合金冷卻曲線及結(jié)晶過(guò)程示意圖及結(jié)晶過(guò)程示意圖CuNiTLSL+S（2 2）固溶體的平衡結(jié)晶過(guò)程）固溶體的平衡結(jié)晶過(guò)程Cu-NiCu-Ni勻晶相圖勻晶相圖及平衡結(jié)晶過(guò)程及平衡結(jié)晶過(guò)程溫度溫度t t1 1時(shí)：結(jié)晶開(kāi)始。時(shí)：結(jié)晶開(kāi)始。S S相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 0，實(shí)，實(shí)際固相并未形成

39、。際固相并未形成。溫度溫度t t2 2時(shí)：固相結(jié)晶出。時(shí)：固相結(jié)晶出。o oc cc co o w ww wS2S2L2L2s sL L 溫度溫度t t3 3時(shí)：結(jié)晶結(jié)束。時(shí)：結(jié)晶結(jié)束。固溶體與純金屬結(jié)晶的不同之處：固溶體與純金屬結(jié)晶的不同之處：（1）固溶體結(jié)晶是在一個(gè)溫）固溶體結(jié)晶是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成的，而純金屬結(jié)度范圍內(nèi)完成的，而純金屬結(jié)晶是在恒溫下完成的。晶是在恒溫下完成的。（2）合金結(jié)晶過(guò)程中，結(jié)晶）合金結(jié)晶過(guò)程中，結(jié)晶出的固相與共存液相的成分不出的固相與共存液相的成分不同，這種結(jié)晶稱(chēng)為選分結(jié)晶。同，這種結(jié)晶稱(chēng)為選分結(jié)晶。而純金屬在結(jié)晶過(guò)程中，固相而純金屬在結(jié)晶過(guò)程中，固相與液相的成

40、分始終是相同的。與液相的成分始終是相同的。（3 3）勻晶系的不平衡結(jié)晶）勻晶系的不平衡結(jié)晶 工業(yè)生產(chǎn)中合金溶液澆注后的冷卻速度較快，工業(yè)生產(chǎn)中合金溶液澆注后的冷卻速度較快，在每一溫度下不能保持足夠的擴(kuò)散時(shí)間，使在每一溫度下不能保持足夠的擴(kuò)散時(shí)間，使凝固過(guò)程偏離平衡條件，稱(chēng)為凝固過(guò)程偏離平衡條件，稱(chēng)為非平衡結(jié)晶非平衡結(jié)晶。 非平衡結(jié)晶得到的組織稱(chēng)為不平衡組織非平衡結(jié)晶得到的組織稱(chēng)為不平衡組織（non-equilibrium microstructure）。）。 （3 3）勻晶系的不平衡結(jié)晶）勻晶系的不平衡結(jié)晶（3 3）勻晶系的不平衡結(jié)晶）勻晶系的不平衡結(jié)晶1.1.固相、液相的平均成分變化偏離固固

41、相、液相的平均成分變化偏離固相線、液相線，其偏離程度與冷速相線、液相線，其偏離程度與冷速有關(guān)。冷速有關(guān)。冷速，偏離程度，偏離程度；冷速；冷速，偏離程度偏離程度，越接近于平衡條件。但，越接近于平衡條件。但L/SL/S界面濃度變化依然沿液固相線變界面濃度變化依然沿液固相線變化。液相線的偏離程度較固相線小。化。液相線的偏離程度較固相線小。2.2.先結(jié)晶部分含有較多的高熔點(diǎn)組元先結(jié)晶部分含有較多的高熔點(diǎn)組元(B)(B)，后結(jié)晶部分含有較多的低熔，后結(jié)晶部分含有較多的低熔 點(diǎn)組元點(diǎn)組元(A)(A)。3.3.結(jié)晶的滯后性。非平衡結(jié)晶條件下，結(jié)晶的滯后性。非平衡結(jié)晶條件下，結(jié)晶完成的溫度低于平衡結(jié)晶時(shí)的結(jié)晶

42、完成的溫度低于平衡結(jié)晶時(shí)的溫度。溫度。 （3 3）勻晶系的不平衡結(jié)晶）勻晶系的不平衡結(jié)晶 固溶體不平衡結(jié)晶時(shí)，由于先后從液體中結(jié)晶固溶體不平衡結(jié)晶時(shí)，由于先后從液體中結(jié)晶出來(lái)的固相成分不同，并因冷速較快而不能擴(kuò)散出來(lái)的固相成分不同，并因冷速較快而不能擴(kuò)散均勻均勻, ,結(jié)果使每個(gè)晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分不均勻結(jié)果使每個(gè)晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分不均勻( (先先結(jié)晶部分含高熔點(diǎn)組元較多，后結(jié)晶部分含低熔結(jié)晶部分含高熔點(diǎn)組元較多，后結(jié)晶部分含低熔點(diǎn)組元較多，在晶粒內(nèi)部存在著濃度差別點(diǎn)組元較多，在晶粒內(nèi)部存在著濃度差別) )，這種，這種現(xiàn)象稱(chēng)為現(xiàn)象稱(chēng)為晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析。 由于工業(yè)用合金固溶體通常以枝晶狀方式結(jié)晶，由

43、于工業(yè)用合金固溶體通常以枝晶狀方式結(jié)晶，枝晶軸（干）含高熔點(diǎn)組元多，而枝晶間含低熔枝晶軸（干）含高熔點(diǎn)組元多，而枝晶間含低熔點(diǎn)的組元多，導(dǎo)致先結(jié)晶的枝干和后結(jié)晶的枝間點(diǎn)的組元多，導(dǎo)致先結(jié)晶的枝干和后結(jié)晶的枝間成分不同，故亦稱(chēng)成分不同，故亦稱(chēng)枝晶偏析枝晶偏析。（3 3）勻晶系的不平衡結(jié)晶）勻晶系的不平衡結(jié)晶 晶內(nèi)偏析的影響：晶內(nèi)偏析的影響：對(duì)合金的力學(xué)性能（對(duì)合金的力學(xué)性能（mechanical propertymechanical property）影響較大。影響較大。容易導(dǎo)致合金塑性（容易導(dǎo)致合金塑性（plasticityplasticity）、韌性）、韌性（toughnesstoughne

44、ss）下降；）下降；易引起晶間腐蝕（易引起晶間腐蝕（corrosioncorrosion）；）；降低合金的抗蝕性能。降低合金的抗蝕性能。 樹(shù)枝狀晶體生長(zhǎng)示意圖樹(shù)枝狀晶體生長(zhǎng)示意圖樹(shù)枝狀晶體生長(zhǎng)示意圖樹(shù)枝狀晶體生長(zhǎng)示意圖枝晶偏析枝晶偏析鋼錠中的樹(shù)枝狀晶體鋼錠中的樹(shù)枝狀晶體高溫合金中的樹(shù)枝狀晶體高溫合金中的樹(shù)枝狀晶體Ni-Ta-Mn-CrNi-Ta-Mn-Cr合金的樹(shù)枝狀界面合金的樹(shù)枝狀界面u 枝晶偏析程度大小與鑄造時(shí)冷卻條件、原子的擴(kuò)散能枝晶偏析程度大小與鑄造時(shí)冷卻條件、原子的擴(kuò)散能力，相圖形狀有密切關(guān)系力，相圖形狀有密切關(guān)系: :(1) (1) 在其它條件不變時(shí)，在其它條件不變時(shí)，V V冷冷，

45、晶內(nèi)偏析程度，晶內(nèi)偏析程度。(2) (2) 偏析元素的擴(kuò)散能力偏析元素的擴(kuò)散能力，相圖上液固相線間隔，相圖上液固相線間隔，形成枝晶偏析的傾向形成枝晶偏析的傾向。u 枝晶偏析是不平衡冷卻產(chǎn)物，在熱力學(xué)上不穩(wěn)定，枝晶偏析是不平衡冷卻產(chǎn)物，在熱力學(xué)上不穩(wěn)定，可通過(guò)均勻化退火可通過(guò)均勻化退火( (擴(kuò)散退火）來(lái)消除。擴(kuò)散退火）來(lái)消除。均勻化退火均勻化退火( (擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火) )：將鑄件加熱到低于固相線將鑄件加熱到低于固相線100100200200的溫度，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間保溫，使偏析元的溫度，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間保溫，使偏析元素充分進(jìn)行擴(kuò)散，以達(dá)到成分均勻化的目的。素充分進(jìn)行擴(kuò)散，以達(dá)到成分均勻化的目的。 u 共

46、晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變(eutectic reaction):(eutectic reaction):某一成分的液相，某一成分的液相，在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成份不同的固相的轉(zhuǎn)變。在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成份不同的固相的轉(zhuǎn)變。所得到兩固相的混合物稱(chēng)為共晶組織所得到兩固相的混合物稱(chēng)為共晶組織(eutectic (eutectic structure)structure)。 LeLe + +共晶相圖共晶相圖(eutectic phase diagram):(eutectic phase diagram):具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖共晶溫度共晶溫度(eutectic temperature):(eut

47、ectic temperature):發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度。發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度。共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)(the eutectic point)(the eutectic point)或共晶成分或共晶成分: :發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的液相成分點(diǎn)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的液相成分點(diǎn)E E。2.2.共晶相圖共晶相圖液相線：液相線：e e 、bebe固相線：固相線：m m 、bnbn共晶相圖共晶相圖e eb bmnPbPbSnSnfg三個(gè)單相區(qū)：三個(gè)單相區(qū)：L L、三個(gè)兩相區(qū)：三個(gè)兩相區(qū)：L+L+、L+L+、+。三個(gè)兩相區(qū)的接觸線三個(gè)兩相區(qū)的接觸線menmen為共晶反應(yīng)線，此線表示三為共晶反應(yīng)線，此線表示三相共存區(qū)相共存區(qū)mfmf為為

48、SnSn在在PbPb中的固溶度曲線中的固溶度曲線ngng為為PbPb在在SnSn中的固溶度曲線中的固溶度曲線e e點(diǎn)點(diǎn): :共晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)共晶轉(zhuǎn)變點(diǎn) LeLe + +恒溫進(jìn)行，三相成分固定不變恒溫進(jìn)行，三相成分固定不變共晶相圖的特點(diǎn)：共晶相圖的特點(diǎn)： 液態(tài)下兩組元能無(wú)限液態(tài)下兩組元能無(wú)限互溶，固態(tài)下互溶，固態(tài)下只能部只能部分互溶分互溶( (形成有限固溶形成有限固溶體或化合物體或化合物) )，甚至，甚至有有時(shí)完全不溶時(shí)完全不溶，并具有，并具有共晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變。 屬于二元共晶相圖的屬于二元共晶相圖的合金有：合金有：PbPbSnSn、PbPbSbSb、AlAlSiSi、AlAlCuCu、MgMgSiS

49、i、AlAlMgMg等。等。 PbPbSnSnABLL+L+u 端端( (部部) )固溶體合金固溶體合金u 亞共晶合金亞共晶合金u 過(guò)共晶合金過(guò)共晶合金u 共晶合金共晶合金根據(jù)相變特點(diǎn)和組織特征共晶系合金分為四類(lèi)：根據(jù)相變特點(diǎn)和組織特征共晶系合金分為四類(lèi)：共晶相圖共晶相圖e eb bmnPbPbSnSnfg (1)(1)端部固溶體合金端部固溶體合金: : m m點(diǎn)與點(diǎn)與f f點(diǎn)之間的合金點(diǎn)之間的合金結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程： L L+L L+ 勻晶反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變勻晶反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變( (二次析出二次析出) )室溫組織：室溫組織：+ 共晶相圖共晶相圖e eb bmnPbPbSnSnfg: :二次相（次生相）二

50、次相（次生相）w=(wx-wf)/(wg-wf)*100%(1)(1)端部固溶體合金端部固溶體合金的平衡結(jié)晶過(guò)程的平衡結(jié)晶過(guò)程共晶相圖共晶相圖e eb bmnPbPbSnSnfg端部固溶體合金端部固溶體合金的平衡結(jié)晶顯微組織的平衡結(jié)晶顯微組織(2)(2)亞共晶合金亞共晶合金: : m m點(diǎn)與點(diǎn)與e e點(diǎn)之間的合金點(diǎn)之間的合金結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程： LL+L+ LL+L+（+）共共+ ( +) + ( +) 共共+ + (+)(+) 共共勻晶反應(yīng)共晶反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變勻晶反應(yīng)共晶反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變室溫組織室溫組織:+:+ (+)+ (+)共共 共晶相圖共晶相圖e eb bmnPbPbSnSnfg在共晶轉(zhuǎn)變之前，

51、從液態(tài)中先結(jié)晶出的固相叫先共晶相在共晶轉(zhuǎn)變之前，從液態(tài)中先結(jié)晶出的固相叫先共晶相( (初生相初生相) )。初生相。初生相和液相和液相L L比例可用杠桿法則求出。比例可用杠桿法則求出。 wL=(wx-wm)/(we-wm)*100%w=(we-wx)/(we-wm)*100%亞共晶合金的平衡結(jié)晶的顯微組織亞共晶合金的平衡結(jié)晶的顯微組織(+)(+)共共 +(3)(3) 共晶合金（共晶合金（e e點(diǎn)合金）點(diǎn)合金）共晶反應(yīng)共晶反應(yīng) ： L Le e + +這一過(guò)程在恒溫下進(jìn)行，直這一過(guò)程在恒溫下進(jìn)行，直至凝固結(jié)束。形成共晶體至凝固結(jié)束。形成共晶體（+）。）。兩個(gè)相的相對(duì)量可用杠桿法兩個(gè)相的相對(duì)量可用杠

52、桿法則求得則求得:=en/mn=me/mn:=en/mn=me/mn結(jié)晶過(guò)程：結(jié)晶過(guò)程：L L(+)(+)共共 共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)室溫組織：室溫組織：(+)(+)共共 共晶相圖共晶相圖e eb bmnPbPbSnSnfg 共晶合金的冷卻曲線及結(jié)晶過(guò)程共晶合金的冷卻曲線及結(jié)晶過(guò)程 共晶合金的平衡結(jié)晶的顯微組織共晶合金的平衡結(jié)晶的顯微組織(+)共共 共晶相圖共晶相圖e eb bmnPbPbSnSnfg(4)(4) 過(guò)過(guò)共晶合金（共晶合金（e e點(diǎn)與點(diǎn)與n n點(diǎn)之間合金）點(diǎn)之間合金） 過(guò)共晶合金的凝固過(guò)程和過(guò)共晶合金的凝固過(guò)程和組織特征與亞共晶合金相組織特征與亞共晶合金相類(lèi)似，只是初生相類(lèi)似，只是初生

53、相( (先共先共晶相晶相) )為為而不是而不是。勻晶反應(yīng)共晶反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變勻晶反應(yīng)共晶反應(yīng)脫溶轉(zhuǎn)變 室溫組織：室溫組織：+ (+)+ (+) 共共 結(jié)晶過(guò)程：結(jié)晶過(guò)程：LL+L+(+)LL+L+(+)共共+ ( +)+ ( +)共共+ (+)+ (+)共共u共晶系合金的共晶系合金的非非平衡凝固平衡凝固(1)(1)偽共晶偽共晶（pseudo-eutecticpseudo-eutectic）平衡結(jié)晶條件下，只有共晶成分的合金才能獲得完平衡結(jié)晶條件下，只有共晶成分的合金才能獲得完全的共晶組織。但在不平衡結(jié)晶條件下，成分在共全的共晶組織。但在不平衡結(jié)晶條件下，成分在共晶點(diǎn)附近的合金也可能全部轉(zhuǎn)變成共晶組

54、織。這種晶點(diǎn)附近的合金也可能全部轉(zhuǎn)變成共晶組織。這種由非共晶成分合金所得到的共晶組織。由非共晶成分合金所得到的共晶組織。u共晶系合金的共晶系合金的非非平衡凝固平衡凝固(1)(1)偽共晶偽共晶（pseudo-eutecticpseudo-eutectic）將兩液相線延長(zhǎng)形成陰影區(qū)。當(dāng)合金熔液快冷至由將兩液相線延長(zhǎng)形成陰影區(qū)。當(dāng)合金熔液快冷至由兩液相線延長(zhǎng)線所包圍的區(qū)域，過(guò)冷液相對(duì)于兩液相線延長(zhǎng)線所包圍的區(qū)域，過(guò)冷液相對(duì)于相相和和相均處于過(guò)飽和狀態(tài)，同時(shí)結(jié)晶出相均處于過(guò)飽和狀態(tài)，同時(shí)結(jié)晶出相和相和相，相，形成具有共晶組織特征的偽共晶組織。形成具有共晶組織特征的偽共晶組織。u共晶系合金的共晶系合金的

55、非非平衡凝固平衡凝固(1)(1)偽共晶（偽共晶（pseudo-eutecticpseudo-eutectic）u共晶系合金的共晶系合金的非非平衡凝固平衡凝固(2) (2) 不平衡共晶組織不平衡共晶組織對(duì)于小于飽和溶解度的合金（對(duì)于小于飽和溶解度的合金（a a點(diǎn)以左，點(diǎn)以左，c c點(diǎn)以右）點(diǎn)以右）在不平衡結(jié)晶時(shí)固相線下移，使其冷卻到共晶溫度在不平衡結(jié)晶時(shí)固相線下移，使其冷卻到共晶溫度時(shí)仍有少量液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而形成不平衡共晶組時(shí)仍有少量液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而形成不平衡共晶組織?？?。 a ac cu共晶系合金的共晶系合金的非非平衡凝固平衡凝固(2) (2) 不平衡共晶組織不平衡共晶組織a ac c不平

56、衡共晶組織通常不平衡共晶組織通常分布在分布在晶界及枝晶間晶界及枝晶間最后凝固部分，最后組最后凝固部分，最后組織為樹(shù)枝狀固溶體及少織為樹(shù)枝狀固溶體及少量共晶體。量共晶體。在稍低于共晶溫度長(zhǎng)時(shí)間加熱保溫，可消除不平衡共在稍低于共晶溫度長(zhǎng)時(shí)間加熱保溫，可消除不平衡共晶組織及固溶體的枝晶偏析，得到均勻的單相固溶體。晶組織及固溶體的枝晶偏析，得到均勻的單相固溶體。(3)(3)離異共晶離異共晶當(dāng)合金中共晶組織當(dāng)合金中共晶組織(+)(+)相對(duì)量較少，初生相相對(duì)量較少，初生相() () 相相對(duì)量很大時(shí)對(duì)量很大時(shí), ,有時(shí)共晶組織中與初生相同的那一個(gè)相就有時(shí)共晶組織中與初生相同的那一個(gè)相就會(huì)依附在初生相上形核長(zhǎng)

57、大會(huì)依附在初生相上形核長(zhǎng)大, ,把另一相推向最后凝固的把另一相推向最后凝固的晶界處晶界處, ,從而使共晶體兩組成相相間的組織特征消失，從而使共晶體兩組成相相間的組織特征消失，這種兩相分離的共晶組織稱(chēng)為離異共晶。這種兩相分離的共晶組織稱(chēng)為離異共晶。3.3.包晶相圖包晶相圖有些合金當(dāng)凝固到一定溫度時(shí)有些合金當(dāng)凝固到一定溫度時(shí), ,已結(jié)晶出來(lái)的一定成分已結(jié)晶出來(lái)的一定成分的固相與剩余液相的固相與剩余液相( (有確定成分有確定成分) )發(fā)生反應(yīng)生成另一種發(fā)生反應(yīng)生成另一種固相的恒溫轉(zhuǎn)變過(guò)程稱(chēng)為包晶轉(zhuǎn)變。固相的恒溫轉(zhuǎn)變過(guò)程稱(chēng)為包晶轉(zhuǎn)變。L Lb b+d d p p三種類(lèi)型包晶相圖示意圖三種類(lèi)型包晶相圖示

58、意圖3.3.包晶相圖包晶相圖dpb線：線：水平線水平線(dpb)(dpb)為包晶為包晶轉(zhuǎn)變線，包晶線僅有轉(zhuǎn)變線，包晶線僅有dpdp為為固相線，而固相線，而pbpb為液相線，為液相線，固溶度曲線。固溶度曲線。包晶轉(zhuǎn)變：包晶轉(zhuǎn)變： L Lb b+d d p p相區(qū)：相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)： L L、 雙相區(qū)：雙相區(qū)： L+L+、L+L+、+ 三相區(qū)：三相區(qū)： dpbdpb線線 L+L+w w= (w= (wb b-w-wp p)/(w)/(wb b-w-wd d) ) w wL L= (w= (wp p-w-wd d)/(w)/(wb b-w-wd d) )（1 1）p p點(diǎn)成分點(diǎn)成分t t1 1以

59、上以上t t1 1- -t tp p開(kāi)始開(kāi)始 t tp p 終了終了t tp p以下以下p1db 結(jié)晶過(guò)程：結(jié)晶過(guò)程：L LL+L+ +t t1 1以上以上t t1 1- -t tp p開(kāi)始開(kāi)始 t tp p 終了終了t tp p以下以下（2 2）d-pd-p點(diǎn)之間成分點(diǎn)之間成分 結(jié)晶過(guò)程：結(jié)晶過(guò)程：LL+LL+ + + + +p1db（3 3）p-bp-b點(diǎn)點(diǎn)之間成分之間成分t t1 1以上以上t t1 1- -t tp pt t2 2以下以下開(kāi)始開(kāi)始 t tp p 終了終了t tp p- -t t2 2 結(jié)晶過(guò)程：結(jié)晶過(guò)程：LL+LL+ L+ L+ +p1db23包晶線與共晶線不同之處在于

60、包晶線與共晶線不同之處在于: :共晶線共晶線menmen為固相線為固相線，線上的合金在共晶溫度全部凝固，線上的合金在共晶溫度全部凝固完畢，其組織為兩相完畢，其組織為兩相混合物混合物 L+;包晶線包晶線,dp為固相線，為固相線，pb為液相線。為液相線。L+ 共晶相圖共晶相圖e eb bmnPbPbSnSnfgdpb包晶相圖包晶相圖4. 4. 其他其他類(lèi)型的二元系相圖類(lèi)型的二元系相圖（1 1）具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖）具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖 （2 2）具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖）具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖（3 3）具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖）具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖（4 4）具有共析轉(zhuǎn)變的相圖）具有共析轉(zhuǎn)變的相圖（5 5）具有包析轉(zhuǎn)變的