材料科學(xué)基礎(chǔ)-5-3 二元系相圖

§5-3二元系相圖二元系統(tǒng)有兩個(gè)組元，根據(jù)相律：F=C-P+2。對(duì)于凝聚（恒壓）系統(tǒng)：F=C-P+1，二元系統(tǒng)最大的自由度數(shù)目F=2，這兩個(gè)自由度就是溫度和成分。故二元凝聚系統(tǒng)的相圖，仍然可以采用二維的平面圖形來(lái)描述。即以溫度和任一組元濃度為坐標(biāo)軸的溫度-成分圖表示。狀態(tài)點(diǎn)溫度軸成分軸

一、二元系相圖的建立實(shí)驗(yàn)方法熱分析法金相組織法X射線分析法硬度法電阻法熱膨脹法磁性法計(jì)算法相圖熱力學(xué)計(jì)算熱分析法(ThermalAnalysis)：

Cu-Ni合金相圖無(wú)限緩冷下測(cè)各合金的冷卻曲線標(biāo)注在溫度—成分坐標(biāo)中連接各相變點(diǎn)選組元，配合金系，熔化確定各合金的相變溫度確定相區(qū)用熱分析法建立Cu-Ni相圖二、杠桿定律（LeverRule)杠桿定律的證明隨結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行，合金中各相的成分及其相對(duì)量都將發(fā)生變化。杠桿定律可解決相的成分和相對(duì)量的變化問(wèn)題。證明合金C在t1溫度時(shí)處于液、固兩相平衡狀態(tài)設(shè)合金C的總質(zhì)量為1，液相的成分為CL，重量為wL，固相成份為Cα，重量為wα，那么由以上兩式可以得出

杠桿定律杠桿定律解決某一成分的合金在某一溫度下的相組成。一垂線：成分線。一水平線：溫度線。三點(diǎn)：原始成分點(diǎn)：垂線與成分線的交點(diǎn)。兩個(gè)組成相成分點(diǎn)：水平線與相界線的交點(diǎn)。注意：只能計(jì)算雙相區(qū)的相組成。1.勻晶相圖（Isomorphoussystem)

由液相結(jié)晶出單相固溶體的過(guò)程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。

當(dāng)兩個(gè)組元化學(xué)性質(zhì)相近，晶體結(jié)構(gòu)相同，晶格常數(shù)相差不大時(shí)，它們不僅可以在液態(tài)或熔融態(tài)完全互溶，而且在固態(tài)也完全互溶，形成成分連續(xù)可變的固溶體，稱為無(wú)限固溶體或連續(xù)固溶體，它們形成的相圖即為勻晶相圖。三、二元系相圖的類型具有這類相圖的合金系主要有Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。（1）相圖分析2條線：

液相線固相線2個(gè)單相區(qū)：固相區(qū)α液相區(qū)L1個(gè)兩相區(qū)：L+αABWB%T液相線固相線αα+LL（2）平衡凝固1點(diǎn)以上液相1點(diǎn)開(kāi)始凝固，固體成分在對(duì)應(yīng)固相線處1－2之間，溫度下降，液體數(shù)量減少，固體數(shù)量增加，成分沿液相線和固相線變化，到2點(diǎn)，液體數(shù)量為0，固體成分回到合金原始成分，凝固完成2點(diǎn)以下固相冷卻，無(wú)組織變化合金C冷卻曲線及結(jié)晶過(guò)程示意圖Lt1t2L+ααABCLL→ααt時(shí)間B％（3）有極值的勻晶相圖a）具有極大點(diǎn)b）具有極小點(diǎn)Fe-Co、Co-Pb、Fe-Ni、Fe-V、Fe-W、Mn-Co、Mn-Ni、Pb-Ti、V-W、Ti-Zr等。TABLγL+γβγ+β（4）有晶型轉(zhuǎn)變的勻晶相圖如：Nd-Pr、Sc-ZrSc-Y、Hf-Ti、Ca-Sr一個(gè)液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)不同固相的過(guò)程稱為共晶轉(zhuǎn)變。兩組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，而在固態(tài)下互不相互溶或有限互溶，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的相圖，稱為二元共晶相圖。2.共晶相圖(EutecticPhaseDiagram)LA+BABL+AL+BwB%兩組元完全不溶（1）相圖分析Lαβα+βL+αL+β液相線液相線固溶線固溶線固相線固相線α：B原子溶入A基體中形成的固溶體β：A原子溶入B基體中形成的固溶體固溶線（固溶度曲線）：反映不同溫度時(shí)的溶解度變化。相區(qū)：3個(gè)單相區(qū)L,α,β3個(gè)兩相區(qū)L＋α，L+β,α+β1個(gè)三相區(qū)L+α+β(水平線CED)根據(jù)相律，三相平衡時(shí)：F=C-P+1=2-3+1=0此時(shí)三個(gè)平衡相的成分及反應(yīng)溫度都是確定的，在冷卻曲線中出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)。共晶線eutecticline——水平線CED共晶點(diǎn)eutecticpoint

——E共晶溫度eutectictemperature

——TE共晶反應(yīng)在一定溫度下，由一固定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)固定成分的固相的反應(yīng)，稱為共晶反應(yīng)。（2）平衡凝固及其組織Pb-Sn相圖①w(Sn）≤19％的合金Ⅰ室溫下相組成物

組織組成物相對(duì)量②共晶合金合金Ⅱw(Sn）＝61.9％室溫下相組成物:

組織組成物:hIj③亞共晶合金合金Ⅲw(Sn）＝50％從一個(gè)固溶體中析出另一個(gè)固相——脫溶。次生的固溶體以表示（）。2室溫下相組成物

組織組成物組織組成物相對(duì)量④過(guò)共晶合金合金Ⅳw(Sn）＝85％⑤合金成分w(Sn）>97.5％結(jié)晶過(guò)程與亞共晶合金類似。室溫平衡組織結(jié)晶過(guò)程與合金類Ⅰ類似。室溫平衡組織合金Ⅰ、合金Ⅱ（共晶合金）、合金Ⅲ（亞共晶合金）室溫平衡組織合金Ⅰ合金Ⅱ合金Ⅲ3.包晶相圖(PeritecticPhaseDiagram)包晶反應(yīng)在一定溫度下，由一固定成分的液相與一個(gè)固定成分的固相作用，生成另一個(gè)成分固相的反應(yīng)，稱為包晶反應(yīng)。根據(jù)相律包晶反應(yīng)時(shí)F=0此時(shí)三個(gè)平衡相的成分及反應(yīng)溫度都是確定的。（1）相圖分析液相線固相線固溶線（1）相圖分析TACTB-液相線TADPTB-固相線DF-α固溶體溶解度曲線PG-β固溶體溶解度曲線DPC（水平線）-包晶線P－包晶點(diǎn)相區(qū)：3個(gè)單相區(qū)L,α,β3個(gè)兩相區(qū)L＋α，L+β,α+β1個(gè)三相區(qū)L+α+β(水平線DPC)（2）平衡凝固及其組織①合金Ⅰ（包晶點(diǎn)成分合金）時(shí)間室溫平衡組織L

L→α

β→αⅡ一般β相是在α相上生核，形成一層β相的外殼，把α相包起來(lái)與L相隔絕，然后通過(guò)原子相兩邊擴(kuò)散，消耗α相和L相而長(zhǎng)大。當(dāng)溫度降到包晶點(diǎn)溫度TP時(shí)，計(jì)算包晶反應(yīng)前α相和液相L的相對(duì)含量，用杠桿定律可得，室溫平衡組織相對(duì)量理論上講液相L和α相同時(shí)消耗完畢，得到單一的β相晶體。發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)，β相的成分在P點(diǎn)，液相L和α相的成分分別在C、D，它們消耗的比例為對(duì)于包晶點(diǎn)成分合金，即將發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)，②合金Ⅱ（D～P間成分合金）合金Ⅱ的平衡結(jié)晶過(guò)程示意圖室溫平衡組織α相的量比包晶反應(yīng)時(shí)所需的量多，即（包晶轉(zhuǎn)變后α相有剩余）室溫平衡組織③合金Ⅲ（P～C間成分合金）合金Ⅲ的平衡結(jié)晶過(guò)程示意圖L相的量比包晶反應(yīng)時(shí)所需的量多，即（包晶轉(zhuǎn)變后L相有剩余）4.形成化合物的相圖相圖中間存在化合物，又稱中間相。根據(jù)化合物的穩(wěn)