材料科學(xué)基礎(chǔ)-6二元相圖

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)第6章 二元相圖及合金凝固合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 宣天鵬6.1二元相圖的表示和測定方法6.2 相圖熱力學(xué)的基本要點6.3 勻晶相圖6.4 共晶相圖6.5 包晶相圖6.6溶混間隙相圖與調(diào)幅分解6.7 其他類型的二元相圖6.8 復(fù)雜二元相圖的分析方法6.9 根據(jù)相圖推測合金的性能6.10 鐵碳合金相圖6.11 二元合金的凝固理論第6章 二元合金相圖及合金凝固 由一種元素或化合物構(gòu)成的晶體稱為單組元晶體或純晶體，該體系稱為單元系。兩個組元的為二元系，n個組元都是獨立的體系稱為n元系。對于純晶體材料而言，隨著溫度和壓力的變化，材料的組成相會發(fā)生變化。 從一種相到另一種相的轉(zhuǎn)變稱為相變。由不同

2、固相之間的轉(zhuǎn)變稱為固態(tài)相變，由氣相到固相的轉(zhuǎn)變稱為氣固相變，這些相變的規(guī)律可借助相圖直觀簡明地表示出來。 相圖表示了在熱力學(xué)平衡條件下，所存在的相與溫度和壓力之間的對應(yīng)關(guān)系，理解這些關(guān)系有助于預(yù)測材料的性能。6.1二元相圖的表示和測定方法6.1.1成分表示方法6.2.2.成分表示換算aA、aBxA、xB6.2.3.二元相圖的測定液相區(qū)固相區(qū)液固二相區(qū)液相線固相線6.3 相圖熱力學(xué)的基本要點6.3.1固溶體的自由能成分曲線G=G0-TSm+HmHm=xAxB=NAzeAB-(eAA+eBB)/2 0，0，G-x曲線有一最小值；=0，0，G-x曲線也有一最小值；0， G-x曲線也有2個最小值，拐點

3、內(nèi)0。221=-2 +ABd GRTdxx x6.3.2 多相平衡的公切線原理6.3.3 混合物的自由能和杠桿法則6.3.4 從自由能成分曲線推測相圖 6.3.5 二元相圖的幾何規(guī)律相圖中所有的相界線代表相變的溫度和平衡相成分，即平衡相成分沿著相界線隨溫度變化而變化；兩單相區(qū)之間必定有這兩相的兩相區(qū)相區(qū)接觸法則； 二元相圖的三相平衡區(qū)為一水平線，其與三個單相區(qū)的交點確定平衡相的濃度； 兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與三相等溫線相交，分界線的延長線進入另一兩相區(qū)。 A+BL+AL+BL6.4 勻晶相圖6.4.1相圖分析AB1.點：A、B分別是Cu和Ni的熔點；2.相：2個，L 、相；3.線：2條，液相線

4、和固相線；4.相區(qū)： 2個單相區(qū)，分別是L、 的單相區(qū)； 1個兩相區(qū)，L +； 單相區(qū)和兩相區(qū)被液相線和固相線隔開。2 固溶體結(jié)晶時需要成分起伏：液態(tài)金屬中存在有偏離合金平均成分的區(qū)域，一定條件下該區(qū)域此起彼伏的現(xiàn)象。 在T1溫度下，L相中必須有1成分的區(qū)域才能結(jié)晶，即滿足結(jié)晶時的成分條件（還必須包括結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏）。 開始結(jié)晶時，成分為L 1的液相與成分為1的固相平衡。有極大點和極小點的勻晶相圖6.4.2 固溶體的平衡凝固利用杠桿定律計算兩平衡相的相對量利用杠桿定律計算兩平衡相的相對量在T2溫度下，合金x （成分O）由液相（成分xL）和固相（成分x）組成，令合金重W0，液相重Wl ，固相

5、重W,有：W0 Wl + W溶質(zhì)含量為：W0 x Wl xL + W x （Wl + W） x Wl xL + W xWl （ x xL）= W （xx）Wl OL2 W 2 OWl / W 2 O/ OL2 兩平衡相的相對量與其在相圖上平衡成分線段長度成反比。因為：Wl / （W0 Wl ） 2 O/ OL2 所以： Wl / W0 2 O/2L2 W / W0 1 Wl / W0 OL2/2L2 上式就是二元系中的杠桿定律，杠桿的支點是合金成分點，杠桿的兩端點是兩平衡相的平衡成分點。6.4.3 固溶體的非平衡凝固v偏析合金內(nèi)部成分不均勻；v晶內(nèi)偏析晶粒內(nèi)部成分不均勻；v枝晶偏析樹枝晶內(nèi)的偏

6、析；v枝晶偏析對鑄件影響很大，可在低于固相線溫度下進行均勻化退火或進行熱軋、鍛造降低枝晶偏析；v不平衡凝固偏離固相線、液相線，但液、固相界面仍然符合相圖的平衡關(guān)系。6.5 共晶相圖t1t2t3M1M2M3。6.5.1相圖分析 共晶相圖液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下有限溶解，且具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖；共晶轉(zhuǎn)變 一定溫度下，一個一定成分的液相同時轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€各具有一定成分固相的反應(yīng)； L+ 共晶合金 鑄鐵，Al-Si, Al-Cu, Pb-Sn, Pb-Sb, Ag-Cu等具有共晶轉(zhuǎn)變的合金； 共晶合金有優(yōu)良的鑄造性能；1.相（1）L相： Pb、Sn的熔體 ，（2）相、相分別是以Pb（ Sn）為溶劑、 Sn （

7、 Pb ）為溶質(zhì)的固溶體；2.點（1）tA 、tB分別是純金屬Pb、Sn的熔點；（2）M、N分別是共晶溫度下（ ）相的最大溶解度點；（3）F、G分別是室溫下（ ）相的最大溶解度點； 3.線（1）液相線： tA E: L ， tB E: L （ 此處析出的和 稱為初晶或先共晶相等） ；（2）固相線：tA M: L ， tB N: L ；（3）固溶度線：不同溫度下固溶體最大溶解度的連線（t1 M1 ；t2 M2 ； t3 M3 ） ，隨溫度降低，固溶體沿此線變化，析出第二相（根據(jù)析出次序而稱之，相對于從液相中析出的初晶而言，指的是從固相中析出）； MF： ， NG : （4）共晶線：MEN，位于該

8、線內(nèi)的合金，在共晶溫度下都要發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。 LE M +N tE共晶溫度，此溫度下三相平衡，f =c-p+1=0,自由度為0，共晶轉(zhuǎn)變是恒溫轉(zhuǎn)變；4.相區(qū)（1）單相區(qū)：3個， L、 、（2）兩相區(qū)： 3個， L+ 、L+ 、 + （ 、兩相為機械混合物）（3）三相區(qū)：1個， L+ tE5.與勻晶相圖的區(qū)別相同點： MEN線以上區(qū)域，分析方法以及結(jié)晶過程與勻晶相同；不同點： 共晶線MEN線及以下區(qū)域，需要重點關(guān)注。1以上，液相冷卻；12，L ；23，冷卻；3以下，。室溫組織：初+6.5.2共晶合金的平衡凝固1.固溶體合金（183時，Pb%19%；Sn%97.5）213TtE以上，液相冷卻； tE

9、， 共晶轉(zhuǎn)變：LE M +N ，tE以下，沿著MF線變化，析出， 沿著NG線變化，析出， 室溫組織：+（二次相看不見）2.共晶合金（183，Sn%61.9）TtEE1共晶溫度下：共晶合金的相對量(+)相組成物：構(gòu)成顯微組織的基本相；組織組成物：由基本相構(gòu)成并具有獨特組織形態(tài)的組成部分。室溫下，共晶合金的相組成物為和；組織組成物為（+ ）。相組成物相對量計算：%= （ E1G/ FG ）100% ； %=（FE1/ FG）100%組織組成物：為100%的共晶組織（+ ）3.亞共晶合金（亞共晶：Sn%1961.9）1以上，液相冷卻；12，L 初；2 點， 初+ L 初+ （ M +N ） ，2以下

10、，沿著MF線變化， 沿著NG線變化，室溫組織： 初+ + （ + ）或或 初+ （ + ） （共晶組織中的二次相看不見）。T1223共晶溫度下：亞共晶合金的相對量（Sn%1961.9）之間的亞共晶合金，其相組成物都為 、，組織組成物都為+ （+） ；但是其相對量隨Sn含量的改變而改變。亞共晶組織 過共晶組織(+)初初Sn%19%1961.9% Sn61.9% Sn61.997.5% Sn97.5% Sn組織名稱Pb基固溶體亞共晶合金共晶合金過共晶合金Sn基固溶體相組成物，組織組成物+（+）+（+）+（+）+共晶合金的相組成物和組織組成物課后練習(xí)課后練習(xí)：過共晶合金（ 61.997.5% Sn）

11、、N點以右合金（ 61.997.5% Sn）1.分析合金的平衡結(jié)晶過程；2.畫出金相組織示意圖；3.計算室溫下相組成物和組織組成物的相對量；4.畫出冷卻曲線。6.5.3共晶合金的非平衡凝固1.偽共晶組織（a）偽共晶區(qū)對稱：兩組元熔點相近；（b）偽共晶區(qū)不對稱：兩組元熔點相差較大，共晶點偏向低熔點組元，偽共晶區(qū)偏向高熔點組元。 不平衡凝固條件下，非共晶成分的合金可全部得到偽共晶組織，共晶成分的合金則可能得到亞共晶或過共晶組織。2.非平衡共晶組織 非平衡共晶組織（成分位于a點稍左）一般分布在初晶的相界上，或者在枝晶間?？梢酝ㄟ^擴散退火來消除，最終得到均勻的單相固溶體組織 。a3.離異共晶離異共晶：

12、條件為a點稍右，特點是初生相很多，共晶體量很少。初晶離異共晶a6.6 包晶相圖24.6.1相圖分析包晶相圖液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下有限溶解，且具有包晶轉(zhuǎn)變的相圖；包晶轉(zhuǎn)變 一定溫度下，一個一定成分的液相和一個一定成分的固相同時轉(zhuǎn)變另一具有一定成分固相的反應(yīng)： L+ 具有包晶轉(zhuǎn)變的二元合金有Fe-C、Cu-Zn、Ag-Sn、Ag-Pt等。1.相（1）L相： Pt、Ag的熔體 ，（2）相、相分別是以Pt （ Ag）為溶劑、 Ag （ Pt ）為溶質(zhì)的固溶體；2.點（1）A 、B分別是純金屬Pt、Ag的熔點；（2）P、D分別是包晶溫度下（ ）相的最大溶解度點，C點包晶反應(yīng)時的液相成分點；（3）B、F分

13、別是室溫下（ ）相的最大溶解度點； 3.線（1）液相線： AC: L ， CB: L ；（2）固相線：AP: L ， DB: L ；（3）固溶度線：不同溫度下固溶體最大溶解度的連線，隨溫度降低，固溶體沿此線變化，析出第二相；PB： ， DF : （4）包晶線：PDC，位于該線內(nèi)的合金，在包晶溫度下都要發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。 LC + P D 1186包晶溫度，此溫度下三相平衡，f =c-p+1=0,自由度為0，包晶轉(zhuǎn)變是恒溫轉(zhuǎn)變；4.相區(qū)（1）單相區(qū)：3個， L、 、（2）兩相區(qū)： 3個， L+ 、L+ 、 + （3）三相區(qū)：1個， L+ 11865.與勻晶和共晶相圖的區(qū)別（1）相同處 PDC線以上區(qū)

14、域； PDC線以下、DF以右區(qū)域的分析方法以及結(jié)晶過程與勻晶相同； BPDF以內(nèi)區(qū)域，與共晶線MEN線以下區(qū)域相同，按照固溶度線分析。（2）不同處 包晶線PDC及包晶反應(yīng)：L+ 6.6.2 包晶合金的平衡凝固 P點以左，C點以右的合金與勻晶相圖相似，分析方法相同。 1.合金1以上，液相冷卻；12，L ；2點，包晶轉(zhuǎn)變：LC + P D2點以下，沿DF線變化，析出二次相， ；室溫組織： + 包晶轉(zhuǎn)變時， 相依附在相形核，直至全部包住 相。此時， 相內(nèi)部相的Pt含量高， 相外部L相的Ag含量高， Pt原子向外擴散， Ag原子向內(nèi)擴散。新相兩側(cè)L相和相的成分接近D點， 相消耗L相和相從而長大。當L相

15、和相同時消耗完，包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束，在包晶溫度下只有相。發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變時， L相和相的兩相相對量計算如下：W(L)=DP/DC=(42.5-10.5)/(66.3-10.5)=57.3%W()=PC/DC=(66.3-42.5)/(66.3-10.5)=42.7%即57.3%的液相和 42.7%的相正好全部轉(zhuǎn)變?yōu)橄?DDT42.合金1以上，液相冷卻；12，L ；2點，包晶轉(zhuǎn)變：LC +P D包晶溫度： W(L)=2P/DC57.3%，說明發(fā)生包晶反應(yīng)后有液相過剩。23，過剩的液相成分沿CB線變化， 沿DB線變化， L過剩 34， 冷卻4點以下，沿DF線變化，析出二次相， ；室溫組織： +12T4435

16、室溫下：W()=(B5/BF) 100% W()= (5F/BF) 100%相的含量少于D點成分合金。51以上，液相冷卻；12，L ；2點，包晶轉(zhuǎn)變：LC + P D包晶溫度： W()=2C/DC42.7%，說明發(fā)生包晶反應(yīng)后有相過剩。2點以下， 過剩和 分別沿著PB和DF線變化，析出二次相， 過剩 ， ；室溫組織： + + + 3.合金122T室溫下：W()=(B3/BF) 100% W()= (3F/BF) 100%相和相的量包括在相和相內(nèi)。36.6.3 包晶合金的非平衡凝固1.包晶轉(zhuǎn)變不完全（+Sn）L+，但原子在固體中擴散慢， 相的心部有未轉(zhuǎn)變的 。2.P點稍左合金發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變 原來不

17、具有包晶轉(zhuǎn)變的合金（如O點合金），在不平衡結(jié)晶條件下，包晶溫度下仍有剩余液體， L + ，出現(xiàn)了平衡狀態(tài)下不應(yīng)該出現(xiàn)的相。 包晶的不完全性一般出現(xiàn)的包晶轉(zhuǎn)變溫度較低或原子擴散較慢的合金中，非平衡包晶組織液可以通過擴散退火來消除。O6.6.4 包晶轉(zhuǎn)變的實際應(yīng)用6.7 溶混間隙相圖與調(diào)幅分解1.基本概念（1）溶混間隙相圖：具有溶混間隙轉(zhuǎn)變的相圖。（2）溶混間隙轉(zhuǎn)變：在一定的條件下，一個一定成分的L （）相轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€各具有一定成分的L（）相的反應(yīng)。 L L1 + L2 ；或 1 +2 溶混間隙相圖有Cu-Pb、Cu-Ni、Au-Ni、Cu-Mn等二元相圖。（3）調(diào)幅分解：某些一定成分范圍（下圖e中

18、mcahbdn內(nèi)）內(nèi)的合金，發(fā)生沒有形核階段的不穩(wěn)定分解，這種分解依靠成分起伏進行，生長受上坡擴散控制。FK當TTc時，在FcahbdK之內(nèi)的合金都會發(fā)生1+2 ，在mcahbdn之內(nèi)的合金發(fā)生的是調(diào)幅分解（無需形核），兩條曲線之間的合金通過形核長大的方式進行分解。12 由G-x曲線可知，d2G/dx2=0是曲線的拐點。 mcahbdn是不同溫度下拐點的連線，又稱調(diào)幅曲線。 FcahbdK是不同溫度下G-x曲線公切點的連線，即該溫度下1和2 成分的連線，又稱固溶度間隙曲線。2.熱力學(xué)條件其中，(x)20, G取值與d2G/dx2的正負有關(guān)。（1）拐點之外、切點之內(nèi)12（2）拐點（調(diào)幅線）之內(nèi)1

19、26.8 其他類型的二元相圖6.8.1具有化合物的二元相圖1.形成穩(wěn)定化合物的相圖（化合物熔化前不分解）321123T2.形成不穩(wěn)定化合物的相圖（化合物熔化前發(fā)生分解）6.8.2 具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖包括Cu-S、Mn-Pb、Cu-O等相圖6.8.3 具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖L1+L2包括Na-Zn、K-Zn等相圖6.8.4 具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖包括Cu-Sb、Fe-S等相圖6.8.5 具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元相圖1.具有固溶體多晶型轉(zhuǎn)變的相圖2.具有共析轉(zhuǎn)變的相圖3.具有包析轉(zhuǎn)變的相圖4.具有脫溶過程的相圖Fe2B5.具有有序無序轉(zhuǎn)變的相圖6.具有固溶體形成中間相轉(zhuǎn)變的相圖7.具有磁性轉(zhuǎn)變的相圖Tc6.9

20、復(fù)雜二元相圖的分析方法復(fù)雜二元相圖的分析步驟以穩(wěn)定化合物為界把相圖分區(qū)；根據(jù)相區(qū)接觸法則區(qū)別各相區(qū)；找出三相共存水平線，明確轉(zhuǎn)變類型；單相區(qū)的成分是合金的成分；兩相區(qū)成分沿相界變化，相的相對量用杠桿定理求出；三相區(qū)成分固定，轉(zhuǎn)變前后相的相對量由水平線上下用杠桿定理求出。 相圖給出的是平衡條件下的相、相的成分和相的相對量，不表示相的形狀、大小、分布；相圖給出的是平衡狀態(tài)的情況，實際生產(chǎn)很少能達到平衡狀態(tài)。 6.10 根據(jù)相圖推測合金的性能6.10.1 判斷使用性能6.10.2 判斷工藝性能由圖看出，共晶熔點低，流動性好，集中縮孔，熱裂和偏析傾向小，故鑄造合金宜選擇共晶成分的合金。 6.11 鐵碳

21、合金相圖6.11.1 相圖分析點線液相線固相線固態(tài)轉(zhuǎn)變線三相平衡線6.11.2 典型合金平衡結(jié)晶過程及其組織L相冷卻 L 冷卻 AA冷卻 AF F冷卻 FFe3C相組成物：F，F(xiàn)e3C ； 組織組成物： F+Fe3C L冷卻 L A A冷卻 AP( F+Fe3C)相組成物：F，F(xiàn)e3C ； 組織組成物：P( F+Fe3C)v共析溫度下（727）v相組成物相對量：vW(F)=(6.69-0.77)/(6.69-0.0218) 89%vW(Fe3C)=(0.77-0.0218)/(6.69-0.0218) 11%v組織組成物相對量：vW(P)=100%L相冷卻 L L+A L A A冷卻 AF先

22、A P( F+Fe3C)相組成物：F，F(xiàn)e3C ； 組織組成物：F先+P( F+Fe3C)F先PvFe-0.45C合金v共析溫度下（727）v相組成物相對量：vW(F)=(6.69-0.45)/(6.69-0.0218) 94%vW(Fe3C)=(0.45-0.0218)/(6.69-0.0218) 6%v組織組成物相對量：vW(F)=(0.77-0.45)/(0.77-0.0218) 43%vW(P)=(0.45-0.0218)/(0.77-0.0218) 57% L冷卻 L A A冷卻 AFe3C A P( F+Fe3C)相組成物：F，F(xiàn)e3C ； 組織組成物： Fe3C +P( F+Fe3C)Fe3C P(6)共晶白口鐵（合金） L冷卻 L Ld（A+ Fe3C） Ld Ld (P+Fe3C)相組成物：F，F(xiàn)e3C ； 組織組成物： Ld (P+Fe3C) Ld (P+Fe3C)PFe3C L冷卻 L A A+ Ld（A+ Fe3C）冷卻 P+Ld (P+Fe3C)相組成物：F，F(xiàn)e3C ； 組織組成物： P+Fe3C +Ld(P+Fe3C)PLdvFe-3.0C合金