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1、材料科学与技术学院 南京航空航天大学工程材料及成形工艺基础工程材料及成形工艺基础第4章 二元合金相图及其应用4.1 4.1 二元合金相图的建立二元合金相图的建立4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图4.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图4.4 4.4 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图4.5 4.5 相图与性能的关系相图与性能的关系4.6 4.6 铁碳合金相图铁碳合金相图学习要求和难点学习重点：1.三种典型二元合金相图特点、结晶过程。2.杠杆定律及其应用。3.运用相图分析合金的性能。4.铁碳合金的基本相、组织，典型成分合金冷却过 程组织转变。5. 学习难点：准确区分相、组织、相组
2、成物、组织组成物。相图：表示合金系中合金的状态与温度、成 分之间关系的图解。我们经常见到的相图 是平衡相图。4.1.1 4.1.1 相图的基本知识相图的基本知识4.1 4.1 二元合金相图的建立二元合金相图的建立Gibbs相律：表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元 数和相数之间的关系。f=c-p+2其中系统的自由度数是指在保持合金系的相 的数目不变的情况下，合金系中可以独立改变的 、影响合金状态的内部及外部因素的数目。当系统的压力为常数时， f=c-p+14.1 4.1 二元合金相图的建立二元合金相图的建立建立相图最常用方法是热分析法热分析法。它是通过测量相变时的热 效应（即相变时放出热量或
3、吸收热量）来确定相变时的临界度 。 3.1.2 3.1.2 二元合金相图的建立二元合金相图的建立TemperatureTimeLiquidTwo PhaseSolid3.1 3.1 二元合金相图的建立二元合金相图的建立热分析法实验原理3.1 3.1 二元合金相图的建立二元合金相图的建立1 1 配制不同成分的二元合金；配制不同成分的二元合金；2 2 作出每个合金的冷却曲线；作出每个合金的冷却曲线；3 3 建立建立T-xT-x坐标系，坐标系，把每个合金冷却曲线上的临界点分别标把每个合金冷却曲线上的临界点分别标在各个合金的成分垂线上在各个合金的成分垂线上。4 4 将各个成分垂线上具有相同意义的点连接
4、成线，再加上标将各个成分垂线上具有相同意义的点连接成线，再加上标注。注。二元合金相图的绘制步骤3.1 3.1 二元合金相图的建立二元合金相图的建立Cu-Ni合金的冷却曲线和相图的绘制150014001300120011001000CuNi80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni温度/ 温度/ 时间 Ni%Cu 20 40 60 80 NiLL+4.1 4.1 二元合金相图的建立二元合金相图的建立两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图称为匀晶相图。TemperatureXY% Y addedLiquidSolidTwo Phase4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图4.2 4.2 二元
5、匀晶相图二元匀晶相图4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图4.2.1. 4.2.1. 相图分析相图分析温度/ ABB %LL+液相线固相线B熔点A熔点与纯金属的结 晶过程不同，固溶 体合金的结晶是在 一定的温度范围内 完成的。n相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。n相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。 4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图4.2.2. 4.2.2. 合金平衡结晶过程分析合金平衡结晶过程分析Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图以Cu-Ni合金为例进行分析。4.2 4.2 二元匀晶相图二元
6、匀晶相图LL+l l当液态金属自高温当液态金属自高温冷却到冷却到 t t1 1温度时，温度时，开始结晶出成分为开始结晶出成分为 1 1的固溶体，其的固溶体，其NiNi含量高于合金平均含量高于合金平均成分。成分。n 合金的结晶过程n除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。n随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图n成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固
7、溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分3上来。液固相线不仅是相区分界线, 也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变变温转变。4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图4.2.3. 4.2.3. 非平衡结晶非平衡结晶枝晶偏析枝晶偏析Cu-NiCu-Ni合金枝晶偏析示意图合金枝晶偏析示意图4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图n在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。Cu-NiCu-Ni合金合金枝晶偏析显微组织枝晶偏析显微组织4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图n合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使
8、先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图平衡平衡组织组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织Cu-30%Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图枝晶偏析不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。n冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。n枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图生产上常将铸件加热到固相线以下100-200长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退
9、火。消除枝晶偏析的办法大型铝合金铸造板材的扩散 退火4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图4.2.4. 4.2.4. 杠杆定律杠杆定律处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用还可用杠杆定律杠杆定律求出两平衡相的相对重量。求出两平衡相的相对重量。现以现以Cu-NiCu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律： 确定两平衡相的成分：确定两平衡相的成分：设合金设合金成成 分为分为x x，过，过x x做成分垂线。在成分做成分垂线。在成分垂线相当于温度垂线相当于温度t t 的的o o点作水平线点作水平线，其与液固相线交点，其与液
10、固相线交点a a、b b所对应所对应的成分的成分x x1 1、x x2 2即分别为液相和固即分别为液相和固相的成分。相的成分。12t4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量设合金的重量为设合金的重量为1 1，液相重量为，液相重量为Q QL L，固相重量为固相重量为Q Q 。则 QL + Q =1QL x1 + Q x2 =x解方程组得式中的式中的x x2 2- -x x、x x2 2- -x x1 1、x x- -x x1 1即为相图中线段即为相图中线段xxxx2 2( (obob) )、x x1 1x x2 2( (abab) )、 x x1 1
11、x x( (aoao) )的长度。的长度。4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：两相的重量比为：4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。例（如图）：杠杆定律只适用于两相区。4.2 4.2 二元匀晶相图二元匀晶相图4.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以以 Pb-S
12、nPb-Sn 相图相图 为例进行分析。为例进行分析。Pb-SnPb-Sn合金相图合金相图温度（）PbSn成分（wt% Sn ）4.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图4.3.1 相图分析 相：相图中有L、三种相, 是溶质Sn在 Pb中的固溶体， 是溶质Pb在Sn中的固溶体。 相区：相图中有三个单相区： L、；三个两相区： L+、L+、+ ；一个三相区：即水平线CED。AB4.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图 液固相线液固相线：液相线液相线AEBAEB，固相线固相线ACEDBACEDB。A A、B B分别为分别为PbPb、SnSn的的熔点熔点。 固溶线: 溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF
13、、DG线分别为 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的固溶线。n固溶体的溶解度随温度降低而下降。AB4.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图 共晶线：水平线CED叫做共晶线。n共晶线对应的温度下（183 ），E点成分的合金同时结晶出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体，形成这两个相的机械混合物：LE (C + D)在一定温度下，由一定成在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转和结构都不相同的新固相的转变称作变称作共晶转变共晶转变或或共晶反应。共晶反应。AB4.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体
14、或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶体长大示意图Sn原子 扩散Pb原子 扩散4.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图n具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称过共晶合金。l凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。L+CDAB4.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图.24.3.2 合金的结晶过程 含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程n在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。4.3 4.3 二元共晶相图
15、二元共晶相图n温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相 相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。n形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。4.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图l l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l l随温度下降，随温度下降， 和和 相的成分分别相的成分分别沿沿CFCF线和线和DGDG线变化，线变化， 的的重量增加重量增加。n由于二次相析出温度较低，一般十分细小。4.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图合金室温组织为: + ABCDEFG成分大于成分大于 D D点合金结晶过程与点合金结晶过程与合金相似，室温组织为合金相似，室温组织为: : + + 4.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图 共晶合金(合金)的结晶过程n液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共晶反应：LE (C+D)19.2wt%Sn温度 14.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图n析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点(球)等形状。4.3 4.3 二元共晶相图二元共晶相图共晶组织形态
