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4 第四章 相图(二元)


配制合金系中几种不同成分合金 熔化后,测试其冷却曲线 根据曲线上的转折点,确定各合金的凝固温度 将上述数据引入以温度为纵轴,成分为横轴的坐标
平面中 连接意义相同的点,作出相应的曲线 曲线将图面分成若干区域----相区。经过金相组织分 析,测出各相区所含的相,将相的名称标注其中, 相图工作就完成
4,过共晶合金
★ E点以右,D点以左,为过共晶合金,与亚 共晶合金类似,白色卵形为初晶β,黑色为共 晶体(α+β)。 ★α,β,αⅡ,βⅡ,(α+β)称组织组成物 ★α,αⅡ为一个相。(α+β)两相混合物,称共晶 体。 ★求组织组成物的相对量,同样可用杠杆定理 标明各区的组织---组织分区图
四、共晶组织和初晶形貌 1,共晶组织的形貌
测试时要求合金的成分准确,纯度高,冷却
速度要慢0.5~1.5℃/min
下面是Ni-Cu合金相图,是最简单的相图之一
Ni 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 20% 40% Cu Cu
80% Cu 60% Cu
Cu
Ni 20 40 60 80 Cu Cu%
2.2. 使用二元合金相图的基本方法
2 > 2 ;此时 2 -2 <0




dG<0
当α相与β相彼此平衡时,在dG=0, 同理 :------------------------------
= =
1
2
2
1
1.3. 相律
相律是分析和使用相图的重要依据。凝集态
受压力影响很小,在恒压下:相平衡条件的 数学表达式:f=c-p+1 (在物理化学中也指出) 式中C为组元数,P为共存的平衡相数,f为自 由度数。 单元系(纯金属) f=1-2+1=0,自由度为1,表 明恒温下平衡熔化或凝固。 二元系C=2,当f=0,p=3,在恒定温度下处于三 相平衡;两相共存时,自由度数目为1,表明 平衡凝固或熔化就在一定温度范围
1,表象点:二元相图图面的任意一点。所在
相区,该合金在某一温度下的相----所有合金 在不同温度下的状态。 2,相变温度确定:对给定合金的成分作垂线, 与相图中各曲线交点所对应的温度就是相恋 温度,有时称临界点。 杠杆定律:表象点若在双相区,以表象点作 水平线,与两侧的相区边界线相交,通过交 点成分坐标可确定两相的平衡成分。
杠杆定律只能在两相平衡的状态下使用
L T/℃ c b o a
α
O
Cu%
3,平衡相成分的确定
等温线与液相线、固相线的交点所对应的成 分表示。
(T) T/℃ n G n m α
Xm
Xn
Xm
Xn
2.3. 匀晶相图
一、相图分析
★二组元在液态、固态均无限互溶的合金 系的相图为匀晶相图,如: ۩ Cu-Ni, Nb-Ti, Cr-Mo, Sb-Bi, Au-Ag, Cd-Mg, Pt-Rh, ۩ ★分析: 液相线之上,单一液相区 固相线之下,单一固相区 两线之间,是液相与α固溶体的二相平衡区
2.2. 使用二元合金相图的基本方法
2.3. 匀晶相图
2.4. 共晶相图
2.5. 包晶相图
2.6. 其它相图
2.1. 二元相图的建立
测定合金系中若干成分不同的合金的平衡凝
固温度和固态相变温度 具体方法:热分析、金相分析、硬度测试、X 射线分析、膨胀试验、电阻试验等。是根据 相变时发生某些物理变化为基础,精确建立 相图常采用几种方法来校定。 热分析法是利用相变潜热来测定的,步骤如 下:
到液体中,在界面上堆集距离长,一出现连 续过冷,平界面不稳定而成胞状结构。(开拓 地)如下图:
形核和长大
形核时要成分起伏,能量起伏 凝固时是一个温度范围
在这个温度范围中,液固成分不断变化,需
要扩散达到平衡
三,匀晶系合金的不平衡凝固
偏析
实际铸造生产中,合金在铸型中的冷却速度 比较快,是非平衡态。注意不平衡条件下的 固线相 ☆晶体内部化学成分不均匀的现象称枝晶或晶 内偏析 ☆晶内偏析决定于冷却速度,偏析元素的扩散 能力以及液固相线之间距离
b/M B h= a/M A b / M B
1.4. 相图的物理意义
a.已知合金成分,根据相图找出不同温度下
合金所处的状态和相变点。 b.温度一定,合金所处的状态以及合金随成 分发生的相转变。 二元相图通常用纵坐标表示温度,横坐标表 示成分
第二节 二元相图
2.1. 二元相图的建立

T
1.2. 合金相平衡的热力学条件
相平衡及相转变的可能及方向--
热力学问题。 根据自由能高低判别-G最低状态。 △G=0平衡,△G<0是相转变的驱 动力。除了温度和压力(P,T) 以外,成分也对自由能有影响。
G G (T , P, n1 , n2 ,......) G G dG ( ) p ,n1 ,n2 ... dT ( )T ,n1 ,n2 .... dp T P G G ( )T , p ,n2 .... dn1 ( ) p ,T ,n1 ... dn2 ...... n1 n2 G ( )p s T G ( ) T =v P
例:
设合金O重量为W0,液相为WL,固相为Wα,
则WL+Wα=W0.液相中含Cu重WL.ca,固相中含 Cu重Wα.cb. 见下图 WL ca W cb Wo co
WL ca (Wo WL ) cb Wo co Wo (Cb Co) WL (cb ca) Wo ob=WL ab Wa ob = Wo ab WL WL ao WL ob =1= = Wo Wo ab W ao
t1
t2 温度 t3
液相区 L
固相区+液相区 (α +L)
固相α
A B%
B
二、匀晶转变 合金凝固时,t1温度是凝固开始温度 t2温度是凝固过程温度 t3温度是凝固结束温度 在一定温度范围内不断由液相中凝固出固溶 体,液相和固相成分都不断随温度下降而沿 液相线和固相线变化的过程---匀晶转变
★两相界面的单位面积界面能
如果两组成相中的给定晶面与界面平行时,
单位面积界面能可以达到最小值,其界面力 求保持上述平面,此时共晶体为片层状。即 是说,如果两相界面能γAB是各向同性的。 两相之间体积比大于约3:1时,就应该呈间距 为λ的纤维状(棒状)。为各向异性时,(界面为 结晶学平面)则为片层状
tE
三、共晶系合金的平衡凝固 1,含锡量小于19%的合金凝固
2,共晶合金
含锡量为61.9%的合金,
LE C + D W =45.4% W =54.6%
183℃
α、β成分分别沿CF和DG变化,从中析出βⅡ 和 αⅡ,难辨别
3,亚共晶合金
E点以左,C点以右的合金。有初晶α。
点是Sn的熔点 AC,BD分别是α和β相结晶完毕的固相线。 AE,BE是液相线 CF和DG线为固溶体的饱和溶解度曲线,简 称为固溶线,它们分别表示α和β固溶体的溶 解度随温度降低而减少的变化曲线
共晶反应:
LE C D
冷却时由一个液相变为两个固相的转变,CED 是一个三相共存区,表象点落在此处要发生 共晶反应,对应温度称共晶温度
第四章 二元合金相图
吴润

物质的状态随温度,压力与成分等而变化,
相图的形式表明某金属或合金在某一温度, 某一压力下存在状态,或者说各相之间的关 系,以及各相之间的相对量。相图就是给定 合金系中合金成分、温度和压力与其组织状 态之间关系的图形。
相图是研究和开发新材料的最重要 最基本的工具
相图表明的是热力学的平衡状态。 并未表明各相的分布状态。如弥散度、晶
1.4. 相图的物理意义
1.5.
1.6.
1.1.
单元系相图
下图是纯铁的相图,表现出同素异晶性,常
压下随温度的改变,纯铁各相中平衡关系。
L € € €
原子或分子相互转变充分而达到的相互平衡
1538℃
1394℃
912℃
状态--动态平衡
液态
δ-Fe P α-Fe γ-Fe
a ( )
( )
a
2
其总表面积
2 ra( )2
a

其总表面积 2a ( )
2
a
两表面积相等时 2 ra( ) 2a ( ) r
a
2 2
a
此时β相体积分数
2 a 1 ( ) ( ) 3 30% a
a
2
۩β相所占体积分数小于30%,r<λ/π.棒状β表 面积小,此时共晶体应为棒状,反之为片层 状
合金成分表示方法:可用重量百分数wt%,
原子百分数at%,通常是wt% 组元A、B;原子量为MA、MB;a、b为A、B 的重量百分数;k,h表示原子百分数。两者换 算关系是 MA k MB h a= b= M A k+M B h M A k+M B h
a/M A k= a/M A b / M B
2.4. 共晶相图
一、相图定义 液相互溶,固相有限溶解,并且发生共晶 反应的相图。如Pb-Sn, Pb-Sb, Al-Si等 ♠两相性能不同, 通过定向结晶---新型的生命材 料;非晶合金----以共晶为基础而形成的。 二、相图分析 二元共晶相图如下图:
α、β是固溶体
E是共晶点,CED共晶线,A纯Pb的熔点,B
粒大小,与形状。 许多理论研究和实际生产工艺都是从相图 出发或以此为依据的。 不同温度时组织状态及随成分而改变的规 律---金相分析的重要依据。 (新合金的研究--熔铸--加工--热处理工艺规范)
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