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1、合金，是由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。 金属材料合金品种非常多。 每一合金系中还可以改变各组元的相对含量，形成许多合金品种,2.2 二元相图的基本类型 Basic types of two-component phase diagram,2.2.1 相图的建立 ( Setting-up of phase diagrams ) 2.2.2 匀晶相图学习二元相图的基础 ( Isomorphous diagram-the foundation of studying two-component phase diagram ) 2.2.3 共晶相图学习二元相图的关
2、键 ( The eutectic phase diagram-the key to study two-component phase diagram ) 2.2.4 包晶相图特征 ( Characteristics of peritectic phase diagram ) 2.2.5 具有稳定化合物相图(Phase diagrams with stable compound) 2.2.6 具有共析反应的相图(Phase diagrams with eutectoid reaction) 2.2.7 二元合金相图与性能之间的关系 (Relationship between propertie
3、s and phase diagrams of binary alloys),2.2.1 相图的建立 Setting-up of phase diagrams,相图是表示材料(合金)体系中材料(合金)的状态与温度、成分间关系的简明图解，它清楚地表明了材料中各种相的存在范围以及相与相之间的关系。 相图中的相是指平衡相，它不反映时间因素的影响。 材料在一定成分和一定温度下的相状态，以及当成分和温度改变时相状态的变化,可用温度成分坐标系的图示明确而系统地表示出来。 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种，但目前所使用的相图大部分都是根据大量实验结果绘制出来的。,2.2.1 相图的建立 Setting
4、-up of phase diagrams,如图2.7所示，首先配制一系列不同成分的合金，测出其从液态到室温的冷却曲线，求得各相变点，然后把这些特性点标在温度-成分的坐标图纸上，把相同意义的特性点联结成线。这些特性线将相图划分出一些区域，这些区域称为相区;最后，在各相区内填入相应的“相”的名称。 在二元相图中，有的相图简单(如Cu-Ni相图)，有的相图很复杂(如Fe-C相图)。但不管多么复杂，任何二元相图都可以看成是由几类基本类型的相图迭加、复合而组成的。,图2-7 用热分析法建立Cu-Ni相图,有关相图的基本概念： 合金状态 一定条件下合金有哪几个相组成 相变 临界点 相变的温度 相图 反映
5、在平衡条件下，合金的状态同温度、成分之间关系的图形。,2.2.1 相图的建立 Setting-up of phase diagrams,2.2.2 匀晶相图学习二元相图的基础( Binary isomorphous diagrams),1. 匀晶相图与匀晶转变 两组元在液态和固态下均可以以任意比例相互溶解，即在固态下形成无限固溶体的合金相图称为匀晶相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr等合金相图均属于此类相图。在这类合金中，结晶时都是从液相结晶出单相固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。应该指出，几乎所有的二元合金相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类相图是学习二元合金相图的基础。 2.相图分析 特性
6、点：纯铜的熔点A为1083，纯镍的熔点B为1455。 特性线：液相线 ，固相线。 相区与基本相：,3.固溶体合金的平衡结晶过程分析,1083,1455,w,3.固溶体合金的平衡结晶过程分析,K合金的平衡结晶过程，其特点是: 固溶体合金的平衡结晶是变温结晶的过程。 液态金属在无限缓慢冷却条件下，冷却到一定温度范围内进行结晶，而且在结晶过程中固溶体的成分沿着固相线变化(即1234)，而液相的成分沿液相线变化(即l1l2l3l4) 。这就是固溶体合金的平衡结晶规律。 用冷却曲线描述K合金的平衡结晶过程如图28（b）所示。,4.杠杆定律及其应用,分析成分为K的Cu-Ni合金，在温度时，液相成分为x1，
7、固相成分为x2(通过tx温度作一水平线，此水平线与液、固相线的交点即为L相的成分与相的成分)。现求在该温度下，已结晶出固溶体和剩余液相L的质量分数。,图2.9 杠杆定律的证明,在合金相图中的两相区(如液相和固相)内，若给定某一温度，就能确定在该温度下两平衡相(如液、固两相)的成分，以及在该温度下两平衡相(如液、固两相)的相对质量，这就是杠杆定律的内容。,4.杠杆定律及其应用,设合金总质量为W(100%即1)，液相的质量分数为WL,固相的质量分数为W，则 WL+ W=W(即1) (2.1) 若已知液相中镍的质量分数为x1，固溶体中镍的质量分数为x2，合金中镍的质量分数为k，则 WLx1+ Wx2
8、=Wk (2.2) 解(2.1)和(2.2)组成的方程: WL=(x2-k)/(x2-x1); W=(k-x1)/(x2-x1)。 将分子和分母都换成相图中的线段，并将 WL和W的质量分数用百分数表示时，则WL=kx2/x1x2100%; W=x1k/x1x2100%; 两相相对质量之比为：WL/ W=xx2/x1x。,以上所求得的两平衡相相对质量之间的关系与力学中的杠杆定律颇为相似，因此称为“杠杆定律”。杠杆定律说明:某合金两平衡相的质量分数(WL与W)之比等于该两相成分点到合金成分点距离的反比，即线段xx2与x1x之比。 杠杆定律仅适用于两相区，用于求两平衡相的成分及其相对质量。,x1,x
9、2,x1,WL,x2,x1k,kx2,Wa,5.不平衡结晶 枝晶偏析,在实际结晶过程中，很难保持体系的平衡状态，冷却过程往往是比较快的（即不平衡结晶），此时原子不能充分进行扩散，这时先结晶出的固相含高熔点组元(镍)较多，后结晶出的固相含低熔点组元(铜)较多，快冷使这种成分不均匀现象保留下来，形成了在同一晶粒中的成分偏析，因结晶一般是以树枝状方式进行，先结晶的主干和后结晶的分支成分不一致，故这种偏析称为枝晶偏析。因这种偏析发生在一个晶粒内，故又称晶内偏析。 枝晶偏析，会使合金的力学性能、耐蚀性和加工工艺性能变坏。为消除枝晶偏析，可采用高温扩散退火(又称均匀化退火)方法，即将合金铸件加热至固相线以
10、下100200长时间保温(一般58h)，使原子充分扩散，从而达成分均匀化的目的。,不平衡结晶枝晶偏析示意图,何谓共晶相图？ 两组元在液态下能完全互溶，在固态时相互有限互溶并发生共晶反应(转变)、形成共晶组织的二元相图称为二元共晶相图。 Pb-Sn、Pb-Sb 1. 相图分析 （1）共晶相图的形成 共晶相图可以抽象地看作是两匀晶相图重叠结果，如图2-10所示。其中(a)图示出从液相内结晶出以A组元为基固溶体;(b)图示为从液相内结晶出以B为基固溶体;(c)图为(a)、(b)两相图重合在一起图示。,2.2.3 共晶相图学习二元相图的关键Binary eutectic phase diagram,图
11、2.10 共 晶 相 图 的 形 成,（1）共晶相图的形成 二元共晶相图(d)图示可分解为三部分，即水平线以上为匀晶转变部分、以下为脱溶转变部分，水平线上则为共晶转变部分。,1. 相图分析,图2.10 共 晶 相 图 的 形 成,（1）共晶相图形成条件： 两组元在液态能完全互溶； 固态时只能有限互溶； 发生共晶反应。,2.2.3 共晶相图学习二元相图的关键Binary eutectic phase diagram,（2）相图分析 特征线 特征点 相区与基本相： 包含有两种有限固溶体相和相 相：Sn组元溶于Pb组元中形成的固溶体 相：Pb组元溶于Sn组元中形成的固溶体,这种在一定温度下，由一定成
12、分液相同时结晶出成分各自一定的两个新固相的转变，称为共晶转变或共晶反应。共晶转变的产物为两固相的混合物，称为共晶组织.,2.典型合金的平衡结晶过程,由于固态下原子扩散能力小，析出的次生相不易长大，一般都比较细小，分布于晶界或固溶体中。,2.典型合金的平衡结晶过程,各种形态的共晶组织（1）,各种形态的共晶组织（2）,2.典型合金的平衡结晶过程,（3）合金(亚共晶合金) 19%与61.9%之间 结晶过程中的反应特征为:匀晶反应+共晶反应+二次析出反应。 共晶温度时的相组成：W =2N/MN100%，W=M2/MN100%。 组织组成：W= 2E/ME100% W共晶体(+)= M2/ME100%
13、室温下的相组成：W =2G/FG100%，W=F2/FG100%。 组织组成为+(+) W共晶体(+)= M2/ME100% W=（2E/ME）(MG/FG) 100% W=（2E/ME）(FM/FG) 100%,M,2,2.典型合金的平衡结晶过程,（3）合金(亚共晶合金) 初晶树枝晶的截面形态（右上图）； 亚或过共晶合金室温组织图（下图）,同理，过共晶合金(61.5%97.5%)的平衡结晶过程与亚共晶合金相似，只是初晶(初生相)为固溶体、而不是固溶体。其室温组织为+（）。其反应特征亦为：匀晶反应+共晶反应+二次析出反应。,例题2.1 依据Pb-Sn相图(见图2.11)，说明含Sn的Pb-Sn
14、合金在下列温度时组织中有哪些相，并求出相的相对量。,(1) 高于300； (2) 刚冷至183，共晶转变尚未开始； (3) 在183，共晶转变完毕； (4) 冷至室温。,i. 分析：通过Sn的质量分数为28%的合金成分点作一垂线，再与纵坐标温度水平线相交，就可方便地判断在各个温度瞬时，合金所处的状态； 杠杆定律应用的前提条件是两相区，一定要牢记。,S,R,T,iv. 请思考？ 若把求出“相的相对量”，改为“组织的相对量”，如何计算？,3.两种填写相图的方法,以相组分（相组成物）形式填写的相图,组织组分(组织组成物)形式填写相图,2.4 包晶相图特征 Characteristics of per
15、tectic phase diagrams,包晶相图与前述共晶相图的共同点是，液态时两组元均可无限互溶，固态时则只有有限固溶度，因而也形成有限固溶体。但其相图中水平线所代表的结晶过程则与共晶水平线却截然不同。如：Fe-Fe3相图中的包晶反应部分。,图2-14 包晶转变过程示意图,图2.13 铁碳相图包晶转变部分,2.2.5 具有稳定化合物的相图 Phase diagrams with stable compounds,何谓稳定化合物？ 系指具有一定熔点，在熔点以下保持其固有结构而不发生分解的化合物。 在相图中可把这种化合物看作是一个独立组元，因而用一条垂线表示，并把相图分为两个独立的相图。如图
16、2.15所示为Mg-Si相图，含36.6%Si时形成稳定化合物Mg2Si，其成分固定，即可作为一个独立组元而将相图分解为两个独立的共晶相图。可分别按各自独立的共晶相图进行分析。,图2.15 Mg-Si二元合金相图,Fe3C,2.2.6 具有共析反应的相图 Phase diagrams with eutectoid reaction,共析反应属于共晶型反应，其与共晶反应的区别在于，在恒温下不是由液相而是由一个成分一定的固相同时析出另外两种成分各自一定的新固相。如：铁碳合金相图中PSK水平线上的共析反应： 反应产物为共析体(共析组织)，由于共析反应系固相分解，其原子扩散较困难，易产生较大的过冷，所以共析组织远比共晶组织细密。共析转变对合金的热处理强化有重大意义，钢铁和钛合金的热处理就是建立在共析转变的基础之上。,
