最全二元相圖及其合金凝固知識點總結(jié)

最全二元相圖及其合金凝固知識點總結(jié)勻晶相圖與固溶體凝固勻晶相圖兩組元在液態(tài)、固態(tài)均能無限互溶的二元系所組成的相圖稱為勻晶相圖。

勻晶轉(zhuǎn)變：由液相結(jié)晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變。

以w(Ni)為30%Cu-Ni二元合金相圖為例說明勻晶相圖。點：TCu、TNi分別為Cu、Ni熔點。線：TCuBTNi為液相線。TCuCTNi為固相線。區(qū)：

L、L+α、α固溶體的平衡凝固平衡結(jié)晶：在極緩慢冷卻條件下進(jìn)行的結(jié)晶。以w(Ni)為30%Cu-Ni二元合金為例分析結(jié)晶過程：

t1溫度以上為L；t1溫度時，L→α，成分為：B、C。t2溫度時，成分為：E、F。液、固相線不僅是相區(qū)分線,也是結(jié)晶時兩相的成分變化線。隨T↓，固溶體成分沿固相線變化，液體成分沿液相線變化。t3溫度時，結(jié)晶終了。得到與合金成分相同的固溶體。

固溶體的結(jié)晶過程也是形核和長大的過程。固溶體在形核時，既需要結(jié)構(gòu)起伏（以滿足晶核大小超過一定臨界值的要求），又需要能量起伏（以滿足新相對形核功的要求），此外還需要成分起伏（由于其結(jié)晶時，結(jié)晶出的α成分與L成分不同）。成分起伏：在微小體積內(nèi)成分偏離平均成分的現(xiàn)象（掌握）。平衡凝固時組織變化示意圖：固溶體平衡冷卻結(jié)晶過程歸納總結(jié)：冷卻時遇到液相線開始結(jié)晶，遇到固相線結(jié)晶終止，形成單相均勻固溶體。在結(jié)晶過程中每一溫度，其液相、固相成分和相對量可由該溫度下做水平線與液相線、固相線的交點及杠桿定理得出隨溫度下降，固相成分沿固相線變化，液相成分沿液相線變化，且液相成分減少，固相成分增加，直至結(jié)晶完畢。固溶體合金的結(jié)晶特點：1.異分結(jié)晶：結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同。2.結(jié)晶需要一定的溫度范圍。固溶體非平衡凝固非平衡凝固：偏離平衡條件的結(jié)晶。在實際生產(chǎn)中，由于冷卻速度較快，內(nèi)部原子的擴(kuò)散過程落后于結(jié)晶過程，使合金的成分均勻化來不及進(jìn)行，使凝固偏離了平衡條件，這稱為非平衡凝固。非平衡凝固導(dǎo)致先結(jié)晶部分與后結(jié)晶部分成分不同，這種一個晶粒內(nèi)部或者一個枝晶間的化學(xué)成分不同的現(xiàn)象，叫做枝晶偏析或晶內(nèi)偏析。各個晶粒之間化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象叫做晶間偏析。

枝晶偏析是非平衡凝固的產(chǎn)物，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，可以通過均勻化退火消除。如圖中合金線1結(jié)晶過程：t1溫度時，α→α1，

L→L1t2溫度時，α2→α2′,L2→L2′t3溫度時，α3→α3′,L3→L3′t4溫度時，α4→α4′,L4→L4′枝晶偏析的大小影響因素：

液相線與固相線間的水平距離(成分間距)↑，先后結(jié)晶的成分差別↑，偏析嚴(yán)重。溶質(zhì)原子的擴(kuò)散能力↑，偏析↓。冷卻速度↑，偏析↑。共晶相圖與合金凝固共晶相圖組成共晶的兩組元液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限固溶或完全不溶，且發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相圖。以Pb—Sn共晶凝固為例說明二元相圖凝固過程：點：tA：Pb的熔點；

tB：Sn的熔點；E：共晶點。成分為E的合金為共晶合金；α：是Sn溶于Pb的固溶體；

β：是Pb溶于Sn的固溶體。

線：AEB：液相線；AMENB：固相線；MF：Sn在Pb中的固溶度曲線；NG：Pb在Sn中的固溶度曲線；MEN水平線：共晶線。凡位于此線上的合金均發(fā)生共晶反應(yīng)：LE→TE→αM+βN（共晶組織）

這種：由固定成分的L中（在固定的溫度之下）同時結(jié)晶出兩種成分、結(jié)構(gòu)均不同的固相反應(yīng)，稱為共晶反應(yīng)。

成分位于M—E之間的合金稱為亞共晶合金。成分位于E—N之間的合金稱為過共晶合金。區(qū)：三個單相區(qū)：L、α、β三個兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β共晶鑄造的重要優(yōu)點：比純組元熔點低，簡化了熔化和鑄造的操作。共晶合金比純金屬有更好的流動性，其在凝固之中防止阻礙液體流動的枝晶的形成，從而改善鑄造性能。恒溫轉(zhuǎn)變減少了鑄造缺陷，比如偏聚和縮孔。共晶凝固可以獲得多種形態(tài)的顯微組織，尤其是規(guī)則排列的層狀獲桿狀共晶組織。共晶合金的平衡凝固1W（Sn）＜M點的合金w(Sn)=10%，凝固后的示意圖如圖所示。

室溫下，α和βⅡ的相對量，可用杠桿定律求出：wα

=4G/FG×100%wβ

=F4/FG×100%平衡時室溫下的組織：

成分在M和F點之間的合金，平衡凝固過程和上述合金相似，凝固至室溫時的平衡組織均為α+βⅡ，只是兩相的相對含量不同。而成分位于N和G點之間的合金，平衡凝固過程與上述合金基本相似，但是室溫下的組織為β

+

α

Ⅱ。2亞共晶凝固成分在ME兩點之間的合金稱為亞共晶合金，次成分的合金低于共晶成分而只有部分液相可以結(jié)晶成共晶體。亞共晶合金凝固示意圖如上圖所示。

室溫下合金的成分為：α初+(α

+β)+βⅡ3共晶凝固共晶合金凝固示意圖如圖所示：

w（Sn）=61.9%的合金為共晶合金，該合金從液態(tài)緩冷至183℃時，液相直接結(jié)晶出α

和β兩種固溶體，這一過程在恒溫下進(jìn)行，直至凝固結(jié)束。

在此溫度下α

和β的含量可有杠桿定律計算得出：wα

=EN/MN×100%wβ

=ME/MN×100%繼續(xù)冷卻時，共晶體中的α

和β相將各自沿著MF和NG溶解度曲線變化而改變其溶解度，從α

和β中析出αⅡ和βⅡ

。4過共晶凝固過共晶凝固示意圖如圖所示。合金成分位于E、N兩點之間的合金稱為過共晶合金。其凝固過程與亞共析合金相似，只是初生相是β固溶體而不是α

固溶體。室溫下，過共晶凝固的組織為：

β初+(α

+β)+αⅡ由以上分析可知：α、β、αⅡ、βⅡ、（α+β）在顯微組織中均能清楚地區(qū)分開，是組成顯微組織的獨立部分，稱為組織組成物。從相的本質(zhì)看，它們都是由α和β兩相組成，所以α、β兩相稱為合金的相組成物。共晶合金的非平衡凝固在實際生產(chǎn)條件下，V冷較快，原子擴(kuò)散過程不能充分進(jìn)行，使結(jié)晶后的組織與平衡組織有很大的差別。共晶合金的非平衡凝固示意圖：1偽共晶在非平衡凝固條件下，某些亞共晶獲過共晶成分的合金也能得到全部的共晶組織，這種有非共晶成分得到的共晶組織稱為偽共晶。

例如合金Ⅰ：平衡冷到室溫得α+(α+β)+βⅡ。快冷得偽共晶（α+β）。非平衡結(jié)晶時，合金過冷度較大，當(dāng)過冷至共晶溫度以下，則液相對α相的飽和極限沿AE延長線變化。而液相相對β相的飽和極限則沿BE延長線變化。（如亞共晶合金Ⅰ）

當(dāng)V冷較快時,合金冷至T1才開始結(jié)晶。此時，L中同時飽和著α、β，因此同時結(jié)晶，L全部轉(zhuǎn)變?yōu)椋é?β）共晶組織。

由共晶成分附近的非共晶成分的合金，經(jīng)快冷后得到全部的共晶組織，稱為偽共晶。影線區(qū)，稱為偽共晶區(qū)。

注：偽共晶的組織形態(tài)與共晶相同，但成分不同。2離異共晶先結(jié)晶相的量>>共晶組織的量，使共晶組織中與先結(jié)晶相相同的那一相，依附在先結(jié)晶相上生長，剩下的另一相則單獨在晶界處凝固，從而使共晶組織特征消失，這種兩相分離的共晶稱為離異共晶。離異共晶可以在平衡條件下獲得，也可在不平衡條件下獲得。如：

合金Ⅰ：緩冷得α+（α+β），α量>>(α+β)量，使（α+β）中的α依附在先結(jié)晶的α上生長，而β則存在于晶界處，產(chǎn)生了離異共晶。合金Ⅱ：快冷，使先結(jié)晶出的α成分偏離固相線，沿虛線變化。當(dāng)冷到2點時，還剩一部分液體，當(dāng)冷到共晶溫度以下時，剩余的L發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織。冷到3點以下時L消失。

此時，α量>>（α+β）量，（α+β）中的α依附在α上生長，β被推向晶界出凝固，產(chǎn)生了離異共晶。包晶相圖與其合金凝固包晶相圖以Pt-Ag合金包晶相圖為例，其相圖如圖所示。

兩組元液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限互溶，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元系相圖中，已結(jié)晶的固相與剩余液相反應(yīng)形成另一固相的恒溫轉(zhuǎn)變。點：A：Pt的熔點。B：Ag的熔點。P：包晶點。具有P點成分的合金為包晶合金。

線：ACB：液相線。ADPB：固相線。DE：Ag溶于Pt的固溶度曲線。PF：Pt溶于Ag的固溶度曲線。DPC：水平線，叫包晶線，在此線上的合金均發(fā)生包晶反應(yīng)：LC+αD=βP

區(qū)：三個單相區(qū)：L、α、βα：Ag溶于Pt中的固溶體。β：Pt溶于Ag中的固溶體。三個兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β。包晶合金的平衡凝固1包晶合金（合金I）合金Ⅰ自高溫向低溫凝固時，凝固步冷曲線和示意圖如圖所示。在開始進(jìn)行包晶反應(yīng)時的兩相相對量可有杠桿法則求出：wL=DP/DC×100%=57.3%wα

=PC/DC×100%=42.7%包晶反應(yīng)結(jié)束后，液相和α相反應(yīng)正好全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣鹿倘荏w。2亞包晶合金（合金III）該合金在包晶反應(yīng)前與上述凝固過程相似，包晶轉(zhuǎn)變前合金中α相的相對量大于包晶反應(yīng)所需的量，故在包晶反應(yīng)后，除了新形成的β相外，還有剩余的

α相存在。包晶溫度以下，α相析出β

Ⅱ，β

相析出

αⅡ，故室溫下平衡組織為：α+β

+

αⅡ+β

Ⅱ。合金III的凝固示意圖如上圖所示。3過包晶合金（合金II）合金Ⅱ緩冷至包晶轉(zhuǎn)變前的結(jié)晶過程與上述包晶成分合金相同，由于Ⅱ中的合金液相的相對含量大于包晶轉(zhuǎn)變所需的相對量，故包晶轉(zhuǎn)變完成后，剩余液相在繼續(xù)冷卻的過程中，將按照均晶轉(zhuǎn)變方式繼續(xù)結(jié)晶出β相，其成分沿著CB液相線變化，而β

相的成分沿著PB線變化，直至t3溫度全部凝固結(jié)束，相合金成分為元合金成