工程材料学3合金的相结构与二元合金相图课件.ppt

工工 程程 材材 料料 学学南京航空航天大学 梁文萍第三章 合金的相结构与二元合金相图3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构3.2 3.2 二元合金相图的建立二元合金相图的建立3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图3.5 3.5 二元包晶相图二元包晶相图3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图3.7 3.7 相图与性能的关系相图与性能的关系学习要求和难点 学习重点：学习重点：1.固态合金的相结构分类、形成条件和特点固态合金的相结构分类、形成条件和特点。2.三种典型二元合金相图特点、结晶过程三种典型二元合金相图特点、结晶过程。3.杠杆定律及其应用。杠杆定律及其应用。4.运用相图分析合金的性能。运用相图分析合金的性能。学习难点：学习难点：准确区分准确区分相相、组织组织、相组成物相组成物、组织组成物组织组成物。3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构3.1.1 3.1.1 相的概念相的概念 1.1.合金合金:是指由两种或两种以上元素组成的是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。具有金属特性的物质。2.合金系合金系:由给定的两个或两个以上的组元按由给定的两个或两个以上的组元按不同比例配制成的合金总称。不同比例配制成的合金总称。n组成合金的元素可以是全部是金属，也组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。可是金属与非金属。Al-CuAl-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构3.相相(Phase):是指金属或合金中成分、结构是指金属或合金中成分、结构和性能相同，并与其它部分有界面和性能相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。分开的均匀组成部分。4.显微组织显微组织(Microstructure):是指在显微镜下观察到的材料是指在显微镜下观察到的材料内部所具有的内部所具有的形态特征形态特征，即金属中，即金属中各相或各晶粒的各相或各晶粒的形态、数量、大小形态、数量、大小和分布和分布的组合。的组合。单相单相合金合金两相两相合金合金组成合金的元素相互作用可形成不同的组成合金的元素相互作用可形成不同的相相。3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构n一致的晶体结构和原子排列方式；一致的晶体结构和原子排列方式；n相同的物理、化学性能；相同的物理、化学性能；n与周围的非同相物质之间有确定的界面；与周围的非同相物质之间有确定的界面；n不同的相可予以机械性分离。不同的相可予以机械性分离。相的基本属性相的基本属性3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构Solid LiquidGasPressureTemperaturen一杯冰水有两相一杯冰水有两相液相液相固相固相n一碟椒盐也有两相一碟椒盐也有两相食盐食盐花椒花椒水的相图水的相图3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金属间化合物金属间化合物两类。两类。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织铁碳合金中的铁碳合金中的FeFe3 3C C3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构3.1.2 3.1.2 固溶体（固溶体（Solid Solution）与液态的溶液一样，我们可以把一种金属元素原子与液态的溶液一样，我们可以把一种金属元素原子“溶解溶解”入另一种固态金属中。入另一种固态金属中。合金在固态时合金在固态时,组元之间相互溶解，形成在某一组元的晶组元之间相互溶解，形成在某一组元的晶格中包含有其他组元原子的新相称为格中包含有其他组元原子的新相称为固溶体固溶体。与合金晶体结构相同的元素称与合金晶体结构相同的元素称溶剂溶剂；其它元素称；其它元素称溶质溶质。3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构l按溶质原子在晶格中所处位置分按溶质原子在晶格中所处位置分为为置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。l固溶体是合金的重要组成相，实固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。固溶体为基的合金。Cu-NiCu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-CFe-C间隙固溶体间隙固溶体3.1.2 3.1.2 固溶体（固溶体（Solid Solution）3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构 1.1.置换固溶体置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体无序固溶体，呈有序分布的称，呈有序分布的称有序固溶体有序固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构 2.2.间隙固溶体间隙固溶体:溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的子半径较小的非金非金属元素，如属元素，如C C、N N、B B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。等，而溶剂元素一般是过渡族元素。3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构体心立方晶格的八面体间隙体心立方晶格的八面体间隙3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构C C、N N、H H、B B、O O 间隙固溶体的结构示意图间隙固溶体的结构示意图形成间隙固溶体的一般规律为形成间隙固溶体的一般规律为:r r质质/r r剂剂0.590.590.59时形成复杂时形成复杂结构间隙化合物。结构间隙化合物。n如如FeBFeB、FeFe3 3C C、CrCr2323C C6 6等。等。FeFe3 3C C称称渗渗碳体碳体，是钢中重要组成相，具有是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。复杂斜方晶格。n化合物也可溶入其它元素原子，化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。形成以化合物为基的固溶体。Fe3C的的晶格晶格高温合金中的高温合金中的Cr23C6n具有一定程度的金属性质；具有一定程度的金属性质；n具有较高的熔点；具有较高的熔点；n硬度较高；硬度较高；n脆性高。脆性高。3.3.金属间化合物的主要性能金属间化合物的主要性能 当合金中出现金属间化合物时，可提高其强度、当合金中出现金属间化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。硬度和耐磨性，但降低塑性。金属间化合物也是合金的重要组成相。金属间化合物也是合金的重要组成相。3.1 3.1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构3.2 3.2 二元合金相图的建立二元合金相图的建立相图：相图：表示合金系中合金的状态与温度、成表示合金系中合金的状态与温度、成分之间关系的图解。我们经常见到的相图分之间关系的图解。我们经常见到的相图是平衡相图。是平衡相图。3.2.1 相图的基本知识相图的基本知识3.2 3.2 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 GibbsGibbs相律：相律：表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系。数和相数之间的关系。f=c-p+2f=c-p+2 其中系统的自由度数是指在保持合金系的相其中系统的自由度数是指在保持合金系的相的数目不变的情况下，合金系中可以独立改变的、的数目不变的情况下，合金系中可以独立改变的、影响合金状态的内部及外部因素的数目。影响合金状态的内部及外部因素的数目。当系统的压力为常数时，当系统的压力为常数时，f=c-p+1f=c-p+13.2 3.2 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 建立相图最常用方法是建立相图最常用方法是热分析法热分析法热分析法热分析法。它是通过测量相变时的热。它是通过测量相变时的热效应（即相变时放出热量或吸收热量）来确相变时的临界度效应（即相变时放出热量或吸收热量）来确相变时的临界度。3.2.2 二元合金相图的建立二元合金相图的建立TemperatureTimeLiquidTwo PhaseSolid3.2 3.2 二元合金相图的建立二元合金相图的建立热分析法实验原理热分析法实验原理1 1 配制不同成分的二元合金；配制不同成分的二元合金；2 2 作出每个合金的冷却曲线；作出每个合金的冷却曲线；3 3 建立建立T-xT-x坐标系，坐标系，把每个合金冷却曲线上的临界点分别标把每个合金冷却曲线上的临界点分别标在各个合金的成分垂线上在各个合金的成分垂线上。4 4 将各个成分垂线上具有相同意义的点连接成线，再加上标将各个成分垂线上具有相同意义的点连接成线，再加上标注。注。3.2 3.2 二元合金相图的建立二元合金相图的建立二元合金相图的绘制步骤二元合金相图的绘制步骤3.2 3.2 二元合金相图的建立二元合金相图的建立图图6-5 Cu-Ni6-5 Cu-Ni合金的冷却曲线和相图的绘制合金的冷却曲线和相图的绘制150014001300120011001000CuNi80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni温度温度/温度温度/时间时间Ni%Cu 20 40 60 80 NiLL+3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程 两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图称为相图称为匀晶相图匀晶相图。TemperatureXY%Y addedLiquidSolidTwo Phase3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程3.3.1.3.3.1.相图分析相图分析3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程温度温度/ABB%LL+液相线液相线固相线固相线B熔点熔点A熔点熔点 与纯金属的结与纯金属的结晶过程不同，固溶晶过程不同，固溶体合金的结晶是在体合金的结晶是在一定的一定的温度范围温度范围内内完成的。完成的。n相图相图由由两条线两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。构成，上面是液相线，下面是固相线。n相图被两条线分为相图被两条线分为三个相区三个相区，液相线以上为，液相线以上为液相区液相区L L，固相线以下为固相线以下为 固溶体区固溶体区，两条线之间为两相共存的，两条线之间为两相共存的两相区两相区（L+L+）。）。3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程3.3.2.3.3.2.合金平衡结晶过程分析合金平衡结晶过程分析 Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图 以以Cu-NiCu-Ni合金合金为例进行分析。为例进行分析。3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程L L+l当液态金属自高温冷当液态金属自高温冷却到却到 t t1 1温度时，开始温度时，开始结晶出成分为结晶出成分为 1 1的固的固溶体，其溶体，其NiNi含量高于含量高于合金平均成分。合金平均成分。n 合金的结晶过程合金的结晶过程n除纯除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合合金为例说明。金为例说明。l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变匀晶转变或或匀晶反应匀晶反应。3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程n随温度下降，固随温度下降，固溶体重量增加，溶体重量增加，液相重量减少液相重量减少。同时，同时，液相成分液相成分沿液相线变化，沿液相线变化，固相成分沿固相固相成分沿固相线变化线变化。n成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t t3 3时，最后时，最后一滴一滴L L3 3成分的液体也转变为固溶体，此时成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又固溶体的成分又3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程变回到合金成分变回到合金成分 3上来上来。l液固相线不仅是相区分液固相线不仅是相区分界线界线,也是结晶时两相也是结晶时两相的成分变化线的成分变化线；匀晶转匀晶转变变是是变温转变变温转变。All Liquid52%Ni45%NiAlmost 40%Ni40%Ni 在整个过程中在整个过程中,结晶结晶出的出的相的成分沿固相的成分沿固相线变化，即：相线变化，即：1 1 2 2 3 3 4 剩余液相成分按剩余液相成分按固相线变化：固相线变化：l l1 1 l l2 2 l l3 3 l l4 43.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程Cu-40%NiCu-40%Ni合金的结晶过程合金的结晶过程3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程3.3.3.3.3.3.非平衡结晶非平衡结晶枝枝晶偏析晶偏析固溶体晶粒成分不均匀性示意图，固溶体晶粒成分不均匀性示意图，颜色深浅代表高熔点组元的浓度大小颜色深浅代表高熔点组元的浓度大小。Cu-NiCu-Ni合金枝晶偏析示意图合金枝晶偏析示意图n在一个枝晶范围内或在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作不均匀的现象称作枝枝晶偏析晶偏析。3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程Cu-NiCu-Ni合金合金枝晶偏析显微组织枝晶偏析显微组织3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程n合金的结晶只有在合金的结晶只有在缓慢缓慢冷却冷却条件下才能得到条件下才能得到成分均匀的成分均匀的固溶体固溶体。但实际冷速较快，但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素含有较多的高熔点元素（如（如Cu-NiCu-Ni合金中的合金中的NiNi）,后结晶的后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元枝晶间含有较多的低熔点元素素(如如Cu-NiCu-Ni合金中的合金中的Cu)Cu)。3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程平衡平衡组织组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织Cu-30%NiCu-30%Ni合金的平衡合金的平衡组织与组织与枝晶偏析组织枝晶偏析组织3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程 枝晶偏析枝晶偏析不仅与冷速有关，而且与液固相线不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。的间距有关。n冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。n枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程 生产上常将铸件加热到生产上常将铸件加热到固相线以下固相线以下100-200100-200长时间长时间保温，以使原子充分扩散、保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作这种热处理工艺称作扩散退扩散退火火。消除枝晶偏析的办法消除枝晶偏析的办法 大型铝合金铸造板材的扩大型铝合金铸造板材的扩散退火散退火3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程3.3.4.3.3.4.杠杆定律杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用还可用杠杆定律杠杆定律求出两平衡相的相对重量。求出两平衡相的相对重量。现以现以Cu-NiCu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律：确定两平衡相的成分：确定两平衡相的成分：设合金设合金成成分为分为x x，过，过x x做成做成分垂线。在成分分垂线。在成分垂线相当于温度垂线相当于温度t t 的的o o点作水平线，点作水平线，其与液固相线交点其与液固相线交点a a、b b所对应的所对应的成分成分x x1 1、x x2 2即分别为液相和固相即分别为液相和固相的成分。的成分。12 t 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量 设合金的重量为设合金的重量为1 1，液相重量为，液相重量为Q QL L，固相重量为固相重量为Q Q。3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程 则则 QL+Q =1 QL x1+Q x2=x 解方程组解方程组得得 式中的式中的x x2 2-x x、x x2 2-x x1 1、x x-x x1 1即为相图中线段即为相图中线段xxxx2 2 (obob)、x x1 1x x2 2 (abab)、x x1 1x x(aoao)的长度的长度。3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程 因此两相的相对重量百分因此两相的相对重量百分比为：比为：两相的重量比为：两相的重量比为：上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定杠杆定律律。即。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各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。自相区距离较远的成分线段之比。杠杆的杠杆的支点支点是合金的成分，杠杆的是合金的成分，杠杆的端点端点是所求的两平衡是所求的两平衡相相（或两组织组成物）（或两组织组成物）的成分。的成分。例例（如图）：（如图）：3.3 3.3 匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程杠杆定律只适用于两相区。杠杆定律只适用于两相区。3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图 当当两两组元在液态下完全互溶，在固态下有限组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶互溶,并发生并发生共晶反应共晶反应时所构成的相图称作时所构成的相图称作共晶相共晶相图图。3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图 以以 Pb-SnPb-Sn 相图相图为例进行分析。为例进行分析。Pb-SnPb-Sn合金相图合金相图温度（温度（）PbSn成分（成分（wt%Sn）3.4.1 3.4.1 相图分析相图分析 相相：相图中：相图中有有L L、三种三种相相,是溶质是溶质SnSn在在 PbPb中的固溶中的固溶体，体，是溶质是溶质PbPb在在SnSn中的固中的固溶体。溶体。相区相区：相图中有：相图中有三个单相区三个单相区：L L、；三个两相区三个两相区：L+L+、L+L+、+；一个三一个三相区相区：即水平线：即水平线CEDCED。3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图AB 液固相线液固相线：液相线液相线AEBAEB，固相线固相线ACEDBACEDB。A A、B B分别为分别为PbPb、SnSn的的熔点熔点。3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图 固溶线固溶线:溶解度点的连溶解度点的连线线称称固溶线固溶线。相图中的相图中的CFCF、DGDG线分别为线分别为 SnSn在在 PbPb中和中和 PbPb在在 SnSn中的固中的固溶线。溶线。n固溶体的溶解度随温度固溶体的溶解度随温度降低而下降。降低而下降。AB 共晶线共晶线：水平线水平线CEDCED叫做叫做共晶线共晶线。n共晶线对应的温度下（共晶线对应的温度下（183 183），），E E点成分的合金同时结晶出点成分的合金同时结晶出C C点成分的点成分的 固溶体固溶体和和D D点成分的点成分的 固溶体，形成这固溶体，形成这两个相的机两个相的机械混合物械混合物：L LE E (C C+D D)3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图 在一定温度下，由一定成在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分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和结构都不相同的新固相的转变称作变称作共晶转变共晶转变或或共晶反应共晶反应。AB 共晶反应的产物，即共晶反应的产物，即两相的机械混合物称两相的机械混合物称共晶共晶体或共晶组织体或共晶组织。发生共晶。发生共晶反应的温度称反应的温度称共晶温度共晶温度。代表共晶温度和共晶成分代表共晶温度和共晶成分的点称的点称共晶点共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图n具有共晶成分的合金称具有共晶成分的合金称共晶合金共晶合金。在共晶线上，凡。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金亚共晶合金，位于共，位于共 晶点以右的合金称晶点以右的合金称过共晶合金过共晶合金。l凡具有共晶线成分凡具有共晶线成分的合金液体冷却到的合金液体冷却到共晶温度时都将发共晶温度时都将发生共晶反应。生共晶反应。L+CDAB3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图.23.4.2 3.4.2 合金的结晶过程合金的结晶过程 含含SnSn量小于量小于C C点合金点合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程n在在3 3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直接从液固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称相中结晶出的固相称一次相一次相或或初生相初生相。3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图n温度降到温度降到3 3点以下，点以下，固溶体固溶体被被SnSn过饱和，由于晶格不稳，过饱和，由于晶格不稳，开始开始析出析出（相变过程也称析出）新相（相变过程也称析出）新相 相。相。由已有固相析由已有固相析出的新固相称出的新固相称二次相二次相或或次生相次生相。n形成二次相的过程称形成二次相的过程称二次析出二次析出,是固态相变的一种。是固态相变的一种。3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l随温度下降，随温度下降，和和 相的成分分别相的成分分别沿沿CFCF线和线和DGDG线变化线变化，的的重量增加重量增加。n由于二次相由于二次相析出温度较析出温度较低，一般十低，一般十分分细小细小。3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图合金室温组织合金室温组织为为:+ABCDEFG成分大于成分大于 D D点合金结晶过程与点合金结晶过程与合金相似，室温组织为合金相似，室温组织为:+3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图 共晶合金共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程n液态合金冷却液态合金冷却到到E E 点时同时点时同时被被PbPb和和SnSn饱和饱和,发生共晶反应发生共晶反应：L LE E (C C+D D)19.2wt%Sn温度,1n析出过程中析出过程中两相相间形核两相相间形核、互相促进、共同长大，因而互相促进、共同长大，因而共晶组织共晶组织较细，较细，呈呈片片、棒棒、点点(球球)等形状等形状。3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图共晶组织形态共晶组织形态层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)Pb-Sn共晶组织共晶组织条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图针针状状共共晶晶树树枝枝状状共共晶晶放放射射状状共共晶晶螺螺旋旋状状共共晶晶3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图n在共晶转变过程中在共晶转变过程中，L L、三相共存三相共存,三个相的量在不断三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定变化，但它们各自成分是固定的。的。n共晶组织中的相称共晶组织中的相称共晶相共晶相。共共晶转变结束时，晶转变结束时，和和 相的相相的相对重量百分比为：对重量百分比为：E(61.9)D(97.5)C(19.2)3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图n共晶结束后，随温度下降，共晶结束后，随温度下降，和和 的成分分别沿的成分分别沿CFCF线和线和DGDG线变线变化，并从共晶化，并从共晶 中析出中析出 ，从共晶，从共晶 中析出中析出 ，由于共晶组，由于共晶组织细，织细，与共晶与共晶 结合，结合，与共晶与共晶 结合，共晶合金的室温组结合，共晶合金的室温组织仍为织仍为 (+)共晶体共晶体。Pb-Sn共晶合金组织共晶合金组织室温下两相的相对重量百分比是多少？室温下两相的相对重量百分比是多少？3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图 亚共晶合金亚共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程 合金液体在合金液体在2 2点以前为匀晶转变。冷却到点以前为匀晶转变。冷却到2 2点，固相成点，固相成分分变化变化到到C C点，液相成点，液相成分分变化变化到到E E点点,此时此时两相的相对重量为：两相的相对重量为：n在在2 2点，具有点，具有E E点成分的剩余液体发生共晶反应：点成分的剩余液体发生共晶反应：L L (+)，转变为转变为共晶组织共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相共晶体的重量与转变前的液相重量相等重量相等,即即Q QE E=Q=QL Ln反应结束后，在共晶温度下反应结束后，在共晶温度下、两相的相对重量百分比为：两相的相对重量百分比为：3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图n温度继续下降，将从一次温度继续下降，将从一次 和和共晶共晶 中析出中析出，从共晶，从共晶 中中析出析出。其其室温组织室温组织为为+(+(+)+)+。亚共晶合金亚共晶合金的结晶过程的结晶过程3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图 如何求室如何求室温下三种组织温下三种组织组成物的相对组成物的相对重量？重量？亚共晶合金结晶过程示意图亚共晶合金结晶过程示意图 其其室温组织室温组织为为+(+(+)+)+3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图 过共晶合金结晶过程过共晶合金结晶过程n与亚共晶合金相似，不同的是一与亚共晶合金相似，不同的是一次次相相为为 ,二次相为二次相为。n室温组织为室温组织为+(+(+)+)+。Pb-SnPb-Sn合金的结晶过程合金的结晶过程3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图3.4.33.4.3 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注n组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。l 和和,和和,共晶体共晶体(+)都是组都是组织组成物。织组成物。l相与相之间的差相与相之间的差别主要在别主要在结构结构和和成分成分上上。3.4 3.4 二元共晶相图二元共晶相图n组织组成物之间的差别主要在形态上。组织组成物之间的差别主要在形态上。如如 、和和共晶共晶 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。同的组织组成物。n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。观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织组织组成组织组成物在相图物在相图上的标注上的标注3.5 3.5 二元包晶相图二元包晶相图当当两两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生溶，并发生包晶反应包晶反应时所构成的相图称作时所构成的相图称作包晶相图包晶相图。L+L+L+.5.5.相图分析相图分析l以以Pt-AgPt-Ag相图为例相图为例l单相区单相区：L L、l二相区二相区：L+L+、L+L+、+l三相区三相区：L L+（水平线水平线PDCPDC）3.5 3.5 二元包晶相图二元包晶相图 水平线水平线PDCPDC称称包晶线包晶线，与该线成分对应的合金在该，与该线成分对应的合金在该温度下发生温度下发生包晶反应包晶反应：L LC C+P P D D 。该反应是液相该反应是液相L L包着固相包着固相,新相新相 在在L L与与的界面上形核，并向的界面上形核，并向L L和和 两个方向长大。两个方向长大。3.5 3.5 二元包晶相图二元包晶相图 在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称另一新固相的反应称包晶转变包晶转变或或包晶反应包晶反应。3.5 3.5 二元包晶相图二元包晶相图3.5 3.5 二元包晶相图二元包晶相图3.5.2 3.5.2 合金的结晶过程合金的结晶过程 包晶成分合金包晶成分合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。n室温组织为室温组织为 +II II PDPD成分成分合金合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。n室温组织为室温组织为 +II II+II II3.5 3.5 二元包晶相图二元包晶相图时间温度3.5 3.5 二元包晶相图二元包晶相图 DCDC成分成分合金合金：匀晶：匀晶包晶包晶匀晶匀晶二次析出二次析出n室温组织为室温组织为 +II II。时间温度3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图n稳定化合物稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如如Mg-SiMg-Si系的系的MgMg2 2Si Si和和Fe-CFe-C系的系的FeFe3 3C)C)。其成分固定，在相图中是一条垂线其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区代表一个单相区)。垂足是其。垂足是其 成分成分,顶点是其熔点顶点是其熔点,结晶过程结晶过程同纯金属同纯金属.l分析这类相图时，分析这类相图时，可把稳定化可把稳定化合物当作纯组元看待合物当作纯组元看待，将相图，将相图分成几个部分进行分析分成几个部分进行分析.Mg2SiMg2Si+SiMg+Mg2SiSiL+Mg2SiL+SiL+Mg2SiL+Mg3.6.1 形成稳定化合物的二元相图形成稳定化合物的二元相图3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图3.6.2 3.6.2 具有共析反应的二元具有共析反应的二元相图相图l共共析析反反应应(共共析析转转变变)是是指指在在一一定定温温度度下下，由由一一定定成成分分的的固固相相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。n共析转变也是固态相变。共析转变也是固态相变。n最最常常见见的的共共析析转转变变是是铁铁碳合金中的珠光体转变碳合金中的珠光体转变:S P+Fe3CPS(奥氏体，奥氏体，铁素体，铁素体，Fe Fe3 3C C渗碳体渗碳体)n共共析析相相图图与与共共晶晶相相图图相相似似，对对应应的的有有共共析析线线(PSK(PSK线线)、共析点共析点(S(S点点)、共析温度共析温度、共析成分共析成分、共析合共析合3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图金金(共共析析成成分分合合金金)、亚亚共共析析合合金金(共共析析线线上上共共析析点点以以左左的的合合金金)、过过共共析析合合金金(共共析析线线上上共共析点以右的合金析点以右的合金)。铁碳合金相图铁碳合金相图n共析反应的产物是共析反应的产物是共析体共析体（铁碳合金中的共析体称铁碳合金中的共析体称珠珠光体光体），也是两相的机械混合物（），也是两相的机械混合物（铁素体铁素体+渗碳体渗碳体)。3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图l与共晶反应不同的是与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，共析反应的母相是固相，而不是液相。而不是液相。l另外，由于固态转变过另外，由于固态转变过冷度大，因而冷度大，因而共析组织共析组织比共晶组织细比共晶组织细。珠光体珠光体3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图3.6.3 3.6.3 二元相图的分析步骤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。实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。n 分清相图中包括哪些基本类型相图分清相图中包括哪些基本类型相图n 确定相区确定相区n 相区接触法则相区接触法则n相邻两个相区的相数差为相邻两个相区的相数差为1 1n 单相区的确定单相区的确定n 液相线以上为液相线以上为液相区；液相区；Fe-Fe3C相图相图3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图n 靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区；靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区；n 相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线；能是相区分界线；l 相图中部出现的成分可相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；基的单相固溶体区；l 相图中每一条水平线必相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。定与三个单相区点接触。Cu-Zn相图相图+n 两相区的确定：两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相两个单相区之间夹有一个两相3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图 区，该两相区的相由两区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。相邻单相区的相组成。l 三相区的确定：三相区的确定：二二元相图中的水平线是三元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单三相区点接触的三个单相区的相组成。相区的相组成。Fe-Fe3C相图相图常见三相等温水平常见三相等温水平线上的反应线上的反应3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图恒温下由一个固相同时恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同析出两个成分结构不同的新固相。的新固相。+共析反应共析反应恒温下由一个液相包着恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新一个固相生成另一个新的固相。的固相。L+包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不结晶出两个成分结构不同的新固相。同的新固相。L L +共晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图 分析典型合金的结晶过程分析典型合金的结晶过程n作出典型合作出典型合金冷却曲线示金冷却曲线示意图意图n二元合金冷却二元合金冷却曲线的特征是曲线的特征是:n在单相区和在单相区和两相区冷却曲两相区冷却曲线为一斜线。线为一斜线。3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图n由一个相区进入另一相区时由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现拐点冷却曲线出现拐点:na a.由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐;lb b.由相数多的相区由相数多的相区进入相数少的相区进入相数少的相区曲线向左拐。曲线向左拐。l 发生三等温转变发生三等温转变时，冷却曲线呈一时，冷却曲线呈一水平台阶。水平台阶。n 分析合金结晶过程分析合金结晶过程n 画出组织转变示意图。画出组织转变示意图。3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图l 计算各相、各组织组计算各相、各组织组成物相对重量百分比：成物相对重量百分比：la a.在单相区，合金由单在单相区，合金由单相组成，相的成分、重相组成，相的成分、重量即合金的成分、重量。量即合金的成分、重量。nb b.在两相区，两相的成分随温度在两相区，两相的成分随温度沿各自的相线变化，各相和各沿各自的相线变化，各相和各组织组成物的相对重量可由杠组织组成物的相对重量可由杠杆定律求出。杆定律求出。n合金成分为杠杆的支点，相或组合金成分为杠杆的支点，相或组织组成物的成分为杠杆的端点。织组成物的成分为杠杆的端点。nc c.在三相区，三个相成分固定，在三相区，三个相成分固定，重量不断变化，杠杆定律不适重量不断变化，杠杆定律不适用。用。3.6 3.6 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图合金成分合金成分相相1 1成分成分相相2 2成分成分 相相1 1重量重量 相相2 2重量重量合金成分合金成分组织组织1 1成分成分组织组织2 2成分成分组织组织1 1重量重量组织组织2 2重量重量3.7.1 3.7.1 相图与合金力学性能、物相图与合金力学性能、物理性能的关系理性能的关系 1.1.两相机械混合物的合金两相机械混合物的合金:性能与合性能与合金成分呈金成分呈直线关系直线关系，是两相性能，是两相性能的算术平均值，如：的算术平均值，如：混混=Q Q +Q Q HBHB混混=HB=HB Q Q +HBHB Q Q(Q Q 、Q Q为两相相对重量为两相相对重量)3.7 3.7 相图与性能的关系相图与性能的关系3.7 3.7 相图与性能的关系相图与性能的关系2.2.单相固溶体的合金：单相固溶体的合金：性能随成分性能随成分呈曲线变化呈曲线变化，随，随溶质含量