第七章 二元系相图和合金的凝固

第七章二元系相图与合金的凝固

IV二元包晶相图及其它相图材料科学基础2009-2010学年第一学期FundamentalsofMaterialsScience11.简单包晶相图的形成条件和主要特征

A和B组元化学性质或原子尺寸相差较大，或晶体结构不相同。两个组元混合后，在液态下完全互溶，在固态下部分互溶，形成有限固溶体。部分成分的合金在冷却过程发生三相平衡反应：包晶反应。简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram2液相线固相线固溶线简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram

典型包晶相图分析3（１）相图中的区（a）３个单相区Ｌ：A和B无限互溶。：A为溶剂，B原子溶入A晶格中形成有限固溶体。：B为溶剂，A原子溶入B晶格中形成有限固溶体。和相区位于相图的两端，相和相也称为端际固溶体。（b）３个双相区：Ｌ＋，Ｌ＋，＋L+相区和L+相区：两相平衡反应：L；L冷却过程发生匀晶反应，从液相结晶出I固溶体。Ｌ；或从液相结晶出I固溶体。+相区：两相平衡反应：

冷却过程发生脱溶分解，从和相中分别析出II和II。

＋II，＋

II，固溶析出（脱溶分解）简单相图-包晶相图Eutecticphasediagram4（2）相图中的线ACB：液相线，合金开始结晶出或的温度。ADPB：固相线：合金结晶结束的温度。AD和AC：L+平衡共存时，液相和相成分随温度变化曲线。CB和PB：L+平衡共存时，液相和相成分随温度变化曲线。DF：B在A中的最大溶解度随温度变化的曲线，相饱和溶解度曲线。PG：A在B中的最大溶解度随温度变化的曲线，相饱和溶解度曲线。

简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram5水平线DPC：三相平衡共存：L++三相平衡反应，L+

水平线上的点：D，P，C，三个单相区与水平线的接触点，代表三个平衡相的成分。冷却过程，在该温度，成分为C点的液相和成分为D点的固溶体反应生成固溶体。ＬC＋

DP所有成分在D-C范围内的合金冷却到该温度都将发生包晶转变。简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram62.包晶反应在一定温度下，一定成分的液相和已结晶的一定成分的固相形成另一个成分和结构都不相同的固相的过程。简单相图-包晶相图

平衡包晶反应产物为成分均匀的单相固溶体或化合物。包晶反应是三相平衡反应，自由度F=0，转变在恒温下进行，三个相的成分在反应过程保持不变。在二元相图中对应一水平线DPC，称为包晶反应线。水平线对应的温度为包晶转变温度。peritectic

phasediagram7水平线与三个单相区点接触，液相区和先结晶的一个固相区分别在包晶反应线的两端，一个固相区（包晶反应产物）位于共晶反应线下部的中间。三个接触点P、C、D分别代表了参与包晶反应的三个相的成分。C点对应的成分为液相的成分，D点和P点对应的成分代表两个固相的成分。P点称为包晶点，具有该点成分的合金称为包晶合金。LPCD简单相图-包晶相图AmBnLPCDperitectic

phasediagram8简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram3.平衡结晶过程9简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram+IILL+LL+

+II10计算包晶反应时的相对含量简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram100%W11简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram12包晶转变过程，相倾向于依附初生相的表面形核，并消耗液相和相而生长。相包围着初生相

长大，使液相与相隔开，相就不能直接与液相L接触。液相和相中原子之间不能直接地相互扩散，必须通过相，导致了包晶转变的速度往往是极缓慢的。4.不平衡结晶：（1）包晶合金：实际生产中冷却速度较快，包晶反应过程原子扩散不能充分进行，导致包晶反应不完全，即在低于包晶温度仍然有液相或在仍残留在心部，液相在继续冷却过程发生匀晶转变或其它反应，形成包晶反应的非平衡组织。（2）成份在包晶线左侧的合金在冷却过程不应该发生包晶反应，由于在不平衡匀晶转变过程，初生的平均成分线偏离平衡成分线，使部分剩余液相和初生发生包晶反应，形成少量的相。简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram13实例分析Pt-Ag相图简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram14Pt-Ag相图分析1.组元和相Pt和Ag均面心立方结构。在高温下液态下可以互溶。在固态下，两者不能无限即连续互溶，各自形成两种有限固溶体:相—是以Pt为溶剂的有限固溶体，Ag以单个原子溶在Pt的面心立方晶体点阵，以置换方式占据Pt点阵位置。相—是以Ag为溶剂的有限固溶体，Pt以单个原子溶在Ag的面心立方晶体点阵，以置换方式占据Ag的点阵位置。相区和相区分别位于相图的两端，相和相也称为端际固溶体。简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram152.凝固及其平衡组织（1）42.4％Ag的Pt－Ag合金（合金I）匀晶转变L，包晶转变L+包晶转变开始时，L和的相对量：简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram

包晶转变结束时，先结晶的相和液相全部转变为相。随温度降低，相脱溶分解

+II

。室温平衡组织为b+aII。16（2）10.5％＜w(Ag)＜42.4％（合金II）L匀晶转变，包晶转变L+，脱溶分解

+II和

+II包晶转变开始时，L和的相对量：合金中相的相对量大于包晶反应所需的量。包晶转变结束后，除了新形成的相外，还有剩余的相存在。包晶温度以下，相中将析出II，而相中将析出II。室温平衡组织为++II＋II。简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram17（3）42.4％＜%Ag＜66.3％（合金III）匀晶转变L，包晶转变L+，匀晶转变L和脱溶分解

+II包晶转变开始时，L和的相对量：合金中液相的相对量大于包晶转变所需的相对量。包晶转变后，剩余的液相在冷却过程中，将按匀晶转变方式继续结晶出相，液相成分沿cb液相线变化，而相的成分沿pb线变化，直至t3温度凝固结束。在t4温度以下，相中将析出

II，室温平衡组织为+II。简单相图-包晶相图peritectic

phasediagram18具有化合物的相图（1）在某些二元合金系中，可形成一个或几个化合物，由于它们位于相图中间，故又称中间相。（2）根据化合物的稳定性可分为：稳定化合物。稳定化合物有确定的熔点，可熔化成与固态相同成分的液体。不稳定化合物。不稳定化合物不能熔化成与固态相同成分的液体，当加热到一定温度时会发生分解，转变为两个相。（3）没有溶解度的化合物在相图中是一条垂线，有溶解度的化合物在相图中是一个相区。具有化合物的相图19合金成分为36.6％Si时形成稳定化合物Mg2Si，没有溶解度。它具有确定的熔（1087℃），熔化后的Si含量不变。把稳定化合物Mg2Si看作一个独立组元，把Mg－Si相图分成Mg2Si和Mg、Mg2Si－Si两个独立的二元共晶相图进行分析。具有化合物的相图20

MoNi为不稳定化合物，有一定的溶解度，相图上为一个相区。它由包晶转变L＋Mo（固溶体）→MoNi得到。当加热到包晶线时分解为成分与之不同的液相和Mo为基的固溶体。其它相图-具有化合物的相图21

部分二元合金在液态下不能完全互溶，在一定范围分离成两个互不相溶的两个液相L1和L2。L1是B组元在A组元中的饱和溶液，L2是A组元在B组元中的饱和溶液。液相产生分层现象，在相图中出现在双液区L1+L2

，又称液相分层区。平衡共存的两个液相又称为共轭溶液。两个液相的密度和成分各不相同，两个液相的成分随温度分别沿双液区边界线变化。其它相图-溶混间隙相图22调幅分解其它相图-溶混间隙相图23偏晶转变是由一个液相L1分解为一个固相S和另一成分的液相L2的恒温转变。L1

L2+S

L1相区在偏晶线上部的中间，S（）相区和L2相区分别位于偏晶线的两端。SL1L2dcfL1（d）

L2（c）

+Sf其它相图-偏晶相图24合晶反应是在恒温下由两个成分不同的液相L1和L2相互作用形成一个固相S的过程：

L1+L2SS（）相区在合晶线下部的中间，L1相和L2相区分别位于合晶线的两端。L1SL2sbaL1（a）+L2（b）

Ss其它相图-合晶相图25熔晶反应是由一个固相恒温分解为一个液相和另一个成分和结构不同的固相的过程。S1

L

+S2

S1相区在熔晶线上部的中间，S2和L相区分别位于熔晶线的两端。S1

S2LscdS2（s）

Lc

+S1（d）

其它相图-熔晶相图26固溶体晶型转变其它相图-具有固态转变的相图27在某些合金系，在低温下，在不同的成分范围，可以出现不同有序相。这类典型的合金系为Cu-Au相图。Cu和Au均为面心立方结构，在高温下形成无限固溶体，在低温可形成几种有序相：Cu3Au（I，II），Cu-Au（I，II），CuAu3。随温度降低，发生无序固溶体有序相Cu3AuICu3AuII。其它相图-具有固态转变的相图28三相平衡反应共析反应共析反应是在一定温度下（共析温度），一定成分的固相同时析出两个成分或结构都不相同的固相和的过程：e

c

+d共析反应是三相平衡反应，根据相律，自由度为零，反应温度和三个相的成分不变。共晶反应的产物为两个固相和的机械混合物，称为共析体或共析组织。相区在共析线上部的中间，α相区和β相区分别位于共析线的两端。

ecde

c

+d其它相图-具有固态转变的相图29包析转变包析转变是在一定温度下（包析温度），两个成分和结构都不相同的固相和相互作用形成另一个新的固相的过程：

d+c

p包析转变是三相平衡反应，根据相律，自由度为零，转变在恒温下进行，三个相的成分在转变过程保持不变。相区和相区分别位于包析线的两端，包析产物相区在包析线下部的中间：pcdd+c

p其它三相平衡反应30二元相图中的三相平衡反应

恒温转变类型反应式相图特征分解型（共晶型）共晶转变Lα+β共析转变γα+β偏晶转变L1L2+α熔晶转变δγ+L合成型（包晶型）包晶转变L+βα包析转变γ+βα合晶转变L1+L2α31（1）相邻相区之间的相数为1，点接触除外。两个单相区之间必有一个双相区。两个单相区只能交于一点。三相水平线只能与两相区相邻，而不能与单相区有线接触。（2）两相区与单相区的分界线与水平线相交，其延长线进入两相区，而不会进入单相区。（3）所有水平线都代表了三相平衡的恒温转变，水平线与参与平衡反应的三个相区为点接触，接触点分别代表了三个相的成分。转变的类型可由三个相的位置和性质确定。二元相图的几何规律32（1）先看相图中是否存在稳定化合物，如有，则以这些化合物为界，把相图分成几个区域进行分析。（2）根据相区接触法则，区别各相区。（3）找出三相共存水平线，分析这些恒温转变的类型。（4）应用相图分析具体合金随温度改变而发生的相转变和组织变化规律。在单相区，该相的成分与原合金相同；在两相，不同温度下两相成分分别沿其相界线而变。根据研究的温度，画出连结线，其两端分别与两条相界相交，由此根据杠杆法则可求出两相的相对量。三相共存时，三个相的成分固定，不能用杠杠定理确定相对量，但可用杠杆法则求出恒温转变前、后组成相的相对量。复杂二元相图的分析方法33（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，并不能表示出相的形状、大小和分布；相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条件下合金和陶瓷很少能达到平衡状态，因此要特别重视它们在非平衡条件下可能出现的相和组织。尤其是陶瓷，其熔体的粘度较合金大，组元的扩散比合金慢，因此，许多陶瓷凝固后极易形成非晶体或亚稳相。（6）相图的建立由于某种原因而可能存在误差和错误，则可用相律来判断。复杂二元相图的分析方法34合金的性能很大程度上取决于组元的特性及其所形成的合金相的性质和相对量，借助于相图所反映出的这些特性和参量来判定合金的使用性能（如力学和物理性能等）和工艺性能（如铸造性能，压力加工性能，热处理性能等），对于实际生产有一定的借鉴作用。1．根据相图判断合全的使用性能形成两相机械混合物的合金，其性能是两组成相性能的平均值，即性能与成分呈线性关系。固溶体的性能随合金成