第5章相平衡與相圖原理b-yao

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)B （2013-2014）第第5章章 相平衡與相圖原理相平衡與相圖原理姚寶殿姚寶殿上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院Tel. 2022-6-19建立相圖的方法有兩種：p 一種是利用已有的熱力學(xué)參數(shù)，通過熱力學(xué)計算和分析建立相圖；計算法還在發(fā)展之中；p 另一種是依靠實驗的方法建立相圖。實際使用的相圖都是實驗法建立的；應(yīng)用最多的是熱分析法。注意：相圖中所示的合金狀態(tài)是熱力學(xué)上的平衡穩(wěn)定狀態(tài)，注意：相圖中所示的合金狀態(tài)是熱力學(xué)上的平衡穩(wěn)定狀態(tài)，它不能表示在非平衡條件下的組織結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律。它不能表示在非平衡條件下的組織結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律。但非平衡狀態(tài)與平

2、衡狀態(tài)有密切的關(guān)系，所以非平衡狀態(tài)的但非平衡狀態(tài)與平衡狀態(tài)有密切的關(guān)系，所以非平衡狀態(tài)的研究也以相圖為基礎(chǔ)。研究也以相圖為基礎(chǔ)。5.5 5.5 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立5.5.1 相圖的表示和測定方法相圖的表示和測定方法 合金的狀態(tài)是由化學(xué)成分、溫度和壓力決定的。但壓力對液合金的狀態(tài)是由化學(xué)成分、溫度和壓力決定的。但壓力對液固相之間或固相之間的變化影響不大，而且金屬的狀態(tài)多數(shù)是固相之間或固相之間的變化影響不大，而且金屬的狀態(tài)多數(shù)是在常壓下進行的，所以研究合金的相變時往往不考慮壓力的作在常壓下進行的，所以研究合金的相變時往往不考慮壓力的作用。用。對于二元相圖，影響狀態(tài)的因素只有第二組

3、元的濃度和溫度對于二元相圖，影響狀態(tài)的因素只有第二組元的濃度和溫度兩個參數(shù)。兩個參數(shù)。所以對于所以對于二元相圖，是以橫坐標(biāo)表示成分，縱坐標(biāo)表示溫度二元相圖，是以橫坐標(biāo)表示成分，縱坐標(biāo)表示溫度的溫度成分平面圖形。的溫度成分平面圖形。二元相圖中的成分按國家標(biāo)準(zhǔn)有兩種表示方法：二元相圖中的成分按國家標(biāo)準(zhǔn)有兩種表示方法：質(zhì)量分?jǐn)?shù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）和摩爾分?jǐn)?shù)（）和摩爾分?jǐn)?shù)（x），），如合金中如合金中A，B兩組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)位兩組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)位wA, wB,摩爾摩爾分?jǐn)?shù)為。其關(guān)系式為：分?jǐn)?shù)為。其關(guān)系式為：二元相圖的建立二元相圖的建立幾乎所有的相圖都是通過實驗得到的，最常用的是幾乎所有的相圖都是通過實驗得到的，

4、最常用的是熱分析法熱分析法。2022-6-19 熱分析法繪制二元相圖基本原理：二組分體系 ，指定壓力不變，2C31*Cf12*f雙變量體系21*f單變量體系30*f無變量體系首先將二組分體系加熱熔化，記錄冷卻過程中溫度隨時間的變化曲線，即步冷曲線（cooling curve）。當(dāng)體系有新相凝聚，放出相變熱，步冷曲線的斜率改變。 ，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點； ，出現(xiàn)水平線段。據(jù)此在T-x圖上標(biāo)出對應(yīng)的位置，得到低共熔T-x圖。*1f*0f名稱名稱A金屬金屬B金屬金屬晶格類型晶格類型bccbcc熔點熔點高高低低合金合金1100%0%合金合金290%10%合金合金380%20%.合金合金920%80%合金合金10

5、10%90%合金合金110%100%2022-6-19步驟步驟1. 1. 將將 A-B A-B 二元合金系分成若干種不同成分的合金二元合金系分成若干種不同成分的合金【說明1】1) 合金成分間隔越小，合金數(shù)目越多，測得的相圖越精確；2) 合金成分間隔不需要相等。將上述合金分別熔化后，以非常緩慢的速度冷卻到室溫，測出各合金的(溫度時間)冷卻曲線。合金在冷卻過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變(如：結(jié)晶)的起始溫度和結(jié)束溫度，對應(yīng)著冷卻曲線上的折點(如：L1、L2 和S1、S 2等)。2022-6-19【說明2】1) 冷卻速度越慢，越接近平衡條件，測量結(jié)果越準(zhǔn)確；2) 純金屬在恒溫下結(jié)晶，冷卻曲線應(yīng)有一段水平線。步驟步驟

6、2. 2. 測各合金的步冷曲線測各合金的步冷曲線將冷卻曲線上的臨界點分別標(biāo)在溫度成分溫度成分坐標(biāo)內(nèi)，用光滑曲線把意義相同的臨界點連接起來。這樣就得到了A-B二元合金相圖 。相圖中，結(jié)晶開始點的連線相圖中，結(jié)晶開始點的連線叫叫液相線液相線。結(jié)晶終了點的連。結(jié)晶終了點的連線叫線叫固相線固相線。2022-6-19步驟步驟3.3.將臨界點標(biāo)在溫度將臨界點標(biāo)在溫度- -成分坐標(biāo)中的成分垂線上，將步冷曲成分坐標(biāo)中的成分垂線上，將步冷曲線上相同意義的點連成曲線，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。線上相同意義的點連成曲線，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。Cu-Ni二元相圖的繪制（勻晶相圖） 以Cu-Ni合金相圖的建立為例，動畫

7、演示實驗裝置和實驗過程如下： 2022-6-191. 測量冷卻曲線的實驗裝置及過程2. .根據(jù)冷卻曲線建立相圖1. 測量冷卻曲線的實驗裝置及過程2.根據(jù)冷卻曲線建立相圖Cd-Bi二元相圖的繪制（1/12)2022-6-191.首先標(biāo)出純Bi和純Cd的熔點 將100Bi的試管加熱熔化，記錄步冷曲線，如a所示。在546K時出現(xiàn)水平線段，這時有Bi(s)出現(xiàn)，凝固熱抵消了自然散熱，體系溫度不變，這時條件自由度。當(dāng)熔液全部凝固， ，溫度繼續(xù)下降。所以546 K是Bi的熔點。 *11 1 20fC F*1,1fF 同理，在步冷曲線e上，596 K是純Cd的熔點。分別標(biāo)在T-x圖上。Cd-Bi二元相圖的繪

8、制（2/12)2022-6-19Cd-Bi二元相圖的繪制（3/12)2022-6-192 作含20Cd，80Bi的步冷曲線。 將混合物加熱熔化，記錄步冷曲線如b所示。在C點，曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，有Bi(s)析出，降溫速度變慢；*12 1 21fC F0312*f 至D點，Cd(s)也開始析出，溫度不變；Cd-Bi二元相圖的繪制（4/12)2022-6-192 作含20Cd，80Bi的步冷曲線。 至D點，熔液全部凝結(jié)為Bi(s)和Cd(s)，溫度又開始下降；1212*f 含70Cd的步冷曲線d情況類似，只是轉(zhuǎn)折點F處先析出Cd(s)。將轉(zhuǎn)折點分別標(biāo)在T-x圖上。Cd-Bi二元相圖的繪制（5/12)20

9、22-6-19Cd-Bi二元相圖的繪制（6/12)2022-6-193作含40Cd的步冷曲線 將含40Cd，60Bi的體系加熱熔化，記錄步冷曲線如C所示。開始，溫度下降均勻，到達E點時， Bi(s)，Cd(s)同時析出，出現(xiàn)水平線段。*12 1 30fC F1212*f 當(dāng)熔液全部凝固，溫度又繼續(xù)下降，將E點標(biāo)在T-x圖上。Cd-Bi二元相圖的繪制（7/12)2022-6-19Cd-Bi二元相圖的繪制（8/12)2022-6-194 完成Bi-Cd T-x相圖將A,C,E點連接，得到Bi(s)與熔液兩相共存的液相組成線；將H,F,E點連接，得到Cd(s)與熔液兩相共存的液相組成線；將D,E,G

10、點連接，得到Bi(s),Cd(s)與熔液共存的三相線；熔液的組成由E點表示。這樣就得到了Bi-Cd的T-x圖。Cd-Bi二元相圖的繪制（9/12)2022-6-19Cd-Bi二元相圖的繪制（10/12)2022-6-19 圖上有4個相區(qū)： 1. AEH線之上，熔液（l）單相區(qū)，2*f2. ABE之內(nèi)，Bi(s)+ l 兩相區(qū)，1*f3. HEM之內(nèi)，Cd(s)+ l 兩相區(qū)，1*f4. BEM線以下，Bi(s)+Cd(s)兩相區(qū)，1*fCd-Bi二元相圖的繪制（11/12)2022-6-19有三條多相平衡曲線1. ACE線，Bi(s)+ l 共存時，熔液組成線。2. HFE線，Cd(s)+ l

11、 共存時，熔液組成線。3. BEM線，Bi(s)+Cd(s)+l 三相平衡線，三個相的組成分別由B，E，M三個點表示。Cd-Bi二元相圖的繪制（12/12)2022-6-19有三個特殊點： A點，純Bi(s)的熔點 H點，純Cd(s)的熔點E點，Bi(s)+Cd(s)+ l三相共存點。 因為E點溫度均低于A點和H點的溫度，稱為低共熔點（eutectic point）。在該點析出的混合物稱為低共熔混合物（eutectic mixture）。它不是化合物，由兩相組成，只是混合得非常均勻。E點的溫度會隨外壓的改變而改變，在這T-x圖上，E點僅是某一壓力下的一個截點。5.6 二元相圖分析二元相圖分析5

12、.6.1 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 （ Isomorphous phase diagram)兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時所構(gòu)成的相圖稱二元勻晶相圖。兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時所構(gòu)成的相圖稱二元勻晶相圖。5.6.2 二元共晶相圖二元共晶相圖(低共熔相圖，低共熔相圖，Eutectic phase diagram )當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶,甚至完全不溶，并發(fā)生共晶甚至完全不溶，并發(fā)生共晶反應(yīng)時所構(gòu)成的相圖稱作反應(yīng)時所構(gòu)成的相圖稱作共晶相圖。共晶相圖。5.6.3. 二元包晶相圖二元包晶相圖 （Peritectic phase di

13、agram）當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)時所構(gòu)成當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)時所構(gòu)成的相圖稱作的相圖稱作包晶相圖包晶相圖。5.6.4 其他類型的相圖其他類型的相圖5.6.4.1 形成穩(wěn)定化合物的二元相圖形成穩(wěn)定化合物的二元相圖5.6.4.2 具有共析反應(yīng)的二元相圖具有共析反應(yīng)的二元相圖 （ Eutectoid phase diagram）5.6 二元相圖分析二元相圖分析l兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時所構(gòu)成的相圖稱限互溶時所構(gòu)成的相圖稱二二元勻晶相圖（元勻晶相圖（Isomorphous）。l是二元合金相圖中圖

14、形最簡單的相圖。具有勻晶相圖的二元合金系統(tǒng)有Cu-Ni, Fe-Cr, Ag-Au, Nb-Ti, Cr-Mo, W-Mo等l以以Cu-Ni合金為例進行分析。合金為例進行分析。5.6.1 勻晶相圖和固溶體凝固勻晶相圖和固溶體凝固 相圖由兩條線構(gòu)成相圖由兩條線構(gòu)成，上面，上面是液相線，下面是固相線。是液相線，下面是固相線。 相圖被兩條線分為三個相相圖被兩條線分為三個相區(qū)區(qū)，液相線以上為，液相線以上為液相區(qū)液相區(qū)L ，固相線以下為，固相線以下為 固溶固溶體區(qū)體區(qū)，兩條線之間為兩相，兩條線之間為兩相共存的共存的兩相區(qū)兩相區(qū)（L+ ）。）。 LL+ 成分成分（wt%Ni）溫度溫度（）CuNi液相線固相

15、線 二組元在液態(tài)和固態(tài)都能夠完全相互溶解，所有成分(Ni: 0100%)的合金在固態(tài)只有一種晶體結(jié)構(gòu)，相圖中只有一個固相區(qū)。 因此，能夠形成勻晶合金系的兩種組元必須具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，相同的原子價，原子半徑接近(相差不超過15)，相互不形成化合物。2022-6-19 合金的結(jié)晶過程合金的結(jié)晶過程除純組元外，其它成分合金結(jié)晶過程相似，以除純組元外，其它成分合金結(jié)晶過程相似，以合金為例說明。合金為例說明。l當(dāng)液態(tài)金屬自高當(dāng)液態(tài)金屬自高溫冷卻到溫冷卻到 t1溫度溫度時，開始結(jié)晶出時，開始結(jié)晶出成分為成分為 1的固溶的固溶體，其體，其Ni含量高含量高于合金平均成分于合金平均成分L L+ 隨溫度下降，固

16、隨溫度下降，固溶體重量增加，溶體重量增加，液相重量減少液相重量減少。同時，同時，液相成分液相成分沿液相線變化，沿液相線變化，固相成分沿固相固相成分沿固相線變化。線變化。這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)。成分變化是通過原子擴散完成的。當(dāng)合金冷卻到成分變化是通過原子擴散完成的。當(dāng)合金冷卻到t3時，最后一時，最后一滴滴L3成分的液體也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，此時成分的液體也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，此時 固溶體的成分又變回固溶體的成分又變回到合金成分到合金成分 3上來。上來。液固相線不僅是相區(qū)分界液固相線不僅是相區(qū)分界線線, 也是結(jié)晶時兩相的成也

17、是結(jié)晶時兩相的成分變化線；分變化線；勻晶轉(zhuǎn)變是變勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變。溫轉(zhuǎn)變。 杠桿定律杠桿定律 (level Law) 處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量?？捎酶軛U定律求出兩平衡相的相對重量?，F(xiàn)以現(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：合金為例推導(dǎo)杠桿定律： 確定兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為確定兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為x，過，過x做成做成分垂線。在成分垂線相當(dāng)于溫分垂線。在成分垂線相當(dāng)于溫度度t 的的o點作水平線，其與液固點作水平線，其與液固相線交點相線交點a、b所對應(yīng)的成分所對應(yīng)的成分x1

18、、x2即分別為液相和固相的成分。即分別為液相和固相的成分。12 t 則則 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程組得解方程組得121122xxxxQxxxxQLl式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段即為相圖中線段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的長度。的長度。 確定兩平衡相的相對重量確定兩平衡相的相對重量設(shè)合金的重量為設(shè)合金的重量為1，液相重量為，液相重量為QL，固相重量為，固相重量為Q 。 因此兩相的相對重因此兩相的相對重量百分比為：量百分比為：abaoxxxxQabobxxxxQ211212L 21L12LxxQxxQ)aoob

19、(xxxxQQ 或或 上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律杠桿定律。即。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比。離較遠(yuǎn)的成分線段之比。 在杠桿定律中，杠桿的支點是合金的成分，杠桿的端點是所求在杠桿定律中，杠桿的支點是合金的成分，杠桿的端點是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。 杠桿定律只適用于兩相區(qū)杠桿定律只適用于兩相區(qū)。 例例（如圖）（如圖）%5 .61%10045. 058. 045. 053. 0 Q%

20、5 .38%10045. 058. 053. 058. 0 LQ習(xí)題習(xí)題1. 固溶體合金的相圖如圖所示，試根據(jù)相圖確定：固溶體合金的相圖如圖所示，試根據(jù)相圖確定：(a)成分為成分為40%B的合金首先凝固出來的固體成分；的合金首先凝固出來的固體成分；(b)若首先凝固出來的固體成分含若首先凝固出來的固體成分含60%B，合金的成分為多少？，合金的成分為多少？(c)成分為成分為70%B的合金最后凝固的液體成分；的合金最后凝固的液體成分； (d )合金成分為合金成分為50%B，凝固到某溫度時，凝固到某溫度時 液相含有液相含有40%B，固體，固體含有含有80%B，此時液體和固體各占多少分?jǐn)?shù)？，此時液體和固

21、體各占多少分?jǐn)?shù)？ 枝晶偏析 固-液兩相不同于氣-液兩相，析出晶體時，不易與熔化物建立平衡，較早析出的晶體含高熔點組分較多，形成枝晶，后析出的晶體含低熔點組分較多，填充在最早析出的枝晶之間，這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析。l 枝晶偏析枝晶偏析枝晶偏析。 不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。 冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析會影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。枝晶偏析會影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。l生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下100-200長時間保溫，以使原子

22、長時間保溫，以使原子充分?jǐn)U散、成分均勻，消除枝晶偏充分?jǐn)U散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作析，這種熱處理工藝稱作擴散退火擴散退火。Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織合金的平衡組織與枝晶偏析組織平衡組織平衡組織枝晶偏析組織枝晶偏析組織2022-6-19（4 4）具有極值的勻晶相圖）具有極值的勻晶相圖完全互溶固溶體出現(xiàn)最低點或最高點 當(dāng)兩種組分的粒子大小和晶體結(jié)構(gòu)不完全相同時，它們的T-x圖上會出現(xiàn)最低點或最高點。例如： 等體系會出現(xiàn)最低點。但出現(xiàn)最高點的體系較少 Pb-Ti。KBr,-KCl,COKCONa3232Au-CuSb,-Ag2022-6-19完全互溶固溶體的相圖202

23、2-6-19完全互溶固溶體的相圖5.6.2 二元共晶相圖二元共晶相圖(Eutectic phase diagram ) 當(dāng)兩組元在液態(tài)下當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)完全互溶，在固態(tài)下有限互溶下有限互溶,甚至完甚至完全不溶，并發(fā)生共全不溶，并發(fā)生共晶反應(yīng)時所構(gòu)成的晶反應(yīng)時所構(gòu)成的相圖稱作相圖稱作共晶相圖。共晶相圖。Pb-Sn合金相圖合金相圖成分（成分（wt%Sn）溫度（溫度（）PbSn簡單共晶相圖簡單共晶相圖L LA+BA+BA AB BL+AL+AL+BL+Bw wB B% %兩組元完全不溶兩組元完全不溶典型二元共晶相圖典型二元共晶相圖有限互溶有限互溶 相圖分析相圖分析 相：相圖中有相：相

24、圖中有L、 、 三種三種相相, 是溶質(zhì)是溶質(zhì)Sn在在 Pb中的固溶中的固溶體體， 是溶質(zhì)是溶質(zhì)Pb在在Sn中的固溶中的固溶體體。 相區(qū)：相圖中有三個單相區(qū)：相區(qū)：相圖中有三個單相區(qū)： L、 、 ；三個兩相區(qū)：；三個兩相區(qū)： L+ 、L+ 、 + ；一個三相區(qū)：即水；一個三相區(qū)：即水平線平線CED。AB 固溶線固溶線: 溶解度點的連溶解度點的連線稱固溶線。相圖中的線稱固溶線。相圖中的CF、DG線分別為線分別為 Sn在在 Pb中和中和 Pb在在 Sn中的固溶中的固溶線。線。固溶體的溶解度隨溫度降固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。低而下降。 液固相線液固相線：液相線：液相線AEB，固相線，固相線ACE

25、DB。A、B分別為分別為Pb、Sn的熔點。的熔點。ABL+L+L+液相線液相線液相線液相線固相線固相線固相線固相線固溶線固溶線固溶線固溶線固溶線固溶線固溶線固溶線固溶線固溶線 B原子溶入原子溶入A基體中形成的固溶體基體中形成的固溶體 A原子溶入原子溶入B基體中形成的固溶體基體中形成的固溶體固溶線，固溶度曲線：反映不同溫度時的溶解度變化。固溶線，固溶度曲線：反映不同溫度時的溶解度變化。L+L+L+共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變？一個液相同時析出兩種固相的反應(yīng)，稱為一個液相同時析出兩種固相的反應(yīng)，稱為共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)根據(jù)相律，根據(jù)相律，三相平衡時有三相平衡時有 F=n-P+1=2-3+1=0因此三個平衡相的因此

26、三個平衡相的及反應(yīng)及反應(yīng)都是確定的，在冷卻都是確定的，在冷卻曲線中出現(xiàn)一個平臺。曲線中出現(xiàn)一個平臺。DCEL共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)在一定溫度下，由一定成分的在一定溫度下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩個成分和結(jié)液相同時結(jié)晶出兩個成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變稱構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變稱作作共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。 共晶線共晶線：水平線：水平線CED叫做共晶線。叫做共晶線。在共晶線對應(yīng)的溫度下（在共晶線對應(yīng)的溫度下（183 ），），E點成分的合金同時結(jié)晶出點成分的合金同時結(jié)晶出C點成分的點成分的 固溶體和固溶體和D點成分的點成分的 固溶體，形成這兩個相的機械固溶體，形成這兩個相的機械混合

27、物：混合物： LE ( C + D)AB 共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機械混合物稱共晶體或的機械混合物稱共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱共晶溫度。代表的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點共晶溫度和共晶成分的點稱共晶點。稱共晶點。Pb-Sn共晶組織共晶組織共晶體長大示意圖共晶體長大示意圖 Sn原子原子擴散擴散Pb原子原子擴散擴散 具有共晶成分的合金稱具有共晶成分的合金稱共晶合金共晶合金。在共晶線上，凡成分位于。在共晶線上，凡成分位于共晶點以左的合金稱共晶點以左的合金稱亞共晶合金亞共晶合金，位于共晶點以右的合金稱，位于共晶點以右的合金稱 過共晶

28、合金過共晶合金。l凡具有共晶線成分凡具有共晶線成分的合金液體冷卻到的合金液體冷卻到共晶溫度時都將發(fā)共晶溫度時都將發(fā)生共晶反應(yīng)。生共晶反應(yīng)。L+ CDAB 合金的結(jié)晶過程合金的結(jié)晶過程 含含Sn量小于量小于C點合金點合金(合金合金)的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程在在3點以前為勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出單相點以前為勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出單相 固溶體，這種直接從液相固溶體，這種直接從液相中結(jié)晶出的固相稱中結(jié)晶出的固相稱一次相或初生相一次相或初生相。.2 溫度降到溫度降到3點以下，點以下， 固溶體被固溶體被Sn過飽和，由于晶格不穩(wěn)，過飽和，由于晶格不穩(wěn)，開始析出（相變過程也稱析出）新相開始析出（相變過程也稱析出）新相 相。由已

29、有固相析相。由已有固相析出的新固相稱出的新固相稱二次相或次生相二次相或次生相。 形成二次相的過程稱形成二次相的過程稱二次析出二次析出, 是固態(tài)相變的一種。是固態(tài)相變的一種。H 由于二次相由于二次相析出溫度較析出溫度較低，一般十低，一般十分細(xì)小。分細(xì)小。%1004FGFQ室溫下室溫下 的相對重量百分比為：的相對重量百分比為：l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l隨溫度下降，隨溫度下降， 和和 相的成分分別沿相的成分分別沿CF線和線和DG線變化，線變化， 的重量增加。的重量增加。QQ 合金室溫組織為合金室溫組織為 + 。l成分大于成分大于 D點合金結(jié)晶過程點合金結(jié)晶過程與與合金相似，室

30、溫組織合金相似，室溫組織為為 + 。 共晶合金共晶合金(合金合金)的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程液態(tài)合金冷卻到液態(tài)合金冷卻到E 點時同時被點時同時被Pb和和Sn飽和飽和, 發(fā)生共晶反應(yīng)：發(fā)生共晶反應(yīng)：LE ( C+ D) 。19.2wt%Sn溫度溫度, 1 析出過程中兩相相間形核、析出過程中兩相相間形核、互相促進、共同長大，因互相促進、共同長大，因而共晶組織較細(xì)，呈片、而共晶組織較細(xì)，呈片、棒、點球等形狀。棒、點球等形狀。共晶組織形態(tài)共晶組織形態(tài)層片狀層片狀(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)條棒狀條棒狀(Sb-MnSb橫截面橫截面)螺旋狀（螺旋狀（Zn-Mg）Pb-Sn共晶組織共晶組織共晶組織形態(tài)共晶

31、組織形態(tài)針狀共晶針狀共晶樹枝狀共晶樹枝狀共晶放射狀共晶放射狀共晶螺旋狀共晶螺旋狀共晶 在共晶轉(zhuǎn)變過程中，在共晶轉(zhuǎn)變過程中，L、 、 三相共存三相共存, 三個相的量在不三個相的量在不斷變化，但它們各自成分是固斷變化，但它們各自成分是固定的。定的。 共晶組織中的相稱共晶相共晶組織中的相稱共晶相.共共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時，晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時， 和和 相的相相的相對重量百分比為：對重量百分比為：%6 .54%100%4 .45%1002 .195 .979 .615 .97%100 QQCDEDQE(61.9)D(97.5)C(19.2) 共晶結(jié)束后，隨溫度下降，共晶結(jié)束后，隨溫度下降， 和和 的成分分別沿的成分分

32、別沿CF線和線和DG線線變化，并從共晶變化，并從共晶 中析出中析出 ，從共晶，從共晶 中析出中析出 ，由于共晶，由于共晶組織細(xì)，組織細(xì)， 與共晶與共晶 結(jié)合，結(jié)合， 與共晶與共晶 結(jié)合，共晶合金的室溫結(jié)合，共晶合金的室溫組織仍為組織仍為 ( + ) 共晶體。共晶體。室溫下兩相的相對重量百分比是多少？室溫下兩相的相對重量百分比是多少？FGFEQ,FGGEQ Pb-Sn共晶合金組織共晶合金組織 亞共晶合金亞共晶合金(合金合金)的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程合金液體在合金液體在2點以前為勻晶轉(zhuǎn)變。冷卻到點以前為勻晶轉(zhuǎn)變。冷卻到2點，固相成分變化到點，固相成分變化到C點，液相成分變化到點，液相成分變化到E點點,

33、 此時兩相的相對重量為：此時兩相的相對重量為：%1002%,1002)( CEEQCECQQEL 在在2點，具有點，具有E點成分的剩余液體發(fā)生共晶反應(yīng)：點成分的剩余液體發(fā)生共晶反應(yīng)： L ( + ) ，轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織，共晶體的重量與轉(zhuǎn)變前的液，轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織，共晶體的重量與轉(zhuǎn)變前的液相重量相等相重量相等, 即即QE =QL反應(yīng)結(jié)束后，在共晶溫度下反應(yīng)結(jié)束后，在共晶溫度下 、 兩相的相對重量百分比為：兩相的相對重量百分比為：%1002%,1002 CDCQCDDQ %CEEQ%,CEC10021002 溫度繼續(xù)下降，將從一次溫度繼續(xù)下降，將從一次 和共和共晶晶 中析出中析出 ，從共晶，從共晶 中

34、析出中析出 。其室溫組織為。其室溫組織為 + ( + ) + 。亞共晶合金亞共晶合金的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程如何求室溫下三種組織組成物的相對如何求室溫下三種組織組成物的相對重量？重量？ 過共晶合金結(jié)晶過程過共晶合金結(jié)晶過程與亞共晶合金相似，不同的是一次與亞共晶合金相似，不同的是一次相為相為 , 二次相為二次相為 室溫組織為室溫組織為 +( + )+ 。Pb-Sn合金的結(jié)晶過程合金的結(jié)晶過程 組織組成物在相圖上的標(biāo)注組織組成物在相圖上的標(biāo)注組織組成物是指組成合金顯微組織的獨立部分組織組成物是指組成合金顯微組織的獨立部分。l 和和 , 和和 ,共晶體共晶體( + )都是組織都是組織組成物。組成物。l相

35、與相之間的相與相之間的差別主要在結(jié)差別主要在結(jié)構(gòu)和成分上。構(gòu)和成分上。 組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上。如組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上。如 、 和共晶和共晶 的結(jié)構(gòu)成分相同，屬同一個相，但它們的形態(tài)不同，分屬不的結(jié)構(gòu)成分相同，屬同一個相，但它們的形態(tài)不同，分屬不同的組織組成物。同的組織組成物。 將組織組成物標(biāo)注在相圖中，可使所標(biāo)注的組織與顯微鏡下將組織組成物標(biāo)注在相圖中，可使所標(biāo)注的組織與顯微鏡下觀察到的組織一致。觀察到的組織一致。Pb-Sn亞共晶組織亞共晶組織組織組成物組織組成物在相圖上的在相圖上的標(biāo)注標(biāo)注習(xí)題習(xí)題 Mg-Ni系的一個共晶反應(yīng)為：系的一個共晶反應(yīng)為： 507 L(23.

36、5Wt.%Ni)(純鎂純鎂)+Mg2Ni(54.6Wt.%Ni)設(shè)設(shè)C1為亞共晶合金，為亞共晶合金，C2為過共晶合金，這兩種合金中的先共為過共晶合金，這兩種合金中的先共晶相的重量分?jǐn)?shù)相等，但晶相的重量分?jǐn)?shù)相等，但C1合金中的合金中的 總量為總量為C2合金中的合金中的 總量的總量的 2.5倍，試計算倍，試計算C1和和C2的成分。的成分。 5.6.3 二元包晶相圖二元包晶相圖當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)時所構(gòu)成的相圖稱作反應(yīng)時所構(gòu)成的相圖稱作包晶相圖包晶相圖。以以Pt-Ag相圖為例簡要分析相圖為例簡要分析L+ L+

37、 L + 相圖分析相圖分析單相區(qū)：單相區(qū)：L、 、二相區(qū)：二相區(qū)：L+ 、 L+ 、 + 三相區(qū)：三相區(qū)：L+ + （水平線（水平線PDC）PDCL包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)peritectic reactionperitectic reactionL在一定溫度下，由一固定成分的液相與一個固定成分的在一定溫度下，由一固定成分的液相與一個固定成分的固相作用，生成另一個成分固相的反應(yīng)，稱為包晶反應(yīng)。固相作用，生成另一個成分固相的反應(yīng)，稱為包晶反應(yīng)。相圖分析相圖分析液相線液相線固相線固相線固溶線固溶線在一定溫度下，由一在一定溫度下，由一個液相包著一個固相個液相包著一個固相生成另一新固相的反生成另一新固相的反應(yīng)

38、稱應(yīng)稱包晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變或或包晶包晶反應(yīng)反應(yīng)。 水平線水平線PDC稱稱包晶線包晶線，與該線成分對應(yīng)的合金在該溫度下發(fā)，與該線成分對應(yīng)的合金在該溫度下發(fā)生包晶反應(yīng)：生包晶反應(yīng)：LC+ P D 。該反應(yīng)是液相。該反應(yīng)是液相L包著固相包著固相 , 新相新相 在在L與與的界面上形核，并向的界面上形核，并向L和和 兩個方向長大兩個方向長大。 合金的結(jié)晶過程合金的結(jié)晶過程 包晶成分合金：包晶成分合金：勻晶勻晶包晶包晶二次析出二次析出。室溫組織為室溫組織為 + II PD成分成分合金合金：勻晶勻晶包晶包晶二次析出。二次析出。室溫組織為室溫組織為 +II+ + II時間溫度 DC成分成分合金合金：勻晶勻晶包晶包

39、晶勻晶勻晶二次析出二次析出室溫組織為室溫組織為 + II。時間溫度5.6.4 其他類型的相圖其他類型的相圖5.6.4.1 形成穩(wěn)定化合物的二元相圖形成穩(wěn)定化合物的二元相圖 穩(wěn)定化合物穩(wěn)定化合物是指在熔化前不發(fā)生分解的化合物是指在熔化前不發(fā)生分解的化合物(如如Mg-Si系的系的Mg2Si和和Fe-C系的系的Fe3C) 。其成分固定，在相圖中是一條垂線。其成分固定，在相圖中是一條垂線(代表一個單相區(qū)代表一個單相區(qū))。垂足是其成分。垂足是其成分, 頂點是其熔點頂點是其熔點, 結(jié)晶過程結(jié)晶過程 同同純金屬純金屬.l分析這類相圖時，可把穩(wěn)分析這類相圖時，可把穩(wěn)定化合物當(dāng)作純組元看待，定化合物當(dāng)作純組元看

40、待，將相圖分成幾個部分進行將相圖分成幾個部分進行分析分析.Mg2SiMg2Si+SiMg+ Mg2SiSiL+ Mg2SiL+ SiL+ Mg2SiL+ Mg 共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。相變。 最常見的共析轉(zhuǎn)變最常見的共析轉(zhuǎn)變是鐵碳合金中的珠是鐵碳合金中的珠光體轉(zhuǎn)變光體轉(zhuǎn)變: S P+ Fe3C 。5.6.4.2 具有共析反應(yīng)的二元相圖具有共析反應(yīng)的二元相圖共析反應(yīng)共析反應(yīng)(共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變)是指在一定溫度下，由一定成分的固相同是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。時析出兩個成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。PS( 奧氏體，奧氏體， 鐵素體

41、，鐵素體，F(xiàn)e3C滲碳體滲碳體)鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析體（鐵碳合金中的共析體稱珠光體），共析體（鐵碳合金中的共析體稱珠光體），也是兩相的機械混合物（鐵素體也是兩相的機械混合物（鐵素體+滲碳體滲碳體)。l與共晶反應(yīng)不同的與共晶反應(yīng)不同的是，是，共析反應(yīng)的母共析反應(yīng)的母相是固相，而不是相是固相，而不是液相液相。l另外，由于固態(tài)轉(zhuǎn)另外，由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過冷度大，因而變過冷度大，因而共析組織比共晶組共析組織比共晶組織細(xì)織細(xì)。珠光體珠光體5.7 二元相圖的分析步驟二元相圖的分析步驟實際二元相圖往往比較復(fù)雜，可按下列步驟進行分析。實際二元相圖往往比較復(fù)雜，可按下列步驟進

42、行分析。 分清相圖中包括哪些基本類型相圖分清相圖中包括哪些基本類型相圖 確定相區(qū)確定相區(qū) 相區(qū)接觸法則相區(qū)接觸法則相鄰兩個相區(qū)的相數(shù)差為相鄰兩個相區(qū)的相數(shù)差為1 單相區(qū)的確定單相區(qū)的確定 液相線以上為液相區(qū)；液相線以上為液相區(qū)；Fe- Fe3C相圖相圖 靠純組元的封閉區(qū)是以該組元為基單相固溶體區(qū)；靠純組元的封閉區(qū)是以該組元為基單相固溶體區(qū)； 相圖中的垂線可能是穩(wěn)定化合物（單相區(qū)），也可能是相相圖中的垂線可能是穩(wěn)定化合物（單相區(qū)），也可能是相區(qū)分界線；區(qū)分界線； 相圖中部出現(xiàn)的成分可變相圖中部出現(xiàn)的成分可變的單相區(qū)是以化合物為基的的單相區(qū)是以化合物為基的單相固溶體區(qū)；單相固溶體區(qū)； 相圖中每一條

43、水平線必定相圖中每一條水平線必定與三個單相區(qū)點接觸。與三個單相區(qū)點接觸。Cu-Zn相圖相圖 + 兩相區(qū)的確定兩相區(qū)的確定：兩個單相區(qū)之間夾有一個兩相：兩個單相區(qū)之間夾有一個兩相 區(qū)，該兩相區(qū)的相由兩區(qū)，該兩相區(qū)的相由兩相鄰單相區(qū)的相組成。相鄰單相區(qū)的相組成。 三相區(qū)的確定三相區(qū)的確定：二元相：二元相圖中的水平線是三相區(qū)，圖中的水平線是三相區(qū)，其三個相由與該三相區(qū)點其三個相由與該三相區(qū)點接觸的三個單相區(qū)的相組接觸的三個單相區(qū)的相組成。成。Fe-Fe3C相圖相圖恒溫下由一個固相同時恒溫下由一個固相同時析出兩個成分結(jié)構(gòu)不同析出兩個成分結(jié)構(gòu)不同的新固相。的新固相。 + 共析反應(yīng)共析反應(yīng)恒溫下由一個液相

44、包著恒溫下由一個液相包著一個固相生成另一個新一個固相生成另一個新的固相。的固相。L + 包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)恒溫下由一個液相同時恒溫下由一個液相同時結(jié)晶出兩個成分結(jié)構(gòu)不結(jié)晶出兩個成分結(jié)構(gòu)不同的新固相。同的新固相。L L + 共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)說明說明反應(yīng)式反應(yīng)式圖形特征圖形特征反應(yīng)名稱反應(yīng)名稱常見三相等溫水平線上的反應(yīng)常見三相等溫水平線上的反應(yīng)作出典型合金冷作出典型合金冷卻曲線示意圖卻曲線示意圖二元合金冷卻曲線二元合金冷卻曲線的特征是的特征是: 在單相區(qū)和兩相在單相區(qū)和兩相區(qū)冷卻曲線為一斜區(qū)冷卻曲線為一斜線。線。 分析典型合金的結(jié)晶過程分析典型合金的結(jié)晶過程由一個相區(qū)進入另一相區(qū)時由一個相區(qū)進入另一

45、相區(qū)時, 冷卻曲線出現(xiàn)拐點冷卻曲線出現(xiàn)拐點:a. 由相數(shù)少的相區(qū)進入相數(shù)多的相區(qū)曲線向右拐由相數(shù)少的相區(qū)進入相數(shù)多的相區(qū)曲線向右拐;b. 由相數(shù)多的相區(qū)進由相數(shù)多的相區(qū)進入相數(shù)少的相區(qū)曲線入相數(shù)少的相區(qū)曲線向左拐向左拐。 發(fā)生三等溫轉(zhuǎn)變時，發(fā)生三等溫轉(zhuǎn)變時，冷卻曲線呈一冷卻曲線呈一水平臺水平臺階。階。 分析合金結(jié)晶過程分析合金結(jié)晶過程 畫出組織轉(zhuǎn)變示意圖。畫出組織轉(zhuǎn)變示意圖。 計算各相、各組織計算各相、各組織組成物相對重量百分比：組成物相對重量百分比：a. 在單相區(qū)在單相區(qū)，合金由單，合金由單相組成，相的成分、重相組成，相的成分、重量即合金的成分、重量。量即合金的成分、重量。b. 在兩相區(qū)在兩

46、相區(qū)，兩相的成分隨溫度，兩相的成分隨溫度沿各自的相線變化，各相和各組沿各自的相線變化，各相和各組織組成物的相對重量可由杠桿定織組成物的相對重量可由杠桿定律求出。律求出。合金成分為杠桿的支點，相或組合金成分為杠桿的支點，相或組織組成物的成分為杠桿的端點。織組成物的成分為杠桿的端點。 c. 在三相區(qū)在三相區(qū)，三個相成分固定，三個相成分固定，重量不斷變化，杠桿定律不適用。重量不斷變化，杠桿定律不適用。 合金成分合金成分相相1成分成分相相2成分成分相相1重量重量相相2重量重量合金成分合金成分組織組織1成分成分組織組織2成分成分組織組織1重量重量組織組織2重量重量相圖與合金性能之間的關(guān)系相圖與合金性能之

47、間的關(guān)系 相圖與合金力學(xué)性能、物理性相圖與合金力學(xué)性能、物理性能的關(guān)系能的關(guān)系 兩相機械混合物的合金兩相機械混合物的合金:性能與性能與合金成分呈直線關(guān)系，是兩相性合金成分呈直線關(guān)系，是兩相性能的算術(shù)平均值，如：能的算術(shù)平均值，如： 混混= Q + Q HB混混=HB Q +HBQ(Q 、Q為兩相相對重量為兩相相對重量) 單相固溶體的合金單相固溶體的合金：性能隨成分呈曲線變化，隨溶質(zhì)性能隨成分呈曲線變化，隨溶質(zhì)含量增加，含量增加，、HB、 增加，塑增加，塑性下降。性下降。 形成穩(wěn)定化合物的合金：形成穩(wěn)定化合物的合金：性能性能-成分曲線出現(xiàn)拐點。成分曲線出現(xiàn)拐點。相圖與鑄造性能的關(guān)系相圖與鑄造性能

48、的關(guān)系 固溶體合金固溶體合金液固相線間液固相線間距越大、偏析傾向越大距越大、偏析傾向越大, 樹樹枝晶發(fā)達枝晶發(fā)達, 流動性降低流動性降低, 補補縮能力下降縮能力下降, 分散縮孔增加分散縮孔增加. 共晶合金共晶合金結(jié)晶溫度低，結(jié)晶溫度低，流動性好，縮孔集中，流動性好，縮孔集中， 偏偏析小，析小， 鑄造性能好。鑄造性能好。根據(jù)相圖判斷材料的工藝性能根據(jù)相圖判斷材料的工藝性能 鑄造性能：根據(jù)液固相線之間的距離鑄造性能：根據(jù)液固相線之間的距離X X越大，成分偏析越嚴(yán)重（越大，成分偏析越嚴(yán)重（因為液固相成分差別大因為液固相成分差別大）；）； X越大，流動性越差（越大，流動性越差（因為枝晶發(fā)達因為枝晶發(fā)達）；）； X越大，熱裂傾向越大（越大，熱裂傾向越大（因為液固兩相共存的溫區(qū)大因為液固兩相共存的溫區(qū)大）。）。 塑性加工性能塑性加工性能：選擇具有單相固溶體區(qū)的合金。因為