二元相圖及其類型-西安交大材料科學基礎(chǔ)

1、第二節(jié)第二節(jié) 二元相圖及其類型二元相圖及其類型 一一.相圖基本知識相圖基本知識 利用相圖可以獲取的信息利用相圖可以獲取的信息 (1)不同成分的材料在不同溫度下存不同成分的材料在不同溫度下存在哪些變化在哪些變化 (2)各穩(wěn)定相的相對量是多少各穩(wěn)定相的相對量是多少(3)成分與溫度變化時所可能發(fā)生的變成分與溫度變化時所可能發(fā)生的變化化 下頁下頁返回返回了解相圖的分析和使用方法后，就可以了解相圖的分析和使用方法后，就可以了解合金的組織狀態(tài)，進而預測合金的了解合金的組織狀態(tài)，進而預測合金的性能。另外，可以根據(jù)相圖來制訂合金性能。另外，可以根據(jù)相圖來制訂合金的鍛造和熱處理工藝。的鍛造和熱處理工藝。組元組元

2、組成材料最基本的、獨立的物組成材料最基本的、獨立的物質(zhì)。質(zhì)。合金合金有兩種或兩種以上的金屬、或有兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬經(jīng)熔煉或用其它方法制成金屬與非金屬經(jīng)熔煉或用其它方法制成的具有金屬特性的物質(zhì)。的具有金屬特性的物質(zhì)。后退后退下頁下頁相相合金中具有同一聚積狀態(tài)、內(nèi)部合金中具有同一聚積狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性并以界面相互隔開的均勻組結(jié)構(gòu)和特性并以界面相互隔開的均勻組成部分。成部分。相相描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關(guān)系的一種圖解。所謂相即體成分之間關(guān)系的一種圖解。所謂相即體系中一切具有相同的物理性能與化學性系中一切具有相同的物理性能與化學性能的均勻部分

3、，與其它有明顯界面分開，能的均勻部分，與其它有明顯界面分開，超越界面會有性質(zhì)突變，否則仍為同一超越界面會有性質(zhì)突變，否則仍為同一相。相。相相后退后退下頁下頁對于合金系統(tǒng)來說，要保持物理性能、對于合金系統(tǒng)來說，要保持物理性能、化學性能相同則要滿足：成分相同和結(jié)化學性能相同則要滿足：成分相同和結(jié)構(gòu)相同。構(gòu)相同。 相變相變由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱肆硪幌嗟挠梢粋€相轉(zhuǎn)變?yōu)榱肆硪幌嗟倪^程。過程。相律相律f=C-P+2 C系統(tǒng)組元，系統(tǒng)組元，P平衡時共存的相數(shù)平衡時共存的相數(shù)目，目，f自由度自由度 后退后退下頁下頁相平衡相平衡L4.3=r2.11+Fe3C6.69 溫度：溫度：1148一、相圖的基本知識一、相圖的基

4、本知識合金相圖是應(yīng)用圖解的方法，表示合金合金相圖是應(yīng)用圖解的方法，表示合金的成分、平衡相狀態(tài)及外界條件（溫度、的成分、平衡相狀態(tài)及外界條件（溫度、壓力等）之間關(guān)系的圖線，它是研究合壓力等）之間關(guān)系的圖線，它是研究合金中的相變規(guī)律的基礎(chǔ)。金中的相變規(guī)律的基礎(chǔ)。一、單元系相圖一、單元系相圖返回返回 下頁下頁下圖是水的相圖，在以溫度和壓力為下圖是水的相圖，在以溫度和壓力為兩坐標的平面圖上，表示出水的兩坐標的平面圖上，表示出水的3種存種存在狀態(tài)與溫度和壓力的關(guān)系。（在狀態(tài)與溫度和壓力的關(guān)系。（如圖如圖）二、合金的相平衡概念及相律二、合金的相平衡概念及相律 由于相平衡條件的約束，處于平由于相平衡條件的約

5、束，處于平衡狀態(tài)的合金中可能存的相數(shù)，將受衡狀態(tài)的合金中可能存的相數(shù)，將受到組元數(shù)及外界條件的限制，這種限到組元數(shù)及外界條件的限制，這種限制可從相平衡的熱力學條件推處，這制可從相平衡的熱力學條件推處，這就是相律，即就是相律，即 f=CP+2返回返回 下頁下頁水的狀態(tài)示意圖水的狀態(tài)示意圖PT水水冰冰氣氣其中其中f為系統(tǒng)的自由度數(shù)，為系統(tǒng)的自由度數(shù)，C為組元數(shù)，為組元數(shù)，P為相數(shù)。相律表明：在只受外界溫度為相數(shù)。相律表明：在只受外界溫度和壓力影響的平衡系統(tǒng)中，其自由度數(shù)和壓力影響的平衡系統(tǒng)中，其自由度數(shù)等于組元數(shù)與相數(shù)之差再加上等于組元數(shù)與相數(shù)之差再加上2。所謂。所謂自由度，即指獨立可變的因自由度

6、，即指獨立可變的因返回返回 下頁下頁素，包括各組成相的成分、數(shù)量及素，包括各組成相的成分、數(shù)量及溫度、壓力等。在金屬及合金的制溫度、壓力等。在金屬及合金的制造和應(yīng)用過程中，一般都是在常壓造和應(yīng)用過程中，一般都是在常壓下進行的，因此常把壓力看成一個下進行的，因此常把壓力看成一個常數(shù)，相律的表達式可寫成常數(shù)，相律的表達式可寫成 f=CP+1返回返回下頁下頁相律在相圖中的應(yīng)用相律在相圖中的應(yīng)用組元數(shù)（組元數(shù)（C） 相數(shù)（相數(shù)（P） f=CP+1二元系二元系2三元系三元系3單相合金，成分和溫度都可變單相合金，成分和溫度都可變兩相平衡，成分、相對量和溫度兩相平衡，成分、相對量和溫度等因素中只有一個獨立變

7、量等因素中只有一個獨立變量三相平衡，三相的成分、相對三相平衡，三相的成分、相對量及溫度都確定量及溫度都確定單相合金其中兩個組元的含量單相合金其中兩個組元的含量及溫度三個因素均可變及溫度三個因素均可變兩相平衡，兩相的成分、數(shù)量兩相平衡，兩相的成分、數(shù)量及溫度中有兩個獨立變量及溫度中有兩個獨立變量三相平衡，所有變量中只有一三相平衡，所有變量中只有一個是獨立變量個是獨立變量四相平衡所有因素都確定不變四相平衡所有因素都確定不變12312342103210含義含義下頁下頁返回返回相圖的建立相圖的建立上頁上頁 下頁下頁杠桿定律杠桿定律aobLQaQABooab溫溫度度wLNiwNiLoQQwwwwoNiN

8、iLNioNiLQQ后退后退下頁下頁二二.二元系相圖二元系相圖 1.勻晶相圖勻晶相圖tAABX12tBL0L12冷卻曲線冷卻曲線tLB%L后退后退下頁下頁2022-7-413形成：液態(tài)完全互溶，固態(tài)完全互形成：液態(tài)完全互溶，固態(tài)完全互溶溶 ，即形成，即形成 勻晶相圖。勻晶相圖。冷凝過程：冷凝過程：液相線液相線:合金凝固的開始轉(zhuǎn)變線合金凝固的開始轉(zhuǎn)變線L=時液相時液相 的平衡成分線的平衡成分線 。固相線固相線:合金凝固終了線合金凝固終了線L=時固時固相的平衡成分線。相的平衡成分線。 組成組成LL圖圖5-15后退后退下頁下頁返回返回不平衡凝固：出現(xiàn)枝晶偏析不平衡凝固：出現(xiàn)枝晶偏析(主枝與分主枝與分

9、枝成分不均勻枝成分不均勻)圖圖5-16后退后退下頁下頁固溶體與純金屬結(jié)晶的不同之處：固溶體與純金屬結(jié)晶的不同之處：（1）固溶體結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)）固溶體結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)完成的，而純金屬結(jié)晶是在恒溫下完完成的，而純金屬結(jié)晶是在恒溫下完成的。成的。（2）合金結(jié)晶過程中，結(jié)晶出的固相）合金結(jié)晶過程中，結(jié)晶出的固相與共寸液相的成分不同，這種結(jié)晶稱與共寸液相的成分不同，這種結(jié)晶稱為選分結(jié)晶。而純金屬在結(jié)晶過為選分結(jié)晶。而純金屬在結(jié)晶過程中，固相與液相的成分始終是相同程中，固相與液相的成分始終是相同的。的。上頁上頁 下頁下頁2.共晶相圖共晶相圖 形成：液相完全互溶，固相有限互形成：液相完全互溶，

10、固相有限互溶，有共晶反應(yīng)的相圖。溶，有共晶反應(yīng)的相圖。 后退后退下頁下頁后退后退下頁下頁（1 1）相圖分析）相圖分析 液相線：液相線：e e 、bebe固相線：固相線：m m 、bnbnmfmf為為SnSn在在PbPb中的固溶度曲線中的固溶度曲線ngng為為PbPb在在SnSn中的固溶度曲線中的固溶度曲線三個單相區(qū)：三個單相區(qū)：L L、三個兩相區(qū)：三個兩相區(qū)：L+L+、L+L+、+。三個兩相區(qū)的接觸線三個兩相區(qū)的接觸線menmen為共晶反應(yīng)線，為共晶反應(yīng)線，此線表示三相共存區(qū)此線表示三相共存區(qū)后退后退下頁下頁（2 2）共晶轉(zhuǎn)變）共晶轉(zhuǎn)變 在三相共存水平線在三相共存水平線menmen上，兩條液相

11、上，兩條液相線匯交于線匯交于e e點。點。e e點以上是液相區(qū)，點以上是液相區(qū)，e e點下點下方是方是+兩相共存區(qū)。這說明，相當于兩相共存區(qū)。這說明，相當于e e點成分的液相，當冷至三相共存線點成分的液相，當冷至三相共存線menmen時會同時結(jié)晶出成分為時會同時結(jié)晶出成分為m m的的相與成分為相與成分為n n的的相。相。三個單相區(qū)：三個單相區(qū)：,L三個兩相區(qū)：三個兩相區(qū)： , LL后退后退下頁下頁共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)：固相線：固相線：液相線：液相線：凝固過程：凝固過程：合金合金1： 合金合金2 ：nmtccLamcnbacb的溶解度變化線me的溶解度變化線nf組成組成LLLL后退后退下頁下頁不平衡

12、凝固不平衡凝固偽共晶偽共晶 在非共晶成分處獲得在非共晶成分處獲得100%100%的共晶組的共晶組織，只能在非平衡條件下得到?？?，只能在非平衡條件下得到。 后退后退下頁下頁后退后退下頁下頁不平衡共晶不平衡共晶 m點以左，點以左，n點以右合金不平衡凝固時出現(xiàn)的點以右合金不平衡凝固時出現(xiàn)的共晶組織共晶組織 。后退后退下頁下頁離異共晶離異共晶 當初相較多，當發(fā)生當初相較多，當發(fā)生共晶反應(yīng)時，與當初相相共晶反應(yīng)時，與當初相相同的一相優(yōu)先形核，將另同的一相優(yōu)先形核，將另一相推到最后處形成，失一相推到最后處形成，失去了共晶形貌，即組織為去了共晶形貌，即組織為離異組織。離異組織。 上頁上頁 下頁下頁包晶相圖包

13、晶相圖 后退后退下頁下頁后退后退下頁下頁后退后退下頁下頁1.包晶型反應(yīng)有何特點？與包晶型反應(yīng)有何特點？與共晶反應(yīng)相比，你能否總結(jié)共晶反應(yīng)相比，你能否總結(jié)其規(guī)律？其規(guī)律？2.分析其冷凝過程，比較平分析其冷凝過程，比較平衡與非平衡與非平 衡凝固的異同？衡凝固的異同？上頁上頁下頁下頁起他類型的二元系相圖起他類型的二元系相圖（1）熔晶反應(yīng)：一個固相在某一恒溫下分）熔晶反應(yīng)：一個固相在某一恒溫下分解成一個固相與一個液相的反應(yīng)。解成一個固相與一個液相的反應(yīng)。（2）合晶反應(yīng)：由兩個不同成分的液相在）合晶反應(yīng)：由兩個不同成分的液相在某一恒溫下生成一個一定成分的固相的反。某一恒溫下生成一個一定成分的固相的反。應(yīng)

14、。應(yīng)。（3）偏晶反應(yīng)：在某一恒溫下，由一定成）偏晶反應(yīng)：在某一恒溫下，由一定成分的液相分解出另一成分的液相，并同時分的液相分解出另一成分的液相，并同時結(jié)晶出一定成分的固相的反應(yīng)。結(jié)晶出一定成分的固相的反應(yīng)。后退后退下頁下頁（4）共析反應(yīng)：在某一恒溫下，一定成分）共析反應(yīng)：在某一恒溫下，一定成分的固相同時分解成兩個成分與結(jié)構(gòu)不同的固的固相同時分解成兩個成分與結(jié)構(gòu)不同的固相反應(yīng)。相反應(yīng)。（5）包析反應(yīng)：兩個不同成分的固相，在）包析反應(yīng)：兩個不同成分的固相，在某一恒溫下相互作用生成另一固相的反應(yīng)。某一恒溫下相互作用生成另一固相的反應(yīng)。表表5-6是對以上反應(yīng)類型的總結(jié)是對以上反應(yīng)類型的總結(jié)上頁上頁下頁

15、下頁后退后退下頁下頁二元相圖的分析方法二元相圖的分析方法一、二元相圖的一些基本規(guī)律一、二元相圖的一些基本規(guī)律（1）相接觸法則：在二元相圖中，相鄰相區(qū)）相接觸法則：在二元相圖中，相鄰相區(qū)的相數(shù)差為的相數(shù)差為1，點接觸除外。，點接觸除外。（2）在二元相圖中，三相平衡一定是一條水）在二元相圖中，三相平衡一定是一條水平線，該向上一定與平線，該向上一定與3個單相區(qū)有點接觸，其個單相區(qū)有點接觸，其中兩點在水平線的兩端，另一點在水平線中中兩點在水平線的兩端，另一點在水平線中間某處，間某處，3點對應(yīng)于點對應(yīng)于3個平衡相的成分，此外個平衡相的成分，此外該線一定與該線一定與3個兩相區(qū)相鄰。個兩相區(qū)相鄰。（3）兩相

16、區(qū)與單相區(qū)的分界線與水平線相交）兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與水平線相交處，前者的延長線應(yīng)進入另一個兩相區(qū)。處，前者的延長線應(yīng)進入另一個兩相區(qū)。后退后退下頁下頁四四.相圖與性能的關(guān)系相圖與性能的關(guān)系1、根據(jù)相圖判斷材料的力學性能、根據(jù)相圖判斷材料的力學性能和物理性能和物理性能圖圖5-42所示。所示。1）對于勻晶系，固溶體的強度和硬度）對于勻晶系，固溶體的強度和硬度均隨溶質(zhì)組元含量的增加而提高。均隨溶質(zhì)組元含量的增加而提高。2）固溶體的塑性、電導率隨溶質(zhì)含量）固溶體的塑性、電導率隨溶質(zhì)含量的增加而降低。的增加而降低。3）電阻隨溶質(zhì)量的增加而增加。）電阻隨溶質(zhì)量的增加而增加。上頁上頁下頁下頁對于共晶系和

17、包晶系：對于共晶系和包晶系：1）當兩相混合物中兩相的大小及分）當兩相混合物中兩相的大小及分布都較均勻時，材料的性能是兩組布都較均勻時，材料的性能是兩組成相的平均值，即呈線性關(guān)系。成相的平均值，即呈線性關(guān)系。2）當共晶組織十分細密，且在不平）當共晶組織十分細密，且在不平衡結(jié)晶出現(xiàn)偽共晶時，其強度和硬衡結(jié)晶出現(xiàn)偽共晶時，其強度和硬度在共晶成分俯近偏離直線關(guān)系而度在共晶成分俯近偏離直線關(guān)系而出現(xiàn)峰值。圖出現(xiàn)峰值。圖5-42中虛線所示。中虛線所示。上頁上頁下頁下頁2、根據(jù)相圖判斷合金的工藝性能、根據(jù)相圖判斷合金的工藝性能合金的鑄造性能主要表現(xiàn)為合金液體合金的鑄造性能主要表現(xiàn)為合金液體的流動性、縮空、熱裂傾向及