材料科学基础I-第七章-(相图)

第七章二元相图及合金的凝固亚共晶Pb-Sn合金的显微组织照片几种基本相图

匀晶相图（Cu-Ni合金相图）

共晶相图（Pb-Sn合金相图）

包晶相图（Pt-Ag合金相图）相律，杠杆定律及其应用

§引言

相图(Phasediagrams)是一个材料系统在不同的化学成分、温度、压力条件下所处状态的图形表示，因此，相图也称为状态图。由于相图都是在平衡(Equilibrium)条件（极缓慢冷却）下测得的，所以，相图也称为平衡相（状态）图。

相图中的相(Phase)是指具有相同的状态（气、液、固）、相同的化学成分和结构的区域。对于成分单一的纯物质，如纯水、纯金属、纯氧化物等，由于没有成分的变化，一般采用压力(Pressure)-温度(Temperature)相图(PTphasediagrams)。对于常用的合金相图，因为压力的影响很小，况且一般都是处在1个大气压的条件下，所以不再把压力当作变量考虑，而采用温度-成分相图。本章所介绍的主要是这一类的二元合金相图。纯铁的T-P相图铜-银合金(的T-C)相图水的T-P相图我们可以从相图中得到许多重要的信息：

1某一成分的合金，在一定的温度所处的状态及相的组成；

2合金在冷却过程中发生了哪些反应或转变，以及发生反应或转变的开始与终了温度；

3一定成分的合金室温下具有什么样的平衡组织，进一步可以根据组织与性能的关系，预测材料的性能；

4相图与材料的加工工艺性能也存在一定的对应关系。

因此，相图在新材料的研究和开发、材料的生产加工过程中都起着十分重要的作用。一、相律f=c-p+2或f=c-p+1(常压)合金系的最大自由度数：纯金属：fmax=1(成分固定不变0，温度1)二元合金：fmax=2(成分独立变量1，温度1)三元合金：fmax=3(成分独立变量2，温度1)§7-1相律和相图的建立

F=0的含义是：在保持系统平衡状态不变的条件下，没有可以独立变化的变量。即，任何变量的变化都会造成系统平衡状态的变化。

压力不变的二元合金系统(以后所涉及的二元合金系统都是压力不变的，不再特别说明)，C=2，F=0时，P=3。这说明，当二元合金系统同时出现三个相时，就没有可以独立变化的因素了。也就是说，只有在一定的温度、成分所确定的某一点才会出现三相同时存在的状态。二元系统(C=2)

二元合金系统三相共存状态，都是在发生平衡反应的过程中。可以推断出，二元合金系统的平衡反应仅有二大类型：A→B+C，

A+B→C。由于自由度数为0，这些平衡反应都是恒温反应，并且反应中的三个相(无论是反应相，还是生成相)化学成分都是固定的。只有当反应结束后(相数小于3时)，随着温度的变化，相的化学成分才可能发生变化。

建立相图的方法有两种：利用已有的热力学参数，通过热力学计算和分析建立相图；依靠实验的方法建立相图。目前计算法还在发展之中，实际使用的相图都是实验法建立的。二、相图的建立实验法建立相图的原理和步骤：以A-B二元合金相图的建立为例。首先，将A-B二元合金系分成若干种不同成分的合金。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。设计合金的成分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)，即临界点。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。测量合金的冷却曲线将冷却曲线上的临界点分别标在温度－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。连接临界点，得到相图

上述方法称为热分析法，它是利用合金在转变时伴有热学性能变化的特性，通过测量系统温度的变化来得到临界温度，从而建立起相图。除此之外，还可以利用材料在发生转变时伴随有体积变化的特性，通过测量试样长度随温度的变化得到临界点，从而作出相图。这种方法称为热膨胀法。另外还有电阻法，它是利用材料电阻率随温度的变化来建立相图的。后两种方法适用于测定材料在固态下发生的转变。三、杠杆定律1、确定两平衡相的成分：CL、Cα杠杆定律的证明2、确定两平衡相的相对重量杠杆定律的力学比喻杠杆定律解决某一成分的合金在某一温度下的相组成。一垂线：成分线。一水平线：温度线。三点：原始成分点：垂线与成分线的交点。两个组成相成分点：水平线与相界线的交点。注意：只能计算双相区的相组成。7.2.1匀晶相图（Isomorphoussystem)

由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。

当两个组元化学性质相近，晶体结构相同，晶格常数相差不大时，它们不仅可以在液态或熔融态完全互溶，而且在固态也完全互溶，形成成分连续可变的固溶体，称为无限固溶体或连续固溶体，它们形成的相图即为匀晶相图。

具有这类相图的合金系主要有Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。7.2二元相图分析(1)相图分析线：液相线、固相线区：液相(L)区、固相(α)区、液固两相共存(L+α)区(2)平衡结晶过程LL1、t>t1:L2、t=t1:L

α3、t3<t<t1:

L,α共存4、t=t3:结晶完成5、t<t3:α固溶体(3)有极值的匀晶相图a）具有极大点b）具有极小点Fe-Co、Co-Pb、Fe-Ni、Fe-V、Fe-W、Mn-Co、Mn-Ni、Pb-Ti、V-W、Ti-Zr等。TABLγL+γβγ+β(4)有晶型转变的匀晶相图如：Nd-Pr、Sc-ZrSc-Y、Hf-Ti、Ca-Sr富Ni富CuCu-Ni合金晶内偏析的组织晶内偏析：晶粒内部成分不均匀；偏析程度：与相图形状、原子扩散能力、冷却速度有关。

液相线与固相线的水平距离和垂直距离

2.偏析原子扩散能力3.V冷却偏析程度消除办法：扩散退火一个液相同时结晶出两个不同固相的过程称为共晶转变。两组元在液态下无限互溶，而在固态下互不相互溶或有限互溶，并发生共晶转变，形成共晶组织的相图，称为二元共晶相图。7.2.2共晶相图(EutecticPhaseDiagram)LA+BABL+AL+BwB%两组元完全不溶共晶产物——共晶转变产物（两相混合物）（1）比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造的操作。（2）共晶合金比纯金属的流动性好，不易产生枝晶。（3）恒温转变，偏聚不会缩孔。（4）获得多种形态的显微组织。（1）相图分析Lαβα+βL+αL+β液相线液相线固溶线固溶线固相线固相线α：B原子溶入A基体中形成的固溶体β：A原子溶入B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。相区：3个单相区L,α,β3个两相区L＋α，L+β,α+β1个三相区L+α+β(水平线CED)

根据相律，三相平衡时：F=C-P+1=2-3+1=0

此时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。共晶线eutecticline——水平线CED

共晶点eutecticpoint

——E

共晶温度eutectictemperature

——TE共晶反应

在一定温度下，由一固定成分的液相同时结晶出两个固定成分的固相的反应，称为共晶反应。（2）平衡凝固及其组织Pb-Sn相图①w(Sn）≤19％的合金Ⅰ室温下相组成物

组织组成物相对量②共晶合金合金Ⅱw(Sn）＝61.9％室温下相组成物:

组织组成物:具有e点成分的合金叫共晶合金。hIj③亚共晶合金合金Ⅲw(Sn）＝50％

从一个固溶体中析出另一个固相——脱溶。次生的固溶体以表示（）。2e点以左成分的合金叫亚共晶合金。室温下相组成物

组织组成物组织组成物相对量④过共晶合金合金Ⅳw(Sn）＝85％⑤合金成分

w(Sn）>97.5％结晶过程与亚共晶合金类似。室温平衡组织结晶过程与合金类Ⅰ类似。室温平衡组织e点以右成分的合金叫过共晶合金。合金Ⅰ、合金Ⅱ（共晶合金）、合金Ⅲ（亚共晶合金）室温平衡组织合金Ⅰ合金Ⅱ合金Ⅲ层片状（Al-CuAl2，定向凝固）

棒状或条状（Sb-MnSb，横截面）

螺旋状（Zn-Mg）灰铁

针状（ZL102未变质）

短棒状或颗粒（Cu-CuO）常见合金的共晶组织铝硅针状共晶组织铅铋树枝状共晶组织Cu-Cu3P放射状共晶组织铝钍螺旋状共晶组织常见合金的共晶组织7.2.3包晶相图(PeritecticPhaseDiagram)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。包晶反应

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。根据相律包晶反应时F=0

此时三个平衡相的成分及反应温度都是确定的。（1）相图分析相区：3个单相区L,α,β3个两相区L＋α，L+β,α+β1个三相区L+α+β(水平线DPC)TACTB-液相线TADPTB-固相线DF-α固溶体溶解度曲线PG-β固溶体溶解度曲线DPC（水平线）-包晶线P－包晶点（2）平衡凝固及其组织①合金Ⅰ（包晶点成分合金）时间室温平衡组织LL→α

β→αⅡ当温度降到包晶点温度TP时，计算包晶反应前α相和液相L的相对含量，用杠杆定律可得，室温平衡组织相对量理论上讲液相L和α相同时消耗完毕，得到单一的β相晶体。

发生包晶反应时，β相的成分在P点，液相L和α相的成分分别在C、D，它们消耗的比例为对于包晶点成分合金，即将发生包晶反应时，

一般β相是在α相上生核，形成一层β相的外壳，把α相包起来与L相隔绝，然后通过原子相两边扩散，消耗α相和L相而长大。②合金Ⅱ（D～P间成分合金）合金Ⅱ的平衡结晶过程示意图室温平衡组织α相的量比包晶反应时所需的量多，即（包晶转变后α相有剩余）室温平衡组织③合金Ⅲ（P～C间成分合金）合金Ⅲ的平衡结晶过程示意图L相的量比包晶反应时所需的量多，即（包晶转变后L相有剩余）7.2.4其他类型的二元相图一、形成化合物的相图（1）稳定化合物稳定化合物：具有一定的熔点，在熔点以下，保持自己固有的结构而不发生分解，当温度达到熔点时，化合物发生熔解，熔解时所生成的熔体与化合物成分完全一致。化合物在相图中为一垂线，垂线的顶点是其熔点，垂足是其成分。（2）形成不稳定化合物的相图K-Na相图

不稳定化合物加热至一定温度时，不是发生本身的熔化，而是分解为两个相，所生成的液相与原化合物显然不同。二、具有三相平衡的二元相图1、分解型（1）共析转变共析线共析点在一定温度下，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。α→

β1+β2（2）偏晶转变L分解为另一个液相与新固相。L→

Cu+L247（3）熔晶转变一个固相，部分转变为新固相，部分熔化。δ→γ+L2、合成型（1）包析转变两个固相合成一个新固相。r+Fe2B→α（2）合晶转变L1a+L2b=βs

两个互不溶液相共同生成一个固相。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+L2α一、二元相图各类恒温转变类型、反应式和相图特征相图基本类型小结1.两个单相区只能有一个点接触；2.两个单相区之间，必定是一个由这两个单相构成的两相区；3.三相共存，必定是一条水平线，它和三个两相区相邻；二、二元相图的几何规律4.如果两个三相区中有两个共同的相，这两条水平线之间必定是这两个相组成的两相区；5.所有两相区边界线不应延伸到单相区，而应进入相邻的两相区。三、二元相图的分析方法1.若有稳定的中间相，可依此把相图分为几个部分。2.根据相区接触法则填写各相区。

相区接触法则：二元系相图中，相邻相区的相数之差均为一（点接触除外）。3.找出三相共存水平线，确定其转变性质和反应式4.分析典型成分合金的结晶过程及组织转变，并利用杠杆定律计算各相相对含量。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。具有三种恒温转变的相图包晶转变(HJB水平线)共晶转变(ECF水平线)共析转变(PSK水平线)垂直线(Fe3C)Fe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)PSK0.77727CECF4.32.111148CHJBANGQDLC,wt%1495C1538C1394C912C§7.2.5Fe-C合金相图1)Fe-C合金中的组元和基本相2)Fe-Fe3C合金相图分析3)铁碳合金分类4)典型合金的结晶过程分析及组织5)相组成物及组织组成物计算6)含碳量对组织及性能的影响铁碳合金中的组元：纯铁(Fe):熔点1538℃铁素体(ferrite，F或α）：碳原子溶于α-Fe形成的固溶体（BCC）奥氏体（austenite，A或γ）：碳原子溶于γ-Fe形成的固溶体（FCC）高温铁素体：C在δ－Fe的间隙固溶体（δ相），在1459℃时最大溶解量可达0.09%，为bcc结构。渗碳体：碳原子与铁原子形成复杂结构的化合物（正交点阵）石墨：碳原子以游离态稳定相存在（六方结构）1、Fe-C合金中的组元1、Fe-C合金中的基本相在Fe—Fe3C相图中，Fe-C合金在不同条件(成分，温度)下，可有六个基本相：L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、石墨(C)碳在γ－Fe晶格中的位置2、Fe-Fe3C合金相图分析1）点：五个单相区：七个双相区：3）线：2）区：①ABCD液相线②AHJECF固相线。③三条水平线。HJB、ECF、PSK④三条析出线CD、ES、PQ⑤GS线2、Fe-Fe3C合金相图分析三条水平恒温转变线包晶线：HJB线（1459℃），J为包晶点，wc=0.09～0.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应，即：L0.53+δ0.09→α0.17

（LB+δH→αJ）共晶线：ECF水平线（1148℃），C点为共晶点，wc=2.11～6.69%的Fe、C合金缓冷到EFC线均发生共晶反应，即：L4.30→γ2.11+Fe3C（LC→γE+Fe3C）转变产物为γ和Fe3C组成的共晶混合物称为莱氏体（ledeburite），用Ld表示。三条水平恒温转变线共析线：PSK水平线（727℃），S点为共析点。凡wc>0.0218%的Fe、C合金冷却到PSK线均发生共析反应，即：γ0.77→α0.0218+Fe3C（γS→αP+Fe3C）转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体（pearlite），用P表示。共析转变温度常用A1表示。三条水平恒温转变线3、铁碳合金分类1）工业纯铁：C≤0.0218%的Fe－C合金。2）碳钢：0.0218%<C≤2.11%的Fe-C合金。共析钢0.77%

亚共析钢0.0218～0.77%

过共析钢0.77～2.11%.3）白口铸铁：2.11%<C≤6.69%的Fe-C合金。亚共晶白口铁2.11～4.3%

共晶白口铁4.3%

过共晶白口铁4.3～6.694、典型合金的结晶过程分析及组织典型铁碳合金平衡结晶过程分析图1）含碳0.01%的铁碳（工业纯铁）工业纯铁的平衡组织

4、典型合金的结晶过程分析及组织2）含碳0.77%的铁碳合金（共析钢）室温P

组织，α

和

Fe3C呈层片状。

3）含碳0.4%的铁碳合金（亚共析钢）

含碳0.40%的碳钢结晶过程示意室温平衡组织组成物都是珠光体和先共析铁素体。4）含碳1.2%的铁碳合金（过共析钢）

含碳1.2%的碳钢结晶过程示意组织是珠光体和二次渗碳体含碳量<1.0%,二次渗碳体呈颗粒状分别在晶界（又称断续网状），对性能影响不是很大；含碳量>1.0%，二次渗碳体呈现出连续的网状，将严重损害钢的塑性和韧性5）含碳4.3%的铁碳合金（共晶白口铸铁）1以上1~22以下含碳4.3%的共晶白口铸铁的结晶过程示意共晶白口铸铁的室温组织（白色基体是共晶渗碳体，黑色颗粒为珠光体）6）含碳3.0%的铁碳合金（亚共晶白口铸铁）

含碳3.0%的亚共晶白口铁结晶过程示意

亚共晶白口铸铁室温组织（黑色树枝状为珠光体，其余为莱氏体）合金室温平衡组织为：Ld'

＋Fe3CⅡ＋P。7）含碳5.0%的铁碳合金（过共晶白口铸铁）含碳5.0%的过共晶白口铸铁结晶过程示意

过共晶白口铸铁室温组织(白色的为一次渗碳体，其余为莱氏体)5、相组成物及组织组成物计算6、含碳量对组织及性能的影响1）对平衡组织