二元相圖教案

1、理 論 課 教 案章節(jié)課題§4-3二元合金相圖（一）課 型新授課課時2教具學(xué)具電教設(shè)施多媒體教學(xué)目標(biāo)知識教學(xué)點使學(xué)生掌握二元相圖的基本知識，為學(xué)習(xí)后面的鐵碳相圖打好基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上了解合金的結(jié)晶過程。能力培養(yǎng)點熟悉幾種常見的二元合金相圖（勻晶相圖）；會利用杠桿定律計算相組成物及組織組成物的相對含量。德育滲透點培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)道德觀及互相協(xié)作的精神教學(xué)重點難點重點掌握合金中的相及相結(jié)構(gòu)類型；熟悉幾種常見的二元合金相圖。難點利用杠桿定律計算相組成物及組織組成物的相對含量。學(xué)法引導(dǎo)1、講授法 2、討論法教學(xué)內(nèi)容更新、補充、刪節(jié)補充金屬材料與熱處理相關(guān)內(nèi)容參考資料金屬學(xué)與熱處理課后體會教 與

2、學(xué) 互 動 設(shè) 計教 師 活 動 內(nèi) 容學(xué)生活動內(nèi)容時間（一）組織教學(xué)點名考勤，穩(wěn)定學(xué)生情緒，準(zhǔn)備上課（二）提出問題1、合金的基本定義2、固溶體和金屬化合物的定義、分類（三）講授新課§4-3二元合金相圖（一）1、合金的結(jié)晶特點也是形核與長大，但有自己的特點：（1）不是恒溫下進(jìn)行的，有一定的結(jié)晶溫度范圍。（2）結(jié)晶過程中不只有一個固相和液相，而是在不同范圍內(nèi)有不同的相，各相成分也變化。因此，合金的結(jié)晶過程要復(fù)雜些，單用一條冷卻曲線難以說清楚。為了研究合金的結(jié)晶過程及合金組織的變化規(guī)律，需借用一個工具相圖。2、二元合金相圖的基本知識（1）相圖（平衡圖、狀態(tài)圖）表示在平衡狀態(tài)下，合金的組成

3、相或組織狀態(tài)與溫度、壓力、成分之間關(guān)系的簡明圖解（一般在常壓下，故壓力參數(shù)可不考慮）。所謂平衡狀態(tài)是指合金的成分、質(zhì)量份數(shù)不再隨時間而變化的一種狀態(tài)。合金的極緩慢冷卻可近似認(rèn)為是平衡狀態(tài)。相圖用途：研究合金的相變、組織形成及變化的規(guī)律； 制定熱加工工藝的重要工具。（2）表示方法純金屬可用一條溫度軸表示出不同溫度下的相狀態(tài)。 T/ L 1083 S 純Cu t/h 相圖二元合金的組成相不僅與溫度有關(guān)，還與合金的成分有關(guān)。因此，不能用一條溫度軸表示，還需增加一個成分坐標(biāo)軸。如Cu-Ni相圖 T/ 1455液相線 L L+ 固相線 1083 Cu Ni Ni% 說明點、線、區(qū)的定義即相圖分析：2個點

4、、2條線、3個區(qū)。（3）測定方法：熱分析法（最常用）（4）杠桿定律設(shè)某一成分合金在某溫度時處于二元相圖的兩相區(qū)內(nèi)，那么，S、L兩相的重量可借助于“桿桿定律”來求得。以Cu-Ni合金相圖為例說明： T/ L 1455 a(x1) c b(x2) 1083 Cu x Ni Ni% 設(shè)某一成分為x的Ni，在t溫度時，L相的成分為x1的Ni；S相的成分為x2的Ni。L、S兩相的重量為WL、W、總重量為W。則有：WL+W=W WL·x1+ W·x2 = W·x由此兩式得：= 于是，L、S兩相得相對重量分?jǐn)?shù)為： L = ×100% S = ×100%此為“

5、杠桿定律”，只適用于相圖中的兩相區(qū)。因兩相重量的計算與力學(xué)中的杠桿兩端力的計算相似而得名。 W1 ·ac= W2·bc a 支點c b （成分點） = W1 W2 兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶反應(yīng)的合金系，稱為勻晶系并構(gòu)成勻晶相圖。例如、合金相圖等?，F(xiàn)以合金相圖為例，對勻晶相圖及其合金的結(jié)晶過程進(jìn)行分析。勻晶相圖1）相圖分析相圖（見圖2.3）為典型的勻晶相圖。圖中線為液相線，該線以上合金處于液相；線為固相線，該線以下合金處于固相。液相線和固相線表示合金系在平衡狀態(tài)下冷卻時結(jié)晶的始點和終點以及加熱時熔化的終點和始點。為液相，是和形成的液溶體；為固相，

6、是和組成的無限固溶體。圖中有兩個單相區(qū)：液相線以上的相區(qū)和固相線以下的相區(qū)。圖中還有一個兩相區(qū)：液相線和固相線之間的+相區(qū)。2）合金的結(jié)晶過程 圖2.6 勻晶合金的結(jié)晶過程以點成分的合金(含量為)為例分析結(jié)晶過程。該合金的冷卻曲線和結(jié)晶過程如圖2.6所示。首先利用相圖畫出該成分合金的冷卻曲線，在1點溫度以上，合金為液相。緩慢冷卻至l-2溫度之間時，合金發(fā)生勻晶反應(yīng)，從液相中逐漸結(jié)晶出固溶體。2點溫度以下，合金全部結(jié)晶為固溶體。其它成 分合金的結(jié)晶過程也完全類似。3）勻晶結(jié)晶的特點與純金屬一樣，固溶體從液相中結(jié)晶出來的過程中，也包括有生核與長大兩個過程，且固溶體更趨于呈樹枝狀長大。固溶體結(jié)晶在一

7、個溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，即為一個變溫結(jié)晶過程。在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時，兩相的成分（即含量）是確定的。確定相成分的方法見2.1.4。兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時，兩相的相對質(zhì)量是一定的，且符合杠桿定律。固溶體結(jié)晶時成分是變化的（相沿變化，相沿變化），緩慢冷卻時由于原子的擴散充分進(jìn)行，形成的是成分均勻的固溶體。如果冷卻較快，原子擴散不能充分進(jìn)行，則形成成分不均勻的固溶體。先結(jié)晶的樹枝晶軸含高熔點組元（）較多，后結(jié)晶的樹枝晶枝干含低熔點組元（）較多。結(jié)果造成在一個晶粒之內(nèi)化學(xué)成分的分布不均。這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析（見圖2.7）。枝晶偏析對材料的機械性能、抗腐蝕性能、工藝性能都不利。生產(chǎn)上為了消除其影響，常把合金加熱

8、到高溫（低于固相線100左右），并進(jìn)行長時間保溫，使原子充分?jǐn)U散，獲得成分均勻的固溶體。這種處理稱為擴散退火。 圖2.7 枝晶偏析示意圖（四）課堂小結(jié) 點出重點，分析難點（五）布置作業(yè)1、復(fù)習(xí)本次課的內(nèi)容2、習(xí)題冊上的習(xí)題 3、預(yù)習(xí)下一節(jié)內(nèi)容準(zhǔn)備上課學(xué)生思考并回答所提出的問題。學(xué)生分組討論并發(fā)言聽 講 記筆記學(xué)生思考、討論準(zhǔn)備回答聽 講 記筆記學(xué)生認(rèn)真聽課聽 講 記筆記學(xué)生認(rèn)真思考聽課記筆記總結(jié)歸納結(jié)合圖形詳細(xì)講解學(xué)生認(rèn)真聽講指導(dǎo)學(xué)生看書認(rèn)真聽講記筆記 學(xué)生根據(jù)老師的提示認(rèn)真回顧本次課的重點內(nèi)容2分5分5分5分10分10分15分10分15分5分5分3分理 論 課 教 案章節(jié)課題§4-

9、3二元合金相圖（二）課 型新授課課時2教具學(xué)具電教設(shè)施多媒體教學(xué)目標(biāo)知識教學(xué)點使學(xué)生掌握二元相圖的基本知識，為學(xué)習(xí)后面的鐵碳相圖打好基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上了解合金的結(jié)晶過程。能力培養(yǎng)點熟悉幾種常見的二元合金相圖（共晶相圖）；會利用杠桿定律計算相組成物及組織組成物的相對含量。德育滲透點培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)道德觀及互相協(xié)作的精神教學(xué)重點難點重點掌握合金中的相及相結(jié)構(gòu)類型；熟悉幾種常見的二元合金相圖。難點利用杠桿定律計算相組成物及組織組成物的相對含量。學(xué)法引導(dǎo)1、講授法 2、討論法教學(xué)內(nèi)容更新、補充、刪節(jié)補充金屬材料與熱處理相關(guān)內(nèi)容參考資料金屬學(xué)與熱處理課后體會教 與 學(xué) 互 動 設(shè) 計教 師 活 動 內(nèi) 容學(xué)

10、生活動內(nèi)容時間（一）組織教學(xué)點名考勤，穩(wěn)定學(xué)生情緒，準(zhǔn)備上課（二）提出問題1、二元合金相圖的基本定義2、杠桿定律的應(yīng)用3、勻晶相圖（三）講授新課§4-3二元合金相圖（二）三、共晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，冷卻時發(fā)生共晶反應(yīng)的合金系，稱為共晶系并構(gòu)成共晶相圖。例如、合金相圖等。現(xiàn)以合金相圖為例，對共晶相圖及其合金的結(jié)晶過程進(jìn)行分析。1 相圖分析合金相圖（圖2.8）中，為液相線，為固相線。合金系有三種相:與形成的液溶體相，溶于中的有限固溶體相，溶于中的有限固溶體相。相圖中有三個單相區(qū)（、相區(qū)）；三個兩相區(qū)（+、+、+相區(qū)）；一條+的三相并存線（水平線）。 圖2.8 Pb-

11、Sn合金相圖及成分線點為共晶點，表示此點成分（共晶成分）的合金冷卻到此點所對應(yīng)的溫度（共晶溫度）時，共同結(jié)晶出點成分的相和點成分的相：。這種由一種液相在恒溫下同時結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)叫做共晶反應(yīng)。所生成的兩相混合物（層片相間）叫共晶體。發(fā)生共晶反應(yīng)時有三相共存，它們各自的成分是確定的，反應(yīng)在恒溫下平衡地進(jìn)行著。水平線為共晶反應(yīng)錢，成分在之間的合金平衡結(jié)晶時都會發(fā)生共晶反應(yīng)。線為在中的溶解度線（或相的固溶線）。溫度降低，固溶體的溶解度下降。含量大于點的合金從高溫冷卻到室溫時，從相中析出相以降低其 含量。從固態(tài)相中析出的相稱為二次，常寫作。這種二次結(jié)晶可表達(dá)為：。線為在中的溶解度線（或相的固溶線）

12、。含量小于點的合金，冷卻過程中同樣發(fā)生二次結(jié)晶，析出二次：。2.3.2 典型合金的結(jié)晶過程2.3.2.1 合金合金的平衡結(jié)晶過程（如圖2.9所示）。液態(tài)合金冷卻到1點溫度以后，發(fā)生勻晶結(jié)晶過程，至2點溫度合金完全結(jié)晶成固溶體，隨后的冷卻（2-3點間的溫度），相不變。從3點溫度開始，由于在中的溶解度沿線降低，從中析出，到室溫時中含量逐漸變?yōu)辄c。最后合金得到的組織為+。其組成相是點成分的相和點成分的相。運用杠桿定律，兩相的相對質(zhì)量為： 合金的室溫組織由和組成，和即為組織組成物。組織組成物是指合金組織中那些具有確定本質(zhì)，一定形 圖2.9 合金結(jié)晶過程示意圖成機制和特殊形態(tài)的組成部分。組織組成物可以是

13、單相，或是兩相混合物。 合金的室溫組織組成物和皆為單相，所以它的組織組成物的相對質(zhì)量與組成相的相對質(zhì)量相等。2.3.2.2 合金 合金為共晶合金，其結(jié)晶過程如圖2.10所示。合金從液態(tài)冷卻到1點溫度后，發(fā)生共晶反應(yīng)：，經(jīng)一定時間到時反應(yīng)結(jié)束，全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿w（）。從共晶溫度冷卻至室溫時，共晶體中的和均發(fā)生二次結(jié)晶，從中析出，從中析出。的成分由點變?yōu)辄c，的成分由點變?yōu)辄c；兩種相的相對質(zhì)量依杠桿定律變化。由于析出的和都相應(yīng)地同和相連在一起，共晶體的形態(tài)和成分不發(fā)生變化，不用單獨考慮。合金的室溫組織全部為共晶體，即只含一種組織組成物（即共晶體）；而其組成相仍為和相。 圖2.10共晶合金結(jié)晶過程示意圖

14、 圖2.11 亞共晶合金結(jié)晶過程示意圖2.3.2.3 合金合金是亞共晶合金，其結(jié)晶過程如圖2.11所示。合金冷卻到1點溫度后，由勻晶反應(yīng)生成固溶體，此乃初生固溶體。從1點到2點溫度的冷卻過程中，按照杠桿定律，初生的成分沿線變化，液相成分沿線變化；初生逐漸增多，液相逐漸減少。當(dāng)剛冷卻到2點溫度時，合金由點成分的初生相和點成分的液相組成。然后剩余液相進(jìn)行共晶反應(yīng)，但初生相不變化。經(jīng)一定時間到點共晶反應(yīng)結(jié)束時，合金轉(zhuǎn)變?yōu)?。從共晶溫度繼續(xù)往下冷卻，初生中不斷析出，成分由點降至點；此時共晶體如前所述，形態(tài)、成分和總量保持不變。合金的室溫組織為初生+。合金的組成相為和，它們的相對質(zhì)量為：。合金的組織組成物

15、為：初生、和共晶體。它們的相對質(zhì)量須兩次應(yīng)用杠桿定律求得。根據(jù)結(jié)晶過程分析，合金在剛冷到2點溫度而尚未發(fā)生共晶反應(yīng)時，由和兩相組成，它們的相對質(zhì)量為：。其中，液相在共晶反應(yīng)后全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿w，因此這部分液相的質(zhì)量就是室溫組織中共晶體質(zhì)量，即： 。初生冷卻時不斷析出，到室溫后轉(zhuǎn)變?yōu)楹?。按照杠桿定律，占+質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為（注意，杠桿支點在點）；占的為。由于+的質(zhì)量等于的重量，即+在整個合金中的重量百分?jǐn)?shù)為，所以在合金室溫組織中，和分別所占的相對質(zhì)量為：。這樣，合金在室溫下的三種組織組成物的相對質(zhì)量為：。成分在之間的所有亞共晶合金的結(jié)晶過程均與合全相同，僅組織組成物和組成相的相對質(zhì)量不同。成分越靠近共晶

16、點，合金中共晶體的含量越多。位于共晶點右邊，成分在之間的合金為過共晶合金（如圖2.8中的合金）。它們的結(jié)晶過程與亞共晶合金相似，也包括勻晶反應(yīng)、共晶反應(yīng)和二次結(jié)晶等三個轉(zhuǎn)變階段；不同之處是初生相為固溶體，二次結(jié)晶過程為。所以室溫組織為。2.3.3 標(biāo)注組織的共晶相圖我們研究相圖的目的是要了解不同成分的合金室溫下的組織構(gòu)成。因此，根據(jù)以上分析，將組織標(biāo)注在相圖上。以便很方便地分析和比較合金的性能，并使相圖更具有實際意義。如圖2.12所示。從圖中可以看出，在室溫下點及其左邊成分的合金的組織為單相，點及其右邊成分的合金的組織為單相，之間成分的合金的組織由和兩相組成。即合金系的室溫組織自左至右相繼為：

17、、+、+、。 圖2.12 標(biāo)注組織的共晶相圖由于各種成分的合金冷卻時所經(jīng)歷的結(jié)晶過程不同，組織中所得到的組織組成物及其數(shù)量是不相同的。這是決定合金性能最本質(zhì)的方面。（四）課堂小結(jié) 點出重點，分析難點（五）布置作業(yè)1、復(fù)習(xí)本次課的內(nèi)容2、習(xí)題冊上的習(xí)題 3、預(yù)習(xí)下一節(jié)內(nèi)容準(zhǔn)備上課學(xué)生思考并回答所提出的問題。學(xué)生分組討論并發(fā)言聽 講 記筆記學(xué)生思考、討論準(zhǔn)備回答聽 講 記筆記學(xué)生認(rèn)真聽課聽 講 記筆記學(xué)生認(rèn)真思考聽課記筆記總結(jié)歸納結(jié)合圖形詳細(xì)講解學(xué)生認(rèn)真聽講指導(dǎo)學(xué)生看書認(rèn)真聽講記筆記 學(xué)生根據(jù)老師的提示認(rèn)真回顧本次課的重點內(nèi)容2分5分5分15分10分15分15分15分5分3分理 論 課 教 案章節(jié)

18、課題§4-3二元合金相圖（三）課 型新授課課時2教具學(xué)具電教設(shè)施多媒體教學(xué)目標(biāo)知識教學(xué)點使學(xué)生掌握二元相圖的基本知識，為學(xué)習(xí)后面的鐵碳相圖打好基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上了解合金的結(jié)晶過程。合金力學(xué)性能與相圖的關(guān)系能力培養(yǎng)點熟悉幾種常見的二元合金相圖（包晶相圖）；會利用杠桿定律計算相組成物及組織組成物的相對含量。合金力學(xué)性能與相圖的關(guān)系德育滲透點培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)道德觀及互相協(xié)作的精神教學(xué)重點難點重點掌握合金中的相及相結(jié)構(gòu)類型；熟悉幾種常見的二元合金相圖。難點利用杠桿定律計算相組成物及組織組成物的相對含量。合金力學(xué)性能與相圖的關(guān)系學(xué)法引導(dǎo)1、講授法 2、討論法教學(xué)內(nèi)容更新、補充、刪節(jié)補充金屬材料與熱

19、處理相關(guān)內(nèi)容參考資料金屬學(xué)與熱處理課后體會教 與 學(xué) 互 動 設(shè) 計教 師 活 動 內(nèi) 容學(xué)生活動內(nèi)容時間（一）組織教學(xué)點名考勤，穩(wěn)定學(xué)生情緒，準(zhǔn)備上課（二）提出問題1、二元合金相圖的基本定義2、杠桿定律的應(yīng)用3、共晶相圖（三）講授新課§4-3二元合金相圖（三）四、包晶相圖兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，冷卻時發(fā)生包晶反應(yīng)的合金系，稱為包晶系并構(gòu)成包晶相圖。例如、合金相圖等。現(xiàn)以合金相圖為例，對包晶相圖及其合金的結(jié)晶過程進(jìn)行分析。1 相圖分析合金相圖（圖2.13）中存在三種相：與形成的液溶體相；溶于中的有限固溶體相；溶于中的有限固溶體相。點為包晶點。點成分的合金冷卻到點所對應(yīng)的

20、溫度（包晶溫度）時發(fā)生以下反應(yīng)： 圖2.13 Pt-Ag 合金相圖這種由一種液相與一種固相在恒溫下相互作用而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固相的反應(yīng)叫做包晶反應(yīng)。發(fā)生包晶反應(yīng)時三相共存，它們的成分確定，反應(yīng)在恒溫下平衡地進(jìn)行。水平線為包晶反應(yīng)線。 為在中的溶解度線，為在中的溶解度線。2 典型合金的結(jié)晶過程1） 合金 合金的結(jié)晶過程如圖2.14所示。液態(tài)合金冷卻到1點溫度以下時結(jié)晶出固溶體，相成分沿線變化，相成分沿線變化。合金剛冷到2點溫度而尚未發(fā)生包晶反應(yīng)前，由點成分的相與點成分的相組成此兩相在點溫度時發(fā)生包晶反應(yīng)，相包圍相而形成。反應(yīng)結(jié)束后，相與相正好全部反應(yīng)耗盡，形成點成分的固溶體。溫度繼續(xù)下降時，從中析出

21、。最后室溫組織為。其組成相和組織組成物的成分和相對重量可根據(jù)杠桿定律來確定。在合金結(jié)晶過程中，如果冷速較快，包晶反應(yīng)時原子擴散不能充分進(jìn)行，則生成的固溶體中會發(fā)生較大的偏析。原處含量較高，而原區(qū)含量較低。這種現(xiàn)象稱為包晶偏析。包晶偏析可通過擴散退火來消除。圖2.14 合金結(jié)晶過程示意圖 圖2.15 合金結(jié)晶過程示意圖2.4.2.2 合金 合金的結(jié)晶過程如圖2.15所示。液態(tài)合金冷卻到1點溫度以下時結(jié)晶出相，剛至2點溫度時合金由點成分的液相和點成分的相組成，兩相在2點溫度發(fā)生包晶反應(yīng)，生成固溶體。與合金不同，合金在包晶反應(yīng)結(jié)束之后，仍剩余有部分固溶體。在隨后的冷卻過程中，和中將分別析出和，所以最

22、終室溫組織為。五、共析相圖與含有穩(wěn)定化合物的相圖除了上述三個基本相圖以外，還經(jīng)常用到一些特殊相圖。如共析相圖、含有穩(wěn)定化合物的相圖等。1 共析相圖如圖2.16所示，其下半部分為共析相圖，形狀與共晶相圖相似。點成分（共析成分）的合金（共析合金）從液相經(jīng)勻晶反應(yīng)生成相后，繼續(xù)冷卻到點溫度（共析溫度）時，發(fā)生共析反應(yīng)，共析反應(yīng)的形式類似于共晶反應(yīng)，而區(qū)別在于它是由一個固相（相）在恒溫下同時析出兩個固相（點成分的相和點成分的相）。反應(yīng)式為；，此兩相的混合物稱為共析體(層片相間)。各種成分的合金的結(jié)晶過程的分析同于共晶相圖。但因共析反應(yīng)是在固態(tài)下進(jìn)行的，所以共析產(chǎn)物比共晶產(chǎn)物要細(xì)密的多。2 含有穩(wěn)定化合物的相圖在有些二元合金系中組元間可能形成穩(wěn)定化合物。穩(wěn)定化合物具有一定的化學(xué)成分、固定的熔點，且熔化前不分解，也不發(fā)生其它化學(xué)反應(yīng)。如圖2.17為相圖，穩(wěn)定化合物在相圖中是一條垂線，可以把它看作成一個獨立組元而把相圖分為兩個獨立部分。 圖2.16 共析相圖 圖2.17 Mg-Si合金相圖六、合金的性能與相圖的關(guān)系1 合金的力學(xué)性能和物理性能相圖反映出不同成分合金室溫時的組成相和平衡組織，而組成相的本質(zhì)及其相對含量、分布狀況又將影響合金的性能。圖2.18示意表明了相圖與合金力學(xué)性能及物理性能的關(guān)系。圖形表明，合金組織為兩相混合物時，如兩相的大小與分布都比較均勻，合金