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1、1,本章知识结构,二元合金相图的建立,相图分析,二元相图的分析和使用,匀晶相图及固溶体的凝固,共晶相图及合金的凝固,包晶相图及合金的凝固,其他类型的二元合金相图,合金中的相及相结构,2,3.2 二元合金相图的建立,（1）相平衡条件,在平衡条件下，合金系中各相的成分保持着相对的稳定性，宏观上没有组元在相间转移。 在恒温恒压下，相间成分的改变引起的体系自由能的变化等于组元的转移量和它们在各相化学位乘积的叠加，即,式中,为i组元的化学位；dni为i组元在相间的转移量。,化学位差是组元在相间转移的驱动力。,3,（1）相平衡条件,如果dni的i组元从相中转移到相中，则体系的自由能变化,在平衡条件下dG=
2、0,故,既、两相平衡的条件是，两相中同一组元的化学位相等。 若合金有n个组元，P个相，则它们的平衡条件可以写成：,.,4,（2）相 律,在平衡条件下，合金的组元数和相数之间存在一定的关系，这种关系称为相律。Gibbs相律：在只受外界温度和压力影响的平衡系统中，它的自由度数等于系统的组元数和相数只差再加上2。,式中f为系统的自由度数；C为系统的组元数；P为相数。 所谓的系统的自由度数，就是平衡系统的独立可变因素（如温度、压力、浓度等）的数目。这些因素可在一定范围内任意独立地改变而不会影响到原有的共存相数和状态，即不会影响原有的平衡状态。对于不含气相的凝聚系统，通常范围的压力改变对平衡影响极小，一
3、般可忽略压力的影响，则自由度数 f=C-P+1,5,3.2 二元合金相图的建立,（3）二元相图表示方法,二元合金相图常用温度、成分相图，表示合金的状态随成分和温度变化而发生变化的情况。,二元Pb-Sb合金相图,6,在相图中，任意一点都叫“表象点”。 一个表象点的坐标值反映一个给定合金的成分和温度。,在相图中，由表象点所在的相区可以判定在该温度下合金由哪些相组成。 二元合金在两相共存时，两个相的成分可由过表象点的水平线与相界线的交点确定。,7,二元相图中的成分按国家标准有两种表示法： 质量分数（w）： 摩尔分数（x）： 式中：wA、wB分别为A、B组元的质量分数；xA、xB分别为A、B组元的摩尔
4、分数，RA、RB分别为A、B组元的相对原子质量。,8,建立相图的关键是要准确地测出各成分合金的相变临界点（临界温度）。 临界点：物质结构状态发生本质变化的相变点。 测临界点的方法通常有热分析法、硬度法、金相分析、X射线结构分析、磁性法、膨胀法、电阻法等。 由于合金凝固时的结晶潜热较大，结晶时冷却曲线上的转折比较明显，因此常用热分析法来测合金的结晶温度，即测液相线、固相线。,（4）二元相图的建立,9,热分析法,利用合金在转变时伴有热学性能变化的特性，通过测量系统温度的变化来得到临界温度，从而建立起相图。,10,11,热分析法建立二元合金相图的步骤,将给定两组元配制成一系列不同成分的合金； 将它们
5、分别熔化后在缓慢冷却的条件下，分别测出它们的冷却曲线； 找出各冷却曲线上的相变临界点（曲线上的转折点）； 将各临界点注在温度成分坐标中相应的合金成分线上； 连接具有相同意义的各临界点，并作出相应的曲线； 用相分析法测出相图中各相区（由上述曲线所围成的区间）所含的相，将它们的名称填入相应的相区内，即得到一张完整的相图。,12,铜-银合金相图,13,热膨胀法,利用材料在发生转变时伴随有体积变化的特性，通过测量试样长度随温度的变化得到临界点，从而作出相图。,14,电阻法,利用材料电阻率随温度的变化来建立相图的。,15,杠杆定理是利用相图确定和计算合金在两相区中，两平衡相的成分和相对量的方法，由于它与
6、力学中的杠杆定律很相似，故称为杠杆定律。,（5）杠杆法则,16,相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分，所以相界线是相平衡的体现，平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化；,（6）二元相图中的几何规律,17,两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区把它们分开，而不能以一条线接界，两个两相区必须以单相区或三相水平线隔开，也就是说，在二元相图中，相邻相区的相数差为1(点接触情况除外)，这个规则称为相区接触法则；,18,二元相图中的三相平衡必为一条水平线，表示恒温反应，在这条水平线上存在三个表示平衡相的成分点，其中两点应在水平线的两端，另一点在端点之间，水平线的上下方分别与三个两相区相
7、接；,19,当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区内。,20,由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。 两组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并且发生匀晶反应的相图，称为匀晶相图。,3.4 匀晶相图及固溶体的凝固,（1）相图分析,Tb,Ta,21,点：相图中Ta，Tb点分别为纯组元Cu，Ni的熔点。 线：TaTb凸曲线为液相线。各不同成分的合金加热到该线以上时全部转变为液相，而冷却到该线时开始凝固出固溶体。,TaTb凹曲线为固相线。各不同成分的合金加热到该线时开始熔化，而冷却到该线时全部转变为固溶体。,22,相区：在TaTb凸曲线以上为
8、液相的单相区，用L表示；在TaTb凹曲线以下为固相的单相区，用表示；是Cu-Ni互溶形成的置换式无限固溶体。在 TaTb凸曲线和TaTb凹曲线之间为液、固两相平衡区，用L+表示。,23,平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。,（2）固溶体合金的平衡凝固及组织,平衡结晶过程分析 冷却曲线：温度时间曲线；,24,当合金缓慢冷却至L1点以前时，均为单一的液相; 冷却到L1点时，开始从液相中析出固溶体，冷却到a3点时，合金全部转变为固溶体; 若继续从a3点冷却到室温，为单一的固溶体。,25,匀晶转变过程中原子扩散示意图,26,27,0%,a1,100%,L1,t1,a2,L2,t2,a3,成分,变
9、化趋势,温度,100%,0%,L3,t3,变化趋势,质量分数,质量分数,成分,在液固两相共存区，随着温度的降低，液相的量不断减少，固相的量不断增多，同时液相的成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。,28,（）异分结晶 固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分不同，这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶，或称选择结晶。 （）固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围 固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行，在此温度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数量的固相。 随着温度的降低，固相的数量增加，同时固相和液相的成分分别沿着固相线和液相线而连续地改变，直至固相的成分与原合金的成分相
10、同时，才结晶完成。,固溶体结晶的特点,29, 相同点：基本过程：形核长大； 热力学条件：T0； 能量条件：能量起伏； 结构条件：结构起伏。 不同点：合金在一个温度范围内结晶 可能性：相律分析； 必要性：成分均匀化。 合金结晶是异分结晶：需成分起伏。,与纯金属结晶的比较,30,平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。,表明k0的示意图 (a) k01 ； (b) k01,（3）固溶体合金凝固时的溶质分布,31,平衡凝固时固相的溶质分布,形核相界平衡扩散破坏平衡长大相界平衡,32,本节要点,概念：匀晶转变、平衡凝固 匀晶相图的分析 固溶体的凝固过程,下节内容：共晶相图及其合金凝
11、固,33,二元合金相图的坐标系为 A 压力温度；B 压力成分；C 温度成分。,思考题,答案：C 单元系相图一般采用“压力温度”坐标系统，二元系相图则采用“温度成分”坐标系统。,34,2.杠杆定律仅适用于平衡相图的二相区。 是 否,思考题,答案：A 杠杆定律只能在平衡相图的二相区应用。,35,思考题,答案：A 匀晶合金的室温组织为单相固溶体，即使是非平衡凝固的匀晶合金也是如此。,3. 匀晶合金的室温组织为单相固溶体。 是 否,36,4. 下述哪些下列说法哪些是正确的? A 温度高于液相线的合金为液态；B 温度低于液相线的合金为固态；C 温度低于固相线的合金为固态; D 温度高于固相线的合金为液态。,思考题,答案：AC,37,5. A-B二元匀晶合金相图如右图所示。 应用杠杆定律计算，当成分为40%B的合金冷却到1000C时，结晶出了多少固相？剩余多少液相（相对量）？,思考题,38,答案： 根据杠杆定律，固相的相对量计算如下：,液相的相对量则为，,
