1、1,第四章 二元合金相图,材料学院 范广新 ,2,第四章 二元合金相图,合金：组元 ： 相：组织： 合金：是指由两种或两种以上的金属元素与非金属元素经过冶炼、烧结或用其它方法组合而成具有金属特性的物质，二元、三元等。 组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称之为相。 组织：合金的组织是指肉眼或借助于显微镜所观察到的合金的相组成及相的数量、形态、大小、分布特征。,3,第四章 二元合金相图,如何确定不同温度下，一种合金材料的组织结构？ 如何估算合金的室温组织含量以及怎样预测合金的机械和物理化学性能
2、？ 如何强化合金材料？如何通过不同的工艺得到相应的 组织和性能？,4,第四章 二元合金相图,第一节 二元合金相图的建立 第二节 二元匀晶相图 第三节 二元共晶相图 第四节 二元包晶相图 第五节 其它常用的二元合金相图类型 第六节 二元合金相图与合金性能的关系,5,4-1 二元合金相图的建立,什么是相图 二元合金相图的表示方法 二元合金相图的建立方法 杠杆定律,6,0，什么是相图？,相图：就是表示合金系中合金的状态与温度、成分关系的 图解，即用图解的方式表示合金系在平衡条件下，不同温度和不同成分的合金所处的状态。 作用： 1，可以确定不同成分合金在不同温度下的相2，相的成分及相的相对含量3，了解
3、合金在加热与冷却过程中所发生的转变并 预测合金性能的变换规律 意义： 相图是材料研究、金相分析、制定加工、铸造、热处理等重要的依据和有效工具,7,1，二元合金相图的表示方法,相图又称为状态图或平衡相图。 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。 合金的状态：成分、温度、压力相互影响。 通常有温度和成分两个因素决定,8,1，二元合金相图的表示方法,例：二元合金相图的成分及温度表示方法,9,2.二元相图的建立,热分析法建立相图 1，选用高纯度的组元，配制一系列不同成分的合金 2，测出平衡条件下的冷却曲线，找出临界点
4、 3，将各临界点标注在温度-成分坐标平面内 4，把相同意义的临界点连成线，标上已知条件，分析结果，写上数字、字母及各相、组织的名称,10,合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。,11,3.杠杆定律很重要,运用杠杆定律时要注意：它只适用于相图中的两相区, 并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点, 而支点为合金的成分点。,12,4-2 二元匀晶相图,匀晶相图的分析 合金的平衡结晶过程 晶内偏析,13,4-2 二元匀晶相图,匀晶转变：两组元在液态与固态均无限互溶，直接由液相结晶出单相固溶体的过
5、程。 匀晶相图： 当两个组元化学性质相近，晶体结构相同，晶格常数相差不大时，它们在液态（熔融态）和固态均无限互溶，形成成分连续可变的固溶体，称为无限固溶体或连续固溶体，它们形成的相图即为匀晶相图。,14,Cu-Ni合金相图,合金的平衡结晶过程,15,2、平衡结晶规律,合金平衡结晶过程分析 固溶体的结晶过程（匀晶转变）与纯金属结晶相比（1）异分结晶：就是指固溶体结晶时，结晶出来的固相与母相化学成分不同。（2）固溶体结晶是在一定的温度范围内完成的，其中每一个温度下，只能结晶出一定数量的固相。 在匀晶相图的两相区，温度一定时，两相的成分确定，两 相的重量比也一定。,16,在2点固液两相重量比例,17
6、,3、晶内偏析,固溶体结晶过程中固相和液相成分是不断变化的。 在平衡结晶条件下，扩散充分、均匀固溶 实际铸造过程中，结晶较快，晶内偏析,Cu-Ni合金枝晶偏析示意图,18,晶内偏析：在实际铸造状态下，合金的结晶较快，原子扩散特别是在固相中的扩散来不及充分进行，在一个晶 粒内，先结晶的部分与后结晶部分的成分不同的，这种成分的不均匀称晶内偏析。 树枝状偏析或枝晶偏析：由于固溶体晶体的结晶通常按树 枝状方式进行，因而成分不均匀地沿树枝晶分布，枝晶的主干含高熔点组元多，枝晶间含低熔点组元多。 晶间偏析先结晶的晶粒与后结晶晶粒的成分是不同的，这种成分的不均匀,19,晶内偏析的危害及消除,危害：塑性、韧性
7、下降易引起晶内腐蚀给金属热加工带来困难 消除方法：扩散退火或均匀化退火，使偏析元素充分进行扩散，已达到成分均匀化,20,4-3 二元共晶相图,二元共晶相图分析 典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织 相组成物与组织组成物 概念：共晶反应：由一定成分的液相同时结晶出成分不同、结构不同的两个固相共晶组织（共晶体）：共晶转变的产物（两个固相的混和物）,go,21,4-3 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共晶相图。 以 Pb-Sn 相图为例进行分析。,22, 相图分析 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
8、的固溶体。, 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。,4-3 二元共晶相图,23, 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。, 液固相线: 液相线AEB, 固相线ACEDB. A、B分别为Pb、Sn的熔点., 共晶线：水平线CED 固溶体的溶解度随温度降低而下降。, 相图分析,24,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),共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体
9、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。, 相图分析,25,具有共晶成分的合金称共晶合金。 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。 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。, 相图分析,26, 含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程 在3点以前为匀晶转变，一次相或初生相. 温度降到3点以下， 由 析出的二次 用 表示，次生相。形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种. 随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变化，的重量增加。, 合金的结晶过程,27,合金室温组织为 + 。,成分大于 D点
10、合金结晶过程与合金相似,室温组织为 + 。,室温下的相对重量百分比为：,由于二次相析出温度较低， 一般十分细小。, 含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程,28,液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共晶反应：LE (C+D) 。 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., 共晶合金(合金)的结晶过程,29,层片状(Al-CuAl2定向凝固),条棒状(Sb-MnSb横截面),螺旋状（Zn-Mg）,Pb-Sn共晶组织,共晶组织形态, 共晶合金(合金)的结晶过程,30,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
11、分是固定的。 共晶组织中的相称为共晶相. 共晶转变结束时， 和 相的相对重量百分比为：, 共晶合金(合金)的结晶过程,31,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 ，从共晶 中析出 ，由于共晶组织细, 与共晶结合， 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？,Pb-Sn共晶合金组织, 共晶合金(合金)的结晶过程,32,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：, 亚共晶合金(合金)的结晶过程,在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：L
12、(+)，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,33, 亚共晶合金(合金)的结晶过程,反应结束后，在共晶温度下、 两相的相对重量百分比为：,温度继续下降，将从一次 和共晶 中析出，从共晶 中析出。其室温组织为+ (+) + 。,34,组织组成物在相图上的标注,(3)相组成物与组织组成物,35,4-4 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。 包晶转变:合金冷却值某一温度，已结晶出的一定成分的固相和它周围尚未结晶的一定成分的液相发生反应生成另一种成分固相的转变过程。 主要内容1，二元包晶相图的分析2，典型合
13、金的平衡结晶过程3，包晶偏析,36,（1）二元包晶相图的分析,单相区：L、 二相区：L+、 L+、+ 三相区：L+ （水平线PDC） C点：包晶转变时，液相的平衡成分点 D点：包晶点，具有该点成分的合金在恒温下发生包晶反应 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+PD 。该反应是液相L包着固相, 新相 在L与的界面形核，并向L和两个方向长大。,37, 合金的结晶过程, 包晶成分合金：匀晶包晶二次析出。 Lc+ pd室温组织为 + II,38, 合金成分II合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为 +II+ + II,39, III成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出室温组织为 +
14、II。,40,3，包晶偏析,包晶转变时，一旦新相将旧的固相包围，转变就受控于原子在新相中的扩散，而固相中原子扩散要比液相中更困难，所以包晶转变速度非常缓慢。 合金在实际冷却过程中冷却速度较快，扩散不充分。 包晶偏析：由于包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不均匀现象。 包晶偏析在一些包晶转变温度较低的合金中最易出现。 解决办法：可通过长时间的扩散退火来减少或消除。,41,4-5其他常用的二元合金相图类型,1、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 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
15、:S P+ Fe3C (奥氏体，铁素体， Fe3C渗碳体),42,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、亚共析合金、过共析合金。,铁碳合金相图,43,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,44,2、形成稳定化合物的二元相图,稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C) 。其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单
16、相区)。垂足是其,成分, 顶点是其熔点, 结晶过程同纯金属. 分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析.,45,二元相图的分析步骤,实际二元相图常比较复杂，可按下列步骤进行分析.,Fe- Fe3C相图, 分清相图中包括哪些基本类型相图 确定相区 相区接触法则：相邻两个相区的相数差为1 单相区的确定 液相线以上为液相区;,46, 靠近纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区; 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；, 相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区； 相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。,47, 两相区的确
17、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。, 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,48,常见三相等温水平线上的反应,49,4-6二元合金相图与合金性能的关系,合金的性能取决于组元的特性及其成分和组织 相图：表示平衡条件下合金的成分、温度与相或组织状态 因此，合金的相图与性能之间存在一定的关系，可以借助于相图所反映的关系和参量来预测合金的使用性能（力学和物理性能）和工艺性能（如铸造性能、压力加工性能、热处理性能）,50,4-6二元合金相图与合金性能的关系,当合金形成单相固溶体时，合金的性能与组
18、元及溶质元素的溶入量有关。对于一定的溶质和溶剂，溶质的溶入量越多，则合金的强度、硬度提高越多（固溶强化），同时电阻增大，电导率降低。,51,4-6二元合金相图与合金性能的关系,1.合金的使用性能与相图的关系两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直线关系变化, 两相单独的性能已知后, 合金的某些性能可按组成相性能(依百分含量的关系叠加的办法)求出。例如硬度：,52,1.合金的使用性能与相图的关系,由合金中的固溶体析出的次生相，一般都能提高合金的强度和硬度，使合金强化，但他们若呈针状或带尖角的块状、或沿晶界以连续或断续的网状析出，将使合金的塑韧性及综合力学性能降低。 弥散强化（沉淀强化、时效强化
19、）：由过饱和固溶体析出弥散的强化相来强化合金的方法其效果与次生相的弥散度有关，弥散度越高，效果越好。 常用热处理得到过饱和的固溶体，在随后的加热过程中，使强化相弥散析出；或向合金中加入强化相质点。,53,2.合金的工艺性能与相图的关系,相图与铸造性能的关系 合金的铸造性能表现为流动性（液体填充铸型的能力）、缩孔及热裂倾向等。 固溶体合金液固相线间距大、偏析倾向大, 树枝晶发达, 流动性降低, 补缩能力下降, 分散缩孔增加. 铸造选共晶（结晶温度低, 流动性好，缩孔集中，偏析小,54, 锻造选单相固溶体（强度较低，塑性好，变形均匀且不开裂。而由两相混合物组成的合金，由于两相的强度和塑性不同，变形大时两相的界面易开裂，特别是组织中存在较多的脆性化合物时，压力加工性能更差根据相图判断热处理的可能性：相图中没有固态相比的合金 不能进行热处理强化，但能采用扩散退火来消除组织中的晶 内偏析等缺陷。,55,小节,1、什么是相图，如何建立？ 2、杠杆定律，证明、使用注意事项，在具体问题上的分析 3、二元匀晶、共晶、包晶相图 4、二元相图与合金性能的关系,
