材料科学基础课件各种习题-华理5.2-3二元相图

第一节相图的表示和测定第二节二元相图分第三节二元合金的凝固理论第四节三元相图匀晶相图及固溶体凝共晶相图及其合金凝包晶相图及其合金凝复杂二元相图的分析方根据相图推测合金的性二元合金相图分析实Fe—C相相图的类型和结1.相图分二组元在液态无限溶解，固态下也无限溶解1.相图分二组元在液态无限溶解，固态有限溶解，有共晶反应，形成机械混合物的共晶相图。二组元在液态无限溶解，固态有限溶解，有包晶反应的包晶相图。二组元在液态有限溶解，有偏晶或合晶反应的相图其它相图2组2组成相图的独立组成物。组元可以是纯的元素，如金属材料的纯金属，也可以是稳定相相图中代表不同相的状态的区域叫相区，相区可分为单相区、双相区和三相区。单相区中液相一般以表示，当有几个固态单相区时，则由左向右依次以、、等符号表示。在两个单相区之间有对应的两相区存在。相界在相图上将各相区分隔开的线叫相界线，由②固相线：其下全为固相，可表示为L+/L③固溶线：当单相固溶体处于有限溶解时，其饱和溶解度决定于温度，温度降低，溶解度减少，因此自固溶体中析出第二相，相图中以固溶线反应这种析出转变。④水应线：在共晶、包晶等类型相图中有水平线，代表在此恒定温度下发生某种三相反应。⑤其它相界线：不具有以上特性，仅作为相区分界线的相界3.3.单相区：=2，相的成分和温度可以在一定范围内独立变化。在特殊情况下，单相区也可以是一条垂直的几何线，如确定成分的化合物或纯组元。两相区：=1，共存的两个相的成分随温度的变化被约束在一对共轭曲线上，该曲线是两相区的边界线。三相区：=0，三相区呈一定温度、一定成分范围的一条水平线段。三个平衡相的成分一定，分别位于该水平线段的两个端点及两个端点之间。根据相图可以判断材料的平衡组组织是指在显微镜下观察，具有独特形态的组成部分。组织由相组成，有单相组织和两相组织，无论单相或两相组织，由于相的形状、分布不同，在显微镜下特征不同，因而显示不同的组织。实际应用中的二元相图多数是很复杂的，不过它们都是由一些最基本的类型复合叠加起来的。因此必须熟练地掌握相图的基本类型，以便具有分析实际应用中的二元相图多数是很复杂的，不过它们都是由一些最基本的类型复合叠加起来的。因此相图的能力匀晶相图和固溶体匀晶相变:液相直接结晶出单相固溶匀晶相图和固溶体匀晶相图：具有匀晶转变的相图晶体结构相同，原子尺寸接近，△r<15%，两者具有相同原子价的电负性两点：端点分别为纯Cu、Ni 两线：相图由一条液相线和一条固相线组成。三区：液相区(用L表示)、固溶体区(用α表示)、结晶区间用L+α表示)。当系统处于两相平衡时=1。有些合金的匀晶相图还有极点 d©2003Brooks/Cole,ad©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusehereinunderlicense.2.••结晶过程成分均匀化：每时刻结晶出的固溶体的成分不同固溶体的凝固过程也是一个形核和长大固溶体的凝固与纯金属的凝固相比有两个显著特点相成分与原液相成分不同。固溶体凝固为异分结晶；纯金属凝固结晶，：，：固溶体平衡凝固过程分为三个过非平衡凝固(结晶)（non-equilibrium不平衡组织（non－equilibrium原因:冷速快(原子来不及充分扩散，导致内外不均匀)对非平衡凝固结论如下固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同，有一定的偏离，其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重；冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡条件。液相线的偏离程度较固相线小。先结晶部分含有较多的高组元(Ni)，后结晶部分含有较多的低组元(Cu)。非平衡结晶条件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时的终止温度。结晶的温度范围增大。 固溶体非平衡结晶时，一个晶粒化学成分不均匀，称为晶内偏析。先结晶的晶粒与后结晶晶粒的成分是不同的，这种成分的不均匀称为晶间偏析。 由于固溶体一般都以枝晶状方式结晶，先结晶的枝晶轴（干）含有高组元多，而后结晶的分枝枝晶间含有低的组元多，导致先结晶的枝干和后结晶的枝间成分不同。在一个枝晶范围内成分不均匀的现象称为枝晶偏析(dendritic)。枝晶偏析对合金的力学性能影响较大。枝晶偏析程度大小与铸造时冷却条件、原子的扩散能力，相图形状有密切关系:冷却速度：在其它条件不变时，V冷越大，晶内偏析程度严重，但得到枝晶较小。如果冷速极大，致使偏析来不及发生，反而又能够得到成分均匀的铸态组织。合金的结晶范围：偏析元素在固溶体中扩散能力越小，相图上液、固相线间距离的间隔愈大，形成树枝晶状偏析的倾向愈大。要消除枝晶偏析采用均匀化退火(扩散退火nanneal)共晶相图及合金凝共晶相图及合金凝在一定条件下(温度、成分不变)，由均匀液体中同时结晶出两种不同固相的转变。即：L→α+β共晶相图(eutecticphasediagram):具有共晶转变的相图。液态下两组元能无限互溶，固态下只能部分互溶(形成有限固溶体或化合物，甚至有时完全不溶，并具有共晶转变。共晶体的结共晶相图的建吉布斯自由能曲线建立共晶相相图中的三个基本相：液相（L）、固相α和点：纯组元；最大溶解度点；共晶点(eutectic相图中有相线：液相线（AEB）、固相线（AMNB）和共晶转变线（MN）。F和N则代表两固溶体和的溶解度曲线。共晶转变线是一条水平线，是、α和β三相共存的温度和各相的成分。成分为E的液相在该温度下发生共晶反应(eutecticreaction：L→M+N 根据相律，三相平衡时有=0。因此三个平衡相的成分及反应温度都是确定的，在冷却曲线中出现一个平台。共晶温度 共晶点或共晶成分(eutectic 相图中相区：3个单相区为L相区、α相区和β相区；3个双相区为L+α相区、L+β相区、α+β相区；1个三相共存区，MEN根据相变特点和组织特征将共晶系合金分为了四类：端部固体合金、亚共晶合金（c alloy）、共晶合金（eutecticalloy）、过共晶合金（hypereutecticalloys）(1)(1)端部固溶体合金结晶和组织转变过程：L→L+匀晶反应＋脱溶转变(从固溶体中不断析出第二相E端部固溶体合金室温组织Wα=(1.0-0.1)/(1.0-0.02)=91.8%Wβ=(0.1-0.02)/(1.0-E2含10%Sn量合金的平衡结晶的显微组织该合金发生共晶反应：LE→αM +βN,恒温进行，形成共晶体(α+β)。两个相的相对量：αM=EN/MNβN=ME/MN结晶和组织转变过程：L→L+(α+β)→(α+β)共晶反E室温组织：(α+β)共组织特征:片层交替分布，共晶(α+β)共中α、β相对量都可通过杠杆法则求出。共晶反应完了时：Wα=(0.975-0.619)/(0.975-Wβ=(0.619-0.19)/(0.975-0.19)室温时：Wα=(1.0-0.619)/(1.0- =Wβ=(0.619-0.02)/(1.0-0.02)=(α+β)共→(α+βⅡ+β+αⅡ)EPb－Sn共晶合金（Ⅱ）的平衡结晶的显（3）结晶和组织转变过程EL→L+α→L+α+(α+β)共→α+(α+β)E→α+βⅡ+(α+β)匀晶反应＋共晶反应＋脱溶转室温组织：α+βⅡ+(α+β)在共晶转变之前，从液态中先结晶出α相。先结晶出的相叫先共晶相（eutectice）。先共晶相和液相比例可用杠杆法则求出室温组织中α、β的相对量，先共晶α相和共晶(α+β)共的相对量都可通过杠杆法则求出。组织组成和相组成的计算共晶反应结束时,组织组成 W(α+β)共=(50-19)/(61.9-共晶反应结束时,α、β的相对量 室温时,组织组成Wα3=(100-19)/(100-2)×Wα1W(α+β)共=(50-19)/(61.9-室温时α、β的相对量：

室温组织：α+βⅡ+(α+β)亚共晶合金的平衡结晶的显微组过共晶合金的平衡凝过共晶合金的凝固过程和组织特征与亚共晶合金相类似，只是初生相先共晶相为固溶体而不是固溶体。类合金的冷却曲线类 共晶合其结晶过程组织变化类 共晶合金结晶过程：L→L+β→L+β+(α+β)共→β+(α+β)共→+(α+β)匀晶反应＋共晶反应＋脱溶转室温组织：β+αⅡ+(α+β)过共晶合金的平衡结晶的显微组共晶系合金的平衡凝固小共晶系合金的平衡凝固分为两类：固溶体合金和共晶型合金。前者的结晶的组织为初生固溶体和次生组织；后者的结晶的组织为初生固溶体、共晶体和次生组织。在室温时合金是由和两个基本相构成。组织组成物是在结晶过程中形成的，有清晰轮廓的独立组成部分，如上述组织中α、αⅡ、β、βⅡ、(α+β)都是组织组成物。相组成物是指组成显微组织的基本相，它有确定的成分及结构但没有形态上的概念，上述各类合金在室温的相组成物都是相和相。不同成分范围的合金，室温的相组成除固溶体区外其余都是β，而组织组成不相同。图中6个组织区分别为：Ⅰ区：α单相组织；Ⅱ区Ⅱ；区：α+Ⅱ+(α+β)共；Ⅳ区：(α+β)共；区：β+αⅡ+(α+β)共；Ⅵ区：β+Ⅱ(1)伪共伪共晶(pseudoeutectic)：由于快速冷却，非共晶成分合金所得到的共晶组织。原因：不平衡不平衡组织：由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织；共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。(伪共晶区偏移)（2）①离异共晶：由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中α相依附于初生α相生长，将共晶体中另一相β推到最后凝固的晶界处从而使共晶体两相组成相间的组织特征，这种两相分离的共晶体称为离异共晶（divorcedeutectic）。成原因：快速冷却，匀晶反应后，残留液体组分位于亚共晶组织处，至共晶温度发生共晶反应。因依附于初生相③消除：扩散退火包晶相图及其合金包包晶相图及其合金有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余液相(有确定成分)发生反应生成另一种固相的恒温转变过程包晶相图(peritecticphase两组元在液态下无限互溶，固态下只能部分互溶并具有包晶转变的相图。1.1.线：APDB固相线、ACB液相线、水平线(PDC)为包晶转变线包晶线上仅有PD为固相线，PE、DF固溶度曲线包晶转变线上的合金在该温度发生包晶转变：Lc+αP相区：三个单相区为L、α和β；三个双相区为L+α、L+β、β；三相共存于PDC线，为L+α+β 包晶线与共晶线不同之相混合物。包晶线仅有DP为固相线，而DC为液

包晶点合金（42.4%)的平衡凝结晶和组织转变过程：L→L+α→(L+α+β→β)→α发生包晶反应：PD为恒温反应匀晶反应＋包晶反应＋脱溶转室温组织：αⅡ+β,αⅡ、β的相对量可通过杠杆法则求Wα=DC/PC＝42.8％WL=PD/PC＝57.2包晶反应完了时Wβ=室温时

D

②包晶点以右合金的平衡凝结晶和组织转变过程:L→L+α→(L+α+β碰到PC发生包晶反应LC+αD=βP为恒温反应 室温组织：αⅡ+β，αⅡ、β的相对量可通过杠杆法则求出。Wα=GC/PC<42.8%WL=PG/PC>57.2包晶反应完了时G G室温时③包晶点以左合金的平衡凝结晶和组织转变过程：L→L+α→(L+α+β→α+β)→α+β碰到DP发生包晶反应：LC+αP=βD为恒温反应 室温组织：αⅡ+Ⅱ，、的相对量可通过杠杆法则求出。开始包晶反应时:WL包晶反应完了时 室温时α

β

包晶转变一般不易进行完全，即最终组织不易达到平衡状态，且包晶反应速度较慢，易形成非平衡组织。包晶转变形成的非平衡组织可采用延长时间，使合金元素进行充分的扩散退火的方法来减少和消除。包晶转变有两个显著特点相上形成；二是包晶转变的不完全性。根据这两个特点，在工业上可有下述应用。 包晶利用包晶转变可以细化晶粒钛，可获得显著的细化晶粒效果。根据AT相图，当含钛量超过0.15%以后，合金首先从液体中结晶出初晶TiA3，然后在665发生包晶转变：L+TiA3→α。TiA3对α相起非均匀形核作用，α相依附于TiA3上形核并长大。由于从液体中结晶出的TiA3细小而弥散，其非均匀形核作用的效果很好，细化晶粒作用显著。 在某些二元系中，可形成一个或多个化合物，化合物一般处于相图的中间位置，又称为中间相（intermediatephase）。根据两组元间形成化合的稳定性，可分为形成 稳定化合物是指具有固定的，且在以下保持固有结构 相图特征：形成的没有溶解度的化合物在相图上表现为一条垂线。可以把它作为一个独立的组元而把相图分为两部分。该类化合物成分是固定的，或在一定范围内但有确定的。Mg-Si合金,就能形成稳定化合物Mg2Si。Mg-Si合金相图属于含有稳定化合物的相图。在分析将整个Mg-Si相图可分为形成不稳定化合物是指在加热到一定温度时会发生分解的化合相图特征：化合物线在加热到一定温度化合物会分包晶反应所形成的中间相均属于不稳定化合物。它们不能视为独立组元而把相图划分为简单相图。固相中有化合物分解和生成的二元系统相偏晶转变（monotecticreactio）相图特点：在一定的成分和温度范围内，两组元在液态下也只能有限溶解，存在两种不同浓度的液相L1和L2。其转变特征：是在一定温度下从一个液相中同时分解出一个固相和另一成分的液相的过程，且固相的相对量总是偏多：合晶转变（syntecticreaction）相图特点：二元组在液态下有转变特征：在恒定温度下，两个成分不同的液相相互作用形成一个固相的转变称为合金转变。即L1+L2→α具有合晶转变的二元系如：Na- 在某些合金结晶过程中，当达到一定温度会从一个固相分解为一个液相和另一个固相，即发生了固相的再熔现象，这种转变称为熔晶转变（metatecticeactio）。即：δ→L+γ变时，则其固溶体会出现三种情况：固溶体的多晶型转变，共析转变、包析转变、偏析转固溶体的多晶型转变又称为多具有共析转变的相共析转变(eutectoidreacti)是在一定温度下一个固相转变为另两个固相的过程，即：γ→(α+β)。共析反应是由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相,此两相混合物称为共析体。如γFe→Fe+F3C共析转变与共晶转变相似，区别在于它是由一个固相在恒温下转变为另外两个固相。共析转变对热处理强化意义很大。钢的热处理是以共析转变为基础的。 共析合金（eutectoidalloy）、亚共析合金（hypoeutectoidalloy）、过共析合金（hypereutectoidalloy）具有包析转变的相包析转变（peritectoidreaction）类似于包晶转变，区别在于包析转变是由两个固相反应生成另外一个固相：γ+ε→ζ(4)具有随着温度降低固溶体中溶解度下降，析出第二相的过程，称(4)具有相区接触法在二元相图中，相邻相区的相数差为，点接触除外两个单相区之间必有一个双相区，三相平衡水平线只能与两相区相邻，而不能与单相区有线接触。在二元相图中，三相平衡一定是一条水平线，该线上一定与3在水平线中间处。该水平线一定与3个两相区相邻。两相区与单相区的分界线与水平线相交处，前者的延长线应进入另一个两相区，而不可能进入单相区。复杂二元相图的分析方分析复杂二元首先看相图中是否存在化合物，稳定化合物，则以这些稳定化合物为界(把化合物视为组元)，把相图分成几个区域(基本相图进行分析。根据相区接触法则，认清各相区的组成相组成二元相图的基本单元有单相区、两相区和三相水平线。这些单元根据相区接触法则组合在一起。 单相区：代表一种具有独特结构和性质的相的成分和温度范围，若单相为一根垂线，则表示该相成分不变。 双相区：邻区原则是含有P个相的相区的邻区，只能含有P±个相。违背了这条原则，相律的要求。两相区中平衡相之间都有互溶度，只是互溶度大小不同而已。三相区找出所有的三相共存水平线，分析这些恒温转变的类型，写出转变式。下表列出了二元系各类三相恒温反应(转变)的类型，可借助于分析。应用相图分析典型合金的组晶过程和组织变化规律单相区；相成分、质量与原合金相双相区；在不同温度下两相成分沿相界线变化，各相的相对量可由杠杆法则求得。三相共存(平衡)时，三个相的成分固定不变，可用杠杆法则求出恒温转变前、后相组成的相对量。二元相图二元相图恒温转变类反应相图特分解（共晶型共晶转共析转偏晶转L1L2+熔晶转合成（包晶型包晶转包析转合晶转包晶反包晶反包晶反共析反共析反共析反共析反包析反包析反熔晶反共晶反(5)(5)在应用相图分析实际情况时，切记相图只给出体系在平衡条件下存在的相和相对量，并不能表达出相的形状、大小和分布（这些只取决于相的本性及形成条件）；相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条件下很难达到平衡状态，因此(6)相图的正确与否可用相律来判断要特别重视它们的非平衡条件下可能出现(6)相图的正确与否可用相律来判断在分析和认识了相图中的相、相区及相变线的特点之后，就可分析具体合金随温度改变而发生的相变及组织变化。注意事项相图是在平衡条件下测定的，而实际中的很少能达到平衡状态相图不能给出相的形状、大小和分布相图可能存在误差和错误合金的性能取决于合金的组织，而合金组织与图有关，所以可根据相图预测合金平衡状态下的一些性能。包括：使用性能（力学性能、物理性能等 工艺性能（合金的铸造、压力加工、切削加工、一般形成两相机械混合物的合金的性能是各相性能的平均值，即性能与成分呈线性关系；形成固溶体合金时性能与成分呈曲线关系；形成稳定化合物时，其性能在曲线上出现奇点。固溶体合金中溶质原子溶使使溶剂晶格发生变化畸变，使固溶体强度、硬度升高，而塑性降低，这一现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金固溶体的性能与溶质合金铸造性能(合金的流动性和缩孔性) 动性，增多分散缩孔。所以，铸造合金Fe-C铁碳合金相(Iron–CarbonPhaseDiagram钢(Steels)和铸铁(Castirons)是应用最广的金属材料，它们的基本组 是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金（alloysoftheiron－carbonsystem） 铁碳相图概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。化合物是硬脆相，工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C (一Fe—Fe3C铁碳合金中组元铁Fe和碳(C，而e—e3合金相图的组元：纯铁和渗碳体（e3）纯铁纯铁固态下具有同素异构转变（allotropictransformation）：912℃和纯铁具有磁性转变（768℃磁性转变、magnetictransformation）纯铁的强度低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁磁性（ferromagnetism）纯铁的显微组2.2.渗碳体 渗碳体（cementite）是Fe—C合金中碳以化合物(Fe3C)形式出现的。它具有复杂的晶格，其晶体结构如图。Fe3C是由C原子构成的一个斜方晶格，原子周围有六个Fe原子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个八面体共有，渗碳体的晶C为1227℃，3C是一种亚稳化合物，在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：F3→3e+C石墨。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。Fe—C相图为介稳定系相图，Fe－C相图为稳定系相图，Fe3C在230℃以下具有铁磁性，A0表示C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳体硬而脆(，塑性极低，延伸率接近于0。它是钢铁材料中的主要强化相。C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以F3C为基的固溶体。Fe被 n等原子金属置换，形成以e3为基的固溶体，称为合金渗碳体。(二(二)Fe—C可有六个基本相：L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、石墨（C）液相(L):Fe与C在高温下形成的液体溶液。(ABCD线以上高温铁素体(δ相):C在δ－temperatureferrite）。奥氏体40%~5%)高。奥氏体的显微组织见下图。是顺磁性)具有c结构。晶粒呈平直多边形。铁素体(α或)是C溶于αe形成的间隙固溶体称为铁素体。C原子溶于八面体间隙。单相α相在GPQ以左部分。铁素体的含碳量非常低，在727℃时C在αe中最大溶解量为0.0218%，室温下含碳仅为0.005%，所以其性能与纯铁相似：硬度(H580)低，塑性(延伸率δ为30%-5%)高。铁素体的晶粒常呈多边形。是铁磁性，具有c结构。石墨(C)：在一些条件下，碳可以以游离态石墨(graphite)稳定珠光体莱氏体莱氏体是由奥氏体(A)＋Fe3C组成的一种机械混合物，用符号Ld表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，主要(三FeFe3C相图分°T °

包晶相

共晶相Hδ A+δNA

E

CⅠ(A+Fe3CⅠ

L+ G共析相图

FF

(F+Fe3C

Q

P

(P+Fe3C

0.0218%C A0纯铁B包晶转变时液态合金的成C共晶D渗碳体EF共晶反应生成的渗碳G0α-Fe向γ-Fe转变温度H碳在δ-Fe中的最大溶J包晶K共析反应生成的渗碳M0纯铁的磁性转变N0γ-Fe向δ-Fe的转变温度Oω（C）≈0.5％合金的磁性转变温P碳在α-Fe中的最大溶解S共析点Q600℃时碳在α-Fe中的溶解七个两相区：Lδ，Lγ，LFe3Cδγα＋γ，α＋Fe3C，γ＋（渗碳体的包晶转变反应式LB+

共晶转变反应式

(AE