材料科學(xué)基礎(chǔ)的第7章

第七章二元系相圖及其合金的凝固合金在成分、溫度變化時(shí)，其狀態(tài)可能發(fā)生變化。合金相圖就是用圖解的方法表示不同成分、溫度下合金中相的平衡關(guān)系。由于相圖是在極其緩慢的冷卻條件下測(cè)定的,又稱為平衡相圖。根據(jù)相圖可以了解不同成分合金在溫度變化時(shí)的相變及組織形成規(guī)律。二元相圖都是由一種或幾種基本類型的相圖組成的?；绢愋偷亩鄨D有：勻晶、共晶和包晶相圖。第一節(jié)基本概念一、相圖的幾個(gè)基本概念一、相圖的幾個(gè)基本概念

組元合金合金系通常把組合成合金的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元。------元素------穩(wěn)定化合物將一種金屬元素同一種或幾種其他元素結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。有兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金。Pb-Sn系，F(xiàn)e-Fe3C系二、相律自由度數(shù)獨(dú)立組分?jǐn)?shù)相數(shù)外界因素自由度是在溫度、壓力、組分濃度等可能影響系統(tǒng)平衡狀態(tài)的變量中，可以在一定范圍內(nèi)任意改變而不會(huì)引起舊相消失或新相產(chǎn)生的獨(dú)立變量的數(shù)目。處于平衡狀態(tài)下的多相（P個(gè)相）體系，每個(gè)組元（共有C個(gè)組元）在各相中的化學(xué)勢(shì)都必須彼此相等。處于平衡狀態(tài)的多元系中可能存在的相數(shù)將有一定的限制。這種限制可用吉布斯相律表示之：f=C-P+2式中，f為體系的自由度數(shù)．它是指不影響體系平衡狀態(tài)的獨(dú)立可變參數(shù)（如溫度、壓力、濃度等）的數(shù)目；C為體系的組元數(shù)；P為相數(shù)。對(duì)于不含氣相的凝聚體系，壓力在通常范圍的變化對(duì)平衡的影響極小，一般可認(rèn)為是常量。因此相律可寫成下列形式：f=C-P+1相律給出了平衡狀態(tài)下體系中存在的相數(shù)與組元數(shù)及溫度、壓力之間的關(guān)系，對(duì)分析和研究相圖有重要的指導(dǎo)作用。f=0，無(wú)變量系統(tǒng)(f=2–3+1)在二元系中，在水平線中三相平衡，成分和溫度都固定不變，恒溫轉(zhuǎn)變f=1，單變量系統(tǒng)(f=2–2+1)在二元系中，在兩相區(qū)內(nèi)溫度和成分只有一個(gè)獨(dú)立變量，在相區(qū)內(nèi)任意改變溫度，則成分隨之變化，反之亦然。f=2，雙變量系統(tǒng)(f=2–1+1)在二元系中，在單相區(qū)內(nèi)可以改變溫度或成分一、相圖建立的一些方法第二節(jié)二元合金相圖的建立二元相圖是根據(jù)各種成分材料的臨界點(diǎn)繪制的，臨界點(diǎn)表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化的相變點(diǎn)。測(cè)定材料臨界點(diǎn)有動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法兩種方法。1動(dòng)態(tài)法熱分析（thermalanalysis)膨脹法(dilatometrymethod)電阻法(electricalresistivitymethod)2靜態(tài)法金相法(metallographicmethod)X射線衍射分析(X-raydiffractionmethod)硬度測(cè)定法(hardnessmethod)

相圖的精確測(cè)定必須由多種方法配合使用。第二節(jié)二元合金相圖的建立二、二元合金相圖建立（二元?jiǎng)蚓鄨D）熱分析裝置示意圖

第二節(jié)二元合金相圖的建立二、二元合金相圖建立（二元?jiǎng)蚓鄨D）第三節(jié)勻晶相圖

熔點(diǎn)液相區(qū)固相區(qū)液固雙相區(qū)液相線固相線一、相圖分析第三節(jié)勻晶相圖二、勻晶合金結(jié)晶過(guò)程分析----勻晶合金結(jié)晶過(guò)程分析從液相中析出勻晶固相（固溶體）的成分變化析出固相成分沿固相線變化剩余液相成分沿液相線變化液相成分變化和固相成分變化同步進(jìn)行，并遵守杠桿定律三、杠桿定律（leverrule）杠桿定律的兩端一定是單相杠桿的桿是某一溫度杠桿的支點(diǎn)及時(shí)研究合金的平均成分杠桿定律是計(jì)算雙相的重量百分含量在二元相圖中，當(dāng)兩相處于平衡共存的兩相區(qū)時(shí)，兩相的質(zhì)量比可以用杠桿定律求得。例如在T溫度時(shí)，液相L和固溶體α達(dá)到平衡，液、固兩相質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為WL、Wα,則有：WL/Wα=bc/ab如果把a(bǔ)bc看作一根杠桿，上式中的WL/Wα恰好與它們的杠桿臂成反比關(guān)系。杠桿定律只適用于兩相平衡區(qū)。第三節(jié)勻晶相圖三、杠桿定律（leverrule）WL+Wα=WWL×CL+W

α×Cα=W×CWα(C

α－Ｃ）＝WL（C－CL）四、固溶體的平衡凝固過(guò)程第三節(jié)勻晶相圖平衡凝固是指凝固過(guò)程中的每個(gè)階段都能達(dá)到平衡，即在相變過(guò)程中有充分時(shí)間進(jìn)行組元間的擴(kuò)散，以達(dá)到平衡相的成分。固溶體的凝固過(guò)程與純金屬一樣，也包括形核與長(zhǎng)大兩個(gè)階段，但由于合金中存在第二組元，使其凝固過(guò)程較純金屬?gòu)?fù)雜。例如合金結(jié)晶出的固相成分與液態(tài)合金不同，所以形核時(shí)除需要能量起伏外還需要一定的成分起伏。固溶體的凝固在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，這時(shí)液、固兩相的成分隨溫度下降不斷地發(fā)生變化.這種凝固過(guò)程必然依賴于兩組元原子的擴(kuò)散。需要著重指出的是，在每一溫度下，平衡凝固實(shí)質(zhì)包括三個(gè)過(guò)程：

①液相內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程。

②固相的繼續(xù)長(zhǎng)大。

③固相內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程。在凝固時(shí)，每一個(gè)晶核形成一顆晶粒，由于在每一溫度下擴(kuò)散進(jìn)行充分，晶粒內(nèi)的成分是均勻一致的。因此，平衡凝固得到的固溶體顯微組織和純金屬相同，除了晶界外，晶粒之間和晶粒內(nèi)部的成分卻是相同的。五、固溶體的非平衡凝固過(guò)程第三節(jié)勻晶相圖固溶體的凝固依賴于組元的擴(kuò)散，要達(dá)到平衡凝固，必須有足夠的時(shí)間使擴(kuò)散進(jìn)行充分。但在工業(yè)生產(chǎn)中，合金溶液澆濤后的冷卻速度較快，在每一溫度下不能保持足夠的擴(kuò)散時(shí)間，使凝固過(guò)程偏離平衡條件，稱為非平衡凝固。非平衡凝固中，液、固兩相的成分將偏離平衡相圖中的液相線和固相線。由于固相內(nèi)組元擴(kuò)散較液相內(nèi)組元擴(kuò)散慢得多，故偏離固相線的程度就大得多，它成為非平衡凝固過(guò)程中的主要矛盾。

五、固溶體的非平衡凝固過(guò)程固相平均成分線液相平均成分線

將鑄件加熱至固相線以下100~200℃的溫度進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的保溫，是偏析元素充分?jǐn)U散，達(dá)到成分的均勻化-------擴(kuò)散退火（均勻化退火）六、固溶體的自由能-成分曲線第三節(jié)勻晶相圖第四節(jié)二元共晶相圖及其凝固分析點(diǎn)熔點(diǎn)a,b最大溶解度點(diǎn)c,d共晶點(diǎn)e線液相線固相線溶解度曲線共晶線面單相區(qū)雙相區(qū)LE→（αM+βN）共晶一、二元共晶相圖分析共晶反應(yīng)

共晶反應(yīng)的條件（成分、溫度）共晶體共晶合金亞共晶合金過(guò)共晶合金LE→（αM+βN）共晶二、二元共晶合金的凝固過(guò)程LE→（αM+βN）共晶αM+βN）共晶αII+βII二、二元共晶合金的凝固過(guò)程共晶合金在發(fā)生共晶反應(yīng)剛結(jié)束的時(shí)候相的相對(duì)含量是多少？2.共晶合金在室溫相的相對(duì)含量是多少？共晶合金金相照片-----Pb-Sn共晶合金二、二元亞共晶合金的凝固過(guò)程最后的組織：α初+（α+

β

）共晶最后的相組成：α+β

二、二元亞共晶合金的凝固過(guò)程1.50%Sn(wt%)的合金剛開始共晶反應(yīng)之前相的相對(duì)含量2.50%Sn(wt%)的合金共晶反應(yīng)結(jié)束時(shí)相的相對(duì)含量3.50%Sn(wt%)的合金共晶反應(yīng)結(jié)束后的組織組成物對(duì)含量亞共晶合金金相照片-----Pb-Sn合金含50%Sn的Pb-Sn合金顯微組織三、二元過(guò)共晶合金的凝固過(guò)程1.80%Sn合金平衡凝固過(guò)程L---L→β初--L→（α+β）共晶2.80%Sn合金平衡凝固室溫的組織：β初+（α+β）共晶3.80%Sn合金平衡凝固室溫的相組成：

α+β三、二元過(guò)共晶合金的凝固過(guò)程的定量分析1.80%Sn(wt%)的合金剛開始共晶反應(yīng)之前相的相對(duì)含量2.80%Sn(wt%)的合金共晶反應(yīng)結(jié)束時(shí)相的相對(duì)含量3.80%Sn(wt%)的合金共晶反應(yīng)結(jié)束后的組織組成物對(duì)含量四、小于19%（Sn）共晶合金的凝固過(guò)程四、小于19%（Sn）共晶合金的凝固過(guò)程1.10%Sn(wt%)的室溫時(shí)組織組成物的相對(duì)含量2.10%Sn(wt%)的室溫時(shí)相組成物的相對(duì)含量金相照片-----Pb-10%Sn合金偽共晶：非共晶成分的合晶所得到的共晶組織。在非平衡凝固條件下，某些亞共晶或過(guò)共晶的合晶也能得到全部的共晶組織。偽共晶在相圖上是一個(gè)區(qū)域，其位置偏向高熔點(diǎn)的一方。五、二元共晶合晶的非平衡凝固離異共晶共晶體中的α相依附于初生α相生長(zhǎng)，而將共晶體中另外一相β推到最后凝固的境界處，使共晶體兩相分離第五節(jié)二元包晶合金點(diǎn)熔點(diǎn)溶解度點(diǎn)包晶點(diǎn)D線液相線固相線溶解度曲線PE,DF包晶線PC面L+αL+β二元包晶相圖相區(qū)分析LC+αP→βD二元包晶合金包晶反應(yīng)示意圖LC+αP→βD一、二元包晶相圖分析1.w(Ag)為42.4％的Pt－Ag合金（合金I）

在大多數(shù)情況下，由包晶反應(yīng)所形成的β相傾向于依附初生相a的表面形核，以降低形核功，并消耗液相和a相而生長(zhǎng)。當(dāng)a相被新生的盧相包圍以后，a相就不能直接與液相L接觸。

一、二元包晶相圖分析1.42.4%Ag(wt%)的合金剛開始發(fā)生包晶反應(yīng)之前相的相對(duì)含量3.42.4%Ag(wt%)的合金室溫時(shí)候相的相對(duì)含量2.42.4%Ag(wt%)的合金包晶反應(yīng)結(jié)束時(shí)相的相對(duì)含量4.42.4%Ag(wt%)的合金室溫時(shí)候組織組成物的相對(duì)含量1.42.4%Ag(wt%)合金一、二元包晶相圖分析42.4％＜w(Ag)＜66.3％的pt-Ag（合金II） 合金II緩冷至包晶轉(zhuǎn)變前的結(jié)晶過(guò)程與上述包晶成分合金相同，由于合金II中的液相的相對(duì)量大于包晶轉(zhuǎn)變所需的相對(duì)量，所以包晶轉(zhuǎn)變后，剩余的液相在繼續(xù)冷卻過(guò)程中，將按勻晶轉(zhuǎn)變方式繼續(xù)析出β相，其成分沿CB液相線變化，而β相的成分沿PB線變化，直至t3溫度全部凝固。2．42.4％＜w(Ag)＜66.3％的pt-Ag（合金II）一、二元包晶相圖分析（1.）合金II（60%Ag(wt%)）的合金剛開始發(fā)生包晶反應(yīng)之前相的相對(duì)含量（3.）合金II（60%Ag(wt%)）的合金室溫時(shí)候相的相對(duì)含量（2.）合金II（60%Ag(wt%)）的合金發(fā)生包晶反應(yīng)結(jié)束時(shí)相的相對(duì)含量（4.）合金II（60%Ag(wt%)）的合金室溫時(shí)候組織組成物的相對(duì)含量2．42.4％＜w(Ag)＜66.3％的pt-Ag（合金II）一、二元包晶相圖分析合金III在包晶反應(yīng)前的結(jié)晶情況與上述情況相似。包晶轉(zhuǎn)變前合金中α相相對(duì)量大于包晶反應(yīng)所需的量，所以包晶反應(yīng)后，除了新形成的β相外，還有剩余的α相存在。包晶溫度以下，β相中將析出αII，而α相中析出βII，因此該合金金的室溫平衡組織為α+β+αII＋βII，3．10.5％＜w(Ag)＜42.4％的Pt-Ag合金（合金III）一、二元包晶相圖分析（1.）合金Ш（20%Ag(wt%)）的合金剛開始發(fā)生包晶反應(yīng)之前相的相對(duì)含量（3.）合金Ш（20%Ag(wt%)）的合金室溫時(shí)候相的相對(duì)含量（2.）合金Ш（20%Ag(wt%)）的合金發(fā)生包晶反應(yīng)結(jié)束時(shí)相的相對(duì)含量3．10.5％＜w(Ag)＜42.4％的Pt-Ag合金（合金III）

包晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物β相包圍著初生相α，使液相與α相隔開，阻止了液相和α相中原子之間直接地相互擴(kuò)散，而必須通過(guò)β相，這就導(dǎo)致了包晶轉(zhuǎn)變的速度往往是極緩慢的.影響包晶轉(zhuǎn)變能否進(jìn)行完全的主要矛盾是所形成新相β內(nèi)的擴(kuò)散速率。第五節(jié)二元包晶合金二、包晶合金的非平衡凝固

2.實(shí)際生產(chǎn)中的冷速較快，包晶反應(yīng)所依賴的固體中的原子擴(kuò)散往往不能充分進(jìn)行，導(dǎo)致包晶反應(yīng)的不完全性，即在低于包晶溫度下，將同時(shí)存在未參與轉(zhuǎn)變的液相和α相，其中液相在繼續(xù)冷卻過(guò)程可能直接結(jié)晶出β相或參與其他反應(yīng)，而α相仍保留在β相的心部，形成包晶反應(yīng)的非平衡組織。

第五節(jié)二元包晶合金二、包晶合金的非平衡凝固第六節(jié)其它類型二元相圖形成穩(wěn)定化合物的相圖合金系中兩組元之間還可能形成穩(wěn)定的金屬化合物，其組成可用通式AmBn表示，它具有固定的成分和一定的熔點(diǎn)，可把它看成獨(dú)立的組元。它的分析可作為兩個(gè)簡(jiǎn)單相圖進(jìn)行。Ti-Ni合金相圖中的TiNi化合物（熔點(diǎn)1310℃）和TiNi3化合物（熔點(diǎn)1380℃），都有固定的熔點(diǎn)，熔點(diǎn)以下也不會(huì)分解。所以它們都是穩(wěn)定化合物。然而化合物Ti2Ni則沒有固定的熔點(diǎn)，它是包晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。

穩(wěn)定化合物可以看作一個(gè)組元，將相圖劃分成幾個(gè)簡(jiǎn)單的相圖。例如Ti-Ni相圖，可以劃分成Ti-TiNi相圖（含有共晶、包晶和共析轉(zhuǎn)變）、TiNi-TiNi3共晶相圖、TiNi3-Ni共晶相圖。這樣劃分對(duì)于復(fù)雜相圖的分析是十分有利的。第六節(jié)其它類型二元相圖2.具有共析轉(zhuǎn)變的相圖共析轉(zhuǎn)變屬于固態(tài)相變的一種類型。由一個(gè)相分解為兩個(gè)相的三相平衡等溫轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)是：由特定成分的單相固態(tài)合金，在恒定的溫度下，分解成兩個(gè)新的，具有一定晶體結(jié)構(gòu)的固相。其反應(yīng)式可表達(dá)為：反應(yīng)產(chǎn)物和的相對(duì)重量有一固定的比例。由于共析反應(yīng)是在固態(tài)下進(jìn)行的，其原子擴(kuò)散條件很差，晶核成長(zhǎng)速度很小，所以共析轉(zhuǎn)變物的組織是比較細(xì)密的兩相相間的機(jī)械混合物。

γc→αd+βe第六節(jié)其它類型二元相圖3.具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖偏晶轉(zhuǎn)變是由一個(gè)液相L1分解為一個(gè)固相和另一成分的液相L2的恒溫轉(zhuǎn)變

第六節(jié)其它類型二元相圖4.具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖合金轉(zhuǎn)變是由兩個(gè)成分不同的液相L1和L2相互作用形成一個(gè)固相

具有這類轉(zhuǎn)變的合金很少，如NaZn，K-Zn等。第六節(jié)其它類型二元相圖5.具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖熔晶轉(zhuǎn)變：由一個(gè)固相恒溫分解為一個(gè)液相和另一個(gè)固相。具有熔晶轉(zhuǎn)變的合金也很少，F(xiàn)e-B，F(xiàn)e-S，Cu-Sb等合金系具有熔晶轉(zhuǎn)變。第七節(jié)典型二元相圖分析一、Fe-C相圖分析1、鐵碳合金的組元及基本相一、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變二、鐵碳合金的組元三、鐵碳合金的基本相鐵素體（ferrite

）奧氏體（austenite）滲碳體（cementite

）2、相圖分析----------------點(diǎn)一、Fe-C相圖分析LB+δH→AJLC→AE+Fe3CAS→FP+Fe3C3.相圖分析----------------線（三大恒溫反應(yīng)）三條重要的水平線HJB-----包晶反應(yīng)線LB+δH→AJECF-----共晶反應(yīng)線LB

→AE

+Fe3CPSK-----共析反應(yīng)線AS

→FP+Fe3C一、Fe-C相圖分析3.相圖分析-----線三條重要的曲線GS線（A3線）----奧氏體析出鐵素體的起始溫度（或鐵素體全部轉(zhuǎn)變成為奧氏體的終了溫度）ES線（Acm線）----碳在奧氏體中的溶解度曲線（二次滲碳體析出線）PQ線---碳在鐵素體中的析出線（三次滲碳體析出線）一、Fe-C相圖分析4、碳鋼在平衡條件下的結(jié)晶過(guò)程分析共析鋼亞共析鋼過(guò)共析鋼工業(yè)純鐵共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過(guò)共晶白口鑄鐵（1）工業(yè)純鐵（0.01%C)的結(jié)晶過(guò)程工業(yè)純鐵（0.01%C)在室溫時(shí)相組成物和組織組成物的相對(duì)量相組成物的相對(duì)量組織組成物的相對(duì)量（2）共析鋼（0.77%C)的結(jié)晶過(guò)程珠光體Pearlite

共析鋼（0.77%C)在室溫時(shí)相組成物和組織組成物的相對(duì)量相組成物的相對(duì)量組織組成物的相對(duì)量（3）亞共析鋼（0.40%C)的結(jié)晶過(guò)程