二元相圖的基本類型新

合金，是由兩種或兩種以上的金屬與非金屬經(jīng)一定方法所合成的具有金屬特性的物質(zhì)。金屬材料合金品種非常多。每一合金系中還可以改變各組元的相對含量，形成許多合金品種2.2二元相圖的基本類型

Basictypesoftwo-componentphasediagram2.2.1相圖的建立(Setting-upofphasediagrams)2.2.2勻晶相圖——學(xué)習(xí)二元相圖的基礎(chǔ)(Isomorphousdiagram-thefoundationofstudyingtwo-componentphasediagram)2.2.3共晶相圖——學(xué)習(xí)二元相圖的關(guān)鍵(Theeutecticphasediagram-thekeytostudytwo-componentphasediagram)2.2.4包晶相圖特征(Characteristicsofperitecticphasediagram)2.2.5具有穩(wěn)定化合物相圖(Phasediagramswithstablecompound)2.2.6具有共析反應(yīng)的相圖(Phasediagramswitheutectoidreaction)2.2.7二元合金相圖與性能之間的關(guān)系(Relationshipbetweenpropertiesandphasediagramsofbinaryalloys)2.2.1相圖的建立

Setting-upofphasediagrams相圖是表示材料(合金)體系中材料(合金)的狀態(tài)與溫度、成分間關(guān)系的簡明圖解，它清楚地表明了材料中各種相的存在范圍以及相與相之間的關(guān)系。相圖中的相是指平衡相，它不反映時間因素的影響。材料在一定成分和一定溫度下的相狀態(tài)，以及當成分和溫度改變時相狀態(tài)的變化,可用溫度—成分坐標系的圖示明確而系統(tǒng)地表示出來。

建立相圖的方法有實驗測定和理論計算兩種，但目前所使用的相圖大部分都是根據(jù)大量實驗結(jié)果繪制出來的。2.2.1相圖的建立

Setting-upofphasediagrams如圖2.7所示，首先配制一系列不同成分的合金，測出其從液態(tài)到室溫的冷卻曲線，求得各相變點，然后把這些特性點標在溫度-成分的坐標圖紙上，把相同意義的特性點聯(lián)結(jié)成線。這些特性線將相圖劃分出一些區(qū)域，這些區(qū)域稱為相區(qū);最后，在各相區(qū)內(nèi)填入相應(yīng)的“相”的名稱。在二元相圖中，有的相圖簡單(如Cu-Ni相圖)，有的相圖很復(fù)雜(如Fe-C相圖)。但不管多么復(fù)雜，任何二元相圖都可以看成是由幾類基本類型的相圖迭加、復(fù)合而組成的。圖2-7用熱分析法建立Cu-Ni相圖

有關(guān)相圖的基本概念：合金狀態(tài)一定條件下合金有哪幾個相組成相變臨界點相變的溫度相圖反映在平衡條件下，合金的狀態(tài)同溫度、成分之間關(guān)系的圖形。2.2.1相圖的建立

Setting-upofphasediagrams2.2.2勻晶相圖—學(xué)習(xí)二元相圖的基礎(chǔ)(Binaryisomorphousdiagrams)1.勻晶相圖與勻晶轉(zhuǎn)變兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均可以以任意比例相互溶解，即在固態(tài)下形成無限固溶體的合金相圖稱為勻晶相圖。例如Cu-Ni、Fe-Cr等合金相圖均屬于此類相圖。在這類合金中，結(jié)晶時都是從液相結(jié)晶出單相固溶體，這種結(jié)晶過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。應(yīng)該指出，幾乎所有的二元合金相圖都包含有勻晶轉(zhuǎn)變部分，因此掌握這一類相圖是學(xué)習(xí)二元合金相圖的基礎(chǔ)。2.相圖分析①特性點：純銅的熔點A為1083℃，純鎳的熔點B為1455℃。②特性線：液相線，固相線。③相區(qū)與基本相：3.固溶體合金的平衡結(jié)晶過程分析

1083℃1455℃w3.固溶體合金的平衡結(jié)晶過程分析

K合金的平衡結(jié)晶過程，其特點是:固溶體合金的平衡結(jié)晶是變溫結(jié)晶的過程。液態(tài)金屬在無限緩慢冷卻條件下，冷卻到一定溫度范圍內(nèi)進行結(jié)晶，而且在結(jié)晶過程中固溶體的成分沿著固相線變化(即α1→α2→α3→α4)，而液相的成分沿液相線變化(即l1→l2→l3→l4)。這就是固溶體合金的平衡結(jié)晶規(guī)律。用冷卻曲線描述K合金的平衡結(jié)晶過程如圖2－8（b）所示。

4.杠桿定律及其應(yīng)用

分析成分為K的Cu-Ni合金，在溫度時，液相成分為x1，固相成分為x2(通過tx溫度作一水平線，此水平線與液、固相線的交點即為L相的成分與α相的成分)?，F(xiàn)求在該溫度下，已結(jié)晶出固溶體α和剩余液相L的質(zhì)量分數(shù)。圖2.9杠桿定律的證明在合金相圖中的兩相區(qū)(如液相和固相)內(nèi)，若給定某一溫度，就能確定在該溫度下兩平衡相(如液、固兩相)的成分，以及在該溫度下兩平衡相(如液、固兩相)的相對質(zhì)量，這就是杠桿定律的內(nèi)容。4.杠桿定律及其應(yīng)用

設(shè)合金總質(zhì)量為W(100%即1)，液相的質(zhì)量分數(shù)為WL,固相的質(zhì)量分數(shù)為Wα，則

WL+Wα=W(即1)(2.1)若已知液相中鎳的質(zhì)量分數(shù)為x1，固溶體中鎳的質(zhì)量分數(shù)為x2，合金中鎳的質(zhì)量分數(shù)為k，則WL·x1+Wα·x2=W·k(2.2)解(2.1)和(2.2)組成的方程:WL=(x2-k)/(x2-x1);Wα=(k-x1)/(x2-x1)。將分子和分母都換成相圖中的線段，并將WL和Wα的質(zhì)量分數(shù)用百分數(shù)表示時，則WL=kx2/x1x2×100%;Wα=x1k/x1x2×100%;兩相相對質(zhì)量之比為：WL/Wα=xx2/x1x。以上所求得的兩平衡相相對質(zhì)量之間的關(guān)系與力學(xué)中的杠桿定律頗為相似，因此稱為“杠桿定律”。杠桿定律說明:某合金兩平衡相的質(zhì)量分數(shù)(WL與Wα)之比等于該兩相成分點到合金成分點距離的反比，即線段xx2與x1x之比。杠桿定律僅適用于兩相區(qū)，用于求兩平衡相的成分及其相對質(zhì)量。x1x2x1WLx2x1kkx2Wa5.不平衡結(jié)晶——枝晶偏析

在實際結(jié)晶過程中，很難保持體系的平衡狀態(tài)，冷卻過程往往是比較快的（即不平衡結(jié)晶），此時原子不能充分進行擴散，這時先結(jié)晶出的固相含高熔點組元(鎳)較多，后結(jié)晶出的固相含低熔點組元(銅)較多，快冷使這種成分不均勻現(xiàn)象保留下來，形成了在同一晶粒中的成分偏析，因結(jié)晶一般是以樹枝狀方式進行，先結(jié)晶的主干和后結(jié)晶的分支成分不一致，故這種偏析稱為枝晶偏析。因這種偏析發(fā)生在一個晶粒內(nèi)，故又稱晶內(nèi)偏析。枝晶偏析，會使合金的力學(xué)性能、耐蝕性和加工工藝性能變壞。為消除枝晶偏析，可采用高溫擴散退火(又稱均勻化退火)方法，即將合金鑄件加熱至固相線以下100～200℃長時間保溫(一般5～8h)，使原子充分擴散，從而達成分均勻化的目的。

不平衡結(jié)晶－－枝晶偏析示意圖何謂共晶相圖？兩組元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)時相互有限互溶并發(fā)生共晶反應(yīng)(轉(zhuǎn)變)、形成共晶組織的二元相圖稱為二元共晶相圖。

Pb-Sn、Pb-Sb1.相圖分析（1）共晶相圖的形成

共晶相圖可以抽象地看作是兩勻晶相圖重疊結(jié)果，如圖2-10所示。其中(a)圖示出從液相內(nèi)結(jié)晶出以A組元為基α固溶體;(b)圖示為從液相內(nèi)結(jié)晶出以B為基β固溶體;(c)圖為(a)、(b)兩相圖重合在一起圖示。2.2.3共晶相圖—學(xué)習(xí)二元相圖的關(guān)鍵Binaryeutecticphasediagram圖2.10共晶相圖的形成

（1）共晶相圖的形成

二元共晶相圖［(d)圖示］可分解為三部分，即水平線以上為勻晶轉(zhuǎn)變部分、以下為脫溶轉(zhuǎn)變部分，水平線上則為共晶轉(zhuǎn)變部分。

1.相圖分析圖2.10共晶相圖的形成

（1）共晶相圖形成條件：兩組元在液態(tài)能完全互溶；固態(tài)時只能有限互溶；發(fā)生共晶反應(yīng)。2.2.3共晶相圖—學(xué)習(xí)二元相圖的關(guān)鍵Binaryeutecticphasediagram（2）相圖分析①特征線②特征點

③相區(qū)與基本相：包含有兩種有限固溶體α相和β相

α相：Sn組元溶于Pb組元中形成的固溶體

β相：Pb組元溶于Sn組元中形成的固溶體這種在一定溫度下，由一定成分液相同時結(jié)晶出成分各自一定的兩個新固相的轉(zhuǎn)變，稱為共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為兩固相的混合物，稱為共晶組織.2.典型合金的平衡結(jié)晶過程

1234由于固態(tài)下原子擴散能力小，析出的次生相不易長大，一般都比較細小，分布于晶界或固溶體中。2.典型合金的平衡結(jié)晶過程

各種形態(tài)的共晶組織（1）層片狀（Pb-Cu）棒狀球狀（Cu-Cu2O）針狀（Al-Si）各種形態(tài)的共晶組織（2）螺旋狀（Zn-MgZn）蛛網(wǎng)狀放射狀（Cu-P）2.典型合金的平衡結(jié)晶過程

（3）合金Ⅲ(亞共晶合金)

19%與61.9%之間結(jié)晶過程中的反應(yīng)特征為:勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出反應(yīng)。共晶溫度時的相組成：Wα=2N/MN×100%，Wβ=M2/MN×100%。組織組成：Wα=2E/ME×100%W共晶體(α+β)=M2/ME×100%室溫下的相組成：Wα=2’G/FG×100%，Wβ=F2’/FG×100%。組織組成為α+βⅡ+(α+β)

W共晶體(α+β)=M2/ME×100%Wα=（2E/ME）×(M’G/FG)×100%WβⅡ=（2E/ME）×(FM’/FG)×100%

M’2’2.典型合金的平衡結(jié)晶過程

（3）合金Ⅲ(亞共晶合金)初晶樹枝晶的截面形態(tài)（右上圖）；亞或過共晶合金室溫組織圖（下圖）亞共晶合金室溫組織→←過共晶合金室溫組織

同理，過共晶合金(61.5%~97.5%)的平衡結(jié)晶過程與亞共晶合金相似，只是初晶(初生相)為β固溶體、而不是α固溶體。其室溫組織為β+αⅡ＋（α＋β）。其反應(yīng)特征亦為：勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出反應(yīng)。[例題2.1]依據(jù)Pb-Sn相圖(見圖2.11)，說明含２８％Sn的Pb-Sn合金在下列溫度時組織中有哪些相，并求出相的相對量。(1)高于300℃；(2)剛冷至183℃，共晶轉(zhuǎn)變尚未開始；(3)在183℃，共晶轉(zhuǎn)變完畢；(4)冷至室溫。i.分析：通過Sn的質(zhì)量分數(shù)為28%的合金成分點作一垂線，再與縱坐標溫度水平線相交，就可方便地判斷在各個溫度瞬時，合金所處的狀態(tài)；杠桿定律應(yīng)用的前提條件是兩相區(qū)，一定要牢記。SRTiv.請思考？

若把求出“相的相對量”，改為“組織的相對量”，如何計算？3.兩種填寫相圖的方法

以相組分（相組成物）形式填寫的相圖→組織組分(組織組成物)形式填寫相圖→2.4包晶相圖特征Characteristicsofpertecticphasediagrams包晶相圖與前述共晶相圖的共同點是，液態(tài)時兩組元均可無限互溶，固態(tài)時則只有有限固溶度，因而也形成有限固溶體。但其相圖中水平線所代表的結(jié)晶過程則與共晶水平線卻截然不同。如：Fe-Fe3Ｃ相圖中的包晶反應(yīng)部分。圖2-14包晶轉(zhuǎn)變過程示意圖圖2.13鐵碳相圖包晶轉(zhuǎn)變部分2.2.5具有穩(wěn)定化合物的相圖

Phasediagramswithstablecompounds何謂穩(wěn)定化合物？系指具有一定熔點，在熔點以下保持其固有結(jié)構(gòu)而不發(fā)生分解的化合物。在相圖中可把這種化合物看作是一個獨立組元，因而用一條垂線表示，并把相圖分為兩個獨立的相圖。如圖2.15所示為Mg-Si相圖，含36.6%Si時形成穩(wěn)定化合物Mg2Si，其成分固定，即可作為一個獨立組元而將相圖分解為兩個獨立的共晶相圖?？煞謩e按各自獨立的共晶相圖進行分析。圖2.15Mg-Si二元合金相圖Fe3C2.2.6具有共析反應(yīng)的相圖

Phasediagramswitheutectoidreaction

共析反應(yīng)屬于共晶型反應(yīng)，其與共晶反應(yīng)的區(qū)別在于，在恒溫下不是由液相而是由一個成分一定的固相同時析出另外兩種成分各自一定的新固相。如：鐵碳合金相圖中PSK水平線上的共析反應(yīng)：反應(yīng)產(chǎn)物為共析體(共析組織)，由于共析反應(yīng)系固相分解，其原子擴散較困難，易產(chǎn)生較大的過冷，所以共析組織遠比共晶組織細密。共析轉(zhuǎn)變對合金的熱處理強化有重大意義，鋼鐵和鈦合金的熱處理就是建立在共析轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)之上。圖2.＃具有共析轉(zhuǎn)變的二元相圖圖2.17以相組分表示的鐵碳相圖2.2.7二元合金相圖