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1、第四章：二元相图,复习合金、组元、相、相结构（固溶体、化合物） 纯金属结晶单相。,相图：以温度为纵坐标，成分为横坐标，反映不同成分的合金 在任意温度下所处的平衡相状态的图解。 相图状态图，平衡状态图 。 平衡：合金从液态（高温）到室温是在极其缓慢的条件下完成的。 相图用途：帮助认识相的变化规律 计算任意合金在不同温度下相和组织含量。 帮助制定热加工工艺：a.铸造 、 b.锻造、 c.热处理,第四章：二元相图,41相图的基本知识 411相图的表示方法 相图反映的是相的平衡状态，是在极其缓慢冷却条件下测定的，以温度为纵坐标， 成分为横坐标。,以Pb-Sn二元合金相图为例说明。,温度：纵坐标 成分：
2、横坐标，用重量百分数表示 例“10”表示：含Sn=10%，含Pb=90%,相区用一些字母表示： 如：L-表示液相区 L+ -表示液相和固相（）两相区 相区交界线： 例AE线，L与L+交界线 AEB线：液相线 AMENB线：固相线,表象点：标图上任意一点，反映给定成分合金在一定温度下所具有的相的状态。,第四章：二元相图,41相图的基本知识,412二元合金相图的建立,实验测定. 测定原理：合金发生相变时，会导致物理、力学性能变化及结构变化。,测定方法：（复杂相图需用几种方法结合） 热分析法 电阻法 硬度法 膨胀法 金相法 x-射线检测法 磁性法,第四章：二元相图,41相图的基本知识,412二元合金
3、相图的建立,测定方法：,以Pb-Sn二元相图为例，说明相图建立过程。,采用热分析法测冷却曲线。 依据：相变时放热，冷却曲线上有拐点。,测定步骤：（结合黑板） 配置几组不同成分的合金。 测定上述合金各自冷却曲线。 确定各曲线上的拐点（临界点）温度。 将临界点引入相图的相应位置，将具有相同意义的点连接起来。 用字母表示不同相的名称，填入不同相区。,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律 1相律及应用 相律作用：帮助分析使用相图 判断相图是否正确,（1）相律概念： 表示在相平衡状态下，系统的自由度数，组元数和相数之间的关系。 表达式：f=C-P+2 f:自由度数；C:组元数；P:
4、相数；2：温度、压力。 合金结晶、固态相变是在恒压下进行（压力影响小） f=C-P+1,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律 1相律及应用,相律表达式：f=C-P+1,自由度f:当合金相数固定时，合金相可以独立改变的、影响 合金状态的内、外因素的数目。 内因：成份；外因：温度。,最大自由度数：纯金属：1个温度可变（成份不可变） 二元合金：2个温度，一个成分 三元合金：3个温度，两个成分。 当f=0时，温度、成分都固定。,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律 1相律及应用,（2）相律应用： 以Pb-Sn合金为例说明：,纯金属在恒温下结晶。 在熔点，液相
5、、固相共存。 f=1-2+1=0,合金在两相区，当温度一定时，两相成分固定。 f=2-2+1,只有一个独立变量。 例x成分：C=2;P=2当t固定：液相成分为x1;固相成分为x2. 也说明二元合金在一定温度范围内结晶。,当二元合金出现三相平衡时，成分、温度均恒定。 f=C-P+1=2-3+1=0 例：相图中在183，三相：、L、平衡，其成分分别为M、E、N点。,可确定合金系中最多平衡相数。 令：f=0 得：P=C+1 纯金属：Pmax=2; 二元合金：Pmax=3; 三元合金：Pmax=4,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律,2.杠杆定律： 问题提出： 当二元合金（成分
6、已知）由两相组成时两相的相对重量是多少？ 例：45钢（含C=0.45%）,铁素体（F）和Fe3C两相各占多少？ 当二元合金两相相对重量已知时，合金成分是多少？ 例：金相观察：F:95%; Fe3C：5%；求钢的含碳量？ 杠杆定律可以解决此类问题。,以Cu-Ni二元合金相图说明：,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律,2.杠杆定律：,以Cu-Ni二元合金相图说明：,计算成分为x的合金在t1时，L和两相的相对重量。根据相律：在t1时，L和两相成分分别为CL,C .。 设：合金总重量为1，液相重为WL, 相重W 则有：WL+W=1 WLxCL+Wx C =C (液相含Ni量+固
7、相含Ni量=合金含Ni量),解得：,推导见板书,第四章：二元相图,41相图的基本知识,413相律及杠杆定律,2.杠杆定律：,*杠杆定律适用于任何二元相图两相区两相重量的计算。 在单相区，其相占100% （二元相图的几何规律，后面讲解）,第四章：二元相图,42二元相图的基本类型 基本类型：a.匀晶型 b.共晶型c.包晶型 （复杂相图都由简单类型组合而成）,第四章：二元相图,421匀晶相图 匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程。表达：L 匀晶相图：当合金在液态和固态均为无限互溶时构成的相图。 二元匀晶系：Cu-Ni;Au-Ag;Cu-Au(fcc)Cr-Mo; -Fe-Cr; -Fe-V(bcc
8、),第四章：二元相图,421匀晶相图,1相图分析(以Cu-Ni合金为例)：,A点：纯铜熔点(1083)； B点：纯镍熔点(1462 )；-液相线； -固相线所有合金都在一定温度范围内完成结晶。两相区，自由度f=2-2+1=1,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。 平衡凝固：极其缓慢冷却，凝固每一阶段 都达到平衡。,（1）合金结晶过程。以30%Ni(70%Cu)合金为例：在t1温度: 开始结晶出含Ni为1成分的晶核（Ni多，Cu少）在t2温度： 液相平衡成分为L2点，相平衡成分为2点。,t3温度结晶结束。各部分成分均匀，为含30%Ni的固溶体。 平衡结晶，极其缓冷，L
9、和中的Cu、Ni原子有充分的扩散时间。,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。,结晶过程示意图,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。,（2）结晶规律：形核长大 （3）结晶条件 需过冷，提供驱动力。 结构起伏-提供晶胚。 能量起伏-补偿形核功。 成分起伏（浓度起伏）：在任一瞬间，液相中某些 微小体积成分偏离于均匀成分，这些微小体积成分、 尺寸、位置在不断变化。,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。,（4）固溶体结晶特点（与纯金属相比）异分结晶 结晶时，结晶出的晶体成分不同于母体成分称为异分结晶。对Cu-Ni合金：先
10、结晶部分富Ni;后结晶部分富Cu.,平衡分配系数： 在一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比。 用K0=,若把液、固相线看成直线，则K0=常数（可用相似三角形证明） 当K01时，K0越大，则液、固相线距离越大，所需成分起伏越大,第四章：二元相图,421匀晶相图,2.固溶体合金平衡凝固及组织。,（4）固溶体结晶特点（与纯金属相比）,在一定温度范围内结晶。随T,固相，液相，两相成分分别沿固相线，液相线变化。 溶质、溶剂不断扩散，在两相中不断重新分配。只在极其缓冷情况下，才能结晶出成分均匀的固溶体。,第四章：二元相图,421匀晶相图,3固溶体合金的非平衡结晶及组织。 实际铸件，结晶时冷速较快，原子不
11、能充分扩散，结晶后各处化学成分不均匀。 以Cu-Ni合金为例： 在T下，t1下开始结晶出1； t2下结晶出2 ,原子不能充分扩散（尤其在固相中） 先结晶富Ni;后结晶富Cu. 成分不均匀-偏析。,第四章：二元相图,421匀晶相图,3固溶体合金的非平衡结晶及组织。,（1）晶内偏析： 概念：由于不平衡结晶，使固溶体晶粒内部化学成分不均匀现象,称为晶内偏析.由于结晶成树枝状晶-枝晶偏析液、固相线距离越大，则偏析越严重。 冷速越快，偏析越严重。,最大偏析程度 Cd-C0=C0K0-C0=C0(K0-1) 对K01,K0越大，偏析 对K01,K0越小，偏析,枝晶偏析对性能影响 力学性能降低，尤其是塑性、
12、韧性 耐蚀性 压力加工性消除枝晶偏析方法。 高温扩散退火（均匀化退火）：将铸件加热至固相线下100-200长期保温，使溶质、溶剂原子相互扩散。,第四章：二元相图,421匀晶相图,3固溶体合金的非平衡结晶及组织。,（2）区域偏析 实际铸件表面与心部化学成分不均匀现象宏观偏析。 以K01为例 (图示) 先结晶溶质含量低（表面），后结晶溶质含量高（心部）。 （3）区域提纯从固溶体合金中提取纯金属。(图示)依据：非平衡结晶，会产生区域偏析。 常采用区域熔炼法提纯金属。,第四章：二元相图,421匀晶相图,4成分过冷。纯金属结晶：在负的温度梯度下-树枝晶。在正的温度梯度下-平滑界面（平面长大）固溶体合金，
13、即使在正的温度梯度下，也会形成树枝晶-是由于成分过冷造成的。 （1）成分过冷概念：固溶体合金结晶时，由于液固界面前沿存在溶质浓度梯度而改变了过冷情况，称为成分过冷。,（2） 产生原因： 以K01为例(图示说明) 过冷度：界面前沿液相实际温度2.11%)Al-Si Al-Cu Ag-Cu,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,1.相图分析以Pb-Sn二元合金相图为例：,三个单相区：L、：Sn溶入Pb中固溶体: Pb溶入Sn中固溶体,AEB-液相线 E点：共晶合金AMNB-固相线 ME之间：亚共晶 ; EN之间：过共晶合金 MF-Sn在Pb中溶解度曲线，随T,溶解度NG- Pb在Sn中溶解度曲线,
14、第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,1.相图分析以Pb-Sn二元合金相图为例：,最大特征：三相水平线：,f=2-3+1=0温度恒定，三相成分固定。E点：共晶点,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（1）固溶体合金的结晶M点以左（），N点以右（） 以含Sn=10%的合金为例,1-2点，与匀晶结晶一样。 2-3点，为单相。 3点以下：从含Sn过饱和的中析出II。II-二次晶：常沿晶界析出；也可在晶内析出。室温组织：+II (画组织示意图),室温组织中两相相对重量：,第四章：二元相图,4.2.2共晶相图,2典型合金平衡结晶及组织,（1）固溶体合金的结晶 以含Sn=10%的合金为例 室温组织：+II,越靠近M点，II含量越多,非平衡结晶同样也会产生枝晶偏析，区域偏析。，,
