第四章 二元相圖

1第4章二元相圖4.1相圖的基本知識4.2二元相圖的基本類型4.3二元相圖的分析和使用4.4鐵碳相圖和鐵碳合金22

4.1相圖的基本知識

相圖：描述物質(zhì)的狀態(tài)與溫度、壓力及成分之間關(guān)系的圖解。根據(jù)相圖可確定不同成分的材料在不同溫度下組成相的種類、各相的相對量、成分及溫度變化時可能發(fā)生的變化。僅在熱力學(xué)平衡條件下成立，不能確定結(jié)構(gòu)、分布狀態(tài)和具體形貌。

4.1.1相圖的表示狀態(tài)與成分表示法狀態(tài)表示：溫度－成分坐標(biāo)系。坐標(biāo)系中的點－表象點。成分表示：質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)。

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杠桿定律

（1）平衡相成分的確定（根據(jù)相律，若溫度一定，則自由度為0，平衡相成分隨之確定。）（2）數(shù)值確定：直接測量計算或投影到成分軸測量計算。（3）注意：只適用于兩相區(qū)；三點（支點和端點）要選準(zhǔn)。44

4.1.2相圖的建立方法：實驗法和計算法。過程：配制合金－測冷卻曲線－確定轉(zhuǎn)變溫度－填入坐標(biāo)－繪出曲線。相圖結(jié)構(gòu)：兩點、兩線、三區(qū)。54.1.3相平衡與相律1.相平衡條件相平衡：在指定的溫度和壓力下，若多相體系的各相中每一組元的濃度均不隨時間而變，則體系達到相平衡。動態(tài)平衡各組元在它存在的各相中的化學(xué)位相等。2.相律（1）相律：熱力學(xué)平衡條件下，系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度數(shù)之間的關(guān)系。（2）表達式：f=c-p+2;壓力一定時，f=c-p+1。（3）應(yīng)用可確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)。如單元系2個，二元系3個?？梢越忉尲兘饘倥c二元合金的結(jié)晶差別。純金屬結(jié)晶恒溫進行，二元合金變溫進行。66

4.1.4二元相圖的幾何規(guī)律（1）相區(qū)接觸法則：兩個單相區(qū)之間必定有一個由這兩個相組成的兩相區(qū)，而不能以一條線接界。兩個兩相區(qū)必須以單相區(qū)或三相水平線隔開。由此可以看出二元相圖中相鄰相區(qū)的相數(shù)差一個(點接觸除外)。（2）在二元相圖中，若是三相平衡，則三相區(qū)必為一水平線．這條水平線與三個單相區(qū)的接觸點確定了三個平衡相及相濃度。每條水平線必與三個兩相區(qū)相鄰。（3）如果兩個恒溫轉(zhuǎn)變中有兩個相同的相，則這兩條水平線之間一定是由這兩個相組成的兩相區(qū)。（4）當(dāng)兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與三相等溫線相交，則分界線的延長線應(yīng)進入另一兩相區(qū)，而不會進入單相區(qū)。788

4.2二元勻晶相圖

4.2.1勻晶相圖1.相圖分析勻晶轉(zhuǎn)變：由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的轉(zhuǎn)變。勻晶相圖：具有勻晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。相圖分析兩點：純組元的熔點；兩線：L,S相線；三區(qū)：L,α,L+α。99

4.2固溶體合金的平衡結(jié)晶（1）平衡結(jié)晶：每個時刻都能達到平衡的結(jié)晶過程。（2）平衡結(jié)晶過程分析①冷卻曲線：溫度－時間曲線②相（組織）與相變（各溫區(qū)相的類型、相變反應(yīng)式、杠桿律應(yīng)用）；③組織示意圖；④成分均勻化：10*在每一溫度下，平衡凝固實質(zhì)包括三個過程：①液相內(nèi)的擴散過程；②固相的繼續(xù)長大；③固相內(nèi)的擴散過程。1111

（3）與純金屬結(jié)晶的比較①

相同點：基本過程：形核－長大；熱力學(xué)條件：⊿T>0；能量條件：能量起伏；結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏。②不同點：合金在一個溫度范圍內(nèi)結(jié)晶（可能性：相律分析；必要性：成分均勻化。）合金結(jié)晶是選分結(jié)晶：需成分起伏。

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3固溶體的不平衡結(jié)晶（1）原因：冷速快（假設(shè)液相成分均勻、固相成分不均勻）。（2）結(jié)晶過程特點：固相成分按平均成分線變化（但每一時刻符合相圖）；結(jié)晶的溫度范圍增大；組織多為樹枝狀。

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（3）成分偏析：晶內(nèi)偏析：一個晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。枝晶偏析：樹枝晶的枝干和枝間化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。（消除：擴散退火，在低于固相線溫度長時間保溫。）

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4固溶體合金凝固時的溶質(zhì)量分布

（1）穩(wěn)態(tài)凝固：從液固界面輸出溶質(zhì)速度等于溶質(zhì)從邊界層擴散出去速度的凝固過程。（2）平衡分配系數(shù)：在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質(zhì)濃度的比值。k0=Cs/Cl

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（3）溶質(zhì)分布：

A液、固相內(nèi)溶質(zhì)完全混合（平衡凝固）

B固相不混合、液相完全混合

C固相不混合、液相完全不混合

D固相不混合、液相部分混合1616

E區(qū)域熔煉（上述溶質(zhì)分布規(guī)律的應(yīng)用）

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5成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響（1）成分過冷：由成分變化與實際溫度分布共同決定的過冷。（2）形成：界面溶質(zhì)濃度從高到低－液相線溫度從低到高。（圖示：溶質(zhì)分布曲線－勻晶相圖－液相線溫度分布曲線－實際溫度分布曲－成分過冷區(qū)。）1818

5成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響（3）成分過冷形成的條件和影響因素條件：G/R<mC0(1-k0)/Dk0

合金固有參數(shù)：m,k0

;

實驗可控參數(shù)：G,R。

1919

（4）成分過冷對晶體生長形態(tài)的影響

2020

4.2.2二元共晶相圖及合金凝固

共晶轉(zhuǎn)變：由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩個一定成分固相的轉(zhuǎn)變。共晶相圖：具有共晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。（液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不溶，且發(fā)生共晶反應(yīng)。共晶組織：共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。（是兩相混合物）211共晶相圖分析（相圖三要素）（1）點：純組元熔點；最大溶解度點；共晶點（是亞共晶、過共晶合金成分分界點）等。（2）線：結(jié)晶開始、結(jié)束線；溶解度曲線；共晶線等。（3）區(qū)：3個單相區(qū)；3個兩相區(qū)；1個三相區(qū)。22

2合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（1）α固溶體合金（WSn<19％）及β固溶體合金（WSn＞97.5％）①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②二次相（次生相）的生成：脫溶轉(zhuǎn)變（二次析出或二次再結(jié)晶）。③室溫組織（α＋βⅡ）及其相對量計算。圖4.13Pb-Sn合金相圖圖4.14含10%Sn的Pb-Sn合金平衡冷卻示意圖23（2）共晶合金（WSn=61.9％）①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②共晶線上兩相的相對量計算。③室溫組織（α＋β＋αⅡ＋βⅡ）及其相對量計算。

圖4.13Pb-Sn合金相圖圖4.16Pb-Sn共晶合金平衡冷卻示意圖24（3）亞共晶合金及過共晶合金①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②共晶線上兩相的相對量計算。③室溫組織（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相對量計算。

圖4.18亞共晶合金平衡冷卻示意圖25

（4）組織組成物與組織圖組織組成物：組成材料的中各個不同本質(zhì)和形態(tài)的部分。組織圖：用組織組成物填寫的相圖。組織組成物相對量的計算：杠桿定律。2626

3共晶組織的形成（1）共晶體的形成成分互惠－交替形核片間搭橋－促進生長

兩相交替分布（共晶組織）

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（2）共晶體的形態(tài)金屬-金屬型（粗糙－粗糙界面）：層片狀（一般情況）、棒狀、纖維狀（一相數(shù)量明顯少于另一相）金屬-非金屬型（粗糙－光滑界面）：具有不規(guī)則或復(fù)雜組織形態(tài)（由于兩相微觀結(jié)構(gòu)不同）非金屬-非金屬（光滑－光滑界面）所需動態(tài)過冷度不同，金屬相任意長大，另一相在其間隙長大?？傻玫角驙?、針狀、花朵狀、樹枝狀共晶體。非金屬相與液相成分差別大。形成較大成分過冷，率先長大，形成針狀、骨骼狀、螺旋狀、蜘蛛網(wǎng)狀的共晶體。2829

（3）初生晶的形態(tài)：金屬固溶體：粗糙界面－樹枝狀；非金屬相：光滑界面－規(guī)則多面體。2h304.偽共晶①偽共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶組織。②形成原因：不平衡結(jié)晶；成分位于共晶點附近。

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5.不平衡共晶體①

不平衡共晶：位于共晶線以外成分的合金發(fā)生共晶反應(yīng)而形成的組織。②原因：不平衡結(jié)晶。成分位于共晶線以外端點附件。

③不平衡組織由非共晶成分的合金得到的完全共晶組織。共晶成分的合金得到的亞、過共晶組織。（偽共晶區(qū)偏移）3232

6.離異共晶①

離異共晶：兩相分離的共晶組織。②

形成原因平衡條件下，成分位于共晶線上兩端點附近。不平衡條件下，成分位于共晶線外兩端點附。③

消除：擴散退火。

334.2.3二元包晶相圖及合金凝固

包晶轉(zhuǎn)變：由一個特定成分的固相和液相生成另一個特點成分固相的轉(zhuǎn)變。包晶相圖：具有包晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。1包晶相圖分析點、線、區(qū)。

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2平衡結(jié)晶過程及其組織（1）包晶合金（含42.4%）的結(jié)晶結(jié)晶過程：包晶線以下，L,α對β過飽和－界面生成β－三相間存在濃度梯度－擴散－β長大－全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣?。室溫組織：β或β＋αⅡ。圖4.27（a）Pt-Ag相圖35

（2）成分在D-C之間合金（42.4%<Ag<66.8%)的結(jié)晶結(jié)晶過程：β剩余；室溫組織：β＋αⅡ圖4.27（a）Pt-Ag相圖36

（3）成分在P-D之間合金（10.5%<Ag<42.4%)的結(jié)晶結(jié)晶過程：α剩余；室溫組織：α＋β＋αⅡ＋βⅡ。圖4.27（a）Pt-Ag相圖37

2平衡結(jié)晶過程及其組織

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3具有包晶轉(zhuǎn)變的合金的不平衡結(jié)晶

包晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物β相包在α相外面，這樣，兩個反應(yīng)相L，α的原子必須通過β相來傳遞以維持反應(yīng)的進行。原于在固相中的擴散速度比在液相中慢得多。所以包晶轉(zhuǎn)變速度往往很慢。實際生產(chǎn)中，由于冷速較快，包晶轉(zhuǎn)變不能充分進行。此外，在不平衡凝固條件下，一些原來不應(yīng)發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的合金，也會部分發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，組織中出現(xiàn)了少量β相。包晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的不平衡組織，可采用長時間的擴散退火來減少或消除。394.3二元相圖的分析和使用4.3.1其他類型的二元相圖1、其他類型的恒溫轉(zhuǎn)變相圖（1）熔晶轉(zhuǎn)變相圖定義：一個固相在恒溫下轉(zhuǎn)變成一個液相和另一個固相的轉(zhuǎn)變。（2）偏晶轉(zhuǎn)變相圖定義：一個液相在恒溫下分解為一個固相和另一個液相的轉(zhuǎn)變。（3）共析轉(zhuǎn)變相圖定義：一定成分的固相在恒溫下生成另外兩個一定成分的固相的轉(zhuǎn)變。（4）包析轉(zhuǎn)變相圖定義：兩個一定成分的固相，在恒溫下，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€新的固相的轉(zhuǎn)變。402、組元間形成化合物的相圖穩(wěn)定化合物：具有一定熔點，在熔點以下不分解的化合物。3、具有異晶轉(zhuǎn)變的相圖一個固相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€固相的轉(zhuǎn)變稱為異晶轉(zhuǎn)變也稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。4、具有固溶體形成中間相轉(zhuǎn)變的相圖5、具有有序---無序轉(zhuǎn)變的相圖6、具有磁性轉(zhuǎn)變的相圖414.3.2復(fù)雜二元相圖的分析和使用

1、復(fù)雜二元相圖的分析步驟

①以穩(wěn)定的化合物分割相圖；②根據(jù)相區(qū)接觸法則，確定各點、線、區(qū)的意義；③分析水平線，確定相比特性點及轉(zhuǎn)變反應(yīng)式；④分析具體合金的結(jié)晶過程及其組織變化。注：虛線、點劃線的意義－尚未準(zhǔn)確確定的數(shù)據(jù)、磁學(xué)轉(zhuǎn)變線、有序－無序轉(zhuǎn)變線。2、應(yīng)用相圖時要注意的問題①相圖只能給出合金在平衡條件下存在的相和相對量，并不表示相的形狀、大小和分布，而這些主要取決于相的特征及形成條件。②相圖只表示平衡狀態(tài)的情況，而實際生產(chǎn)條件下，合金很少能達到平衡狀態(tài)。42表4.1二元系各類恒溫轉(zhuǎn)變圖型43

3、根據(jù)相圖判斷合金的性能①根據(jù)相圖判斷材料的力學(xué)和物理性能

44②根據(jù)相圖判斷材料的工藝性能鑄造性能：根據(jù)液固相線之間的距離XX越大，成分偏析越嚴(yán)重（因為液固相成分差別大）；流動性越差（因為枝晶發(fā)達）；熱裂傾向越大（因為液固兩相共存的溫區(qū)大）。45

塑性加工性能：選擇具有單相固溶體區(qū)的合金。熱處理性能：選擇具有固態(tài)相變或固溶度變化的合金。

464.4鐵碳相圖和鐵碳合金

鐵－石墨相圖：Fe-C;

鐵－滲碳體相圖：Fe-Fe3C。1鐵碳合金中的組元和相

L,δ,A(γ),F(α),Fe3C（滲碳體）47

2Fe-Fe3C相圖分析

點：16個。線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線；三條等溫轉(zhuǎn)變線；其余三條線：GS,ES,PQ。區(qū)：5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)，3個三相區(qū)。相圖標(biāo)注：相組成物標(biāo)注的相圖。組織組成物標(biāo)注的相圖。48

點：16個。

49

線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線（770A2、230）；三條等溫轉(zhuǎn)變線；（包晶、共晶、共析A1）其余四條重要的固態(tài)轉(zhuǎn)變線：GS（A3）、ES、GP、PQ。區(qū)：5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)，3個三相區(qū)。相圖標(biāo)注：相組成物標(biāo)注的相圖。組織組成物標(biāo)注的相圖。50

3典型鐵碳合金的平衡凝固合金分類：工業(yè)純鈦（C%<0.0218%）碳鋼（0.0218<C%<2.11%）：共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼鑄鐵（C%>2.11%）：共晶鑄鐵、亞共晶鑄鐵、過共晶鑄鐵51

典型合金（7種）的平衡結(jié)晶過程、組織變化、室溫組織及其相對量計算。工業(yè)純鐵結(jié)晶過程（+Fe3CⅢ）

三次滲碳體最大量計算52

共析鋼結(jié)晶過程P（+Fe3C）珠光體P中的相對量的計算

53

亞共析鋼結(jié)晶過程（+P）相對量的計算

54

過共析鋼結(jié)晶過程（P+Fe3CⅡ，二次滲碳體最大量計算）相對量的計算55

共晶白口鐵結(jié)晶過程Ld`（P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶）

Ld（+Fe3C共晶）（Ld-Ld`轉(zhuǎn)變）56

亞共晶白口鐵結(jié)晶過程（P+Fe3CⅡ+Ld`）57

過共晶白口鐵結(jié)晶過程（Fe3CⅠ+Ld`）5858

（2）重要問題：

Fe3CⅠ,Fe3CⅡ,Fe3CⅢ的意義及其最大含量計算。

Ld-Ld`轉(zhuǎn)變。二次杠桿的應(yīng)用。59

含碳量對平衡組織和性能的影響（1）對平衡組織的影響（隨C%提高）組織：α＋Fe3CⅢLd`＋Fe3CⅠ；相：α減少，F(xiàn)e3C增多；

Fe3C形態(tài)：Fe3CⅢ（薄網(wǎng)狀、點狀）共析Fe3C（層片狀）Fe3CⅡ（網(wǎng)狀）共晶Fe3C（基體）Fe3CⅠ（粗大片狀）。6060

4.4.2碳和雜質(zhì)元素對碳鋼組織和性能的影響

1.碳的影響

A、對力學(xué)性能的影響：強度、硬度升高，塑韌性下降。