二元合金相图

第四节合金的结晶1、掌握合金结晶的基本概念；2、掌握几种基本的二元相图及其相变过程；3、能够利用相图判定一定条件下的金属性能。本节要点：合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解，又称状态图或平衡图。合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元,如Fe-C合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相图L成分（wt%Ni）温度（℃）CuNi相图表示了在缓冷条件下，不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图三元相图一、二元相图的建立几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点和平台）的温度值。2.将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。3.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。[以Cu-Ni合金(白铜)为例]（1）二元相图的建立步骤：相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。⑵杠杆定律处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。①确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。12t以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律则QL+Q=1QLx1+Qx2=x解方程组得：121α122LxxxxQxxxxQ式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。②确定两平衡相的相对重量设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。因此两相的相对重量百分比为：abaoxxxxQabobxxxxQL211212两相的重量比为：上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。例（如图）%5.61%10045.058.045.053.0Q%5.38%10045.058.053.058.0LQ二、二元相图的基本类型与分析两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。1、二元匀晶相图LL+成分（wt%Ni）CuNi液相线固相线相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。⑴合金的结晶过程除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合金为例说明。当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。L随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分3上来。液固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。(2)枝晶偏析在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。它不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织枝晶偏析组织2、二元共晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以Pb-Sn相图为例进行分析。Pb-Sn合金相图成分（wt%Sn）PbSn⑴相图分析①相：相图中有L、、三种相,是溶质Sn在Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。②相区：相图中有三个单相区：L、、；三个两相区：L+、L+、+；一个三相区：即水平线CED。AB③液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。④固溶线:溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。⑤共晶线：水平线CED叫做共晶线。在共晶线对应的温度下（183℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的固溶体和D点成分的固溶体，形成这两个相的机械混合物：LE⇄(C+D)在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶体长大示意图Sn原子扩散Pb原子扩散具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称过共晶合金。L+CDAB凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。⑵合金的结晶过程①共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程液态合金冷却到E点时，Pb和Sn同时达到饱和,发生共晶反应：LE⇄(C+D)。19.2wt%Sn1’析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。共晶组织形态针状共晶树枝状共晶放射状共晶螺旋状共晶在共晶转变过程中，L、、三相共存,三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。共晶组织中的相称共晶相。共晶转变结束时，和相的相对重量百分比为：%6.54%100%4.45%1002.195.979.615.97%100QQCDEDQE(61.9)D(97.5)C(19.2)共晶结束后，随温度下降，和的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶中析出Ⅱ，从共晶中析出Ⅱ，由于共晶组织细，Ⅱ与共晶结合，Ⅱ与共晶结合，共晶合金的室温组织仍为(+)共晶体。室温下两相的相对重量百分比是多少？FG'FEQ,FGG'EQPb-Sn共晶合金组织②含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程在3点以前为匀晶转变，结晶出单相固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。.2温度降到3点以下，固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相—相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。形成二次相的过程称二次析出,是固态相变的一种。H%1004FGFQⅡ室温下Ⅱ的相对重量百分比为：由析出的二次用Ⅱ表示。随温度下降，和相的成分分别沿CF线和DG线变化，Ⅱ的重量增加。ⅡQQ由于二次相析出温度较低，一般十分细小Ⅰ合金室温组织为+Ⅱ。成分大于D点合金结晶过程与Ⅰ合金相似，室温组织为+Ⅱ。ABCDEFG③亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到C点，液相成分变化到E点,此时两相的相对重量为：%1002%,1002)(CEEQCECQQEL在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：L⇄(+)，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等,即QE=QL反应结束后，在共晶温度下、两相的相对重量百分比为：%1002%,1002CDCQCDDQ%CEEQ%,CEC10021002温度继续下降，将从一次和共晶中析出Ⅱ，从共晶中析出Ⅱ。其室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。亚共晶合金的结晶过程④过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为，二次相为Ⅱ室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。⑶组织组成物在相图上的标注组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。Ⅰ和Ⅰ,Ⅱ和Ⅱ,共晶体(+)都是组织组成物。相与相之间的差别主要在结构和成分上。组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ、Ⅱ和共晶的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织组织组成物在相图上的标注3、二元包晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。以Pt-Ag相图为例简要分析L+L+L+⑴相图分析单相区：L、、β二相区：L+、L+、+三相区：L++（水平线PDC）在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+P⇄βD。该反应是液相L包着固相,新相β在L与α的界面上形核，并向L和两个方向长大。⑵合金的结晶过程①包晶成分合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为β+II②PD成分合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为+βII+β+II时间③DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出室温组织为β+II。时间共析转变也是固态相变。最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:S⇄P+Fe3C。4、具有共析反应的二元相图共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。PS(—奥氏体，—铁素体，Fe3C—渗碳体)共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合金(共析成分合金)、亚共析合金(共析线上共析点以左的合金)、过共析合金(共析线上共析点以右的合金)。铁碳合金相图共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。珠光体5、二元相图的分析步骤实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。⒈分清相图中包括哪些基本类型相图⒉确定相区⑴相区接触法则相邻两个相区的相数差为1⑵单相区的确定①液相线以上为液相区；Fe-Fe3C相图②靠纯组元的封闭区是以该组元为单相固溶体区；③相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。Fe-Fe3C相图⑶两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。⑷三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。Fe-Fe3C相图恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的新固相。⇄+共析反应恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。L+⇄包晶反应恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的新固相。L⇄+共晶反应说明反应式图形特征反应名称常见三相等温水平线上的反应⑴作出典型合金冷却曲线示意图二元合金冷却曲线的特征是:①在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。⒊分析典型合金的结晶过程②由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现拐点:a.由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐;b.由相数多的相区进入相数少的相区曲线向左拐。③发生三等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。⑵分析合金结晶过程①画出组织转变示意图。②计算各相、各组织组成物相对重