2.2 二元相图的基本类型

单击此处编辑母版标题样式•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级2.2二元相图的基本类型Basictypesoftwo-componentphasediagram2.2Basictypesoftwo-componentphasediagram•2.2.1相图的建立(Setting-upofphasediagrams)•2.2.2匀晶相图——学习二元相图的基础(Isomorphousdiagram-thefangdationofstudyingtwo-componentphasediagram)•2.2.3共晶相图——学习二元相图的关键(Theeutecticphasediagram-thekeytostudytwo-componentphasediagram)•2.2.4包晶相图特征(Characteristicsofperitecticphasediagram)•2.2.5具有稳定化合物相图(Phasediagramswithstablecompound)•2.2.6具有共析反应的相图(Phasediagramswitheutectoidreaction)•2.2.7二元合金相图与性能之间的关系(Relationshipbetweenpropertiesandphasediagramsofbinaryalloys)2.2.1相图的建立Setting-upofphasediagrams•相图是表示材料(合金)体系中材料(合金)的状态与温度、成分间关系的简明图解，它清楚地表明了材料中各种相的存在范围以及相与相之间的关系。•相图中的相是指平衡相，它不反映时间因素的影响。•材料在一定成分和一定温度下的相状态，以及当成分和温度改变时相状态的变化,可用温度—成分坐标系的图示明确而系统地表示出来。•建立相图的方法有实验测定和理论计算两种，但目前所使用的相图大部分都是根据大量实验结果绘制出来的。2.2.1相图的建立Setting-upofphasediagrams•如图2.7所示，首先配制一系列不同成分的合金，测出其从液态到室温的冷却曲线，求得各相变点，然后把这些特性点标在温度-成分的坐标图纸上，把相同意义的特性点联结成线。这些特性线将相图划分出一些区域，这些区域称为相区;最后，在各相区内填入相应的“相”的名称。•在二元相图中，有的相图简单(如Cu-Ni相图)，有的相图很复杂(如Fe-C相图)。但不管多么复杂，任何二元相图都可以看成是由几类基本类型的相图迭加、复合而组成的。图2-7用热分析法建立Cu-Ni相图2.2.2匀晶相图—学习二元相图的基础(Binaryisomorphousdiagrams)•1.匀晶相图与匀晶转变•两组元在液态和固态下均可以以任意比例相互溶解，即在固态下形成无限固溶体的合金相图称为匀晶相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr等合金相图均属于此类相图。在这类合金中，结晶时都是从液相结晶出单相固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。应该指出，几乎所有的二元合金相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类相图是学习二元合金相图的基础。•2.相图分析①特性点：纯铜的熔点A为1083℃，纯镍的熔点B为1455℃。②特性线：液相线，固相线。③相区与基本相：3.固溶体合金的平衡结晶过程分析•现以K成分合金为例进行分析。•当Ｉ合金从高温液态缓慢冷却至t1温度时，开始从液相中结晶出固溶体α，此时的α成分为α1(其含镍量高于Ｉ合金的镍含量)，即。随温度下降，结晶出来的α固溶体量逐渐增多，剩余的液相L量逐渐减少。当温度冷至t2时，固溶体的成分为α2，液相的成分为l2(镍含量低于合金的镍含量)，即。为保持相平衡，在t1温度结晶出来的α1相，必须改变为与α2相一致的成分，液相成分也必须由l1向l2变化。……一直冷到t4温度时，其相平衡关系。最后的相平衡，必然使从液相中结晶出来的全部α相都具有α4的成分，并使最后一滴液相的成分达到l4的成分。111tl222tl444tl图2.8C-N合金匀晶相图3.固溶体合金的平衡结晶过程分析•由以上分析可知，I合金的平衡结晶过程，其特点是:•液态金属在无限缓慢冷却条件下，冷却到一定温度范围内进行结晶，而且在结晶过程中固溶体的成分沿着固相线变化(即α1→α2→α3→α4)，而液相的成分沿液相线变化(即l1→l2→l3→l4)，如图2－8（a）所示。这就是固溶体合金的平衡结晶规律。用冷却曲线描述K合金的平衡结晶过程，则如图2－8（b）所示。图2.8C-N合金匀晶相图4.杠杆定律及其应用•在合金相图中的两相区(如液相和固相)内，若给定某一温度，就能确定在该温度下两平衡相(如液、固两相)的成分，以及在该温度下两平衡相(如液、固两相)的相对质量，这就是杠杆定律的内容。•分析成分为K的Cu-Ni合金，见图2-9(a)，在tx温度时，液相成分为x1，固相成分为x2(通过tx温度作一水平线，此水平线与液、固相线的交点即为L相的成分与α相的成分)。现求在该温度下，已结晶出固溶体α和剩余液相L的质量分数。图2.9杠杆定律的证明4.杠杆定律及其应用•设合金总质量为W(100%即1)，液相的质量分数为WL,固相的质量分数为Wα，则•WL+Wα=W(即1)(2.1)•若已知液相中镍的质量分数为x1，固溶体中镍的质量分数为x2，合金中镍的质量分数为x，则WL·x1+Wα·x2=W·x(2.2)•解(2.1)和(2.2)组成的方程:WL=（x2-x）/(x2-x1);Wα=（x-x1）/(x2-x1)。将分子和分母都换成相图中的线段，并将WL和Wα的质量分数用百分数表示时，则WL=xx2/x1x2×100%，Wα=x1x/x1x2×100%;两相相对质量之比为：WL/Wα=xx2/x1x。•由图2-9(b)可以看出，以上所求得的两平衡相相对质量之间的关系与力学中的杠杆定律颇为相似，因此称为“杠杆定律”。杠杆定律说明:某合金两平衡相的质量分数(WL与Wα)之比等于该两相成分点到合金成分点距离的反比，即线段xx2与x1x之比。•杠杆定律仅适用于两相区，用于求两平衡相的成分及其相对质量。5.不平衡结晶——枝晶偏析•在实际结晶过程中，很难保持体系的平衡状态，冷却过程往往是比较快的（即不平衡结晶），此时原子不能充分进行扩散，这时先结晶出的固相含高熔点组元(镍)较多，后结晶出的固相含低熔点组元(铜)较多，快冷使这种成分不均匀现象保留下来，形成了在同一晶粒中的成分偏析，因结晶一般是以树枝状方式进行，先结晶的主干和后结晶的分支成分不一致，故这种偏析称为枝晶偏析。因这种偏析发生在一个晶粒内，故又称晶内偏析。•枝晶偏析，会使合金的力学性能、耐蚀性和加工工艺性能变坏。为消除枝晶偏析，可采用高温扩散退火(又称均匀化退火)方法，即将合金铸件加热至固相线以下100～200℃长时间保温(一般5～8h)，使原子充分扩散，从而达成分均匀化的目的。不平衡结晶－－枝晶偏析示意图•何谓共晶相图？•两组元在液态下能完全互溶，在固态时相互有限互溶并发生共晶反应(转变)、形成共晶组织的二元相图称为二元共晶相图。•1.相图分析•（1）共晶相图的形成共晶相图可以抽象地看作是两匀晶相图重叠结果，如图2-10所示。其中(a)图示出从液相内结晶出以A组元为基α固溶体;(b)图示为从液相内结晶出以B为基β固溶体;(c)图为(a)、(b)两相图重合在一起图示。2.2.3共晶相图—学习二元相图的关键Binaryeutecticphasediagram图2.10共晶相图的形成•（1）共晶相图的形成根据固溶体结晶规律，固溶体α、β结晶时，液相成分沿着各自液相线变化。当温度降至两条线交点E时，此时E点成分液相既要与M点成分的α平衡，又要与N点成分β平衡。液相、α与β相必处于三相平衡状态，它只能在恒温tE下进行。即在此温度下既要从液相中结晶出α相、又要结晶出β相，一直进行到液相消失为止。•因此，通过E点作水平线交α固相线于M点、交β固相线于N点，水平线MN即液相存在的最低温度。在此温度以下，不存在液相，不可能再按匀晶转变继续结晶出α、β相。通常已结晶出的α或β相可发生溶解度变化(虚线所示)。•据上所述，二元共晶相图［(d)图示］可分解为三部分，即水平线以上为匀晶转变部分、以下为脱溶转变部分，水平线上则为共晶转变部分。1.相图分析图2.10共晶相图的形成1.相图分析•以右图Pb-Sn相图为例，对共晶相图进行分析。图2.11Pb-Sn合金相图•（2）相区与基本相相图中有三个单相区，即液相L、固溶体α相和β相。α相是Sn溶于Pb中形成的固溶体，β相是Pb溶于Sn中的固溶体。各个单相区之间有三个两相区，即L+α、L+β和α+β。在L+α、L+β和α+β两相区之间的水平线MEN表示α+β+L三相共存区。在三相共存水平线所对应的温度下，成分相当于E点的液相（LE）同时结晶出与M点相对应的αM和与N点所对应的βN两个相，即形成两个固溶体的混合物。此转变的反应式是：,该转变必在恒温下进行，且三个相成分应为恒定值，在相图上的特征是三个单相区与水平线只有一个接触点，其中液体单相区在中间、位于水平线之上，两端是两固相单相区。这种在一定温度下，由一定成分液相同时结晶出成分各自一定的两个新固相的转变，称为共晶转变或共晶反应。共晶转变的产物为两固相的混合物，称为共晶组织.NMEL℃1831.相图分析图2.11Pb-Sn合金相图（3）特性线与特性点相图中MEN水平线称为共晶线，E点称为共晶点，E点对应的温度称为共晶温度，成分对应于共晶点的合金称为共晶合金。成分位于共晶点以左、M点以右的合金为亚共晶合金。成分位于共晶点以右、N点以左的合金称为过共晶合金。AE、BE为液相线，AM、BN线为固相线，MF、NG这两条曲线称为固溶线。M、N点分别表示α、β相的最大溶解度极限，随温度降低，α、β相溶解度分别沿曲线MF、NG变化。2.典型合金的平衡结晶过程•（1）合金Ｉ(w（Sn）≤19w%的合金)•见图2-11，合金在3点以上的结晶与固溶体合金结晶过程一样，开始结晶出来的α称为初晶或一次晶。在2～3点间，合金为均匀α单相组织。当温度降至3点以下时，α相变为过饱和固溶体，过剩Sn以β相形式从α相中析出，随温度下降β相增多。从固态α相中析出的β相即称为次生相(二次相或二次晶)，用符号βⅡ表示。这种从单一固溶体相中析出的单一新固相的反应，即称为二次析出反应。当冷至室温时，所析出βⅡ的相对质量分数可用杠杆定律计算出:βⅡ=F4/FG×100%。由于固态下原子扩散能力小，析出的次生相不易长大，一般都比较细小，分布于晶界或固溶体中。其室温下组织为α+βⅡ。•根据以上分析，合金I的结晶由两种性质的反应组成:匀晶反应+二次析出反应。2.典型合金的平衡结晶过程•（2）合金Ⅱ(共晶合金)•当合金Ⅱ由液相冷却至E点时，将发生共晶反应:,在恒温(tE)下一直进行到液相完全消失为止，这时所获得α和β呈层片状交替分布的细密机械混合物(α+β)就是共晶组织或称共晶体。其共晶体(αM+βN)中αM和βN两相的相对质量分数可用杠杆定律求出:WαM=EN/MN×100%，WβN=ME/MN×100%。在E点以下，随温度下降，α和β的溶解度分别沿各自固溶线MF、NG变化，从α中析出βⅡ，从β中析出αⅡ，但由于αⅡ和βⅡ量小且在显微组织中不易分辨，故一般不予考虑。因此，其室温组织为(α+β)•合金Ⅱ结晶过程中的反应特征为共晶反应＋二次析出反应。NMEL℃183各种形态的共晶组织（1）层片状（Pb-Cu）棒状球状（Cu-Cu2O）针状（Al-Si）各种形态的共晶组织（2）螺旋状（Zn-MgZn）蛛网状放射状（Cu-P）2.典型合金的平衡结晶过程•（3）合金Ⅲ(亚共晶合金)•当合金Ⅲ自液态缓冷至1点时，开始结晶出初晶α固溶体，温度在1～2点之间为匀晶转变过程，在此阶段中，L+α两相共存，且随温度下降，α相成分沿AM线向M点变化，L相成分沿AE线向E点变化。当温度降至2点即共晶温度时，L相具有共晶成分E，于是便发生共晶分