1、2018/3/26,柏振海 ,1,二元相图的表示方法,合金,合金相图 (Phase Diagram ),两种以上的金属和非金属熔合（或烧结）在一起而具有金属特性的物质,分二元合金、三元合金，多元合金(四元以上),用图的形式表明一个合金系的成份、温度和相态之间的关系,2018/3/26,柏振海 ,2,金属材料合金品种非常多,合金品种,80种元素配制合金，任取三种元素组成的三元合金系有807978/32=82160种,每一合金系中还可以改变各组元的相对含量，形成许多合金品种,2018/3/26,柏振海 ,3,合金的性能由金属的本性及其结构、组织状态所决定,合金相图,认识材料的性能与其结构、组织之间
2、的关系，通过合金化、熔铸、压力加工和热处理等工艺过程对组织、结构进行合理的控制，控制材料的性能,合金相图是研究合金中各种相结构和组织的形成和变化规律的有效工具,2018/3/26,柏振海 ,4,了解合金系任一组成的合金在各温度下所存在的相态、相成分和各个相的含量，温度变化时发生的相转变，转变温度等,合金相图作用,制订合金的熔铸、热加工和热处理工艺，研究某合金元素的作用和存在状态，研究合金的性能与组织的关系,2018/3/26,柏振海 ,5,2.1.1 二元相图的表示方法,1.二元合金中存在的相,2.二元相图的表示、含义和杠杆定律,3. 用实验方法测绘二元相图,2018/3/26,柏振海 ,6,
3、1. 二元合金中存在的相,相 (Phase ),各微区的性质并不完全相同,一个体系中结构相同，成分和性能均一，并以界面相互分开的均匀部分,相与相之间有界面,如冰和水;食盐水溶液是一个相，饱和溶液中析出食盐晶体为两个相,有界面分开的不一定都是相，如合金中同一相的不同晶粒,成分偏聚造成各微区的成分并不完全均匀,结构缺陷也可能造成各微区的性质并不完全相同,2018/3/26,柏振海 ,7,液溶体 ；固溶体；金属间化合物,2合金相平衡相种类,1.液态合金(液溶体),多数金属在液态下都能互相溶解形成均匀的溶液,有些液态下只能部分互相溶解,两组元在液态几乎完全不溶解，如Al-Ti，W-Cu，Fe-Bi等,
4、铝和镉，铜和铅，在一定温度和成分范围内，形成浓度不同和有界面分开的二层溶液,2018/3/26,柏振海 ,8,2. 固态(固溶体),合金相种类,3. 中间相（金属间化合物）,固态时溶质原子(离子或分子)溶入溶剂晶体点阵中形成的相,固溶体的晶体结构就是溶剂的晶体结构,置换固溶体、 填隙固溶体,各组元间发生化学作用，晶体结构不同于组成元素,自己的结构和性质，相图中间部位，又称“金属间化合物”,2018/3/26,柏振海 ,9,一个相转变为其它相的过程,3相平衡条件与相律,动态平衡,相变：一个相转变为其它相的过程,相平衡状态,宏观上系统中同时共存的各相长时间内不互相转化,2018/3/26,柏振海
5、,10,相律,相律,在平衡条件下，合金的组元数和相数之间存在的关系,平衡条件：同一组元在各相中的化学位相等,组元转移驱动力是组元间化学位差,合金中C个组元，p个相的平衡条件：,、两相平衡：ii (1),2018/3/26,柏振海 ,11,=CP+2 (3),相律的数学表达式,合金相变时（恒压）相律： =CP+1 (4),C：合金系组元数；P：平衡共存的相数；：自由度，平衡系中不改变相数的前提下可独立变化的因素数目（如温度、压力、浓度等）2：表示温度与压力两个因素1 ：表示温度与压力两个因素(冶金系统),纯金属最多只有两相平衡二元系最多存在三相平衡，此时自由度等于零,分析、检验相图，冶金等大工业
6、生产理论基础之一，有普遍指导意义,2018/3/26,柏振海 ,12,纯金属相图,用成分、温度和压力三根坐标轴表示,金属镁的相图,OB：气态与液态转变的临界线,纯金属相图以温度和压力为坐标表示相态变化,OC线：气态与固态相互转变的临界线,体积变化大，压力升高，转变温度升高,与温度坐标垂直，压力变化对液/固转变温度没有影响,OD：液态和固态相互转变的临界线,2018/3/26,柏振海 ,13,恒压（一个大气压）下的状态，温度和成分为坐标的平面图,2.1.2 二元相图的表示、含义和杠杆定律,二元相图,相图表明的是热力学平衡状态，又称平衡图,2018/3/26,柏振海 ,14,二元相图举例（Bi-C
7、d相图）,纵坐标表示温度,一般为摄氏度（），绝对温度（K）但是也有华氏度标示的,横坐标表示成分（或浓度）,Bi,Cd,Bi+Cd,L,L+Cd,L+Bi,C,E,D,A,B,温度/,271,144,0,40,20,60,80,Q,r,WCd%,100,200,321,300,200,100,二元相图举例（Bi-Cd相图）,x1：75%Cd，相当于横坐标左边Qp线；25%Bi，相当于右边pr线,横坐标的左、右两端点分别代表纯Bi和纯Cd,横坐标上任一点代表某一成分的合金，从左至右表示合金中含镉量逐渐增加，含铋量相应地减少,一般用重量百分数表示，也有用原子百分数（摩尔分数表示的）,一般左侧是合金基
8、体元素,右侧是合金添加元素,x2：含20%Cd，80%Bi,p,x1,x2,2018/3/26,柏振海 ,16,重量百分数和原子百分数换算,合金成分的表示方法,WA和WB分别表示A和B组元的重量百分数,aA、aB表示A、B组元原子量,XA、XB表示A和B组元原子百分数,已知原子分数求质量分数,已知质量分数求原子分数,2018/3/26,柏振海 ,17,二元相图举例（Bi-Cd相图）,相图分析,AE线：液相线,E：液相中凝固出Cd和Bi两相，共晶点,E合金：共晶合金,E点温度：共晶温度,CED水平线：为固相线，又称共晶线,Bi,Cd,Bi+Cd,L,L+Cd,L+Bi,C,E,D,A,B,温度/
9、,271,144,0,40,20,60,80,Q,r,WCd%,100,200,321,300,200,100,2018/3/26,柏振海 ,18,被线条所划分的区域称为相区，相区内注明合金存在的相态,二元相图举例（Bi-Cd相图）,Bi-Cd相图及各成分合金的组织变化,线条表示相转变温度和平衡相成分（或称浓度）,可看出任一成分的合金在任一温度下所存在的相态，在什么温度下发生相转变及转变类型等,2018/3/26,柏振海 ,19,x1合金冷却,二元相图举例（Bi-Cd相图）,Bi-Cd相图及各成分合金的组织变化,T1温度,x1合金开始冷却凝固,T1和T3之间：液相L和Cd晶体,T3：全部凝固完
10、毕，Bi+Cd两相组成,也可以分析不同成分的合金的组织变化,x2合金冷却,2018/3/26,柏振海 ,20,二元相图举例（Bi-Cd相图）,将成分坐标当作杠杆，以合金成分点为支点，两相的成分点分别为重点和力点，则与力学上的杠杆定律一样,杠杆定律,X1合金室温下相组成杠杠定律,X1合金室温下两相重量百分含量,=WCd,P,r,Q,WCd,WBi,W Bi,pr, Qp,Cd=75/100100%=75%,Bi=25/100100%=25%,2018/3/26,柏振海 ,21,WL/W =rb / ar注意：杠杆定律适用于平衡结晶时的两相区,附录：杠杆定律,2018/3/26,柏振海 ,22,二
11、元相图举例（Bi-Cd相图）,求X1在T2温度下合金中的L和Cd的含量,杠杆定律,1.在T2温度作水平线交相区的边界线点L2和S，为别L和Cd的成分点,2.以L2S连线为杠杆，求两相的重量百分含量,2018/3/26,柏振海 ,23,二元相图举例（Bi-Cd相图）,各成分合金组织变化示意图,初晶,共晶中Cd相与初晶Cd相为同一种相，性质完全一样，形态不同,共晶组织：从液相中共同凝固出来两种固相，有其形态的特点,2018/3/26,柏振海 ,24,二元相图举例（Bi-Cd相图）,各成分合金组织变化示意图,相组成物,组织组成物,把相看作构成合金组织的基本单元,按组织形貌的特征划分构成合金组织的单元
12、,固态x1合金由初晶Cd和共晶（Cd+Bi）组成,如固态x1合金由Cd相和Bi相组成，Cd占75%，Bi占25%,2018/3/26,柏振海 ,25,二元相图举例（Bi-Cd相图）,含量可按杠杆定律计算,相组成物、组织组成物,如x1合金在共晶温度的组织组成物重量百分数,靠近共晶点E，共晶组织愈多， E合金全为共晶组织,2018/3/26,柏振海 ,26,二元相图举例（Bi-Cd相图）,Bi-Cd相图及各成分合金的组织变化示意图,x2合金在不同温度下的组织变化,x1合金在不同温度下组织变化,镉的初晶呈树枝状，铋的初晶却呈方块状,相组成物或组织组成物比重很接近的合金，可以根据合金的金相组织中相组成物或组织组成物所占面积百分数估算成分,
