5相圖研究方法-相圖的表示

第二章二元合金相圖及合金的凝固和組織11/7/20221目錄

1有關(guān)相圖的基本知識(shí)

2勻晶相圖及固溶體合金的凝固和組織

3共晶相圖及共晶系合金的凝固和組織

4包晶相圖及其合金的凝固和組織

5其它類(lèi)型的二元合金相圖

6相圖的分析和使用：Fe-C相圖及鐵碳合金

7相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)11/7/20222合金

合金：由兩種以上的金屬或金屬與非金屬熔合（或燒結(jié)）在一起而具有金屬特性的物質(zhì)。根據(jù)組元數(shù)目，可分為二元合金、三元合金，四元以上合金稱(chēng)多元合金。合金品種：在元素周期表中除了少數(shù)氣體元素外，幾乎都可制作合金，若取80種元素來(lái)配制合金，任取三種元素組成的三元合金系就有C（80,3）種；每一合金系中還可以改變各組元的相對(duì)含量，形成許許多多合金品種11/7/20223合金相圖：用圖的形式表明一個(gè)合金系的成份、溫度和相態(tài)之間的關(guān)系；用途：研究相結(jié)構(gòu)和組織的形成和變化規(guī)律，可以了解該系合金在各溫度下所存在的相態(tài)、相成分和各個(gè)相的含量，相轉(zhuǎn)變溫度等等。用來(lái)指導(dǎo)熔鑄、加工和熱處理工藝，研究某合金元素的作用和存在狀態(tài)，研究合金的性能與組織的關(guān)系等。合金相圖11/7/202241有關(guān)相圖的基本知識(shí)1.1二元合金中存在的相相：在一個(gè)體系中，結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一，并以界面相互分開(kāi)的均勻部分。相與相之間有界面，如冰和水是兩種不同的相態(tài)，食鹽水溶液是一個(gè)相，若在飽和溶液中析出食鹽晶體則成為兩個(gè)相。有界面分開(kāi)的不一定都是相，如合金中同一相的不同晶粒間。1.1.1相11/7/202251.液溶體：a.多數(shù)金屬在液態(tài)下互相溶解而形成均勻的溶液；b.液態(tài)下部分互相溶解，達(dá)到飽和溶解度后就不再溶解，而形成有界面分開(kāi)的成分不同的兩種溶液，如Al-Cd，Cu-Pb，在一定溫度和成分范圍內(nèi)，形成濃度不同和有界面分開(kāi)的二層溶液c.在液態(tài)幾乎完全不溶解，如Al-Ti，W-Cu，F(xiàn)e-Bi等1.1.2．合金相種類(lèi)：液溶體、固溶體、金屬間化合物11/7/202262）固溶體

：溶質(zhì)原子(離子或分子)溶入溶劑的晶體點(diǎn)陣中所形成的相，固溶體的晶體結(jié)構(gòu)就是溶劑的晶體結(jié)構(gòu)，按照溶質(zhì)原子溶入熔劑的方式分為：固溶體的強(qiáng)度總是比組成它的純組元高，且隨溶質(zhì)原子濃度增加，強(qiáng)度也增加。11/7/202273）中間相（金屬間化合物）各組元間發(fā)生化學(xué)相互作用，形成晶體結(jié)構(gòu)不同于組成元素的新相，新相有自己獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，位于相圖的中間部位，又稱(chēng)為“金屬間化合物”，包括正常價(jià)化合物，電子化合物和原子尺寸因素化合物。Mg-Si相圖11/7/20228氣相：不論氣體有多少種，他們組成的混合系統(tǒng)都稱(chēng)為一相。液相：當(dāng)幾種液體完全互溶時(shí)，稱(chēng)為一相固相：當(dāng)形成固溶體或化合物時(shí)為一相，若只是機(jī)械混合的話，有幾種固體就有幾種相。11/7/20229相變：一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌嗟倪^(guò)程相平衡狀態(tài)：宏觀上系統(tǒng)中同時(shí)共存的各相在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不互相轉(zhuǎn)化，屬于動(dòng)態(tài)平衡，微觀上組元不停地通過(guò)各相界面進(jìn)行遷移速度相等的轉(zhuǎn)移。1.1.3相平衡條件與相律汽冰水晶型1晶型2一級(jí)相變二級(jí)相變11/7/202210

相律：在平衡條件下，合金的組元數(shù)和相數(shù)之間存在的關(guān)系

由熱力學(xué)可知，組元轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)力是組元間化學(xué)位差，在α、β兩相平衡系統(tǒng)中的平衡條件為：

μiα＝μiβ(5-1)

即，同一組元在兩相中的化學(xué)位相等那么，合金中C個(gè)組元，p個(gè)相的平衡條件為每個(gè)組元在每個(gè)相中化學(xué)位均相等：相律(5-2)……11/7/202211吉布斯相律：?=C-P+2(5-3)C：組元數(shù)，P：平衡共存的相數(shù)，

?：自由度，指平衡系中不改變相數(shù)的前提下可獨(dú)立變化的因素?cái)?shù)目（如溫度、壓力、濃度等）

2：表示溫度與壓力兩個(gè)因素對(duì)于不含氣象的凝聚系統(tǒng)，合金相變時(shí)可視為恒壓條件，相律的表達(dá)式為

?=C－P+1(5-4)∵f≥0，∴純金屬最多只有兩相平衡二元系最多存在三相平衡11/7/2022121.2二元相圖的表示、含義和杠桿定律單元相圖：以溫度和壓力為坐標(biāo)表示相態(tài)變化鎂的相圖OB和OC：G-L與G-S轉(zhuǎn)變的臨界線，體積變化很大，隨壓力升高，轉(zhuǎn)變溫度也升高OD：L-S轉(zhuǎn)變的臨界線，幾乎與溫度坐標(biāo)垂直，壓力變化對(duì)轉(zhuǎn)變溫度沒(méi)有影響11/7/202213鐵的P-T圖AOB固f=C-P+2=3-P系統(tǒng)最少1個(gè)相，f=3-1=2，即T、P可獨(dú)立改變；系統(tǒng)最多3個(gè)相，f=3-3=0，T、P均固定；當(dāng)2相共存時(shí)，f=3-2=1，T、P只有一個(gè)可自由改變。11/7/202214硫有兩種晶型，正交R和單斜M，相圖中有3個(gè)三相點(diǎn)硫的P-T圖11/7/202215橫坐標(biāo)的左、右兩端點(diǎn)及從左至右的含義；橫坐標(biāo)上任一點(diǎn)代表某一成分的合金：如x1合金，x2合金。二元相圖Bi-Cd相圖及各成分合金的組織變化示意圖表示恒壓（一個(gè)大氣壓）下的狀態(tài)，采用溫度和成分為坐標(biāo)的平衡圖11/7/202216質(zhì)量分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)WA和WB分別表示A和B組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，aA、aB分別表示A和B組元的摩爾量，XA、XB分別表示A和B組元的摩爾分?jǐn)?shù)（5-5）合金成分的表示方法11/7/202217線條：相轉(zhuǎn)變溫度和平衡相的成分；被線條所劃分的區(qū)域稱(chēng)為相區(qū)，相區(qū)內(nèi)注明合金存在的相態(tài)從相圖上可以看出任一成分的合金在任一溫度下所存在的相態(tài)，在什么溫度下發(fā)生相轉(zhuǎn)變及其轉(zhuǎn)變類(lèi)型等

如：x1合金冷卻，Bi-Cd相圖及各成分合金的組織變化示意圖11/7/202218將成分坐標(biāo)當(dāng)作杠桿，以合金成分點(diǎn)為支點(diǎn)，兩相的成分點(diǎn)分別為重點(diǎn)和力點(diǎn)，則與力學(xué)上的杠桿定律一樣，即Cd/Bi=Qp/pr。即兩相物質(zhì)量/質(zhì)量之比反比于支點(diǎn)到兩個(gè)相點(diǎn)的線段長(zhǎng)。杠桿定律Bi-Cd相圖及各成分合金的組織變化示意圖X1合金：Cd=75/100×100%Bi=25/100×100%11/7/202219WL/Wα=rb/ar注意：杠桿定律適用于平衡結(jié)晶時(shí)的兩相區(qū)附錄：杠桿定律11/7/202220合金成分為C，總重量為W在t1溫度時(shí)，由液相和固相組成，液相的成分為CL

，重量為WL固相成份為Cα

，重量為Wα

則

W=WL+Wα

（1）

WL·CL+Wα·Cα=W·C（2）由（1）、（2）可得WL/Wα=(Cα-C)/(C-CL)

故WL/Wα=rb/ar

上式還可換寫(xiě)成

WL/W=rb/ab附錄：杠桿定律的證明11/7/202221求在T2溫度下x1合金中的L和Cd的含量解：1.在T2溫度作水平線交于相區(qū)的邊界線點(diǎn)L2和S，為L(zhǎng)和Cd的成分點(diǎn)2.以L2S連線為杠桿，可求出兩相的重量百分含量為

L=OS/L2S×100%

Cd=L2O/L2S×100%Bi-Cd相圖及各成分合金的組織變化示意圖11/7/202222相和組織從液相中凝固出固相，稱(chēng)為初晶組織，再?gòu)囊合嘀泄餐坛鰜?lái)兩種固相，交替排列，有其形態(tài)的特點(diǎn)，稱(chēng)為共晶組織，共晶中Cd相與初晶Cd相為同一種相，性質(zhì)完全一樣，其形態(tài)不同。相組成物：把相看作構(gòu)成合金組織的基本單元，如固態(tài)x1合金由Cd相和Bi相組成，Cd相占75%，Bi相占25%組織組成物：按組織形貌的特征來(lái)劃分構(gòu)成合金組織的單元，如固態(tài)x1合金由初晶Cd和共晶（Cd+Bi）組成11/7/202223按杠桿定律計(jì)算x1合金在共晶溫度的組織組成物的重量百分?jǐn)?shù)：

Cd初晶=Em/ED×100%=35/60×100%=58.3%(Cd+Bi)共晶=mD/ED×100%=25/60×100%=41.7%

相組成物？

X2合金：？11/7/202224相圖中其它成分合金凝固時(shí)的組織變化：11/7/2022251.3用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)繪二元相圖合金中發(fā)生的所有相轉(zhuǎn)變都同時(shí)伴隨著某種物理、化學(xué)性質(zhì)的變化，利用測(cè)定合金的某種物理、化學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化找出它們的相變點(diǎn)來(lái)測(cè)定相圖常用方法熱分析法

X射線分析法金相組織法硬度法電阻法熱膨脹法磁性法……11/7/2022261.3.1熱分析法測(cè)繪Cu-Ni二元相圖測(cè)定合金的冷卻（或加熱）曲線1.選取有代表性的合金，測(cè)繪其冷卻曲線，獲得各合金的相變臨界點(diǎn)2.將同類(lèi)臨界點(diǎn)成分-溫度圖上連接起來(lái)11/7/2022271.3.2金相組織法測(cè)繪二元相圖通過(guò)觀察一系列成分的合金在不同溫度下的組織變化情況，以確定其相變溫度，一般用來(lái)測(cè)定固相線和固溶