二元合金相图资料

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1、1,二元合金相图,第4章,2,4.1 二元合金相图的建立 4.2 二元合金相图的基本类型 4.2.1 匀晶相图 4.2.2 共晶相图 4.2.3 包晶相图及其它类型相图 4.3 相图与合金性能之间的关系 4.4 铁碳合金相图 4.4.1 铁碳合金的基本组织 4.4.2 铁碳合金相图 4.4.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系 4.4.4 Fe-Fe3C相图的应用,教学内容,3,4.1 二元合金相图的建立,组元：组成合金的独立的最基本的单元。一般是一种元素（如Pb-Sn合金中的Pb和Sn） 或一种稳定的化合物（如Fe3C） 。 合金系： 由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金

2、（如Pb-Sn系，Fe-Fe3C 系） 。 相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图。,4.1.1 名词涵义,4,相图上所表示的组织都是在非常缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织，也称为状态图或平衡图。 相图是表示在平衡状态下合金的相或组织与温度、成分的关系图。,Cu-Ni相图,相图的意义：分析合金组织的重要参考资料；制定热加工工艺的重要依据。,Cu-Sn相图,5,相图用纵坐标表示温度变化，横坐标表示成分变化。一般采用热分析法。原理是凝固时释放凝固潜热。,4.1.2 相图的建立,热 分 析 法,6,7,8,以Cu-Ni合金为例，说明热分析法建立相图的步骤： 1）配制不同成分的

3、Cu-Ni合金。 2）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出曲线上临界点（即转折点和停歇点）。 3）将上述数据引入相应成分的温度-成分坐标图中。 4）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得Cu-Ni合金相图。,9,：纯铜 ：75%Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：纯Ni,金属和合金在冷却到该温度时发生了冷却速度的突然改变。【原因】金属和合金在结晶（相变）时有结晶潜热释放，抵消了部分或全部热量的散失。,结晶开始,结晶终了,10,1. 相图分析,Cu-Ni合金匀晶相图,点：A，B,线： 液相线 固相线,区：L L+,4.2 二元合金相图的基本类型,4.2.1

4、匀晶相图,定义：两组元在液、固两相下均能无限互溶，结晶时只结 晶出单相固溶体组织的合金相图。,11,2. 合金的结晶过程 以点成分的Cu-Ni合金（Ni的质量分数为40%） 为例分析结晶过程。,在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是不相同的，其变化规律是沿着固相线变化。与此同时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化。,匀晶转变的平衡结晶过程： LL+ ,12,匀晶结晶特点： 固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。 在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。 先结晶出的固溶体和后结晶出的固溶体成分不同。平衡结晶条件下，可通过原子扩散使成分均匀化，最终获得与

5、原合金成分相同的单相固溶体。 与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树枝状长大。,13,3. 杠杆定律,在两相区结晶过程中，两相的成分和相对 量都在不断变化。杠杆定律就是确定两相区内 平衡相的成分和相对重量的重要工具。 杠杆定律可以计算匀晶相图中两相区中两 平衡相的相对质量，也可以计算其它类型二元 合金相图两相区中两平衡相的相对质量。,14,匀晶相图合金的结晶过程,QL,Qa,15,QLab= Qa bc,杠杆定律,杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，而支点为合金的成分点。,杠杆定律与力学比喻,QL,Qa,16,【证明】 Q合金，其中Ni含

6、量b%；T1温度时，L相中Ni质量分数a%，a相中Ni质量分数c%。,Q0 b%=QL a% + Qa c%,又因为 Q0=QL+Qa 所以 （QL+Qa ） b% = QL a% + Qa c%,Q0合金总质量，QL液相质量，Qa固相质量。,17,由杠杆定律可算出T1时液相和固相在合金中质量分数： 运用杠杆定律时注意，它只适用于相图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。 杠杆定律的应用： 确定某一温度下两平衡相的成分； 确定某一温度下两平衡相的相对量。,18,实际金属的结晶主要以树枝状长大：这是由于当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，

7、且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。,4. 非平衡结晶与枝晶偏析,19,固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。 一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。 消除枝晶偏析的方法采用扩散退火（或均匀化退火）。,性能不均匀,成分不均匀,组织不均匀,富Ni区,富Cu区,20,PbSn合金相图,一定成分的均匀液相，在一定温度下，从液相中同时结晶出两种不同固相的转变称为共晶转变。所生成的两相混合物叫共晶体

8、。水平线ced为共晶反应线。,1. 相图分析,4.2.2 共晶相图,21,组元: Pb，Sn 相: L， （是Sn在Pb中的有限固溶体； 是Pb在Sn中的有限固溶体） 点、线：a，b，c，d，e 液相线 ： aeb 固相线 ： acedb 共晶反应线：ced，在共晶温度发生共晶反应，转变过程中 是三相（L， ）共存。 溶解度线：cf ， Sn在Pb中的溶解度线，或称相的固溶线； 固溶体中Sn 的溶解度极限曲线； dg ， Pb在Sn中溶解度线，或称相的固溶线； 固溶体中Pb的溶解度极限曲线。,共晶相图：两组元液态时彼此无限互溶，固态下彼此部分固溶，并发生共晶转变的合金系形成的相图。,22,相区

9、： 三个单相区： L、（、是有限固溶体） 三个双相区： L+、 L +、 + 三相区： L+ （共晶点） 共晶体： 共晶反应产生共晶体（+）,23,(1)合金IV的平衡结晶过程,温度降低，固溶体溶解度下降。从固态相中析出富Sn的相称为二次，常写作。这种二次结晶可表示为 。,由于固溶体中溶解度的减少而析出另一固相的反应叫 二次析出反应或脱溶过程。,2. 合金的结晶过程,0 1 2 3 4,匀晶,不变,析出,富Sn的相在冷却过程中，当超过其固溶度时，会析出低Sn的相，。,24,室温组织：+II,合金IV冷却曲线及结晶过程,二次相通常沿初生相 的晶界析出，也可在 晶内沿缺陷处析出。,25,运用杠杆定

10、律，两相的质量分数：,合金IV室温组织由和两相组成。,26,（ 共晶合金） Le c + d 合金室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为和两相。,(2)合金I的平衡结晶过程,27,共晶合金组织的形态 ( 机械混合物，两相交替分布，黑色片层为富Pb的相，白色基体为富Sn的相）,室温时： 合金的室温组织为共晶体, 即只含一种组织组成物; 其组成相仍为 和 相。,共晶转变温度时： 相组成物，,共晶转变温度以下： 共晶体中和二次结晶, 从 中析出II, 从 中析出II。成分由 cf, 成分由 d g。两种相的相对重量依杠杆定律变化。II和II 同和相连在一起, 共晶体形

11、态和成分不发生变化。,28,（亚共晶合金） 结晶过程分三个阶段，即相析出 +共晶反应+二次结晶反应。 L初+L 初+（c+d) 初+II+（+） 【共晶组织中二次相的析出忽略】 合金室温组织：初生+(+)，合金组成相：和。,(3)合金II的平衡结晶过程,29,PbSn亚共晶组织,黑色斑状组织（三维形态 为粗大树枝晶）为初生相,共晶组织(+),二次相 ,30,室温下，组成相(，)质量分数：,31,组织组成物质量分数： 在共晶温度时,32,室温下 初生+(+)，,次生相与初生相成分和结构完全相同，是同一种相；但形貌特征、分布完全不同，属于两种组织。,33,位于共晶点e点右侧和d点以左的合金称为过共

12、晶合金。,(4) 合金III的平衡结晶过程 （过共晶合金）,合金III结晶过程与合金II相似，只是匀晶产物为初晶，二次结晶产物为。,室温组织为 +（+ ）+ 。,34,组织标注相图,填写组织组成物的PbSn相图,35,PtAg合金相图,包晶 L+,1. 包晶相图,4.2.3 包晶相图及其它类型相图,包晶转变是指一定成分的固相与一定成分的液相相互作用，在一定温度下转变为另一个新固相。,36,2. 具有稳定化合物的二元相图,37,在二元合金中，若合金冷却到固态时，还能发生由一个固相同时分解形成两个新的固相，这种相图叫共析相图。此两相混合物称为共析体。 与共晶反应不同点： 1）共析反应是固态反应，原

13、子的扩散困难，组织更细。 2）因母相与子相的比容不同，反应后易引起较大的内应力。,3. 共析相图,38,具有共析反应的二元合金相图,39,匀晶L 共晶L+ 共析 + 包晶L+,40,二元合金两相平衡时，两相成分均随温度而变化。其具体数值可由恒温水平线与两相区相界线的交点来确定。温度变化时，两平衡相成分也分别沿两条相界线相应变化。 二元相图的三相平衡区是一条水平线。它与三个单相区均以点接触。从三个单相区的相互位置，可以判断三相平衡的性质。 分析复杂相图时，首先要弄清单相区，然后找出三相区、三相点，再弄清三相平衡转变类型。 牢记：两个单相区之间必有一个由这两相组成的两相区隔开，而不能以一条直线接界

14、；两个两相区之间必须以一个单相区或三相区隔开。相区接触法则：相图中相邻相区相数之差均为1（点接触除外）。,二元合金相图小结,41,4.3 相图与合金性能之间的关系,合金性能取决于其成分和组织，而相图表明不同成分合金在 不同温度下的平衡组织，可见合金性能与相图之间存在联系。 4.3.1 相图与合金力学性能、物理性能的关系 匀晶相图： 溶质元素晶格畸变大强度、硬度，电阻率 共晶相图： 在单相区与匀晶相图相同。复相组织区（如共晶转变范围），合金的强度、硬度和物理性能随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。HB=HB % + HB % 对组织较敏感的性能（强度），与组成相或组织组成物的形态

15、关系密切。组成相或组织组成物越细密，强度越高。 共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度达最高值。,42,4.3.2 相图与合金铸造性能的关系,铸造性能 液态合金的流动性以及产生缩孔、缩松和偏析倾向等。 液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小合金的流动性好有 利于浇注。 液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性愈差，形成 分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化。 因此铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶 温度间隙最小的成分。这种成分合金流动性好，易形成集中缩 孔 ，铸件致密，铸造性能最好。,43,4.4.1 铁碳合金的组元分析,(1) 纯Fe组元 -Fe (bcc) -Fe (fcc) -Fe (bcc) 同素异构转变 韧性、塑性好; 强度低、硬度低。,912,1394,纯铁的冷却曲线及晶体结构变化,(体心立方),(体心立方),(面心立方),1583,4.4 铁碳合金相图,44,(2) 渗碳体( Fe3C) 具有复杂结构的间隙化合物，Fe原子与C原子之比3：1。 F