材料科学基础：第一章-相平衡4

1、第六节 二元合金相图,一、匀晶相图,1、相图分析 匀晶相图是指两组元在液、固态均无限互溶的合金系相图。 如Cu-Ni, Au-Ag, Nb-Ti, Cd-Mg系等,相 区 L, L+a, a 相变线 液相线：此线温度以上液相稳定。 固相线：此线温度以下液相稳定。 相变点 相图上任一点，表示该成分合金在该温度时的平衡状态,在极大或极小值成分，因液、固两相成分相同并不可变，增加了一个限制条件，故在此成分合金结晶时的自由度： f = (C-P+1)-1 = (2-2+1)-1 = 0,2、平衡结晶过程,平衡结晶：无限缓慢冷却的结晶过程。 给定成分合金的平衡结晶过程实际上是再将相图还原为冷却曲线进行分

2、析,1）组织形成过程 以x合金为例。 相组成物：a 组织组成物： 单相等轴a晶粒,2）成分变化与相平衡,a） 形核 T=T0时，固态核心成分位于温度水平线与固相线的交点a0。 只有液相中某局部区域成分为a0时，才符合结晶的浓度条件。 浓度起伏（成分起伏）： 液相局部微区成分波动存在时起时伏、此起彼伏的现象。 固溶体结晶需要液相提供浓度起伏条件,外部条件：过冷度 内部条件：结构起伏、能量起伏、浓度起伏,固溶体结晶必须具备,两相成分变化规则 在确定的温度条件下： 液相成分处于温度水平线与液相线交点上； 固相成分处于温度水平线与固相线交点上。 当温度下降时： 液相成分沿液相线变化； 固相成分沿固相线

3、变化,b) 两相平衡成分变化,c) 两相相对量变化,杠杆定律: 对于x0合金，温度一定及两相平衡时，设： W0为合金总重量；Wa为固相重量；WL为液相重量；xL、xa分别为合金中液相和固相中的溶质含量百分数。 应有： W0 x0WaxaWL xL W0WaWL 合并两式： Wa（xax0）WL（x0 xL） 相当于NOM杠杆平衡关系。 将支点由O移至N，则上式变为： Wa（xaxL）W0（x0 xL） 将W0设为100，则两相相对量分数为： 将支点由O移至M，得到两相相对量分数为,杠杆定律仅适用于平衡结晶条件,3、非平衡结晶过程,非平衡结晶：冷速较快的结晶过程。结晶时原子来不及充分扩散，接近实

4、际结晶情况,液固界面上成分仍按各自相变线变化。 枝晶偏析与扩散退火（均匀化处理）。 不能用杠杆定律计算两相相对量,二、共晶相图,相区 单相区：L, a, b 两相区： L+a, L+ b，a+b 相变线 TAE及TBE：初生（初晶）a及b析出线 即La, Lb TAM及TBN：初生a及b结晶终了线 MF及NG： a及b溶解度变化线 即abII，baII MEN： 共晶线，即Lab,1、相图分析 共晶相图是指两组元有共晶反应的相图，相当于两个匀晶相图的组合。 也是最基本的相图形式之一。如Pb-Sn, Al-Si, Al-Cu, Mg-Si, Fe-C, Mg-Al系等,相变点 TA及TB：纯组元

5、A、B的熔点 M及N：a及b的最大溶解度点 F及G：a及b室温溶解度点 E：共晶点，发生共晶反应的液相成分点 共晶转变 共晶相图中的核心转变，定义式：LE aMbN 反应生成的相组成物：ab 反应生成的组织组成物：（ab)共晶，称共晶体或共晶组织 共晶反应时的相律：fCP12310，即恒温结晶,TE,2、平衡结晶过程,1）端部固溶体 B%M的合金。 与匀晶相图平衡凝固分析过程相似，仅当B%F时有次生相析出过程。 相组成物： ab 组织组成物： a 0bII （a 0为等轴状初晶，bII为沿晶分布的颗粒状,2）共晶合金,B%E的合金。 相： ab 组织：（ ab）共晶，此共晶组织为片层状。 室温

6、下相的相对量,或Wb100Wa,3） 亚共晶合金,B%ME成分之间的合金。 组织： a 0（ ab）共晶bII (其中bII 仅指由a0中析出的部分) 组织组成物相对量计算,4）过共晶合金 B%EN成分之间的合金。 组织：b 0（ab）共晶 aII (其中aII 仅指由b0中析出的部分,3、非平衡结晶组织,1）伪共晶 在非平衡结晶条件下，非共晶成分的合金形成了全部的共晶组织。 如x合金，到一定过冷度DT时开始结晶，则液相可同时结晶出a和b两相,原因： 在达到DT时，结晶温度已低于a0和b0的析出延长线，存在同时发生La和Lb反应的热力学条件。 如果两相结晶趋势相差较大时，伪共晶区偏离液相线延长

7、所包围区域，呈非对称分布,问题：假定合金分别冷却到1，2，3，4温度开始结晶，获得的组织特点有何不同,2）晶内偏析共晶,晶内偏析共晶： 端部固溶体合金非平衡结晶时出现共晶组织的现象。 由于晶内偏析共晶数量较少，往往以离异共晶形式存在。 两种情况促使离异共晶形成： 靠近极限溶解度的端部固溶体的非平衡冷却。 靠近极限溶解度的亚共晶合金的平衡冷却,3）次生相 固态中原子扩散速率低，冷速较快的结晶条件下，次生相来不及析出或析出数量减少，可忽略次生相析出反应,三、包晶相图,1、相图分析,包晶相图: 两组元有包晶反应的相图。 相当于两个匀晶相图的组合。 如Al-Cu, Cu-Sn, Sn-Sb, Pt-A

8、g, Al-Mg系等,与共晶相图的主要区别： 纯组元熔点一个高于包晶反应温度，而另一个低于包晶反应温度,1、相图分析,1）相区 单相区：L, a, b 两相区： L+a, L+ b，a+b （2）相变线 TAP及TBP：La, Lb。 TAC及TBD：初生a及b结晶终了线。 CE及DF： a bII，b a II。 CDP： L a b,液相线：TAPTB 固相线：TACDTB （3）相变点 P：包晶转变点，发生包晶反应的液相成分点。 LP a C bD 包晶反应时的相律：fCP12310,Tp,2、平衡结晶过程分析,1）端部固溶体 x1合金平衡组织组成物：a0bII x4合金平衡组织组成物：

9、 b0aII,2）xD合金,组织组成物：b包a II（b包为等轴晶）。 Lab由原子通过包覆的固态b层扩散实现，反应速率较慢。 也可通过消耗初晶a并在液相中直接结晶出b，b不一定包覆在初晶a上,3）x2合金,组织组成物：a0 b包aII bII,相 对 量 计 算,4）x3合金,组织组成物：（b0 b包）aII,3、非平衡结晶特点,四、其它类型相图,1、具有化合物的相图,稳定化合物：具有固定熔点，且在熔点以下结构不变的化合物。 不稳定化合物：在一定温度以上即发生分解的化合物,化合物相当于一个组元（中间相），将相图分为独立两部分,2、具有三相平衡转变的相图 偏晶转变：LeA + Ld，一种成分的

10、液相生成另一种成分的液相和一个固相。共晶方式。 熔晶转变： a bL，一个固相生成一种成分的液相和另一固相。共晶方式。 合晶转变：L2L1b，两种成分的液相同时结晶形成一个固相。包晶方式。 共析转变：baB，一种成分的固相同时生成另外两个固相。共晶方式,五、二元相图热力学,一、相的自由焓曲线,系统中各相的自由焓G与温度T及相的成分x有关： G = f ( T, x,二、公切线法则 两相热力学平衡状态下偏摩尔自由焓定律： 1 2 或,体系总的自由焓则位于合金成分与公切线的交点上,即自由焓与成分关系曲线的斜率相等。 公切线法则： 当温度一定时，若体系中各相处于平衡状态，则各相成分点位于各相自由焓曲线的公