金属与合金的相图

金属与合金的相图第2章金属及合金的相图

在实际工业中，广泛使用的不是单组元材料，而是由二元及以上组元组成的多元系合金材料。多组元的加入，使材料的凝固过程和凝固产物趋于复杂，这为材料性能的多变性及其选择提供了契机。在多元系中，二元系是最基本的，也是目前研究最充分的体系。相图：表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图(EquiliumDiagram)，就是将不同的温度以及在该温度下对应的稳定相，连同它的成分范围，汇集到一起构成的多元素信息，来表示合金系中的合金状态与温度、成分之间的关系。第2页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图平衡——在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。合金在极其缓慢冷却条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。相图是分析合金相组成及其转变的有效工具。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对量。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金组织状态和预测合金性能，可以作为熔炼、铸造、锻造及热处理的重要依据。也是分析合金组织的重要参考资料。第3页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图§2.1二元合金相图目前已测定出许多二元合金系的成分与其熔点和固态转变温度的关系曲线，并分析了不同成分的合金在不同温度下的组织状态。二元合金相图就是以这些试验结果为基础而建立起来的。§2.1.1二元合金相图的建立和表示方法§2.1.1.1二元相图的表示方法常压下二元合金的相状态决定于温度和成分。因此二元合金相图可用温度－成分坐标系的平面图来表示。

如果合金由A和B两个组元组成，横轴的一端表示纯组元A，另一端表示纯组元B，则任何一个合金的成分都可以在横轴上找到相应的一点。第4页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图

合金成分的表示方法有两种：一种是质量分数，另一种是摩尔分数。质量分数和摩尔分数之间的换算关系：例如：A组元的质量分数为WA，摩尔分数为xA，相对原子量为m

；B组元的质量分数为WB，摩尔分数为xB，相对原子量为

n，则：第5页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图

在由温度轴和成分轴构成的坐标平面中的任意一点叫做“表象点”。二元合金相图可以看成是由许多表象点构成的。一个表象点的坐标值就反映了一个给定合金的成分和温度。在相图中，根据表象点所在的区域，可确定这个合金在这个温度下含有哪些相。由相图还可确定给定合金的相变温度。

方法是：对应给定合金的成分值作垂直成分轴的垂线，垂线与相图中各条曲线有交点，这些交点的温度坐标值便是给定合金相应的相变温度。第6页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图第7页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图

二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点。测定材料临界点有动态法和静态法两种方法，动态法有热分析、膨胀法、电阻法等；静态法有金相法、X射线结构分析等，常用的方法是热分析法。相图的精确测定必须由多种方法配合使用完成。第8页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图测定过程：①配制不同成分的合金→②测定各合金的冷却曲线→③找出各合金冷却曲线的临界点（结晶开始和结晶终了温度）位置→④把各点标入温度-成分坐标图里→⑤连接相同属性的点，划分出相区，标出各相区存在的相。Cu-Ni

合金相图热分析法测定第9页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图§2.1.2相律和杠杆定律§2.1.2.1相律及应用相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。表达式：f=c-p+2（f–自由度数；c-组元数；p-相数）。通常情况下，压力对液固相间的影响不大，所以，凝聚态系统下可以不考虑压力的影响，即压力一定时：f=c-p+1。应用可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元系2个，二元系3个。可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属结晶恒温进行，二元合金变温进行。第10页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图§2.1.2.2

杠杆定律杠杆定律—平衡状态两相的成分及相对含量的计算工具。在合金的结晶过程中，合金各相的成分及其相对含量都在不断地发生变化，其中杠杆定律是确定任一温度下平衡状态的两相的成分和相对含量的有力工具。计算过程主要含两个步骤：确定平衡相的成分；（即液、固相线上的成分点）确定平衡相的相对含量：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。第11页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

12acba1b1c1T1T2杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即：QL/Q

=b1c1/a1b1杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为：

QL/QH=b1c1/a1c1Q

/QH=a1b1/a1c1 =1-QL/QH0第12页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图杠杆定律的证明第13页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图证明：设合金的质量为Q合金，其中Ni质量分数为b%，在T1温度时，L相中的Ni质量分数为a%，α相中的Ni质量分数为c%。则：Q（Ni）＝L（Ni）+α（Ni）即：Q合金

×b%＝QL

×a%＋Qα×c%∵Q合金＝QL＋Qα

∴（QL＋Qα)×b=QL×

a＋Qα×c∴QL/Qα=(c－b)/(b－a)∴QL/Qα=bc/ab或QL×ab=Qα×bc第14页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图杠杆定律的运用由杠杆定律可算出合金中液相和固相在合金中所占的质量分数（即相对质量）分别为：

QL/Q合金=W(L)=bc/ac

Qα/Q合金=W(α)=ab/ac运用杠杆定律的注意事项只适用于相图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，而支点为合金的成分点。第15页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图§2.1.3二元合金相图的基本类型§2.1.3.1匀晶相图及固溶体的结晶

匀晶相图---发生匀晶反应的合金的相图

匀晶转变——合金的结晶都是从液相结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。表达式：L

α一、概念及相图分析

两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所形成的相图。具有典型匀晶相图的合金系有：

Cu-Ni系、Ag-Au系、Fe-Cr系、Cr-Mo系等第16页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T，C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区第17页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图二、匀晶合金的结晶过程—匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。abcdTCtL

LL匀晶转变L

冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

第18页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

12acba1b1c1T1T2杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即：QL/Q

=b1c1/a1b1杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为：

QL/QH=b1c1/a1c1Q

/QH=a1b1/a1c1 =1-QL/QH0三、相对量的计算及杠杆定律的运用第19页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图举例：求30%Ni合金在1280

C时相的相对量。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

ac30a1b1c11280

C解：作成分线和温度线如图。6618根据杠杆定律推论，Q

/

QH

=a1b1/a1c1=12/48=1/4(25%)答：所求合金在1280

时相的相对质量为25%第20页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图四、匀晶结晶特点形核与长大：与纯金属一样,α固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有形核与长大两个过程，但固溶体更趋于呈树枝状长大。变温结晶：固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。两相的成分确定：在两相区内，温度一定时两相的成分是确定的。

第21页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图两相的质量比一定

在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的，如在T1温度时，两相的质量比可用下式表达：

或

上式称之为杠杆定律，它只适用于相图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。

杠杆端点：为给定温度时两相的成分点。

杠杆支点：为合金的成分点。第22页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图容易产生枝晶偏析----不平衡结晶过程

由于固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时原子的扩散能充分进行，最终形成成分均匀的固溶体。如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多。结果造成在一个晶粒内化学成分分布不均，这种现象称为枝晶偏析。第23页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图固溶体的不平衡结晶过程造成晶内偏析或枝晶偏析：

枝晶偏析对材料机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。生产上为了消除其影响，常把合金加热到高温(低于固相线100℃左右)，进行长时间保温，使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体，这种处理称为扩散退火（均匀化退火）。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

Cu-Ni合金枝晶偏析示意图第24页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/225材料科学与工程学院多媒体课件§2.1.3.2共晶相图及其结晶过程一、概念及相图分析

二元共晶相图—

两组元在液态相互无限互溶，在固态相互有限互溶，并通过共晶转变形成共晶组织的二元合金系所形成的相图。共晶转变（EutecticReaction）—

一定成分的液态合金，在一定的温度下，同时结晶出两种成分一定的固相的转变。共晶体—共晶反应形成的机械混合物。共晶反应式—L

α+β金属材料中Al-Si，Al-Sn，Pb-Bi，Pb-Sn，Ag-Cu等合金系以及Fe-C合金，陶瓷材料Mg-CaO系中都具有此类相图.第2章金属及合金的相图第25页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/226材料科学与工程学院多媒体课件相图分析：以Pb-Sn合金为例PbSnSn%T,C铅-锡二元合金共晶相图液相线L固相线

+L

+

L

+

固溶线

固溶线第2章金属及合金的相图第26页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/227材料科学与工程学院多媒体课件共晶转变分析PbSnT,CL

+

L

+

L

+

共晶反应线表示从c点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。ce共晶点表示d点成分的合金冷却到此温度发生完全的共晶转变。dLd

c

+

e第2章金属及合金的相图第27页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/228材料科学与工程学院多媒体课件Pb-Sn合金相图第2章金属及合金的相图第28页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/229材料科学与工程学院多媒体课件共晶相图分析总结（Pb-Sn合金相图）三个单相区：L、α、β三个两相区：L+α、L+β、α+βadb－液相线acdeb－固相线cde－L+α+β的三相共存线，共晶反应线d点－共晶点，表示此点成分(共晶成分)的合金冷却到此点所对应的温度(共晶温度)时，同时结晶出c点成分的α相和e点成分的β相。共晶反应时，三相共存，各相成分确定，反应在恒温下平衡地进行。第2章金属及合金的相图第29页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/230材料科学与工程学院多媒体课件cf线－Sn在Pb中的溶解度曲线(或α相的固溶线)。温度降低，固溶体的溶解度下降。Sn含量大于f点的合金从高温冷却到室温时，从α相中析出β相以降低α相中Sn含量，写作βII。这种二次结晶可表达为：α→βII。

eg线－Pb在Sn中溶解度曲线(或β相的固溶线)。Sn含量小g点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次α以降低β相中Pb的含量，写作αII

。这种二次结晶可表达为：β→αII。第2章金属及合金的相图第30页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/231材料科学与工程学院多媒体课件共晶反应要点共晶转变在恒温下进行；转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相；存在一个确定的共晶点，在该点凝固温度最低；成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。PbSnT,CL

+

L

+

L+

183ced第2章金属及合金的相图第31页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/232材料科学与工程学院多媒体课件二、结晶过程固溶体合金结晶过程（合金Ⅰ）共晶合金结晶过程（合金Ⅱ）亚共晶合金结晶过程（合金Ⅲ）过共晶合金结晶过程（合金Ⅳ）第2章金属及合金的相图第32页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/233材料科学与工程学院多媒体课件X1合金（固溶体合金）结晶过程分析cefgX1T,Ct

L

LL+

冷却曲线+

Ⅱ1234{PbSnT,CL

+

L+

L+

183ed

ⅡL第2章金属及合金的相图第33页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/234材料科学与工程学院多媒体课件X1合金结晶特点：T,CtL

L

LL+

冷却曲线

+

Ⅱ

Ⅱ没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相

固相。要经过脱溶反应，室温组织组成物为：

+Ⅱ什么叫组织组成物？组织组成物是由一定的相构成的，具有一定形成机制、一定形态特征的组成部分。

第2章金属及合金的相图第34页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/235材料科学与工程学院多媒体课件室温组织：α+βII

室温组成相：α相和β相

提问：如何计算组织组成物和组成相的相对含量？有何注意事项？w(α)=x1g/fg×100%w(βII)=fx1/fg×100%or：w(βII)=1－w(α)组织组成物可以是单相，或是两相混合物。这里，室温组织组成物α和βII皆为单相，所以它的组织组成物质量分数与组成相的质量分数相等.第2章金属及合金的相图第35页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/236材料科学与工程学院多媒体课件

X2合金（共晶合金）结晶过程分析X2T,CtL(+)L(+)LL

(+)共晶体冷却曲线(+)PbSnT,CL

+

L

+

L

+

183cedPbSnT,CL

+

L

+

L

+

183cedPbSnT,CL

+

L

+

L

+

183cedPbSnT,CL

+

L

+

L

+

183cedPbSnT,CL

+

L

+

L

+

183ced第2章金属及合金的相图第36页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/237材料科学与工程学院多媒体课件室温组织:

共晶体（α+β）＋αⅡ＋

βⅡ注意：二次相，在实际组织中确实存在，但在显微组织中几乎分辨不出，因为它们混合于共晶组织中，故室温组织可写为（α+β）。室温组成相：α相和β相w(α)=x2g/fg×100%w(β)=fx2/fg×100%

or：w(β)=1－w(α)第2章金属及合金的相图第37页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/238材料科学与工程学院多媒体课件X3合金（亚共晶合金）结晶过程分析X3T,CtLL+

(+)++

Ⅱ12(+)+PbSnT,CL

+

L

+

L

+

183cedL+(+)+冷却曲线第2章金属及合金的相图第38页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/239材料科学与工程学院多媒体课件第2章金属及合金的相图第39页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/240材料科学与工程学院多媒体课件室温组织：α+βⅡ＋

（α＋β）

w(α＋β)=2c/cd×100%w(α)=(c’g/fg)×(2d/cd)×100%w(βⅡ)=(fc’/fg)×(2d/cd)×100%室温组成相：α相和β相w(α)=x3g/fg×100%

w(β)=fx3/fg×100%or：w(β)=1－w(α)

所有亚共晶合金的结晶过程与合金Ⅲ相同,仅组织组成物和组成相的质量分数不同，成分越靠近共晶点，合金中共晶体的含量越多。第2章金属及合金的相图第40页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/241材料科学与工程学院多媒体课件X4合金（过共晶合金）结晶过程分析X4T,CtLL+

(+)++

Ⅱ12(+)+PbSnT,CL

+

L+

L+

183cedL+(+)+冷却曲线第2章金属及合金的相图第41页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/242材料科学与工程学院多媒体课件第2章金属及合金的相图第42页,共64页，2024年2月25日，星期天2024/5/243材料科学与工程学院多媒体课件室温组织：β+αⅡ+（α＋β）

w(α＋β)=2e/de×100%w(β)=(fe’/fg)×(d2/de)×100%w(αⅡ)=(e’g/fg)×(d2/de)×100%室温组成相：α相和β相

w(α)=x4g/fg×100%

w(β)=fx4/fg×100%or：w(β)=

1-w(α)

所有过共晶合金的结晶过程与合金IV相同,仅组织组成物和组成相的质量分数不同，成分越靠近共晶点，合金中共晶体的含量越多。第2章金属及合金的相图第43页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图亚共晶合金和过共晶合金的显微组织图亚共晶合金组织过共晶合金组织练习：画出过共晶合金（合金Ⅳ）的结晶过程示意图，分析其结晶过程；写出室温组成物和室温组成相，分别计算他们的相对含量。第44页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图§2.1.3.3包晶相图及其结晶过程包晶相图：发生包晶反应的合金的相图。包晶转变：一定成分的液相与一定成分的固相在一定温度下发生反应，形成一种新固相的过程。表达式：α＋L

β一、概念及相图分析

两组元液态完全互溶，固态形成有限互溶，并具有包晶转变的相图。金属材料中Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合金具有包晶相图。

恒温第45页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图包晶转变：Ld+c

ePtAgAg%T,C铂-银合金包晶相图L

+

L+

L+

cedfgT,CtLL+

L+

+

Ⅱ第46页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图§2.1.3.3包晶相图及其结晶过程Pt—Ag合金相图第47页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图包晶相图分析小结（Pt-Ag合金相图）三个单相区：L、α、β三个双相区：L+α、L+β、α+βe点－包晶点，表示此点成分(包晶成分)的合金冷却到此点所对应的温度(包晶温度)时，发生包晶反应。adb－液相线aceb－固相线ced－L、α、β三相共存，包晶反应线第48页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图cf线－Ag在Pt中的溶解度线(或α相的固溶线)。温度降低，α固溶体的溶解度下降。Ag含量大于f点的合金从高温冷却到室温时，从α相中析出富银的βII相以降低α相中Ag含量：

α→βII。eg线－Pt在Ag中溶解度线(或β相的固溶线)。Ag含量小g点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出富Pt的αII相：

β→αII。第49页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图二、结晶过程（以合金Ⅰ为例）第50页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图室温组织

β＋αⅡ室温组成相：α相和β相

w(α)=x1g/fg×100%

w(β)=fx1/fg×100%or：w(β)=1－w(α)

室温组织组成物都为单相，故它们的相对质量与组成相的相对质量相同。第51页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图练习：分析Ⅱ、Ⅲ合金的结晶过程第52页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图三、包晶偏析包晶转变的产物β相包围着初生相α，使液相与α相隔开，液相和α相中原子之间的相互扩散必须通过β相，这就导致了包晶转变的速度往往是极缓慢的。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，导致生成的β固溶体中发生较大的偏析，称之为包晶偏析，通过扩散退火消除。第53页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图§2.1.3.4其它类型的二元合金相图一、共析相图

共析相图：两组元在液态相互无限互溶，在固态相互有限溶解，并发生共析转变的二元合金系所形成的相图。共析转变：一定成分的固相，在一定温度下分解为另外两个一定成分的固相（共析体）的转变过程。表达式：γα＋β三相共存，各相成分确定，温度恒定。共析转变在Fe-Fe3C相图中非常重要，其详细应用见第四章。恒温第54页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图AB共析转变：

(+)

共析体T,C

+

+

+cedL

+

L第55页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图

共析相图中各种成分合金的结晶过程的分析与共晶相图相似，但因共析反应是在固态下进行的，所以共析产物比共晶产物要细密得多。为什么？

第56页,共64页，2024年2月25日，星期天第2章金属及合金的相图二、具有化合物的二元相图在某些二元系中，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；中间的两边一般为金属，又称为金属间化合物。根据化合物的稳定性可分为稳定化合物和不稳定化合物。稳定化合物：有确定的熔点，可熔化成与固态相同成分液体的那类