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材料科学基础-6二元相图


2
Ω=0,>0,G-x曲线也有一最小值;
Ω>0, G-x曲线也有2个最小值,拐点内<0。
6.3.2 多相平衡的公切线原理
6.3.3 混合物的自由能和杠杆法则
6.3.4 从自由能—成分曲线推测相图
6.3.5 二元相图的几何规律
★相图中所有的相界线代表相变的温度和平衡相 成分,即平衡相成分沿着相界线随温度变化而变 化; ★两单相区之间必定有这两相的两相区-相区接 触法则; ★二元相图的三相平衡区为一水平线,其与三个 单相区的交点确定平衡相的浓度; ★两相区与单相区的分界线与三相等温线相交, 分界线的延长线进入另一两相区。
(1)单相区:3个, L、 α 、β (2)两相区: 3个, L+α 、L+β 、α +β 相区:1个, L+α+β (3)三
5.与匀晶和共晶相图的区别
(1)相同处
PDC线以上区域; PDC线以下、DF以右区域的
分析方法以及结晶过程与匀晶相同;
BPDF以内区域,与共晶线MEN线以下区域相同,
按照固ห้องสมุดไป่ตู้度线分析。 (2)不同处 包晶线PDC及包晶反应:L+α→β
6.10 铁碳合金相图 6.11 二元合金的凝固理论
第6章 二元合金相图及合金凝固
由一种元素或化合物构成的晶体称为单组元晶体或纯晶体,
该体系称为单元系。两个组元的为二元系,n个组元都是独立
的体系称为n元系。对于纯晶体材料而言,随着温度和压力的 变化,材料的组成相会发生变化。
从一种相到另一种相的转变称为相变。由不同固相之间的
2.非平衡共晶组织
a
非平衡共晶组织(成分位于a点稍左)一般分布在初晶α 的相界上,或者在枝晶间。可以通过扩散退火来消除,最终得
到均匀的α单相固溶体组织 。
3.离异共晶
离异共晶:条件为a点稍右,特点是初生相很
多,共晶体量很少。
离异共晶
初晶
a
6.6 包晶相图
2
4.6.1相图分析
★包晶相图——液态下无限互溶,固态下有限
6.6.2 包晶合金的平衡凝固
P点以左,C点以右的合金与匀晶相图相似,分析方法相同。
1.合金Ⅰ
1以上,液相冷却; 1→2,L →α; 2点,包晶转变:LC +α P →β D 2点以下,β沿DF线变化,析出二次相, β → αⅡ; 室温组织: β +αⅡ
包晶转变时, β相依附在α相形核,直至全部包住 α相。此 时, β相内部α相的Pt含量高, β相外部L相的Ag含量高, Pt原
子向外扩散, Ag原子向内扩散。新相β两侧L相和α相的成分接
近D点, β相消耗L相和α相从而长大。当L相和α相同时消耗完, 包晶转变结束,在包晶温度下只有β相。
发生包晶转变时, L相和α相的两相相对量计算如下: W(L)=DP/DC=(42.5-10.5)/(66.3-10.5)=57.3%
W(α)=PC/DC=(66.3-42.5)/(66.3-10.5)=42.7%
材料科学基础
第6章 二元相图及合金凝固
合肥工业大学材料学院 宣天鹏
6.1二元相图的表示和测定方法 6.2 相图热力学的基本要点 6.3 匀晶相图 6.4 共晶相图 6.5 包晶相图
6.6溶混间隙相图与调幅分解
6.7 其他类型的二元相图 6.8 复杂二元相图的分析方法
6.9 根据相图推测合金的性能
(3)三相区:1个, L+α+β
5.与匀晶相图的区别
相同点: MEN线以上区域,分析方法以及结晶过程
与匀晶相同;
不同点: 共晶线MEN线及以下区域,需要重点关
注。
6.5.2共晶合金的平衡凝固
1.固溶体合金(183℃时,Pb%≤19%;Sn%≥97.5)
T
1 2 3 τ
1以上,液相冷却; 1→2,L →α; 2→3,α冷却; 3以下,α→βⅡ。 室温组织:α初+βⅡ
即57.3%的液相和 42.7%的α相正好全部转变为β相
T 1 D 4 D′
τ
2.合金Ⅱ
1以上,液相冷却; 1→2,L →α; 2点,包晶转变:LC +αP →βD 包晶温度: W(L)=2P/DC>57.3%,说明发生包晶反应后有液 相过剩。 2→3,过剩的液相成分沿CB线变化, β沿DB线变化, L过剩→ β 3→4, β冷却 4点以下,β沿DF线变化,析出二次相, β →αⅡ; 室温组织: β +αⅡ
6.4.3 固溶体的非平衡凝固
偏析-合金内部成分不均匀;
晶内偏析-晶粒内部成分不均匀;
枝晶偏析-树枝晶内的偏析;
枝晶偏析对铸件影响很大,可在低于固相线
温度下进行均匀化退火或进行热轧、锻造降 低枝晶偏析;
不平衡凝固偏离固相线、液相线,但液、固
相界面仍然符合相图的平衡关系。
L L+A L+B
A+B
6.4 匀晶相图
6.4.1相图分析
B
A
1.点:A、B分别是Cu和Ni的熔点;
2.相:2个,L 、α相;
3.线:2条,液相线和固相线; 4.相区: 2个单相区,分别是L、 α的单相区;
1个两相区,L +α;
单相区和两相区被液相线和固相线隔开。
α2
固溶体结晶时需要成分起伏:液态金属中 存在有偏离合金平均成分的区域,一定条件下 该区域此起彼伏的现象。
α
βⅡ
2.共晶合金(183℃,Sn%=61.9) tE以上,液相冷却;
tE, 共晶转变:LE → αM +βN ,
tE以下,α沿着MF线变化,析出βⅡ,α→ βⅡ
β沿着NG线变化,析出αⅡ, β→αⅡ
室温组织:α+β(二次相看不见)
T
tE
E1
τ
共晶温度下:共晶合金的相对量
( α+β )
相组成物:构成显微组织的基本相; 组织组成物:由基本相构成并具有独特组织形态的组 成部分。 室温下,共晶合金的相组成物为α和β;组织组成物为 (α+β )。 相组成物相对量计算: α%= ( E1G/ FG )×100% ;
(4)共晶线:MEN,位于该线内的合金,在共晶温 度下都要发生共晶转变。
LE → αM +βN
tE—共晶温度,此温度下三相平衡,f =c-p+1=0, 自由度为0,共晶转变是恒温转变; 4.相区
tE
(1)单相区:3个, L、 α 、β
(2)两相区: 3个, L+α 、L+β 、α +β
(α、
β两相为机械混合物)
(2)P、D分别是包晶温度下α( β)相的最大溶解度点, C点包晶反应时的液相成分点;
(3)B、F分别是室温下α( β)相的最大溶解度点;
3.线
(1)液相线: AC: L→ α, CB: L→ β ;
(2)固相线:AP: L→ α, DB: L→ β ;
(3)固溶度线:不同温度下固溶体最大溶解度的连线,
随温度降低,固溶体沿此线变化,析出第二相; PB: α → βⅡ, DF : β → αⅡ
(4)包晶线:PDC,位于该线内的合金,在包晶温 度下都要发生共晶转变。
LC + αP → βD
1186℃—包晶温度,此温度下三相平衡,f =cp+1=0, 自由度为0,包晶转变是恒温转变;
1186℃
4.相区
β%=(FE1/ FG)×100%
组织组成物:
为100%的共晶组织(α+β )
3.亚共晶合金(亚共晶:Sn%=19~61.9%) 1以上,液相冷却; 1→2,L →α初; 2 点, α初+ L → α初+ ( αM +βN ) , 2以下,α沿着MF线变化,α→ βⅡ β沿着NG线变化,β→αⅡ 室温组织: α初+ βⅡ + ( α+β )或 α初+ ( α+β ) (共晶组织中的二次相看不见)。
Wl / Wα = α2 O/ OL2%
两平衡相的相对量与其在相图上平衡成分 线段长度成反比。 因为:Wl / (W0 - Wl )= α2 O/ OL2 % 所以: Wl / W0= α2 O/α2L2 % Wα / W0= 1- Wl / W0 = OL2/α2L2 % 上式就是二元系中的杠杆定律,杠杆的支 点是合金成分点,杠杆的两端点是两平衡相的 平衡成分点。
晶或先共晶相等) ;
(2)固相线:tA M: L→ α, tB N: L→ β ; (3)固溶度线:不同温度下固溶体最大溶解度的连线(t1 — M1 ; t2— M2 ; t3 — M3 …… ) ,随温度降低,固溶体沿此线变化, 析出第二相(根据析出次序而称之,相对于从液相中析出的初 晶而言,指的是从固相中析出); MF: α → βⅡ, NG : β → αⅡ
(α+β)
课后练习:过共晶合金( 61.9~97.5% Sn)、N点以右合金 ( 61.9~97.5% Sn) 1.分析合金的平衡结晶过程; 2.画出金相组织示意图; 3.计算室温下相组成物和组织组成物的相对量; 4.画出冷却曲线。
6.5.3共晶合金的非平衡凝固
1.伪共晶组织
(a)伪共晶区对称:两组元熔点相近; (b)伪共晶区不对称:两组元熔点相差较大,共晶点偏向低 熔点组元,伪共晶区偏向高熔点组元。 不平衡凝固条件下,非共晶成分的合金可全部得到伪共晶 组织,共晶成分的合金则可能得到亚共晶或过共晶组织。
溶解,且具有包晶转变的相图;
★包晶转变—— 一定温度下,一个一定成分的
液相和一个一定成分的固相同时转变另一具有
一定成分固相的反应:
L+α→β 具有包晶转变的二元合金有Fe-C、Cu-Zn、AgSn、Ag-Pt等。
1.相
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