材料热力学课件-二元合金相图及合金的凝固和组织

2023/2/181第二章二元合金相图及合金的凝固和组织22023/2/18目录1有关相图的基本知识

2匀晶相图及固溶体合金的凝固和组织

3共晶相图及共晶系合金的凝固和组织

4包晶相图及其合金的凝固和组织

5其它类型的二元合金相图

6相图的分析和使用：Fe-C相图及铁碳合金

7相图的热力学基础32023/2/18合金

合金：由两种以上的金属或金属与非金属熔合（或烧结）在一起而具有金属特性的物质。根据组元数目，可分为二元合金、三元合金，四元以上合金称多元合金。合金品种：在元素周期表中除了少数气体元素外，几乎都可制作合金，若取80种元素来配制合金，任取三种元素组成的三元合金系就有C（80,3）种；每一合金系中还可以改变各组元的相对含量，形成许许多多合金品种42023/2/18合金相图：用图的形式表明一个合金系的成份、温度和相态之间的关系；用途：研究相结构和组织的形成和变化规律，可以了解该系合金在各温度下所存在的相态、相成分和各个相的含量，相转变温度等等。用来指导熔铸、加工和热处理工艺，研究某合金元素的作用和存在状态，研究合金的性能与组织的关系等。合金相图52023/2/181有关相图的基本知识1.1二元合金中存在的相相：在一个体系中，结构相同，成分和性能均一，并以界面相互分开的均匀部分。相与相之间有界面，如冰和水是两种不同的相态，食盐水溶液是一个相，若在饱和溶液中析出食盐晶体则成为两个相。有界面分开的不一定都是相，如合金中同一相的不同晶粒间。1.1.1相62023/2/181.液溶体：a.多数金属在液态下互相溶解而形成均匀的溶液；b.液态下部分互相溶解，达到饱和溶解度后就不再溶解，而形成有界面分开的成分不同的两种溶液，如Al-Cd，Cu-Pb，在一定温度和成分范围内，形成浓度不同和有界面分开的二层溶液c.在液态几乎完全不溶解，如Al-Ti，W-Cu，Fe-Bi等1.1.2．合金相种类：液溶体、固溶体、金属间化合物72023/2/182）固溶体

：溶质原子(离子或分子)溶入溶剂的晶体点阵中所形成的相，固溶体的晶体结构就是溶剂的晶体结构，按照溶质原子溶入熔剂的方式分为：固溶体的强度总是比组成它的纯组元高，且随溶质原子浓度增加，强度也增加。82023/2/183）中间相（金属间化合物）各组元间发生化学相互作用，形成晶体结构不同于组成元素的新相，新相有自己独特的结构和性质，位于相图的中间部位，又称为“金属间化合物”，包括正常价化合物，电子化合物和原子尺寸因素化合物。Mg-Si相图92023/2/18气相：不论气体有多少种，他们组成的混合系统都称为一相。液相：当几种液体完全互溶时，称为一相固相：当形成固溶体或化合物时为一相，若只是机械混合的话，有几种固体就有几种相。102023/2/18相变：一个相转变为其它相的过程相平衡状态：宏观上系统中同时共存的各相在长时间内不互相转化，属于动态平衡，微观上组元不停地通过各相界面进行迁移速度相等的转移。1.1.3相平衡条件与相律汽冰水晶型1晶型2一级相变二级相变112023/2/18

相律：在平衡条件下，合金的组元数和相数之间存在的关系

由热力学可知，组元转移驱动力是组元间化学位差，在α、β两相平衡系统中的平衡条件为：

μiα＝μiβ(5-1)

即，同一组元在两相中的化学位相等那么，合金中C个组元，p个相的平衡条件为每个组元在每个相中化学位均相等：相律(5-2)……122023/2/18吉布斯相律：ƒ=C-P+2(5-3)C：组元数，P：平衡共存的相数，

ƒ：自由度，指平衡系中不改变相数的前提下可独立变化的因素数目（如温度、压力、浓度等）

2：表示温度与压力两个因素对于不含气象的凝聚系统，合金相变时可视为恒压条件，相律的表达式为

ƒ=C－P+1(5-4)∵f≥0，∴纯金属最多只有两相平衡二元系最多存在三相平衡132023/2/181.2二元相图的表示、含义和杠杆定律单元相图：以温度和压力为坐标表示相态变化镁的相图OB和OC：G-L与G-S转变的临界线，体积变化很大，随压力升高，转变温度也升高OD：L-S转变的临界线，几乎与温度坐标垂直，压力变化对转变温度没有影响142023/2/18铁的P-T图AOB固f=C-P+2=3-P系统最少1个相，f=3-1=2，即T、P可独立改变；系统最多3个相，f=3-3=0，T、P均固定；当2相共存时，f=3-2=1，T、P只有一个可自由改变。152023/2/18硫有两种晶型，正交R和单斜M，相图中有3个三相点硫的P-T图162023/2/18横坐标的左、右两端点及从左至右的含义；横坐标上任一点代表某一成分的合金：如x1合金，x2合金。二元相图Bi-Cd相图及各成分合金的组织变化示意图表示恒压（一个大气压）下的状态，采用温度和成分为坐标的平衡图172023/2/18质量分数和摩尔分数WA和WB分别表示A和B组元的质量分数，aA、aB分别表示A和B组元的摩尔量，XA、XB分别表示A和B组元的摩尔分数（5-5）合金成分的表示方法182023/2/18线条：相转变温度和平衡相的成分；被线条所划分的区域称为相区，相区内注明合金存在的相态从相图上可以看出任一成分的合金在任一温度下所存在的相态，在什么温度下发生相转变及其转变类型等

如：x1合金冷却，Bi-Cd相图及各成分合金的组织变化示意图192023/2/18将成分坐标当作杠杆，以合金成分点为支点，两相的成分点分别为重点和力点，则与力学上的杠杆定律一样，即Cd/Bi=Qp/pr。即两相物质量/质量之比反比于支点到两个相点的线段长。杠杆定律Bi-Cd相图及各成分合金的组织变化示意图X1合金：Cd=75/100×100%Bi=25/100×100%202023/2/18WL/Wα=rb/ar注意：杠杆定律适用于平衡结晶时的两相区附录：杠杆定律212023/2/18合金成分为C，总重量为W在t1温度时，由液相和固相组成，液相的成分为CL

，重量为WL固相成份为Cα

，重量为Wα

则

W=WL+Wα

（1）

WL·CL+Wα·Cα=W·C（2）由（1）、（2）可得WL/Wα=(Cα-C)/(C-CL)

故WL/Wα=rb/ar

上式还可换写成

WL/W=rb/ab附录：杠杆定律的证明222023/2/18求在T2温度下x1合金中的L和Cd的含量解：1.在T2温度作水平线交于相区的边界线点L2和S，为L和Cd的成分点2.以L2S连线为杠杆，可求出两相的重量百分含量为

L=OS/L2S×100%

Cd=L2O/L2S×100%Bi-Cd相图及各成分合金的组织变化示意图232023/2/18相和组织

从液相中凝固出固相，称为初晶组织，再从液相中共同凝固出来两种固相，交替排列，有其形态的特点，称为共晶组织，共晶中Cd相与初晶Cd相为同一种相，性质完全一样，其形态不同。相组成物：把相看作构成合金组织的基本单元，如固态x1合金由Cd相和Bi相组成，Cd相占75%，Bi相占25%组织组成物：按组织形貌的特征来划分构成合金组织的单元，如固态x1合金由初晶Cd和共晶（Cd+Bi）组成242023/2/18

按杠杆定律计算x1合金在共晶温度的组织组成物的重量百分数：

Cd初晶=Em/ED×100%=35/60×100%=58.3%(Cd+Bi)共晶=mD/ED×100%=25/60×100%=41.7%

相组成物？

X2合金：？252023/2/18相图中其它成分合金凝固时的组织变化：262023/2/181.3用实验方法测绘二元相图合金中发生的所有相转变都同时伴随着某种物理、化学性质的变化，利用测定合金的某种物理、化学性质随温度的变化找出它们的相变点来测定相图常用方法热分析法

X射线分析法金相组织法硬度法电阻法热膨胀法磁性法……272023/2/181.3.1热分析法测绘Cu-Ni二元相图

测定合金的冷却（或加热）曲线1.选取有代表性的合金，测绘其冷却曲线，获得各合金的相变临界点2.将同类临界点成分-温度图上连接起来282023/2/181.3.2金相组织法测绘二元相图通过观察一系列成分的合金在不同温度下的组织变化情况，以确定其相变温度，一