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1、材料科学基础第6章 二元相图及合金凝固合肥工业大学材料学院 宣天鹏6.1二元相图的表示和测定方法6.2 相图热力学的基本要点6.3 匀晶相图6.4 共晶相图6.5 包晶相图6.6溶混间隙相图与调幅分解6.7 其他类型的二元相图6.8 复杂二元相图的分析方法6.9 根据相图推测合金的性能6.10 铁碳合金相图6.11 二元合金的凝固理论第6章 二元合金相图及合金凝固 由一种元素或化合物构成的晶体称为单组元晶体或纯晶体，该体系称为单元系。两个组元的为二元系，n个组元都是独立的体系称为n元系。对于纯晶体材料而言，随着温度和压力的变化，材料的组成相会发生变化。 从一种相到另一种相的转变称为相变。由不同
2、固相之间的转变称为固态相变，由气相到固相的转变称为气固相变，这些相变的规律可借助相图直观简明地表示出来。 相图表示了在热力学平衡条件下，所存在的相与温度和压力之间的对应关系，理解这些关系有助于预测材料的性能。6.1二元相图的表示和测定方法6.1.1成分表示方法6.2.2.成分表示换算aA、aBxA、xB6.2.3.二元相图的测定液相区固相区液固二相区液相线固相线6.3 相图热力学的基本要点6.3.1固溶体的自由能成分曲线G=G0-TSm+HmHm=xAxB=NAzeAB-(eAA+eBB)/2 0，0，G-x曲线有一最小值；=0，0，G-x曲线也有一最小值；0， G-x曲线也有2个最小值，拐点
3、内0。6.3.2 多相平衡的公切线原理6.3.3 混合物的自由能和杠杆法则6.3.4 从自由能成分曲线推测相图 6.3.5 二元相图的几何规律相图中所有的相界线代表相变的温度和平衡相成分，即平衡相成分沿着相界线随温度变化而变化；两单相区之间必定有这两相的两相区相区接触法则； 二元相图的三相平衡区为一水平线，其与三个单相区的交点确定平衡相的浓度； 两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，分界线的延长线进入另一两相区。 A+BL+AL+BL6.4 匀晶相图6.4.1相图分析AB1.点：A、B分别是Cu和Ni的熔点；2.相：2个，L 、相；3.线：2条，液相线和固相线；4.相区： 2个单相区，分别是
4、L、 的单相区； 1个两相区，L +； 单相区和两相区被液相线和固相线隔开。2 固溶体结晶时需要成分起伏：液态金属中存在有偏离合金平均成分的区域，一定条件下该区域此起彼伏的现象。 在T1温度下，L相中必须有1成分的区域才能结晶，即满足结晶时的成分条件（还必须包括结构起伏和能量起伏）。 开始结晶时，成分为L 1的液相与成分为1的固相平衡。有极大点和极小点的匀晶相图6.4.2 固溶体的平衡凝固利用杠杆定律计算两平衡相的相对量利用杠杆定律计算两平衡相的相对量在T2温度下，合金x （成分O）由液相（成分xL）和固相（成分x）组成，令合金重W0，液相重Wl ，固相重W,有：W0 Wl + W溶质含量为：
5、W0 x Wl xL + W x （Wl + W） x Wl xL + W xWl （ x xL）= W （xx）Wl OL2 W 2 OWl / W 2 O/ OL2 两平衡相的相对量与其在相图上平衡成分线段长度成反比。因为：Wl / （W0 Wl ） 2 O/ OL2 所以： Wl / W0 2 O/2L2 W / W0 1 Wl / W0 OL2/2L2 上式就是二元系中的杠杆定律，杠杆的支点是合金成分点，杠杆的两端点是两平衡相的平衡成分点。6.4.3 固溶体的非平衡凝固v偏析合金内部成分不均匀；v晶内偏析晶粒内部成分不均匀；v枝晶偏析树枝晶内的偏析；v枝晶偏析对铸件影响很大，可在低于固
6、相线温度下进行均匀化退火或进行热轧、锻造降低枝晶偏析；v不平衡凝固偏离固相线、液相线，但液、固相界面仍然符合相图的平衡关系。6.5 共晶相图t1t2t3M1M2M3。6.5.1相图分析 共晶相图液态下无限互溶，固态下有限溶解，且具有共晶转变的相图；共晶转变 一定温度下，一个一定成分的液相同时转变为两个各具有一定成分固相的反应； L+ 共晶合金 铸铁，Al-Si, Al-Cu, Pb-Sn, Pb-Sb, Ag-Cu等具有共晶转变的合金； 共晶合金有优良的铸造性能；1.相（1）L相： Pb、Sn的熔体 ，（2）相、相分别是以Pb（ Sn）为溶剂、 Sn （ Pb ）为溶质的固溶体；2.点（1）t
7、A 、tB分别是纯金属Pb、Sn的熔点；（2）M、N分别是共晶温度下（ ）相的最大溶解度点；（3）F、G分别是室温下（ ）相的最大溶解度点； 3.线（1）液相线： tA E: L ， tB E: L （ 此处析出的和 称为初晶或先共晶相等） ；（2）固相线：tA M: L ， tB N: L ；（3）固溶度线：不同温度下固溶体最大溶解度的连线（t1 M1 ；t2 M2 ； t3 M3 ） ，随温度降低，固溶体沿此线变化，析出第二相（根据析出次序而称之，相对于从液相中析出的初晶而言，指的是从固相中析出）； MF： ， NG : （4）共晶线：MEN，位于该线内的合金，在共晶温度下都要发生共晶转变
8、。 LE M +N tE共晶温度，此温度下三相平衡，f =c-p+1=0,自由度为0，共晶转变是恒温转变；4.相区（1）单相区：3个， L、 、（2）两相区： 3个， L+ 、L+ 、 + （ 、两相为机械混合物）（3）三相区：1个， L+ tE5.与匀晶相图的区别相同点： MEN线以上区域，分析方法以及结晶过程与匀晶相同；不同点： 共晶线MEN线及以下区域，需要重点关注。1以上，液相冷却；12，L ；23，冷却；3以下，。室温组织：初+6.5.2共晶合金的平衡凝固1.固溶体合金（183时，Pb%19%；Sn%97.5）213TtE以上，液相冷却； tE， 共晶转变：LE M +N ，tE以下
9、，沿着MF线变化，析出， 沿着NG线变化，析出， 室温组织：+（二次相看不见）2.共晶合金（183，Sn%61.9）TtEE1共晶温度下：共晶合金的相对量(+)相组成物：构成显微组织的基本相；组织组成物：由基本相构成并具有独特组织形态的组成部分。室温下，共晶合金的相组成物为和；组织组成物为（+ ）。相组成物相对量计算：%= （ E1G/ FG ）100% ； %=（FE1/ FG）100%组织组成物：为100%的共晶组织（+ ）3.亚共晶合金（亚共晶：Sn%1961.9）1以上，液相冷却；12，L 初；2 点， 初+ L 初+ （ M +N ） ，2以下，沿着MF线变化， 沿着NG线变化，室温
10、组织： 初+ + （ + ）或或 初+ （ + ） （共晶组织中的二次相看不见）。T1223共晶温度下：亚共晶合金的相对量（Sn%1961.9）之间的亚共晶合金，其相组成物都为 、，组织组成物都为+ （+） ；但是其相对量随Sn含量的改变而改变。亚共晶组织 过共晶组织(+)初初Sn%19%1961.9% Sn61.9% Sn61.997.5% Sn97.5% Sn组织名称Pb基固溶体亚共晶合金共晶合金过共晶合金Sn基固溶体相组成物，组织组成物+（+）+（+）+（+）+共晶合金的相组成物和组织组成物课后练习课后练习：过共晶合金（ 61.997.5% Sn）、N点以右合金（ 61.997.5% S
11、n）1.分析合金的平衡结晶过程；2.画出金相组织示意图；3.计算室温下相组成物和组织组成物的相对量；4.画出冷却曲线。6.5.3共晶合金的非平衡凝固1.伪共晶组织（a）伪共晶区对称：两组元熔点相近；（b）伪共晶区不对称：两组元熔点相差较大，共晶点偏向低熔点组元，伪共晶区偏向高熔点组元。 不平衡凝固条件下，非共晶成分的合金可全部得到伪共晶组织，共晶成分的合金则可能得到亚共晶或过共晶组织。2.非平衡共晶组织 非平衡共晶组织（成分位于a点稍左）一般分布在初晶的相界上，或者在枝晶间。可以通过扩散退火来消除，最终得到均匀的单相固溶体组织 。a3.离异共晶离异共晶：条件为a点稍右，特点是初生相很多，共晶体
12、量很少。初晶离异共晶a6.6 包晶相图24.6.1相图分析包晶相图液态下无限互溶，固态下有限溶解，且具有包晶转变的相图；包晶转变 一定温度下，一个一定成分的液相和一个一定成分的固相同时转变另一具有一定成分固相的反应： L+ 具有包晶转变的二元合金有Fe-C、Cu-Zn、Ag-Sn、Ag-Pt等。1.相（1）L相： Pt、Ag的熔体 ，（2）相、相分别是以Pt （ Ag）为溶剂、 Ag （ Pt ）为溶质的固溶体；2.点（1）A 、B分别是纯金属Pt、Ag的熔点；（2）P、D分别是包晶温度下（ ）相的最大溶解度点，C点包晶反应时的液相成分点；（3）B、F分别是室温下（ ）相的最大溶解度点； 3.
13、线（1）液相线： AC: L ， CB: L ；（2）固相线：AP: L ， DB: L ；（3）固溶度线：不同温度下固溶体最大溶解度的连线，随温度降低，固溶体沿此线变化，析出第二相；PB： ， DF : （4）包晶线：PDC，位于该线内的合金，在包晶温度下都要发生共晶转变。 LC + P D 1186包晶温度，此温度下三相平衡，f =c-p+1=0,自由度为0，包晶转变是恒温转变；4.相区（1）单相区：3个， L、 、（2）两相区： 3个， L+ 、L+ 、 + （3）三相区：1个， L+ 11865.与匀晶和共晶相图的区别（1）相同处 PDC线以上区域； PDC线以下、DF以右区域的分析方
14、法以及结晶过程与匀晶相同； BPDF以内区域，与共晶线MEN线以下区域相同，按照固溶度线分析。（2）不同处 包晶线PDC及包晶反应：L+ 6.6.2 包晶合金的平衡凝固 P点以左，C点以右的合金与匀晶相图相似，分析方法相同。 1.合金1以上，液相冷却；12，L ；2点，包晶转变：LC + P D2点以下，沿DF线变化，析出二次相， ；室温组织： + 包晶转变时， 相依附在相形核，直至全部包住 相。此时， 相内部相的Pt含量高， 相外部L相的Ag含量高， Pt原子向外扩散， Ag原子向内扩散。新相两侧L相和相的成分接近D点， 相消耗L相和相从而长大。当L相和相同时消耗完，包晶转变结束，在包晶温度
15、下只有相。发生包晶转变时， L相和相的两相相对量计算如下：W(L)=DP/DC=(42.5-10.5)/(66.3-10.5)=57.3%W()=PC/DC=(66.3-42.5)/(66.3-10.5)=42.7%即57.3%的液相和 42.7%的相正好全部转变为相1DDT42.合金1以上，液相冷却；12，L ；2点，包晶转变：LC +P D包晶温度： W(L)=2P/DC57.3%，说明发生包晶反应后有液相过剩。23，过剩的液相成分沿CB线变化， 沿DB线变化， L过剩 34， 冷却4点以下，沿DF线变化，析出二次相， ；室温组织： +12T4435室温下：W()=(B5/BF) 100%
16、 W()= (5F/BF) 100%相的含量少于D点成分合金。51以上，液相冷却；12，L ；2点，包晶转变：LC + P D包晶温度： W()=2C/DC42.7%，说明发生包晶反应后有相过剩。2点以下， 过剩和 分别沿着PB和DF线变化，析出二次相， 过剩 ， ；室温组织： + + + 3.合金122T室温下：W()=(B3/BF) 100% W()= (3F/BF) 100%相和相的量包括在相和相内。36.6.3 包晶合金的非平衡凝固1.包晶转变不完全（+Sn）L+，但原子在固体中扩散慢， 相的心部有未转变的 。2.P点稍左合金发生包晶转变 原来不具有包晶转变的合金（如O点合金），在不平
17、衡结晶条件下，包晶温度下仍有剩余液体， L + ，出现了平衡状态下不应该出现的相。 包晶的不完全性一般出现的包晶转变温度较低或原子扩散较慢的合金中，非平衡包晶组织液可以通过扩散退火来消除。O6.6.4 包晶转变的实际应用6.7 溶混间隙相图与调幅分解1.基本概念（1）溶混间隙相图：具有溶混间隙转变的相图。（2）溶混间隙转变：在一定的条件下，一个一定成分的L （）相转变为两个各具有一定成分的L（）相的反应。 L L1 + L2 ；或 1 +2 溶混间隙相图有Cu-Pb、Cu-Ni、Au-Ni、Cu-Mn等二元相图。（3）调幅分解：某些一定成分范围（下图e中mcahbdn内）内的合金，发生没有形核
18、阶段的不稳定分解，这种分解依靠成分起伏进行，生长受上坡扩散控制。FK当TTc时，在FcahbdK之内的合金都会发生1+2 ，在mcahbdn之内的合金发生的是调幅分解（无需形核），两条曲线之间的合金通过形核长大的方式进行分解。12 由G-x曲线可知，d2G/dx2=0是曲线的拐点。 mcahbdn是不同温度下拐点的连线，又称调幅曲线。 FcahbdK是不同温度下G-x曲线公切点的连线，即该温度下1和2 成分的连线，又称固溶度间隙曲线。2.热力学条件其中，(x)20, G取值与d2G/dx2的正负有关。（1）拐点之外、切点之内12（2）拐点（调幅线）之内126.8 其他类型的二元相图6.8.1具
19、有化合物的二元相图1.形成稳定化合物的相图（化合物熔化前不分解）321123T2.形成不稳定化合物的相图（化合物熔化前发生分解）6.8.2 具有偏晶转变的相图包括Cu-S、Mn-Pb、Cu-O等相图6.8.3 具有合晶转变的相图L1+L2包括Na-Zn、K-Zn等相图6.8.4 具有熔晶转变的相图包括Cu-Sb、Fe-S等相图6.8.5 具有固态转变的二元相图1.具有固溶体多晶型转变的相图2.具有共析转变的相图3.具有包析转变的相图4.具有脱溶过程的相图Fe2B5.具有有序无序转变的相图6.具有固溶体形成中间相转变的相图7.具有磁性转变的相图Tc6.9 复杂二元相图的分析方法复杂二元相图的分析
20、步骤以稳定化合物为界把相图分区；根据相区接触法则区别各相区；找出三相共存水平线，明确转变类型；单相区的成分是合金的成分；两相区成分沿相界变化，相的相对量用杠杆定理求出；三相区成分固定，转变前后相的相对量由水平线上下用杠杆定理求出。 相图给出的是平衡条件下的相、相的成分和相的相对量，不表示相的形状、大小、分布；相图给出的是平衡状态的情况，实际生产很少能达到平衡状态。 6.10 根据相图推测合金的性能6.10.1 判断使用性能6.10.2 判断工艺性能由图看出，共晶熔点低，流动性好，集中缩孔，热裂和偏析倾向小，故铸造合金宜选择共晶成分的合金。 6.11 铁碳合金相图6.11.1 相图分析点线液相线
21、固相线固态转变线三相平衡线6.11.2 典型合金平衡结晶过程及其组织L相冷却 L 冷却 AA冷却 AF F冷却 FFe3C相组成物：F，Fe3C ； 组织组成物： F+Fe3C L冷却 L A A冷却 AP( F+Fe3C)相组成物：F，Fe3C ； 组织组成物：P( F+Fe3C)v共析温度下（727）v相组成物相对量：vW(F)=(6.69-0.77)/(6.69-0.0218) 89%vW(Fe3C)=(0.77-0.0218)/(6.69-0.0218) 11%v组织组成物相对量：vW(P)=100%L相冷却 L L+A L A A冷却 AF先 A P( F+Fe3C)相组成物：F，F
22、e3C ； 组织组成物：F先+P( F+Fe3C)F先PvFe-0.45C合金v共析温度下（727）v相组成物相对量：vW(F)=(6.69-0.45)/(6.69-0.0218) 94%vW(Fe3C)=(0.45-0.0218)/(6.69-0.0218) 6%v组织组成物相对量：vW(F)=(0.77-0.45)/(0.77-0.0218) 43%vW(P)=(0.45-0.0218)/(0.77-0.0218) 57% L冷却 L A A冷却 AFe3C A P( F+Fe3C)相组成物：F，Fe3C ； 组织组成物： Fe3C +P( F+Fe3C)Fe3C P(6)共晶白口铁（合金
23、） L冷却 L Ld（A+ Fe3C） Ld Ld (P+Fe3C)相组成物：F，Fe3C ； 组织组成物： Ld (P+Fe3C) Ld (P+Fe3C)PFe3C L冷却 L A A+ Ld（A+ Fe3C）冷却 P+Ld (P+Fe3C)相组成物：F，Fe3C ； 组织组成物： P+Fe3C +Ld(P+Fe3C)PLdvFe-3.0C合金v组织组成物相对量：v共晶温度下（1148）vW(A)=(4.3-3.0)/(4.3-2.11)=59.36%vW(Ld)=40.64%v共析温度下（727）vW(P)=(6.69-2.11)/(6.69-0.77) 59.36% =45.92%vW(
24、Fe3C )=(2.11-0.77)/(6.69-0.77) 59.36% =13.44%vW(Ld )=40.64%v相组成物相对量：共析温度下（727）vW(F)=(6.69-3.0)/(6.69-0.0218) 55.34%vW(Fe3C)=(3.0-0.0218)/(6.69-0.0218) 44.66%LdFe3C6.11.3碳含量对铁碳合金组织和性能的影响 随含碳量的增加，铁碳合金组织变化为：相组成物都是：F和Fe3C，随含碳量的增加， F量减少和Fe3C量增加。6.12 二元合金的凝固理论6.12.1固溶体的凝固理论1.正常凝固(1)液相溶质完全混合 k0(2)液相溶质部分混合：
25、K0Ke 1(3)液相溶质完全不混合：ke=12.区域熔炼3.合金凝固中的成分过冷液相线的熔点TL=TA-mCL(m为液相线的斜率) TA为纯熔剂的熔点 界面处液相熔点温度的梯度 设液相中实际温度梯度为G由图4-10(e)可知出现成分过冷的条件应为:合金的液相线越陡(m)合金含溶质浓度越大(C0)液体的扩散系数越小(D)K01时K0越大液相中实际温度分布(G)越平缓凝固速度（R）越快成分过冷倾向越大 6.12.2共晶凝固理论1.共晶组织分类及其形成机制6.12.3合金铸锭（铸件）的组织与缺陷1.铸锭（件）的宏观组织a.表层细晶区b.柱状晶区c.中心等轴晶区d.铸锭组织的控制2.铸锭（件）的缺陷a.缩孔 金属在凝固时因体积收缩而使铸锭内部出现的孔洞。
