第五章二元相圖

1、第五章第五章 二元相圖二元相圖 相圖：相圖：描述在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，材料的相和組織與其成分和溫度之間關(guān)系的圖形。 從相圖中可以確定不同成分的材料在不同溫度下所含相的種類和相對數(shù)量，通過相圖可以預(yù)測材料的性能，故相圖是研究新材料和制定材料的生產(chǎn)工藝如熔煉、鑄造、塑性加工以及熱處理規(guī)范的重要工具。概述概述5-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 一、相平衡條件和相律一、相平衡條件和相律 材料中的各個相都有其穩(wěn)定存在的成分、溫度及壓力范圍，超過這個范圍，就可能發(fā)生相的轉(zhuǎn)變即相變，而處于這個范圍，就呈穩(wěn)定平衡或相平衡。（一）相平衡條件（一）相平衡條件 由熱力學(xué)原理可知：對于多個相構(gòu)成的體系，當(dāng)組元在不同相

2、間轉(zhuǎn)移時，必然引起體系自由能的變化。 對于一個多元系，第 i 組元在不同相間轉(zhuǎn)移所引起的自由能變化可表示為：式中S和V分別為體系的熵和體積，p為壓力，T為溫度， i是 i 組元的化學(xué)位，它代表體系內(nèi)組元在相間轉(zhuǎn)移的驅(qū)動力，dndni為 i 組元在不同相之間的轉(zhuǎn)移量。 在等溫等壓條件下，上式可簡化為： 5-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 iidnSdTVdpdG iidndG 5-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 假設(shè)體系中只有 和 兩相，當(dāng)極少量（dndni）的i 組元從 相轉(zhuǎn)移到 相中，則引起的體系自由能變化為： 實(shí)際上 故 當(dāng) 相和 相處于平衡時， 故 、 兩相平衡條件：兩相平衡條件：兩

3、相中同一組元的化學(xué)位相等。 iiiidndndG iidndn iiidndG)( 0 dG ii 5-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 若多元系中有C個組元、P個相，則它們的相平衡條件可以寫成： PCCCCPP 222211115-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 （二）相律（二）相律 相律：相律：平衡條件下，多元多相體系中的組元數(shù)與相數(shù)之 間存在著一定的關(guān)系，這種關(guān)系稱為相律。 對于由C個組元和P個相構(gòu)成的多元多相體系，若忽 略電場、重力場等外力場的影響，則對于每個相來說， 獨(dú)立可變變量只有溫度、壓力和其化學(xué)成分（所含各組 元的濃度）。 5-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 由于每個相中C

4、個組元的濃度之和為100%，所以，欲確定每個相的成分，需要確定 個組元的濃度?，F(xiàn)有P個相，故有 個成分變量。 平衡條件下，各個相均有溫度和壓力2個變量，所以，要描述整個體系的狀態(tài)，共有 個總變量，但這些變量并不都是彼此獨(dú)立可變的。)1( C2)1( CP)1( CP5-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 由相平衡條件可知，有 個方程式表明各個組元在不同相中的化學(xué)位之間的關(guān)系，而化學(xué)位是組元濃度的函數(shù)，因此，用來確定體系狀態(tài)的總變量中應(yīng)有 個成分或濃度變量不能獨(dú)立變化。 顯然， 個總變量中應(yīng)包括獨(dú)立變量和非獨(dú)立變量兩部分，其中的獨(dú)立變量數(shù)即稱為自由度，用 f 表示。 f = 總變量數(shù) 非獨(dú)立變量數(shù)

5、 )1( PC2)1(2)1( PCPCCP2)1( CP)1( PC5-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 對于不含氣相的凝聚態(tài)體系，壓力在通常范圍的變化對平衡狀態(tài)的影響極小。因此，相律可寫成如下形式： 相律給出了平衡狀態(tài)下多元多相體系中中存在的相數(shù)與組元數(shù)及溫度、壓力之間的關(guān)系，對分析和研究相圖具有重要的意義。 1 PCf5-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 二、相圖的表示方法二、相圖的表示方法 材料的狀態(tài)是由成分、溫度和壓力決定的，但是壓力對液固相之間或固相之間的變化影響不大，而且材料的狀態(tài)變化多數(shù)是在常壓下進(jìn)行的，因此，研究材料的相變時往往不考慮壓力的作用。這樣，影響材料狀態(tài)的因素就只有

6、成分和溫度兩個參數(shù)了，所以，相圖就是以材料的成分和溫度為坐標(biāo)所構(gòu)成的圖形。 對于二元相圖，是以橫坐標(biāo)表示成分、縱坐標(biāo)表示溫度的溫度成分平面圖形。5-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 材料的成分可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）或者摩爾分?jǐn)?shù)（x）表示。如果沒有特別說明，通常是以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示材料的成分。 對于A-B二元系：1 BAww1 BAxx5-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 三、二元合金相圖的建立三、二元合金相圖的建立 臨界點(diǎn)：臨界點(diǎn)：表示材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。 根據(jù)不同成分材料的臨界點(diǎn)即可繪制二元相圖。 測定材料臨界點(diǎn)的方法有動態(tài)法（包括熱分析法、膨脹法、電阻法等）和靜態(tài)法（金相法、x-射

7、線衍射分析法等）兩種。5-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 例如用熱分析法測CuNi二元合金相圖：先配制一系列含Ni量不同的CuNi合金，測出它們從液態(tài)到室溫的冷卻曲線，得到各個臨界點(diǎn)。 Cu108330Ni70Cu50Ni50Cu70Ni30CuNi145210831452時間時間溫度溫度 / CT / CwNi / %CuNiL L+ 思考題：思考題： 1. 何謂相律？何謂相律？ 2. 請寫出不含氣相的凝聚態(tài)體系中相律的請寫出不含氣相的凝聚態(tài)體系中相律的具體表達(dá)式。具體表達(dá)式。 5-1 相圖的基本知識相圖的基本知識 一、一、相圖分析相圖分析 勻晶轉(zhuǎn)變：勻晶轉(zhuǎn)變：由液相中直接結(jié)晶出單相固溶體

8、的過程。 勻晶相圖：勻晶相圖：只發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變的相圖。 二元勻晶相圖中，兩組元在液態(tài)、固態(tài)均無限互溶。 絕大多數(shù)的二元相圖都包括勻晶轉(zhuǎn)變部分；有些二元合金如Cu Ni、Au Ag、Au P等只發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變，其相圖均為勻晶相圖。5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 臨界點(diǎn)：臨界點(diǎn)：a點(diǎn)純Cu的熔點(diǎn) b點(diǎn)純Ni的熔點(diǎn)臨界線：臨界線：acb線液相線（凝固 開始線） adb線固相線（凝固 終了線）相區(qū)：相區(qū)：液相線以上為液相區(qū)， 固相線以下為固相區(qū)，而液 相線與固相線所包圍的區(qū)域 為液、固兩相平衡共存區(qū)。5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 10831452溫度溫度 / CwNi / %CuNiL L+ abc

9、d5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 具有極小點(diǎn)具有極小點(diǎn) 具有極大點(diǎn)具有極大點(diǎn)其他形式的二元勻晶相圖其他形式的二元勻晶相圖wB / %wB / %ab 其它形式的二元勻晶相圖包括具有極小點(diǎn)的相圖（如Au Cu、Fe Co相圖）和具有極大點(diǎn)的相圖（如Pb Tl相圖)。 成分對應(yīng)于極大點(diǎn)和極小點(diǎn)的合金，其液、固兩相的成分相同，此時確定合金狀態(tài)的變量數(shù)應(yīng)少一個，故自由度 f = = 0 0，即發(fā)生恒溫轉(zhuǎn)變。二、二、固溶體的平衡凝固固溶體的平衡凝固 平衡凝固：平衡凝固：凝固過程中以極緩慢的速度冷卻，使每個階段都能達(dá)到平衡，即在相變過程中有充分的時間進(jìn)行組元間的擴(kuò)散以達(dá)到平衡相的成分。 5-2 二元勻晶

10、相圖二元勻晶相圖 成分為wo 的Cu Ni固溶體的平衡凝固過程（oo 為合金線） 5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 Cu Ni 二元勻晶相圖二元勻晶相圖wNi /%溫度溫度 / CwL3wL2w 2w 1oowoT1T2T3Cu-Ni固溶體平衡凝固時固溶體平衡凝固時的組織變化示意圖的組織變化示意圖T0T1T2T3 固溶體的凝固過程與純金屬一樣，也包括形核與長大兩個階段。但由于存在第二組元，使其凝固過程與純金屬的凝固過程有所不同，主要表現(xiàn)在： (1) 固溶體的凝固是在一個溫度范圍內(nèi)完成的，而純金屬的凝固是在恒溫下完成的。 (2) 固溶體凝固時所形成的固相成分與液相不同，所以形核時除需要結(jié)構(gòu)起伏和

11、能量起伏外，還需要一定的成分起伏（液相中成分不均勻的現(xiàn)象即稱為成分起伏）。 (3) 為了滿足不同溫度下兩相平衡共存的成分要求，液、固兩相的成分必須隨溫度下降而不斷地發(fā)生變化，這種成分的變化必然依賴于兩組元原子的擴(kuò)散來完成。 5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 隨著固溶體凝固過程的進(jìn)行，液相的量不斷減少，而固相的量則不斷增加。在液、固兩相平衡共存區(qū)，兩相的相對量與它們各自的成分有關(guān)。 設(shè)合金的成分為 、總質(zhì)量為Qo，在T 溫度時液相的成分為 、質(zhì)量為QL，固相 的成分為 、質(zhì)量為Q 。 顯然，T 溫度時液、固兩相的質(zhì)量和應(yīng)等于合金的總質(zhì)量，即：5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 oBwLBw Bw

12、QQQLo LBALBwoBw BwBw L+ o杠桿定律的推導(dǎo)杠桿定律的推導(dǎo)5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 液相中B 組元的質(zhì)量應(yīng)為 ，固相中B 組元的質(zhì)量應(yīng)為 ，合金中B 組元的質(zhì)量應(yīng)為 。 故有： 整理可得：LBLwQ BwQ oBowQ BLBLoBowQwQwQ BLBLoBLwQwQwQQ )(obaowwwwQQoBBLBoBL Q QLo杠桿定律的力學(xué)比喻杠桿定律的力學(xué)比喻LBALBwoBw BwBw L+ o5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 杠桿定律：杠桿定律： % 相的相對量；L% L相的相對量 杠桿定律只適用于處于平衡狀態(tài)的兩相區(qū)，且對相的類型不作限制。%100% LB

13、BOBBoLwwwwabobQQL %100% LBBLBoBowwwwabaoQQ LBALBwoBw BwBw L+ o5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 平衡分配系數(shù)：平衡凝固時固相溶質(zhì)含量與液相溶質(zhì)含量之比平衡分配系數(shù)：平衡凝固時固相溶質(zhì)含量與液相溶質(zhì)含量之比Lswwk 0wowLwST0k0 1LwowSwLT0Lk0 1SS隨溶質(zhì)含量增大，隨溶質(zhì)含量增大，k0 1時，合金凝固開始和終了溫度降低，時，合金凝固開始和終了溫度降低，k0 1時，則相反時，則相反5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 液液-固界面前沿液相中的溶質(zhì)成分分布與其決定的凝固溫度固界面前沿液相中的溶質(zhì)成分分布與其決定的凝固

14、溫度 wo)11(00DRxoLekkww )11 (00DRxoALekkmwTT5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 成分過冷：成分過冷：液固界面前沿液相的實(shí)際溫度低于由溶質(zhì)分布所 決定的凝固溫度時所產(chǎn)生的過冷。成分過冷成分過冷GxkmwTToA05-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 三、三、固溶體的非平衡凝固固溶體的非平衡凝固 固溶體的凝固依賴于組元原子的擴(kuò)散，要達(dá)到平衡凝固，必須有足夠的時間使擴(kuò)散進(jìn)行充分，但在實(shí)際生產(chǎn)條件下，液態(tài)材料澆鑄后的冷卻速度較快，在每一溫度下不能保證足夠的擴(kuò)散時間，從而使凝固過程偏離平衡條件，稱為非平衡凝固非平衡凝固。 5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 固溶體在非平衡

15、凝固時液、固兩相成分變化及組織變化示意圖固溶體在非平衡凝固時液、固兩相成分變化及組織變化示意圖5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 對于固溶體合金的非平衡凝固過程： (1) 固相和液相的平均成分線分別偏離平衡相圖中的固相線和液相線。冷卻速度越快，偏離固、液相線越嚴(yán)重；反之，冷卻速度越慢，越接近固、液相線。 (2) 先凝固部分總是富含高熔點(diǎn)組元，后凝固部分總是富含低熔點(diǎn)組元。 (3) 非平衡凝固總是導(dǎo)致凝固的終了溫度低于平衡凝固時的終了溫度。5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 非平衡凝固的固溶體內(nèi)部富含高熔點(diǎn)組元，而后結(jié)晶的外部則富含低熔點(diǎn)組元。這種在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象，稱為晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析

16、。 由于固溶體通常以樹枝狀生長方式生長，故非平衡凝固將導(dǎo)致先結(jié)晶的枝干和后結(jié)晶的枝間的成分不同，稱為枝晶偏析枝晶偏析。Cu Ni 合金的鑄態(tài)組織合金的鑄態(tài)組織枝干富枝干富Ni（白色），枝間富（白色），枝間富Cu（黑色）（黑色） 思考題：思考題： 1. 何謂勻晶轉(zhuǎn)變？何謂成分過冷？何謂晶內(nèi)偏析？何謂勻晶轉(zhuǎn)變？何謂成分過冷？何謂晶內(nèi)偏析？何謂枝晶偏析？何謂枝晶偏析？ 2. 指出單相固溶體合金的凝固過程與純金屬（或純指出單相固溶體合金的凝固過程與純金屬（或純組元）的凝固過程之間的主要區(qū)別。組元）的凝固過程之間的主要區(qū)別。 3. 指出單相固溶體合金的平衡凝固過程與非平衡凝指出單相固溶體合金的平衡凝固過

17、程與非平衡凝固過程之間的主要區(qū)別。固過程之間的主要區(qū)別。5-2 二元勻晶相圖二元勻晶相圖 一、相圖分析一、相圖分析 兩組元在液態(tài)無限互溶、在固態(tài)有限互溶或完全不互溶，且在冷卻過程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的相圖，稱為共晶相圖。 具有共晶相圖的合金系主要有Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、AgAu、PbBi等，一些硅酸鹽也具有共晶相圖。 5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 Pb Sn二元共晶相圖二元共晶相圖wSn /%ae線、be線液相線液相線am線、bn線固相線固相線mf線Sn在Pb中的固溶度曲線固溶度曲線ng線Pb在Sn中的固固溶度曲線溶度曲線men水平線共晶轉(zhuǎn)變線共晶轉(zhuǎn)變線 在e點(diǎn)對應(yīng)的溫度下，會由成

18、分為e的液相中同時凝固出成分為m的 相和成分為n的 相5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 )(nmTeeL Pb Sn二元共晶相圖二元共晶相圖wSn /%單相區(qū)：單相區(qū)：液相L相區(qū) 固相 相區(qū) 固相 相區(qū)兩相區(qū)：兩相區(qū)：L + 相區(qū) L + 相區(qū) + 相區(qū)三相區(qū)：三相區(qū)：L + + 相區(qū)（men水平線）5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 Pb Sn二元共晶相圖二元共晶相圖wSn /%共晶轉(zhuǎn)變：共晶轉(zhuǎn)變：由某一成分的液相 在恒溫下同時結(jié)晶 出兩個成分不同的 固相的轉(zhuǎn)變。共晶溫度：共晶溫度：發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度。共晶組織（共晶體）：共晶組織（共晶體）：共晶轉(zhuǎn)變 的產(chǎn)物即兩個固相的機(jī)械混合物。共晶點(diǎn)：共晶

19、點(diǎn)：兩條液相線與共晶轉(zhuǎn)變線的匯交點(diǎn)（e點(diǎn)）。 5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 Pb Sn二元共晶相圖二元共晶相圖wSn /%5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 兩組元在液態(tài)無限互溶、兩組元在液態(tài)無限互溶、固態(tài)完全不互溶的二元共晶相圖固態(tài)完全不互溶的二元共晶相圖wB /%LL + AA + BL + BAB)(BALT 二、共晶系的平衡凝固及平衡組織二、共晶系的平衡凝固及平衡組織 （一）（一）wSn 19%的固溶體合金（的固溶體合金（合金線合金線I） 1點(diǎn)以上：液相L 12點(diǎn)：發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變，由液 相中凝固出 相 23點(diǎn)：單相 3點(diǎn)以下： （由過飽和的 相不斷析出富Sn的 相，稱為次生相或二次相）

20、5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 II LPb Sn二元共晶相圖二元共晶相圖wSn /%I 合金 I（wSn = 10%的固溶體合金）平衡凝固后的室溫平衡組織為 + II。 此合金緩冷時的平衡凝固過程示意圖如下： 此合金的平衡凝固過程也可用如下方式表述：5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 1以上以上12233以下以下 以以下下33221LLII 5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 根據(jù)杠桿定律可計(jì)算合金 I 的室溫組織組成物（構(gòu)成組織的最基本的獨(dú)立單元）的相對量： 所有成分位于m和f點(diǎn)之間合金的平衡凝固過程與合金 I 相似，只是兩組織組成物的相對量不同。 %100210010100%10010%

21、fgg %II %1002100210%10010 fgfPb Sn二元共晶相圖二元共晶相圖wSn /%I（二）（二）共晶合金：共晶合金：成分為e點(diǎn)（即wSn = 61.9%）的合金 該成分合金緩冷至Te 溫度（183 C）時，將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，即 。這一過程一直在恒溫進(jìn)行，最終得到由 和 兩相機(jī)械混合物構(gòu)成的共晶組織。 該合金的室溫平衡組織為100%的（ + + ）共晶體（或共晶組織）。 5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 Pb Sn二元共晶相圖二元共晶相圖wSn /%nmTeeL 5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 Pb Sn 共晶組織共晶組織（三）亞共晶合金：（三）亞共晶合金：成分位于共晶點(diǎn)

22、e 以左、m點(diǎn)以右的合金。 此類合金的成分低于共晶成分，故只有部分液相可凝固成共晶組織。 例：例：wSn=35%的亞共晶合金（合金線II）的平衡凝固過程：1點(diǎn)以上：液相L12點(diǎn)之間： ，L + 2點(diǎn)： ，初晶 +(+( + + ）2點(diǎn)以下：5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 LnmTeeL II Pb Sn二元共晶相圖二元共晶相圖wSn /%1II2 wSn = 35%的亞共晶合金平衡凝固后的室溫平衡組織為： 初晶 + II+（ + ） 該成分合金緩冷時的平衡凝固過程示意圖如下圖所示： 該成分合金的室溫組織組成物為：初晶初晶 ， II，（，（ + ） 該成分合金的室溫相組成物為： ， 5-3 二

23、元共晶相圖二元共晶相圖 1以上以上1222以下以下5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 Pb Sn亞共晶組織亞共晶組織 200Pb Sn二元共晶相圖二元共晶相圖wSn /%1II2wSn=35%的亞共晶合金的平衡凝固過程也可用如下方式表述： )()(2221 IInmmLL以下以下 根據(jù)杠桿定律可計(jì)算相組成物和組織組成物的相對量：相組成物：相組成物：組織組成物：組織組成物：5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 %1002100219199 .61359 .61%1002%100210019100199 .61359 .61%1002%100199 .611935%1002)%( fgfmmeefgmg

24、meememII %1002100235%1002%100210035100%1002% fgffgg Pb Sn二元共晶相圖二元共晶相圖wSn /%1II2（四）過共晶合金：（四）過共晶合金：成分在e點(diǎn)以右、n點(diǎn)以左的合金。 過共晶合金的平衡凝固過程與亞共晶合金類似，不同的是過共晶合金的初晶相為 相而不是 相，次生相 II將由初生相 中析出。過共晶合金的室溫平衡組織為 + II +（ + ）。）。此類合金的平衡凝固過程亦可表示為： 5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 以以下下2221)(nmnLLII )( Pb Sn二元共晶相圖二元共晶相圖wSn /%1III25-3 二元共晶相圖二元共晶相

25、圖 wB / %按組織組成物填注的共晶相圖按組織組成物填注的共晶相圖按相組成物填注的共晶相圖按相組成物填注的共晶相圖wB / % + 三、三、共晶系的非平衡凝固共晶系的非平衡凝固 （一）偽共晶（一）偽共晶 平衡凝固條件下，只有共晶成分的合金才能獲得百分之百的共晶組織，但在非平衡凝固條件下，成分在共晶點(diǎn)附近的合金也可能全部轉(zhuǎn)變成共晶組織。這種非共晶成分的共晶組織即稱為偽共晶偽共晶。5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 當(dāng)共晶點(diǎn)附近成分的合金溶液過冷到兩條液相線的延長線所包圍的陰影區(qū)時，合金溶液將處于兩條液相線的延長線ea 及eb 之下，這說明過冷液相對于 相和 相的凝固均處于過冷狀態(tài)， 相和 相就會

26、在過冷液相中同時形核并生長大，形成具有共晶組織特征（但不是共晶成分合金）的偽共晶組織。 圖中的陰影區(qū)稱做偽共晶區(qū)偽共晶區(qū)。 5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 偽共晶區(qū)偽共晶區(qū)（二）離異共晶（二）離異共晶 最大固溶度點(diǎn)附近的合金（圖中m點(diǎn)附近的合金 I 和 II）發(fā)生非平衡凝固時，由于固相線下移，使其冷卻到共晶溫度時仍有少量液相剩余，這部分液相將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而形成少量非平衡共晶組織。由于其中的初生相數(shù)量很多而共晶組織數(shù)量很少，故共晶組織中與初生相相同的那一相就會依附在初生相上形核、生長，從而將共晶組織中的另一相推到最后凝固的初生相的晶界處，導(dǎo)致兩相的分布完全失去了共晶組織的形貌特征。 這種兩相分

27、離的共晶組織稱為離異共晶離異共晶。 5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 離異共晶離異共晶 wB / %思考題：思考題： 1. 何謂共晶轉(zhuǎn)變？何謂偽共晶？何謂離異共晶？何謂共晶轉(zhuǎn)變？何謂偽共晶？何謂離異共晶？ 2. 典型成分的典型成分的Pb-Sn系合金的平衡凝固過程分析系合金的平衡凝固過程分析 及室溫平衡組織中相組成物和組織組成物相對及室溫平衡組織中相組成物和組織組成物相對 量的計(jì)算。量的計(jì)算。5-3 二元共晶相圖二元共晶相圖 一、相圖分析一、相圖分析 兩組元在液態(tài)無限互溶、在固態(tài)有限互溶或者完全不互溶，且在冷卻過程中發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的相圖，稱為包晶相圖包晶相圖。 包晶轉(zhuǎn)變：包晶轉(zhuǎn)變：已凝固的固相與剩

28、余液相反應(yīng)形成另一固相的恒溫轉(zhuǎn)變。 具有包晶轉(zhuǎn)變的二元系有Pt-Ag、Fe-C、Cu-Zn、Cu-Sn、Sn-Sb、Ag-Sn等二元合金系以及ZrO2-CaO等二元陶瓷系。 5-4 二元包晶相圖二元包晶相圖 ACB線液相線，其中AC線和CB線分別代表 和 兩種勻晶轉(zhuǎn)變開始線AD、PB線固相線DE線和PF線 相和 相的 固溶度曲線DPC水平線包晶轉(zhuǎn)變線P點(diǎn)包晶點(diǎn) 成分在DC范圍內(nèi)的合金在P點(diǎn)對應(yīng)的溫度下將發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變：5-4 二元包晶相圖二元包晶相圖 Pt-Ag二元包晶相圖二元包晶相圖PTDCPL L L二、二、包晶系的平衡凝固及平衡組織包晶系的平衡凝固及平衡組織 （一）（一）wAg= 42.4

29、的的Pt-Ag合金（合金（合金線合金線I） 1點(diǎn)以上：液相L12點(diǎn)之間： ，從液相 中凝固出 相冷至P點(diǎn)：發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，形 成 相：P點(diǎn)以下：室溫平衡組織： + + 5-4 二元包晶相圖二元包晶相圖 Pt-Ag二元包晶相圖二元包晶相圖 LPTDCPL II 包晶轉(zhuǎn)變機(jī)制示意圖包晶轉(zhuǎn)變機(jī)制示意圖5-4 二元包晶相圖二元包晶相圖 PTDCPL （二）（二）42.4% wAg 66.3%的的Pt-Ag合金（合金（合金線合金線II）1點(diǎn)以上：液相L12點(diǎn)之間：冷至2點(diǎn): : 發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變 ，L + 23點(diǎn)之間： ，L + 34點(diǎn)之間：無變化，單相 4點(diǎn)以下：室溫平衡組織: + + 5-4 二元包晶相圖

30、二元包晶相圖 Pt-Ag二元包晶相圖二元包晶相圖 LPTDCPL LII 5-4 二元包晶相圖二元包晶相圖 （三）（三）10.5% wAg 42.4%的的Pt-Ag合金（合金（合金線合金線III）1點(diǎn)以上：液相L12點(diǎn)之間： ，L + 冷至2點(diǎn): : 發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變 ， + 2點(diǎn)以下： ， 室溫平衡組織： + + + + + + LPTDCPL II II Pt-Ag二元包晶相圖二元包晶相圖三、三、包晶系的非平衡凝固包晶系的非平衡凝固 非平衡凝固條件下，包晶轉(zhuǎn)變所依賴的固體中的原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，導(dǎo)致包晶轉(zhuǎn)變的不完全性，即在低于包晶溫度時，本應(yīng)完全消失的 相部分地被保留下來，剩余的液相則在低于

31、包晶轉(zhuǎn)變溫度下將發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變直接凝固出相，使得所形成的 相成分極為不均勻。 由于包晶轉(zhuǎn)變不能充分進(jìn)行而產(chǎn)生的成分不均勻現(xiàn)象稱為包晶偏析包晶偏析。5-4 二元包晶相圖二元包晶相圖 例：例：wCu= 35的的Cu-Sn合金合金 緩慢冷卻至415C時，將發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變 ，剩余液相冷卻至227C時又將發(fā)生的共晶轉(zhuǎn)變 ，最終的平衡凝固組織應(yīng)為 + ( + Sn)； 非平衡凝固時，組織中保留著相當(dāng)數(shù)量的初生相 （灰色），包圍它的是 相（白色），再外面則是黑色的共晶組織（ + Sn）。）。 5-4 二元包晶相圖二元包晶相圖 非平衡凝固組織非平衡凝固組織wSn / %Cu-Sn合金相圖合金相圖 LSnL 對于一

32、些原來不發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的合金（如合金I），在平衡冷卻條件下并不發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，但在非平衡冷卻條件下，由于 固溶體的平均成分線下移，致使合金冷卻到包晶轉(zhuǎn)變溫度時仍有少量殘余液相存在，此時就有可能發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，形成某些平衡狀態(tài)下不應(yīng)出現(xiàn)的相。 5-4 二元包晶相圖二元包晶相圖 wB / %I一、形成化合物的二元相圖一、形成化合物的二元相圖 穩(wěn)定化合物：穩(wěn)定化合物：具有確定的熔點(diǎn)，可熔化成與固態(tài)相同成 分液體的化合物（其相區(qū)與液相區(qū)直接相 接觸）。 不穩(wěn)定化合物：不穩(wěn)定化合物：沒有確定的熔點(diǎn)，不能熔化成與固態(tài)相 同成分的液體，當(dāng)加熱到一定溫度時只能 發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€相（其相區(qū)與液相 區(qū)不直接觸，中間

33、為兩相區(qū)）。5-5 其他類型的二元相圖其他類型的二元相圖 （一）形成穩(wěn)定化合物的二元相圖（一）形成穩(wěn)定化合物的二元相圖 可把穩(wěn)定化合物Mg2Si看作一個獨(dú)立組元，把Mg-Si二元相圖分成Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si兩個獨(dú)立的二元相圖進(jìn)行分析 5-5 其他類型的二元相圖其他類型的二元相圖 Mg-Si二元相圖二元相圖wSi / %LLLLL 如果所形成的化合物對組元有一定的溶解度，則化合物在相圖中有一定的成分范圍。若以該化合物熔點(diǎn)對應(yīng)的成分向橫坐標(biāo)作垂線，該垂線可把相圖分成兩個獨(dú)立的相圖。 5-5 其他類型的二元相圖其他類型的二元相圖 Cd-Sb二元相圖二元相圖wSb / %L + （二）形

34、成不穩(wěn)定化合物的二元相圖（二）形成不穩(wěn)定化合物的二元相圖 K-Na二元系中，當(dāng)含Na量為54.4%的化合物KNa2被加熱到6.9 C，便會分解為成分與之不同的液相和Na晶體（不穩(wěn)定化合物KNa2實(shí)際上是由包晶轉(zhuǎn)變得到的）。5-5 其他類型的二元相圖其他類型的二元相圖 K-Na二元相圖二元相圖wNa / %5-5 其他類型的二元相圖其他類型的二元相圖 二、具有偏晶、熔晶、合晶轉(zhuǎn)變的二元相圖二、具有偏晶、熔晶、合晶轉(zhuǎn)變的二元相圖具有偏晶、熔晶、合晶轉(zhuǎn)變的二元相圖具有偏晶、熔晶、合晶轉(zhuǎn)變的二元相圖a具有偏晶轉(zhuǎn)變具有偏晶轉(zhuǎn)變; b具有熔晶轉(zhuǎn)變具有熔晶轉(zhuǎn)變; c具有合晶轉(zhuǎn)變具有合晶轉(zhuǎn)變acb偏晶轉(zhuǎn)變：偏

35、晶轉(zhuǎn)變：熔晶轉(zhuǎn)變：熔晶轉(zhuǎn)變：合晶轉(zhuǎn)變：合晶轉(zhuǎn)變： 21LLT LT TLL215-5 其他類型的二元相圖其他類型的二元相圖 三、具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元相圖三、具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的二元相圖 具有共析、包析轉(zhuǎn)變的二元相圖具有共析、包析轉(zhuǎn)變的二元相圖a具有共析轉(zhuǎn)變的相圖具有共析轉(zhuǎn)變的相圖; b具有包析轉(zhuǎn)變的相圖具有包析轉(zhuǎn)變的相圖ba共析轉(zhuǎn)變：共析轉(zhuǎn)變：包析轉(zhuǎn)變：包析轉(zhuǎn)變： T T思考題：思考題： 分別解釋包晶轉(zhuǎn)變、熔晶轉(zhuǎn)變、合晶轉(zhuǎn)變、分別解釋包晶轉(zhuǎn)變、熔晶轉(zhuǎn)變、合晶轉(zhuǎn)變、偏晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變和包析轉(zhuǎn)變的概念。偏晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變和包析轉(zhuǎn)變的概念。 5-5 其他類型的二元相圖其他類型的二元相圖 5-6 鐵碳相圖及鐵

36、碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 碳鋼和鑄鐵是最為廣泛使用的金屬材料，鐵碳平衡相圖是研究鋼鐵材料的組織和性能及其熱加工工藝的重要工具。 一、一、鐵碳合金中的基本相鐵碳合金中的基本相 鐵素體：鐵素體：碳原子溶于體心立方結(jié)構(gòu)的Fe中形成的間隙 固溶體 奧氏體：奧氏體：碳原子溶于面心立方結(jié)構(gòu)的Fe中形成的間隙 固溶體 滲碳體：滲碳體：碳原子與鐵原子之間形成的具有復(fù)雜正交點(diǎn)陣 的間隙化合物（Fe3C） 石墨：石墨：碳也可能以具有六方結(jié)構(gòu)的游離態(tài)石墨存在 5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 二、相圖分析二、相圖分析（一）恒溫轉(zhuǎn)變（共三個（一）恒溫轉(zhuǎn)變（共三個）（1）包晶轉(zhuǎn)變：）包晶轉(zhuǎn)變：HJB水平線（

37、2）共晶轉(zhuǎn)變：）共晶轉(zhuǎn)變：ECF水平線 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：萊氏體萊氏體 Ld（3）共析轉(zhuǎn)變：共析轉(zhuǎn)變：PSK水平線 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：珠光體珠光體 PJCDBoL 1495)(31148CFeLECCo Fe- Fe3C相圖相圖)(3727CFePCSo 5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 （二）臨界線（二）臨界線（1）液相線：AB、BC、CD線（2）固相線：AH、JE線（3）GS線：線：又稱A3線，它是在 冷卻過程中，由奧氏體轉(zhuǎn)變 為鐵素體的開始線，或是在 加熱時鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W 氏體的終了線Fe- Fe3C相圖相圖Fe- Fe3C相圖相圖5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 （4）ES

38、線：線：它是碳在奧氏體中 的固溶度曲線，通常稱為 Acm線。當(dāng)溫度低于此線時， 奧氏體中將析出Fe3C，稱為 二次滲碳體（Fe3CII）（5）PQ線：線：它是碳在鐵素體中 的固溶度曲線。當(dāng)溫度低于 此線時，也將析出Fe3C，稱 為三次滲碳體（Fe3CIII）Fe- Fe3C相圖相圖5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 （三）相區(qū)（三）相區(qū)（1）單相區(qū)）單相區(qū) L、 、 、 、Fe3C（2）兩相區(qū)）兩相區(qū) L + 、L + 、L + Fe3C、 + 、 + 、 + Fe3C、 + Fe3C（3）三相區(qū)）三相區(qū) L + + 、 L + + Fe3C、 + + Fe3C思考題：思考題： 1.

39、 分別解釋鐵素體、奧氏體、滲碳體、萊氏體、分別解釋鐵素體、奧氏體、滲碳體、萊氏體、珠光體的概念。珠光體的概念。 2. 指出一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、指出一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體和共析滲碳體之間的主要區(qū)別。共晶滲碳體和共析滲碳體之間的主要區(qū)別。 5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 三、鐵碳合金的平衡凝固過程及平衡組織三、鐵碳合金的平衡凝固過程及平衡組織（一）鐵碳合金的分類（一）鐵碳合金的分類 鐵碳合金通?？砂春剂考捌涫覝仄胶饨M織劃分為 三大類：工業(yè)純鐵、碳鋼和鑄鐵。工業(yè)純鐵、碳鋼和鑄鐵。 碳鋼碳鋼和鑄鐵鑄鐵是按有無共晶轉(zhuǎn)變有無共晶轉(zhuǎn)變來區(qū)分的。5-6

40、鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 Fe- Fe3C相圖相圖5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 在工程上，按獲得的不同組織特征將鐵碳合金細(xì)分為七種七種類型： 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵：wC 0.0218% 共析鋼：共析鋼：wC = 0.77% 亞共析鋼：亞共析鋼：0.0218% wC 0.77% 過共析鋼：過共析鋼：0.77% wC 2.11% 共晶白口鑄鐵：共晶白口鑄鐵：wC = 4.3% 亞共晶白口鑄鐵：亞共晶白口鑄鐵：2.11% wC 4.3% 過共晶白口鑄鐵：過共晶白口鑄鐵：4.3% wC 6.69%5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 wC / %Fe- Fe3C相圖相圖

41、 (二二) 鐵碳合金的平衡凝固過程與室溫平衡組織鐵碳合金的平衡凝固過程與室溫平衡組織 (1) 工業(yè)純鐵（工業(yè)純鐵（0.01C的合金的合金） 1點(diǎn)以上：點(diǎn)以上：液相L 12點(diǎn)：點(diǎn)：勻晶轉(zhuǎn)變 L 23點(diǎn)：點(diǎn)：單相固溶體 34點(diǎn)：點(diǎn)：多晶型轉(zhuǎn)變 45點(diǎn)：點(diǎn)：單相 56點(diǎn)：點(diǎn)：多晶型轉(zhuǎn)變 67點(diǎn)：點(diǎn)：單相 7點(diǎn)點(diǎn)以下：以下：析出轉(zhuǎn)變 Fe3CIII 室溫平衡組織： + Fe3CIII 5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 工業(yè)純鐵的顯微組織工業(yè)純鐵的顯微組織wC = 0.01%的工業(yè)純鐵凝固過程示意圖的工業(yè)純鐵凝固過程示意圖wC / %Fe- Fe3C相圖相圖(2) 共析鋼（共析鋼（0.77C

42、的合金的合金） 1點(diǎn)以上：點(diǎn)以上：液相L 12點(diǎn)：點(diǎn)：勻晶轉(zhuǎn)變 L 23點(diǎn)：點(diǎn)：單相 3點(diǎn)：點(diǎn)：發(fā)生共析轉(zhuǎn)變 0.77 P（ 0.0218 + Fe3C） 3點(diǎn)以下點(diǎn)以下：P P 共析鋼的平衡凝固過程亦可表示為： （ + Fe3C） 5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 PLL 33221 珠光體 P 通常為片層狀鐵素體與滲碳體交替重疊的兩相機(jī)械混合物。P 中片層狀的Fe3C經(jīng)適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砗?，可呈顆粒狀分布在鐵素體基體上，稱為球狀（或粒狀）珠光體。 5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 共析鋼中的層片狀珠光體共析鋼中的層片狀珠光體共析鋼中的球狀珠光體共析鋼中的球狀珠光體wC

43、/ %Fe- Fe3C相圖相圖 室溫下珠光體中鐵素體與滲碳體的相對量為：Fe3C% 5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 %88%1000008. 069. 677. 069. 6% %12%1000008. 069. 60008. 077. 0 (3) 亞亞共析鋼（共析鋼（0.4C的合金的合金） 1點(diǎn)以上：點(diǎn)以上：液相L 12點(diǎn)：點(diǎn)：勻晶轉(zhuǎn)變 L 2點(diǎn)：點(diǎn)：發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變 L0.53 + 0.09 0.17 23點(diǎn)：點(diǎn)：勻晶轉(zhuǎn)變 L 34點(diǎn)：點(diǎn)：單相 45點(diǎn)：點(diǎn)：多晶型轉(zhuǎn)變 5點(diǎn)：點(diǎn)：發(fā)生共析轉(zhuǎn)變 0.77 P（ 0.0218 + Fe3C） 5點(diǎn)以下：點(diǎn)以下： + P5-6 鐵碳相圖

44、及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 wC / %Fe- Fe3C相圖相圖亞共析鋼的室溫平衡組織為： + P亞共析鋼的含碳量越高，室溫平衡組織中珠光體的含量越多。5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 亞共析鋼的室溫組織亞共析鋼的室溫組織對于對于0.4C的亞的亞共析鋼，共析鋼，室溫組織組成物的相對量：室溫組織組成物的相對量：室溫相組成物的相對量：室溫相組成物的相對量： Fe3C5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 wC / %Fe- Fe3C相圖相圖%1000218. 077. 04 . 077. 0%1000218. 077. 00218. 04 . 0% P%1000008. 069

45、. 64 . 069. 6% %1000008. 069. 60008. 04 . 0% wC / %Fe- Fe3C相圖相圖(4) 過共析鋼（過共析鋼（1.2C的合金的合金） 1點(diǎn)以上：點(diǎn)以上：液相L 12點(diǎn)：點(diǎn)：勻晶轉(zhuǎn)變 L 23點(diǎn)：點(diǎn)：單相 34點(diǎn)：點(diǎn)：析出轉(zhuǎn)變 Fe3CII （Fe3CII通常沿奧氏體晶 界析出，呈網(wǎng)狀分布） 4點(diǎn)：點(diǎn)：發(fā)生共析轉(zhuǎn)變 0.77 P（ 0.0218 + Fe3C） 室溫平衡組織：P + Fe3CII5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 過共析鋼的室溫組織過共析鋼的室溫組織過共析鋼的室溫組織過共析鋼的室溫

46、組織wC / %Fe- Fe3C相圖相圖5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 對于對于1.2C的過的過共析鋼，共析鋼，室溫組織組成物的相對量：室溫組織組成物的相對量： Fe3CII室溫相組成物的相對量：室溫相組成物的相對量： Fe3C%10077. 069. 62 . 169. 6% P%10077. 069. 677. 02 . 1% %1000008. 069. 62 . 169. 6% %1000008. 069. 60008. 02 . 1% (5) 共晶白口鑄鐵（共晶白口鑄鐵（4.3%C的合金的合金） 1點(diǎn)以上：點(diǎn)以上：液相L 1點(diǎn)：點(diǎn)：發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變 L 4.3 Ld（ 2.

47、11 + Fe3C） 12點(diǎn)：點(diǎn)：析出轉(zhuǎn)變 Fe3CII （ Fe3CII 無法分辨） 2點(diǎn)：點(diǎn)：發(fā)生共析轉(zhuǎn)變 0.77 P（ 0.0218 + Fe3C） 室溫平衡組織：L d5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 wC / %Fe- Fe3C相圖相圖5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 共晶白口鑄鐵的室溫組織共晶白口鑄鐵的室溫組織wC / %Fe- Fe3C相圖相圖(6) 亞共晶白口鑄鐵（亞共晶白口鑄鐵（3.0C的合金的合金） 1點(diǎn)以上：點(diǎn)以上：液相L 12點(diǎn)：點(diǎn)：勻晶轉(zhuǎn)變 L 2點(diǎn)：點(diǎn)：發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變 L 4.3 Ld（ 2.11 + Fe3C） 23點(diǎn)：點(diǎn)：析出轉(zhuǎn)變 Fe3CII 3點(diǎn)：點(diǎn)：發(fā)生共析轉(zhuǎn)變 0.77 P（ 0.0218 + Fe3C） 室溫平衡組織：P + Fe3CII + L d5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 亞共晶白口鑄鐵的室溫組織亞共晶白口鑄鐵的室溫組織 5-6 鐵碳相圖及鐵碳合金鐵碳相圖及鐵碳合金 wC / %Fe- Fe3C相圖相圖對于對于3.0C的亞共晶白口鑄鐵的亞共晶白口鑄鐵，室溫相組成物的相對量：室溫相組成物的相對量： Fe3C 室溫組織組成物的相對量：室溫組織組成物的相對量： Fe3CII%10011. 23 . 411. 2