第5章相平衡与相图原理b-yao

1、材料科学基础材料科学基础B （2013-2014）第第5章章 相平衡与相图原理相平衡与相图原理姚宝殿姚宝殿上海工程技术大学材料工程学院上海工程技术大学材料工程学院Tel. 2022-6-19建立相图的方法有两种：p 一种是利用已有的热力学参数，通过热力学计算和分析建立相图；计算法还在发展之中；p 另一种是依靠实验的方法建立相图。实际使用的相图都是实验法建立的；应用最多的是热分析法。注意：相图中所示的合金状态是热力学上的平衡稳定状态，注意：相图中所示的合金状态是热力学上的平衡稳定状态，它不能表示在非平衡条件下的组织结构及其变化规律。它不能表示在非平衡条件下的组织结构及其变化规律。但非平衡状态与平

2、衡状态有密切的关系，所以非平衡状态的但非平衡状态与平衡状态有密切的关系，所以非平衡状态的研究也以相图为基础。研究也以相图为基础。5.5 5.5 二元合金相图的建立二元合金相图的建立5.5.1 相图的表示和测定方法相图的表示和测定方法 合金的状态是由化学成分、温度和压力决定的。但压力对液合金的状态是由化学成分、温度和压力决定的。但压力对液固相之间或固相之间的变化影响不大，而且金属的状态多数是固相之间或固相之间的变化影响不大，而且金属的状态多数是在常压下进行的，所以研究合金的相变时往往不考虑压力的作在常压下进行的，所以研究合金的相变时往往不考虑压力的作用。用。对于二元相图，影响状态的因素只有第二组

3、元的浓度和温度对于二元相图，影响状态的因素只有第二组元的浓度和温度两个参数。两个参数。所以对于所以对于二元相图，是以横坐标表示成分，纵坐标表示温度二元相图，是以横坐标表示成分，纵坐标表示温度的温度成分平面图形。的温度成分平面图形。二元相图中的成分按国家标准有两种表示方法：二元相图中的成分按国家标准有两种表示方法：质量分数（质量分数（w）和摩尔分数（）和摩尔分数（x），），如合金中如合金中A，B两组元的质量分数位两组元的质量分数位wA, wB,摩尔摩尔分数为。其关系式为：分数为。其关系式为：二元相图的建立二元相图的建立几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是几乎所有的相图都是通过实验得到的，

4、最常用的是热分析法热分析法。2022-6-19 热分析法绘制二元相图基本原理：二组分体系 ，指定压力不变，2C31*Cf12*f双变量体系21*f单变量体系30*f无变量体系首先将二组分体系加热熔化，记录冷却过程中温度随时间的变化曲线，即步冷曲线（cooling curve）。当体系有新相凝聚，放出相变热，步冷曲线的斜率改变。 ，出现转折点； ，出现水平线段。据此在T-x图上标出对应的位置，得到低共熔T-x图。*1f*0f名称名称A金属金属B金属金属晶格类型晶格类型bccbcc熔点熔点高高低低合金合金1100%0%合金合金290%10%合金合金380%20%.合金合金920%80%合金合金10

5、10%90%合金合金110%100%2022-6-19步骤步骤1. 1. 将将 A-B A-B 二元合金系分成若干种不同成分的合金二元合金系分成若干种不同成分的合金【说明1】1) 合金成分间隔越小，合金数目越多，测得的相图越精确；2) 合金成分间隔不需要相等。将上述合金分别熔化后，以非常缓慢的速度冷却到室温，测出各合金的(温度时间)冷却曲线。合金在冷却过程中发生转变(如：结晶)的起始温度和结束温度，对应着冷却曲线上的折点(如：L1、L2 和S1、S 2等)。2022-6-19【说明2】1) 冷却速度越慢，越接近平衡条件，测量结果越准确；2) 纯金属在恒温下结晶，冷却曲线应有一段水平线。步骤步骤

6、2. 2. 测各合金的步冷曲线测各合金的步冷曲线将冷却曲线上的临界点分别标在温度成分温度成分坐标内，用光滑曲线把意义相同的临界点连接起来。这样就得到了A-B二元合金相图 。相图中，结晶开始点的连线相图中，结晶开始点的连线叫叫液相线液相线。结晶终了点的连。结晶终了点的连线叫线叫固相线固相线。2022-6-19步骤步骤3.3.将临界点标在温度将临界点标在温度- -成分坐标中的成分垂线上，将步冷曲成分坐标中的成分垂线上，将步冷曲线上相同意义的点连成曲线，并标上相应的数字和字母。线上相同意义的点连成曲线，并标上相应的数字和字母。Cu-Ni二元相图的绘制（匀晶相图） 以Cu-Ni合金相图的建立为例，动画

7、演示实验装置和实验过程如下： 2022-6-191. 测量冷却曲线的实验装置及过程2. .根据冷却曲线建立相图1. 测量冷却曲线的实验装置及过程2.根据冷却曲线建立相图Cd-Bi二元相图的绘制（1/12)2022-6-191.首先标出纯Bi和纯Cd的熔点 将100Bi的试管加热熔化，记录步冷曲线，如a所示。在546K时出现水平线段，这时有Bi(s)出现，凝固热抵消了自然散热，体系温度不变，这时条件自由度。当熔液全部凝固， ，温度继续下降。所以546 K是Bi的熔点。 *11 1 20fC F*1,1fF 同理，在步冷曲线e上，596 K是纯Cd的熔点。分别标在T-x图上。Cd-Bi二元相图的绘

8、制（2/12)2022-6-19Cd-Bi二元相图的绘制（3/12)2022-6-192 作含20Cd，80Bi的步冷曲线。 将混合物加热熔化，记录步冷曲线如b所示。在C点，曲线发生转折，有Bi(s)析出，降温速度变慢；*12 1 21fC F0312*f 至D点，Cd(s)也开始析出，温度不变；Cd-Bi二元相图的绘制（4/12)2022-6-192 作含20Cd，80Bi的步冷曲线。 至D点，熔液全部凝结为Bi(s)和Cd(s)，温度又开始下降；1212*f 含70Cd的步冷曲线d情况类似，只是转折点F处先析出Cd(s)。将转折点分别标在T-x图上。Cd-Bi二元相图的绘制（5/12)20

9、22-6-19Cd-Bi二元相图的绘制（6/12)2022-6-193作含40Cd的步冷曲线 将含40Cd，60Bi的体系加热熔化，记录步冷曲线如C所示。开始，温度下降均匀，到达E点时， Bi(s)，Cd(s)同时析出，出现水平线段。*12 1 30fC F1212*f 当熔液全部凝固，温度又继续下降，将E点标在T-x图上。Cd-Bi二元相图的绘制（7/12)2022-6-19Cd-Bi二元相图的绘制（8/12)2022-6-194 完成Bi-Cd T-x相图将A,C,E点连接，得到Bi(s)与熔液两相共存的液相组成线；将H,F,E点连接，得到Cd(s)与熔液两相共存的液相组成线；将D,E,G

10、点连接，得到Bi(s),Cd(s)与熔液共存的三相线；熔液的组成由E点表示。这样就得到了Bi-Cd的T-x图。Cd-Bi二元相图的绘制（9/12)2022-6-19Cd-Bi二元相图的绘制（10/12)2022-6-19 图上有4个相区： 1. AEH线之上，熔液（l）单相区，2*f2. ABE之内，Bi(s)+ l 两相区，1*f3. HEM之内，Cd(s)+ l 两相区，1*f4. BEM线以下，Bi(s)+Cd(s)两相区，1*fCd-Bi二元相图的绘制（11/12)2022-6-19有三条多相平衡曲线1. ACE线，Bi(s)+ l 共存时，熔液组成线。2. HFE线，Cd(s)+ l

11、 共存时，熔液组成线。3. BEM线，Bi(s)+Cd(s)+l 三相平衡线，三个相的组成分别由B，E，M三个点表示。Cd-Bi二元相图的绘制（12/12)2022-6-19有三个特殊点： A点，纯Bi(s)的熔点 H点，纯Cd(s)的熔点E点，Bi(s)+Cd(s)+ l三相共存点。 因为E点温度均低于A点和H点的温度，称为低共熔点（eutectic point）。在该点析出的混合物称为低共熔混合物（eutectic mixture）。它不是化合物，由两相组成，只是混合得非常均匀。E点的温度会随外压的改变而改变，在这T-x图上，E点仅是某一压力下的一个截点。5.6 二元相图分析二元相图分析5

12、.6.1 二元匀晶相图二元匀晶相图 （ Isomorphous phase diagram)两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。5.6.2 二元共晶相图二元共晶相图(低共熔相图，低共熔相图，Eutectic phase diagram )当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,甚至完全不溶，并发生共晶甚至完全不溶，并发生共晶反应时所构成的相图称作反应时所构成的相图称作共晶相图。共晶相图。5.6.3. 二元包晶相图二元包晶相图 （Peritectic phase di

13、agram）当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作的相图称作包晶相图包晶相图。5.6.4 其他类型的相图其他类型的相图5.6.4.1 形成稳定化合物的二元相图形成稳定化合物的二元相图5.6.4.2 具有共析反应的二元相图具有共析反应的二元相图 （ Eutectoid phase diagram）5.6 二元相图分析二元相图分析l两组元在液态和固态下均无两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称限互溶时所构成的相图称二二元匀晶相图（元匀晶相图（Isomorphous）。l是二元合金相图中图

14、形最简单的相图。具有匀晶相图的二元合金系统有Cu-Ni, Fe-Cr, Ag-Au, Nb-Ti, Cr-Mo, W-Mo等l以以Cu-Ni合金为例进行分析。合金为例进行分析。5.6.1 匀晶相图和固溶体凝固匀晶相图和固溶体凝固 相图由两条线构成相图由两条线构成，上面，上面是液相线，下面是固相线。是液相线，下面是固相线。 相图被两条线分为三个相相图被两条线分为三个相区区，液相线以上为，液相线以上为液相区液相区L ，固相线以下为，固相线以下为 固溶固溶体区体区，两条线之间为两相，两条线之间为两相共存的共存的两相区两相区（L+ ）。）。 LL+ 成分成分（wt%Ni）温度温度（）CuNi液相线固相

15、线 二组元在液态和固态都能够完全相互溶解，所有成分(Ni: 0100%)的合金在固态只有一种晶体结构，相图中只有一个固相区。 因此，能够形成匀晶合金系的两种组元必须具有相同的晶体结构，相同的原子价，原子半径接近(相差不超过15)，相互不形成化合物。2022-6-19 合金的结晶过程合金的结晶过程除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。合金为例说明。l当液态金属自高当液态金属自高温冷却到温冷却到 t1温度温度时，开始结晶出时，开始结晶出成分为成分为 1的固溶的固溶体，其体，其Ni含量高含量高于合金平均成分于合金平均成分L L+ 随温度下降，固

16、随温度下降，固溶体重量增加，溶体重量增加，液相重量减少液相重量减少。同时，同时，液相成分液相成分沿液相线变化，沿液相线变化，固相成分沿固相固相成分沿固相线变化。线变化。这种从液相中结晶出单一固相的转变称为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匀晶转变或匀晶反应。成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一时，最后一滴滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又变回固溶体的成分又变回到合金成分到合金成分 3上来。上来。液固相线不仅是相区分界液固相线不仅是相区分界线线, 也是结晶时两相的成也

17、是结晶时两相的成分变化线；分变化线；匀晶转变是变匀晶转变是变温转变。温转变。 杠杆定律杠杆定律 (level Law) 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以现以Cu-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：设合金成分为确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过，过x做成做成分垂线。在成分垂线相当于温分垂线。在成分垂线相当于温度度t 的的o点作水平线，其与液固点作水平线，其与液固相线交点相线交点a、b所对应的成分所对应的成分x1

18、、x2即分别为液相和固相的成分。即分别为液相和固相的成分。12 t 则则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得解方程组得121122xxxxQxxxxQLl式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。的长度。 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，液相重量为，液相重量为QL，固相重量为，固相重量为Q 。 因此两相的相对重因此两相的相对重量百分比为：量百分比为：abaoxxxxQabobxxxxQ211212L 21L12LxxQxxQ)aoob

19、(xxxxQQ 或或 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律杠杆定律。即。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。离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求在杠杆定律中，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。的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 杠杆定律只适用于两相区杠杆定律只适用于两相区。 例例（如图）（如图）%5 .61%10045. 058. 045. 053. 0 Q%

20、5 .38%10045. 058. 053. 058. 0 LQ习题习题1. 固溶体合金的相图如图所示，试根据相图确定：固溶体合金的相图如图所示，试根据相图确定：(a)成分为成分为40%B的合金首先凝固出来的固体成分；的合金首先凝固出来的固体成分；(b)若首先凝固出来的固体成分含若首先凝固出来的固体成分含60%B，合金的成分为多少？，合金的成分为多少？(c)成分为成分为70%B的合金最后凝固的液体成分；的合金最后凝固的液体成分； (d )合金成分为合金成分为50%B，凝固到某温度时，凝固到某温度时 液相含有液相含有40%B，固体，固体含有含有80%B，此时液体和固体各占多少分数？，此时液体和固

21、体各占多少分数？ 枝晶偏析 固-液两相不同于气-液两相，析出晶体时，不易与熔化物建立平衡，较早析出的晶体含高熔点组分较多，形成枝晶，后析出的晶体含低熔点组分较多，填充在最早析出的枝晶之间，这种现象称为枝晶偏析。l 枝晶偏析枝晶偏析枝晶偏析。 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。l生产上常将铸件加热到固相线以下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

22、长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作析，这种热处理工艺称作扩散退火扩散退火。Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织2022-6-19（4 4）具有极值的匀晶相图）具有极值的匀晶相图完全互溶固溶体出现最低点或最高点 当两种组分的粒子大小和晶体结构不完全相同时，它们的T-x图上会出现最低点或最高点。例如： 等体系会出现最低点。但出现最高点的体系较少 Pb-Ti。KBr,-KCl,COKCONa3232Au-CuSb,-Ag2022-6-19完全互溶固溶体的相图202

23、2-6-19完全互溶固溶体的相图5.6.2 二元共晶相图二元共晶相图(Eutectic phase diagram ) 当两组元在液态下当两组元在液态下完全互溶，在固态完全互溶，在固态下有限互溶下有限互溶,甚至完甚至完全不溶，并发生共全不溶，并发生共晶反应时所构成的晶反应时所构成的相图称作相图称作共晶相图。共晶相图。Pb-Sn合金相图合金相图成分（成分（wt%Sn）温度（温度（）PbSn简单共晶相图简单共晶相图L LA+BA+BA AB BL+AL+AL+BL+Bw wB B% %两组元完全不溶两组元完全不溶典型二元共晶相图典型二元共晶相图有限互溶有限互溶 相图分析相图分析 相：相图中有相：相

24、图中有L、 、 三种三种相相, 是溶质是溶质Sn在在 Pb中的固溶中的固溶体体， 是溶质是溶质Pb在在Sn中的固溶中的固溶体体。 相区：相图中有三个单相区：相区：相图中有三个单相区： L、 、 ；三个两相区：；三个两相区： L+ 、L+ 、 + ；一个三相区：即水；一个三相区：即水平线平线CED。AB 固溶线固溶线: 溶解度点的连溶解度点的连线称固溶线。相图中的线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为线分别为 Sn在在 Pb中和中和 Pb在在 Sn中的固溶中的固溶线。线。固溶体的溶解度随温度降固溶体的溶解度随温度降低而下降。低而下降。 液固相线液固相线：液相线：液相线AEB，固相线，固相线ACE

25、DB。A、B分别为分别为Pb、Sn的熔点。的熔点。ABL+L+L+液相线液相线液相线液相线固相线固相线固相线固相线固溶线固溶线固溶线固溶线固溶线固溶线固溶线固溶线固溶线固溶线 B原子溶入原子溶入A基体中形成的固溶体基体中形成的固溶体 A原子溶入原子溶入B基体中形成的固溶体基体中形成的固溶体固溶线，固溶度曲线：反映不同温度时的溶解度变化。固溶线，固溶度曲线：反映不同温度时的溶解度变化。L+L+L+共晶转变共晶转变？一个液相同时析出两种固相的反应，称为一个液相同时析出两种固相的反应，称为共晶反应共晶反应根据相律，根据相律，三相平衡时有三相平衡时有 F=n-P+1=2-3+1=0因此三个平衡相的因此

26、三个平衡相的及反应及反应都是确定的，在冷却都是确定的，在冷却曲线中出现一个平台。曲线中出现一个平台。DCEL共晶反应共晶反应在一定温度下，由一定成分的在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称构都不相同的新固相的转变称作作共晶转变或共晶反应共晶转变或共晶反应。 共晶线共晶线：水平线：水平线CED叫做共晶线。叫做共晶线。在共晶线对应的温度下（在共晶线对应的温度下（183 ），），E点成分的合金同时结晶出点成分的合金同时结晶出C点成分的点成分的 固溶体和固溶体和D点成分的点成分的 固溶体，形成这两个相的机械固溶体，形成这两个相的机械混合

27、物：混合物： LE ( C + D)AB 共晶反应的产物，即两相共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点共晶温度和共晶成分的点称共晶点。称共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散 具有共晶成分的合金称具有共晶成分的合金称共晶合金共晶合金。在共晶线上，凡成分位于。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称共晶点以左的合金称亚共晶合金亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称，位于共晶点以右的合金称 过共晶

28、合金过共晶合金。l凡具有共晶线成分凡具有共晶线成分的合金液体冷却到的合金液体冷却到共晶温度时都将发共晶温度时都将发生共晶反应。生共晶反应。L+ CDAB 合金的结晶过程合金的结晶过程 含含Sn量小于量小于C点合金点合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程在在3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直接从液相固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称中结晶出的固相称一次相或初生相一次相或初生相。.2 温度降到温度降到3点以下，点以下， 固溶体被固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相开始析出（相变过程也称析出）新相 相。由已

29、有固相析相。由已有固相析出的新固相称出的新固相称二次相或次生相二次相或次生相。 形成二次相的过程称形成二次相的过程称二次析出二次析出, 是固态相变的一种。是固态相变的一种。H 由于二次相由于二次相析出温度较析出温度较低，一般十低，一般十分细小。分细小。%1004FGFQ室温下室温下 的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l随温度下降，随温度下降， 和和 相的成分分别沿相的成分分别沿CF线和线和DG线变化，线变化， 的重量增加。的重量增加。QQ 合金室温组织为合金室温组织为 + 。l成分大于成分大于 D点合金结晶过程点合金结晶过程与与合金相似，室

30、温组织合金相似，室温组织为为 + 。 共晶合金共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程液态合金冷却到液态合金冷却到E 点时同时被点时同时被Pb和和Sn饱和饱和, 发生共晶反应：发生共晶反应：LE ( C+ D) 。19.2wt%Sn温度温度, 1 析出过程中两相相间形核、析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。棒、点球等形状。共晶组织形态共晶组织形态层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶组织形态共晶

31、组织形态针状共晶针状共晶树枝状共晶树枝状共晶放射状共晶放射状共晶螺旋状共晶螺旋状共晶 在共晶转变过程中，在共晶转变过程中，L、 、 三相共存三相共存, 三个相的量在不三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固断变化，但它们各自成分是固定的。定的。 共晶组织中的相称共晶相共晶组织中的相称共晶相.共共晶转变结束时，晶转变结束时， 和和 相的相相的相对重量百分比为：对重量百分比为：%6 .54%100%4 .45%1002 .195 .979 .615 .97%100 QQCDEDQE(61.9)D(97.5)C(19.2) 共晶结束后，随温度下降，共晶结束后，随温度下降， 和和 的成分分别沿的成分分

32、别沿CF线和线和DG线线变化，并从共晶变化，并从共晶 中析出中析出 ，从共晶，从共晶 中析出中析出 ，由于共晶，由于共晶组织细，组织细， 与共晶与共晶 结合，结合， 与共晶与共晶 结合，共晶合金的室温结合，共晶合金的室温组织仍为组织仍为 ( + ) 共晶体。共晶体。室温下两相的相对重量百分比是多少？室温下两相的相对重量百分比是多少？FGFEQ,FGGEQ Pb-Sn共晶合金组织共晶合金组织 亚共晶合金亚共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程合金液体在合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到点，固相成分变化到C点，液相成分变化到点，液相成分变化到E点点,

33、 此时两相的相对重量为：此时两相的相对重量为：%1002%,1002)( CEEQCECQQEL 在在2点，具有点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：点成分的剩余液体发生共晶反应： L ( + ) ，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等相重量相等, 即即QE =QL反应结束后，在共晶温度下反应结束后，在共晶温度下 、 两相的相对重量百分比为：两相的相对重量百分比为：%1002%,1002 CDCQCDDQ %CEEQ%,CEC10021002 温度继续下降，将从一次温度继续下降，将从一次 和共和共晶晶 中析出中析出 ，从共晶，从共晶 中

34、析出中析出 。其室温组织为。其室温组织为 + ( + ) + 。亚共晶合金亚共晶合金的结晶过程的结晶过程如何求室温下三种组织组成物的相对如何求室温下三种组织组成物的相对重量？重量？ 过共晶合金结晶过程过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次与亚共晶合金相似，不同的是一次相为相为 , 二次相为二次相为 室温组织为室温组织为 +( + )+ 。Pb-Sn合金的结晶过程合金的结晶过程 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。l 和和 , 和和 ,共晶体共晶体( + )都是组织都是组织组成物。组成物。l相

35、与相之间的相与相之间的差别主要在结差别主要在结构和成分上。构和成分上。 组织组成物之间的差别主要在形态上。如组织组成物之间的差别主要在形态上。如 、 和共晶和共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。同的组织组成物。 将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织组织组成物组织组成物在相图上的在相图上的标注标注习题习题 Mg-Ni系的一个共晶反应为：系的一个共晶反应为： 507 L(23.

36、5Wt.%Ni)(纯镁纯镁)+Mg2Ni(54.6Wt.%Ni)设设C1为亚共晶合金，为亚共晶合金，C2为过共晶合金，这两种合金中的先共为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的重量分数相等，但晶相的重量分数相等，但C1合金中的合金中的 总量为总量为C2合金中的合金中的 总量的总量的 2.5倍，试计算倍，试计算C1和和C2的成分。的成分。 5.6.3 二元包晶相图二元包晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作反应时所构成的相图称作包晶相图包晶相图。以以Pt-Ag相图为例简要分析相图为例简要分析L+ L+

37、 L + 相图分析相图分析单相区：单相区：L、 、二相区：二相区：L+ 、 L+ 、 + 三相区：三相区：L+ + （水平线（水平线PDC）PDCL包晶反应包晶反应peritectic reactionperitectic reactionL在一定温度下，由一固定成分的液相与一个固定成分的在一定温度下，由一固定成分的液相与一个固定成分的固相作用，生成另一个成分固相的反应，称为包晶反应。固相作用，生成另一个成分固相的反应，称为包晶反应。相图分析相图分析液相线液相线固相线固相线固溶线固溶线在一定温度下，由一在一定温度下，由一个液相包着一个固相个液相包着一个固相生成另一新固相的反生成另一新固相的反应

38、称应称包晶转变包晶转变或或包晶包晶反应反应。 水平线水平线PDC称称包晶线包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：生包晶反应：LC+ P D 。该反应是液相。该反应是液相L包着固相包着固相 , 新相新相 在在L与与的界面上形核，并向的界面上形核，并向L和和 两个方向长大两个方向长大。 合金的结晶过程合金的结晶过程 包晶成分合金：包晶成分合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。室温组织为室温组织为 + II PD成分成分合金合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出。二次析出。室温组织为室温组织为 +II+ + II时间温度 DC成分成分合金合金：匀晶匀晶包晶包

39、晶匀晶匀晶二次析出二次析出室温组织为室温组织为 + II。时间温度5.6.4 其他类型的相图其他类型的相图5.6.4.1 形成稳定化合物的二元相图形成稳定化合物的二元相图 稳定化合物稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如如Mg-Si系的系的Mg2Si和和Fe-C系的系的Fe3C) 。其成分固定，在相图中是一条垂线。其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区代表一个单相区)。垂足是其成分。垂足是其成分, 顶点是其熔点顶点是其熔点, 结晶过程结晶过程 同同纯金属纯金属.l分析这类相图时，可把稳分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，定化合物当作纯组元看

40、待，将相图分成几个部分进行将相图分成几个部分进行分析分析.Mg2SiMg2Si+SiMg+ Mg2SiSiL+ Mg2SiL+ SiL+ Mg2SiL+ Mg 共析转变也是固态共析转变也是固态相变。相变。 最常见的共析转变最常见的共析转变是铁碳合金中的珠是铁碳合金中的珠光体转变光体转变: S P+ Fe3C 。5.6.4.2 具有共析反应的二元相图具有共析反应的二元相图共析反应共析反应(共析转变共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。PS( 奥氏体，奥氏体， 铁素体

41、，铁素体，Fe3C渗碳体渗碳体)铁碳合金相图铁碳合金相图 共析反应的产物是共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物（铁素体也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体渗碳体)。l与共晶反应不同的与共晶反应不同的是，是，共析反应的母共析反应的母相是固相，而不是相是固相，而不是液相液相。l另外，由于固态转另外，由于固态转变过冷度大，因而变过冷度大，因而共析组织比共晶组共析组织比共晶组织细织细。珠光体珠光体5.7 二元相图的分析步骤二元相图的分析步骤实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进

42、行分析。 分清相图中包括哪些基本类型相图分清相图中包括哪些基本类型相图 确定相区确定相区 相区接触法则相区接触法则相邻两个相区的相数差为相邻两个相区的相数差为1 单相区的确定单相区的确定 液相线以上为液相区；液相线以上为液相区；Fe- Fe3C相图相图 靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区；靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区； 相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线；区分界线； 相图中部出现的成分可变相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；单相固溶体区； 相图中每一条

43、水平线必定相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。与三个单相区点接触。Cu-Zn相图相图 + 两相区的确定两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相：两个单相区之间夹有一个两相 区，该两相区的相由两区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。相邻单相区的相组成。 三相区的确定三相区的确定：二元相：二元相图中的水平线是三相区，图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组接触的三个单相区的相组成。成。Fe-Fe3C相图相图恒温下由一个固相同时恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同析出两个成分结构不同的新固相。的新固相。 + 共析反应共析反应恒温下由一个液相

44、包着恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新一个固相生成另一个新的固相。的固相。L + 包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不结晶出两个成分结构不同的新固相。同的新固相。L L + 共晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线上的反应作出典型合金冷作出典型合金冷却曲线示意图却曲线示意图二元合金冷却曲线二元合金冷却曲线的特征是的特征是: 在单相区和两相在单相区和两相区冷却曲线为一斜区冷却曲线为一斜线。线。 分析典型合金的结晶过程分析典型合金的结晶过程由一个相区进入另一相区时由一个相区进入另一

45、相区时, 冷却曲线出现拐点冷却曲线出现拐点:a. 由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐;b. 由相数多的相区进由相数多的相区进入相数少的相区曲线入相数少的相区曲线向左拐向左拐。 发生三等温转变时，发生三等温转变时，冷却曲线呈一冷却曲线呈一水平台水平台阶。阶。 分析合金结晶过程分析合金结晶过程 画出组织转变示意图。画出组织转变示意图。 计算各相、各组织计算各相、各组织组成物相对重量百分比：组成物相对重量百分比：a. 在单相区在单相区，合金由单，合金由单相组成，相的成分、重相组成，相的成分、重量即合金的成分、重量。量即合金的成分、重量。b. 在两相区在两

46、相区，两相的成分随温度，两相的成分随温度沿各自的相线变化，各相和各组沿各自的相线变化，各相和各组织组成物的相对重量可由杠杆定织组成物的相对重量可由杠杆定律求出。律求出。合金成分为杠杆的支点，相或组合金成分为杠杆的支点，相或组织组成物的成分为杠杆的端点。织组成物的成分为杠杆的端点。 c. 在三相区在三相区，三个相成分固定，三个相成分固定，重量不断变化，杠杆定律不适用。重量不断变化，杠杆定律不适用。 合金成分合金成分相相1成分成分相相2成分成分相相1重量重量相相2重量重量合金成分合金成分组织组织1成分成分组织组织2成分成分组织组织1重量重量组织组织2重量重量相图与合金性能之间的关系相图与合金性能之

47、间的关系 相图与合金力学性能、物理性相图与合金力学性能、物理性能的关系能的关系 两相机械混合物的合金两相机械混合物的合金:性能与性能与合金成分呈直线关系，是两相性合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如：能的算术平均值，如： 混混= Q + Q HB混混=HB Q +HBQ(Q 、Q为两相相对重量为两相相对重量) 单相固溶体的合金单相固溶体的合金：性能随成分呈曲线变化，随溶质性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，含量增加，、HB、 增加，塑增加，塑性下降。性下降。 形成稳定化合物的合金：形成稳定化合物的合金：性能性能-成分曲线出现拐点。成分曲线出现拐点。相图与铸造性能的关系相图与铸造性能

48、的关系 固溶体合金固溶体合金液固相线间液固相线间距越大、偏析倾向越大距越大、偏析倾向越大, 树树枝晶发达枝晶发达, 流动性降低流动性降低, 补补缩能力下降缩能力下降, 分散缩孔增加分散缩孔增加. 共晶合金共晶合金结晶温度低，结晶温度低，流动性好，缩孔集中，流动性好，缩孔集中， 偏偏析小，析小， 铸造性能好。铸造性能好。根据相图判断材料的工艺性能根据相图判断材料的工艺性能 铸造性能：根据液固相线之间的距离铸造性能：根据液固相线之间的距离X X越大，成分偏析越严重（越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大因为液固相成分差别大）；）； X越大，流动性越差（越大，流动性越差（因为枝晶发达因为枝晶发达）；）； X越大，热裂倾向越大（越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大因为液固两相共存的温区大）。）。 塑性加工性能塑性加工性能：选择具有单相固溶体区的合金。因为