第四章-二元相图课件

第四章二元合金相图6/12/20231二元相图前言物质再温度、压力、成分变化时，其状态会发生变化。相图就是表示物质的状态、压力、温度的关系的简明图解。利用相图，我们可以知道在热力学平衡条件下，各种成分的物质在不同温度、压力下的相组成、各种相的成分、相的相对量。6/12/20232二元相图第一节相图的基本概念主要内容如下：☞相图的定义、表示方法及其测定；☞相平衡的概念及相平衡的条件；☞相律Material6/12/20233二元相图1.相图定义合金系中相的状态和组织与成分、温度之间的关系图称为相图（压力恒定）。Material二元合金相图的表示相图的建立1.实验测定法（热分析法）热分析示意图6/12/20234二元相图2.相图的建立1.匀晶相图的建立匀晶相图Material6/12/20235二元相图2.相图的建立（续）2.共晶相图的建立共晶相图Material6/12/20236二元相图3.杠杆定律1.杠杆定律杠杆定律示意图Material杠杆定律只适合于两相区1.杠杆定律的表达式在两相区内，两相的重量比与相图中所截两线段成反比。2.应用（1）确定两平衡相的相对含量及各相所占的重量分数（2）确定两平衡相的成分（3）求合金成分MaterialMaterial6/12/20237二元相图4.相平衡与相律1.相平衡☞合金中各相之间不发生相变（动态平衡）。2.相平衡的条件☞各组元在各相中的化学位相等。Material6/12/20238二元相图4.相平衡与相律（续）1.相律定义在平衡条件下，系统的自由度数与相数、组元数之间的关系。表达式在压力恒定的条件下，有：

F=C-P+1式中，f—自由度数；C—组元数；P—相数应用确定自由度数；确定系统由几相平衡共存；Material6/12/20239二元相图第二节二元相图的基本类型1.基本内容☞匀晶转变与匀晶相图☞共晶转变与共晶相图☞包晶转变与包晶相图Material6/12/202310二元相图1.匀晶相图与匀晶转变☎匀晶转变 由液相直接析出单相固溶体的过程。（Lα)☎匀晶相图 完全具有匀晶转变的相图。（典型：Cu-Ni相图）☎相图分析两点：纯组元的熔点；两线：L,S相线；三区：L,α,L+α。MaterialCu－Ni匀晶相图6/12/202311二元相图12LL+ααNiCuWCu%LLαα1点以上1-2点2点以下30%Cu1.匀晶相图与匀晶转变（续）Material1.匀晶系合金（30%Cu）凝固过程示意图6/12/202312二元相图1.匀晶转变过程中原子扩散示意图CuNiα1α2L1.匀晶相图与匀晶转变（续）Material6/12/202313二元相图1.匀晶相图与匀晶转变（续）☞平衡结晶过程 平衡结晶就是无限缓慢地冷却，原子扩散非常充分，时时达到相平衡条件的一种结晶方式。☞固溶体结晶机理 与纯金属结晶的相同处 与纯金属结晶的不同处1.固溶体的平衡结晶及其组织Material

☎与纯金属结晶的比较

①

相同点：基本过程：形核－长大；热力学条件：⊿T>0；

能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。②不同点：合金在一个温度范围内结晶合金结晶是选分结晶：需成分起伏分析6/12/202314二元相图固溶体的非平衡过程及其组织1.匀晶相图与匀晶转变（续）MaterialCu-Ni不平衡结晶凝固及组织图6/12/202315二元相图1.匀晶相图与匀晶转变（续）☎晶内偏析 一个晶粒内部成分不均匀的现象（微观偏析）。☎影响枝晶偏析的因素①冷却速度②相图中L-S相线的间隔③偏析元素的扩散能力☎消除枝晶偏析的手段

产生偏析的实质：原子扩散不充分，造成各处成分不均匀。

消除手段：扩散退火（均匀化退火）。1.偏析Material6/12/202316二元相图2.共晶相图1.基本内容☞共晶相图☞典型合金的平衡结晶过程☞初晶与共晶组织☞共晶合金的不平衡结晶及组织Material6/12/202317二元相图2.共晶相图(续）共晶转变

组成共晶相图的两组元，在液态可无限互溶，而固态只能部分互溶，甚至完全不溶。两组元的混合使合金的熔点比各组元低，因此，液相线从两端纯组元向中间凹下，两条液相线的交点所对应的温度称为共晶温度。在该温度下，液相通过共晶凝固同时结晶出两个固相，这样两相的混合物称为共晶组织或共晶体。以Pb-Sn相图为例：Material6/12/202318二元相图2.共晶相图(续）Material1.共晶相图相平衡线MN把相图划分为3个单相区：L，α，β；3个两相区：L+α，L+β，α+β；而L相区在共晶线上部的中间，α相区和β相区分别位于共晶线的两端。Pb-Sn共晶相图Material2.相图分析附注根据相律，在二元系中，三相共存时，自由度为零，共晶转变是恒温转变，故是一条水平线。图中MF和NG线分别为α固溶体和β固溶体的饱和溶解度曲线，它们分别表示α和β固溶体的溶解度随温度降低而减少的变化。

6/12/202319二元相图2.共晶相图(续）合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）（1）Wsn<19％的合金①凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。②二次相（次生相）的生成：脱溶转变（二次析出或二次再结晶）。③室温组织（α＋βⅡ）及其相对量计算。Material含10％的Pb－Sn合金平衡冷却示意图6/12/202320二元相图2.共晶相图(续）Material1.共晶合金（含61.9％Sn）

w(sn)＝61.9%的合金为共晶合金。该合金从液态缓冷至183℃时，液相LE同时结晶出α和β两种固溶体，这一过程在恒温下进行，直至凝固结束。继续冷却时，共晶体中α和β相将各自沿MF和NG溶解度曲线变化而改变其固溶度，附注2.共晶组织MaterialPb－Si共晶组织从α和β中分别析出βII和αII。由于共晶体中析出的次生相常与共晶体中同类相结合在一起，所以在显微镜下难以分别出来，所以室温组织为α＋β6/12/202321二元相图2.共晶相图(续）1.亚共晶合金（19%<Sn<61.9%）

成分位于M，E两点之间的合金称为亚共晶合金，因为它的成分低于共晶成分而只有部分液相可结晶成共晶体。室温组织通常可写为

α初+(α+β)+βIIMaterial2.亚共晶合金（19%<Sn<61.9%）MaterialPb－Sn亚共晶结晶过程示意图附注液相共晶反应生成的(α+β)在冷却过程中，会同时沿MF和NG变化，析出βII和αII，但是βII和αII

量很少，同时分别依附在β＋α上，不易分辨，所以室温组织为α初+(α+β)+βII6/12/202322二元相图2.共晶相图(续）1.过共晶合金

成分位于E，N两点之间的合金称为过共晶合金。其平衡凝固过程及平衡组织与亚共晶合金相似，只是初生相为β固溶体而不是α固溶体。室温时的组织为β初+(α+β)＋αII

。Material2.过共晶合金组织MaterialPb－Sn过共晶组织6/12/202323二元相图2.共晶相图(续）1.共晶相图的组织MaterialPb－Sn共晶相图组织分布图6/12/202324二元相图3.共晶组织形态1.三种常见共晶组织的立体图Material6/12/202325二元相图3.共晶组织形态（续）Material1.几种常见共晶组织的图6/12/202326二元相图3.共晶组织形态（续）1.搭桥方式生长的共晶合金Material6/12/202327二元相图4.共晶组织长大过程Material1.层片状共晶的长大过程成分互惠－交替形核片间搭桥－促进生长

两相交替分布共晶组织6/12/202328二元相图5.共晶合金的不平衡结晶及组织伪共晶 不是共晶成分的合金获得全部共晶体的组织。

离异共晶 在共晶相数量较多而共晶体数量很少的情况下，共晶体中与初晶相同的一相往往依附于初晶生长，而使共晶中的另一组成相留在晶界或枝间处，从而看不出典型的共晶组织形态。把这种两相分离的共晶组织称为离异共晶。MaterialMaterial6/12/202329二元相图5.共晶合金的不平衡结晶及组织（续）1.共晶合金的不平衡结晶MaterialMaterial2.共晶合金的不平衡结晶组织6/12/202330二元相图6.包晶相图1.基本内容☞包晶相图☞典型合金的平衡结晶☞包晶转变机理及不平衡结晶Material6/12/202331二元相图6.包晶相图（续）1.包晶相图具有包晶转变特征的相图。2.包晶转变 一定成分的液相和一定成分的固相在恒温下转变成为另一固相。

以Pt-Ag相图为例：

LC+αP

βDMaterialPt－Ag包晶相图附注E点和书上的P点不一样Material6/12/202332二元相图1.典型合金的平衡结晶（1）w(Ag)为42.4％的Pt－Ag合金

结晶过程：液相：AC固相：AP

PDC发生共晶反应

LC+αP

βD

室温组织：β＋αⅡ。6.包晶相图（续）Material6/12/202333二元相图1.典型合金的平衡结晶（2）42.4％＜w(Ag)＜66.3％的pt-Ag

结晶过程：

合金II缓冷至包晶转变前的结晶过程与上述包晶成分合金相同，由于合金H中的液相的相对量大于包晶转变所需的相对量，所以包晶转变后，剩余的液相在继续冷却过程中，将按匀晶转变方式继续结晶出产β相，其成分沿CB液相线变化，而b相的成分沿DB线变化，直至t3温度全部凝固结束。室温组织：β＋αⅡ。6.包晶相图（续）Material6/12/202334二元相图1.典型合金的平衡结晶（3）10.5％＜w(Ag)＜42.4％

的Pt-Ag合金结晶过程：合金III在包晶反应前的结晶情况与（2）情况相似。室温组织：

β＋αⅡ＋α＋βⅡ6.包晶相图（续）Material6/12/202335二元相图6.包晶相图（续）1.包晶转变机理及不平衡结晶包晶转变的产物β相包围着初生相a，使液相与a相隔开，阻止了液相和a相中原子之间直接地相互扩散，而必须通过β相，这就导致了包晶转变的速度往往是极缓慢的.显然，影响包晶转变能否进行完全的主要矛盾是所形成新相β内的扩散速率。

实际生产中的冷速较快，包晶反应所依赖的固体中的原子扩散往往不能充分进行，导致包晶反应的不完全性，即在低于包晶温度下，将同时存在未参与转变的液相和a相，其中液相在继续冷却过程可能直接结晶出b相或参与其他反应，而a相仍保留在β相的心部，形成包晶反应的非平衡组织.2.扩散退火可以消除或改善包晶偏析MaterialMaterial6/12/202336二元相图7.包晶转变的应用1.细化晶粒2.轴承合金MaterialMaterial6/12/202337二元相图8.其它类型的二元合金相图1.具有稳定化合物的相图稳定化合物——加热时具有固定的熔点，在熔点以下保持固有的结构不发生分解。在相图上把这种化合物看做一个独立组元，用一条垂线表示，并把相图分成两个独立的相图。例：Mg-Si系Material6/12/202338二元相图8.其它类型的二元合金相图（续）2.具有共析反应的相图共析转变—一定成分的固相在恒温下同时析出两个不同成分的固相。（属于共晶型转变，但是没有液相参与反应）例：Fe-Fe3C系：

Material（PSK共析线）6/12/202339二元相图小结1.二元相图中，有水平线的地方必有三相平衡反应。2.三相平衡反应中，有液相参加的三相平衡反应－“晶”；没有液相参加的三相平衡反应－“析”Material6/12/202340二元相图9.二元相图的分析方法及应用基本内容二元相图的一些几何规律相区接触法则二元相图中的三元平衡区必定是一条等温水平线。相区分析的一般步骤二元相图的应用Material6/12/202341二元相图9.二元相图的分析方法及应用（续）相区接触法则相图中相邻相区的相数差为一（点接触除外）。即两个单相区之间必定有一个由这两个组成的两相区；两个两相区之间必须以单相区或三相区（水平线）隔开。二元相图中的三相平衡区必定是一条等温水平线。相律：f=C-P+1=2-3+1=01.二元相图的一些几何规律Material6/12/202342二元相图

看相图中是否存在稳定化合物。如存在的话，则将稳定化合物作为独立组元，把相图分成几个部分进行分析。确定各单相区及其中的相。根据相区接触法则，确定各相区中的组成相，并分析各相界线及成分点的意义。找出三相共存水平线及与其点接触的三个单相区。由三个单相区与水平线的相对位置确定三相平衡转变的性质。应用相图分析具体合金的结晶过程和组织。利用杠杆定律计算两相或两组织的相对量。2.相区分析的一般步骤9.二元相图的分析方法及应用（续）Material6/12/202343二元相图3.二元相图的应用应用相图时要注意的问题相图反映的是平衡条件下相的平衡，而不是组织的平衡。但是可以在相图上标注出各相区的组织组成物。相图给出的是平衡状态时的情况。二元相图只反映二元合金相的平衡关系。9.二元相图的分析方法及应用（续）Material6/12/202344二元相图2.根据相图判断合金的力学性能单相固溶体合金两相混合物合金3.根据相图判断合金的热处理可能性4.判断合金的铸造性能5.判断合金的其它工艺性能压力加工性切削加工性能3.二元相图的应用9.二元相图的分析方法及应用（续）Material6/12/202345二元相图第四节铁碳相图和铁碳合金c%2.11wt.%：碳钢c%2.11wt.%：铸铁

1.前言Material6/12/202346二元相图第四节铁碳相图和铁碳合金Fe-C合金的基本相及组织

Fe-Fe3C相图

基本内容：Lessons6/12/202347二元相图1.Fe-C合金的基本相及组织1.纯Fe（pureiron):①C%0.0218wt.%，Tm=1538℃，有同素异构转变：

1394℃：-Fe-Fe（A4转变），晶体结构由bcc

fcc

912℃：-Fe-Fe（A3转变），晶体结构由fcc

bcc②-Fe在770℃恒温下发生磁性转变（A2转变）；2.C在Fe中的间隙固溶体①铁素体（ferrite）

C在-Fe中的固溶体，bcc晶格，含C量低，C%max=0.0218wt.%

（727℃），常用或F表示；②奥氏体（austenite）

C在-Fe中的固溶体，fcc晶格，C%max=2.11wt.%（1148℃），

常用或A表示6/12/202348二元相图1.Fe-C合金的基本相及组织(续)3.渗碳体（Fe3C,cementite）Fe3C：Fe与C的化合物（复杂间隙相，C%=6.69wt.%）

硬而脆，塑性差，网状、粒状、条状等（由热处理条件决定）

4.珠光体（pearlite)

共析转变的产物（共析体)，与Fe3C的机械混合物，常用P表示，

性能位于与Fe3C之间。5.莱氏体（ledeburite）共晶转变的产物（共晶体），共析线以上温度为与Fe3C的机械混

合物——高温莱氏体（Ld）；共析线以下温度为P与Fe3C的机械混

合物——低温莱氏体（Ld’）。来氏体通常硬而脆，通常呈鱼骨状。

6.石墨（graphite）单质的C（100%C），多出现在铸铁组织中，强度、硬度、塑性都

很低。6/12/202349二元相图2.Fe-Fe3C相图

1.三条水平线

①包晶转变

1495℃，HJB：L0.53+δ0.090.17；

②共晶转变即LLd1148℃，ECF：L0.43(2.11

+Fe3C6.69)

③共析转变即

P，727℃，PSK（A1线）：

0.77(0.0218+Fe3C6.69)本节的主要内容是阐述相图中的几条重要线。Lessons6/12/202350二元相图2.Fe-Fe3C相图(续)2.三条重要的固态相变线①GS线（A3线）合金在冷却过程中，的开始

线，也是加热时的终了线。②ES线（Acm线）

C在中的固溶线，合金从1148℃

到727℃时，从中析出Fe3CⅡ，

2.110.77+Fe3CⅡ6.69③PQ线C在中的固溶线，合金从1148℃

冷到室温时，从中析出Fe3CⅢ，

0.0218

0.001+Fe3CⅢ6.69Lessons6/12/202351二元相图2.Fe-Fe3C相图(续)3.其它线①A2线（770℃）

的磁性转变线，770℃时为

铁磁性②A0线（230℃）

Fe3C的磁性转变线，230℃时

Fe3C为铁磁性Lessons6/12/202352二元相图2.Fe-Fe3C相图(续)4.典型合金的结晶过程1）工业纯铁w(C)<0.0218%;

2)共析钢w(C)=0.77%；

3)亚共析钢0.0218%<w(C)<0.77%；

4)过共析钢0.77%<w(C)<2.11%；

5)共晶白口铁w(C)=4.30%；

6)亚共晶白口铁2.11%<w(C)<4.30%；

7)过共晶白口铁4.30%<w(C)<6.69%；Lessons6/12/202353二元相图Lδ-Feγ-Feα-FeFeFe3C06.69727℃1148℃1495℃0.772.114.30PLd’L+γLd’+Fe3CP+Fe3C+Ld’P+αP+Fe3CA1A3ACmγ+α1227℃L+Fe3CLd钢铸铁5.以组织标注的Fe-Fe3C相图

6/12/202354二元相图2.Fe-Fe3C相图(续)6.Fe-Fe3C相图的组织

Lessons工业纯铁亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶铸铁共晶铸铁过共晶铸铁6/12/202355二元相图2.Fe-Fe3C相图(续)6.Fe-C合金的分类及其组织类别合金C%(wt.%)组织举例纯铁0.0218

+Fe3CⅢ

－－钢亚共析钢0.0218~0.77

+P+Fe3CⅢ

45钢、20钢

共析钢0.77PT8过共析钢0.77~2.11P+Fe3CⅡ

T10、T12铸铁亚共晶白口铁2.11~4.3高温：+Ld+Fe3CⅡ

室温：P+Ld’+Fe3CⅡ

－－共晶白口铁4.3高温：Ld室温：Ld’－－过共晶白口铁4.3~6.69高温：Ld+Fe3CⅠ

室温：Ld’+Fe3CⅠ

－－注：铸铁中的C以Fe3C形式存在，其断口通常呈白亮色，故称为白口铸铁。

Lessons6/12/202356二元相图3.C对Fe-C合金组织和性能的影响1-1.对组织的影响

碳含量对Fe-C合金组织的影响的示意图如下：Material图中，F——铁素体；

P——烛光体；

Ld’——莱氏体；6/12/202357二元相图3.C对Fe-C合金组织和性能的影响（续）1-2.对性能的影响

Material含碳量对Fe-C合金力学性能的影响6/12/202358二元相图3.C对Fe-C合金组织和性能的影响（续）1-3.对工艺性能的影响适合锻造：C%<2.11%，可得到单相组织。适合铸造：C%～4.3%。，流动性好。适合冷塑变：C%<0.25%，变形阻力小。适合热处理：0.0218~2.11，有固态相变。Material6/12/202359二元相图4.杂质元素对钢的组织与性能的影响钢中所包含的元素大致有：碳、硅、硫、磷、锰等5大元素和其他一些元素。它们对钢的作用如下：Definition硅（Si）和锰（Mn）

硫（S）——有害元素，产生热脆磷（P）——有害元素，产生冷脆氮（N）

氢（H）——产生氢脆氧（O）6/12/202360二元相图4.杂质元素对钢的组织与性能的影响（续）左图所示的是Fe-S二元相图，从图中可以看出S导致钢产生热脆的原因。6/12/202361二元相图4.杂质元素对钢的组织与性能的影响（续）

左图所示的是Fe-P二元相图，从图中可以看出P导致钢产生冷脆的原因。6/12/202362二元相图4.杂质元素对钢的组织与性能的影响（续）下面的Fe-N相图表明，N对钢的影响：使钢的强度、硬度上升，但塑性、韧性下降。6/12/202363二元相图4.杂质元素对钢的组织与性能的影响（续）氢和氧的影响：

①氢脆②白点③非金属夹杂

Material6/12/202364二元相图5.合金铸锭的组织基本内容Guidelines1.铸锭的典型组织；2.铸造缺陷；6/12/202365二元相图1.铸锭的典型组织铸锭的组织从外至内分为以下三种：