二元合金相图与结晶

第三章二元相图及合金的凝固3-1 二元相图概论如前所述，合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金的组织与性能间的关系，必须了解合金的结晶过程，了解合金中各种组织的形成及变化规律。

状态图（state diagram）表明了合金系中合金的状态与温度、成分间的关系，表示合金系在平衡条件（即缓慢加热或冷却条件）下，不同温度、成分下的各相的关系，因此又称为平衡图（equilibrium diagram）、相图。

利用相图，我们可以了解不同成分的合金，在不同温度时的平衡条件下的状态，由哪些相组成，每个相的成分及相对含量等，还能了解合金在加热冷却过程中可能发生的转变。

因此，相图是进行微观分析，制定铸造、锻造、热处理工艺的重要依据。

在常压下，二元合金的相状态决定于温度与成分，因此二元合金相图可用温度—成分坐标系的平面图来表示。

一、相律相律是描述系统的组元数、相数和自由度间关系的法则。

相律有多种，其中最基本的是吉布斯(Gibbs)相律，其通式如下：f＝C一P十2式中，C为系统的组元数，P为平衡共存的相的数目，f为自由度，自由度是在平衡相数不变的前提下，给定系统中可以独立变化的、决定体系状态的(内部、外部)因素的数目。

自由度f不能为负值。

利用相律可以判断在—定条件下系统最多可能平衡共存的相数目。

从上式可以看出，当组元数C给定时，自由度f越小，平衡共存的相数便越多。

由于f不能为负值，其最小值为零。

取其最小值f＝0，从上式可以得出：P＝C十2若压力给定，应去掉一个自由度，上式可写为P＝C十1上式表明：在压力给定的情况下，系统中可能出现的最多平衡相数比组元数多1。

例如：一元系C＝1，P＝2，即最多可以两相平衡共存。

如纯金属结晶时，其温度固定不变，同时共存的平衡相为液相和固相。

二元系C＝2，P＝3，最多可以三相平衡共存；三元系C＝3，P＝4，最多可以四相平衡共存；依此类推，n元系，最多可以n十1相平衡共存。

应当注意，相律具有如下限制性：1）相律只适用于热力学平衡状态。

第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。

合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。

合金相图正是研究这些规律的有效工具。

一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。

其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。

组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。

由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。

二元以上的合金称多元合金。

合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。

合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。

利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。

掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。

在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。

本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。

2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。

液态物质为液相，固态物质为固相。

相与相之间的转变称为相变。

在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。

由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。

组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。

由不同组织构成的材料具有不同的性能。

Fe-Cr、Fe-Ni、Cr-Ni的二元合金相图在Fe-Cr二元合金中，当铬含量超过wcr12%时，奥氏体完全消失。

也就是说，在铬含量超过wcr12%后，合金将不会发生γ—α相变，因而也不会发生晶粒细化和强硬度的变化。

在整个合金范围内，铁素体都之间从液态中结晶出来。

当铬含量较高时，脆硬的σ相在约820℃从δ铁素体中开始析出。

σ相是wcr45%的Fe-Cr金属间化合物，会使金属发生脆化。

由于σ相是在晶界析出，消耗了大量的铬，使耐腐蚀性下降。

在低于600℃时α（δ）铁素体偏析形成低铬的α铁素体和高铬的α’铁素体，这就是不锈钢的475℃脆化。

图1-1 Fe-Ni二元合金相图，Fe-Cr与二元合金相图相反，镍是强奥氏体（γ）形成元素。

当镍含量达到wni5%以上时，从液态金属中就不再结晶为铁素体，而是形成γ奥氏体。

δ铁素体的形成被限制在图中左上角的一个很小的范围内，而冷却到1400 ~1500℃℃时，δ铁素体又准备为γ奥氏体。

这是一个包晶转变。

随镍含量的增加，γ—α转变的温度从900℃逐渐下降到350℃。

奥氏体组织很稳定，以至于快速冷却时，在很低的温度下，也不会发生γ—α转变，都会保持奥氏体组织。

所以，这种钢也不会发生晶粒细化和强硬度变化。

奥氏体不锈钢就是基于这个原理，Fe-Ni二元合金中也无脆性相析出。

由于奥氏体无磁性，很容易与铁素体区分开来。

用磁性法可以在奥氏体钢中检测出铁素体含量，也可以在铁素体钢中检测出奥氏体含量。

合金相图对于了解不锈钢、不锈钢焊缝及热影响区中金属的组织及各种性能有着至关重要的作用。

微信公众号：hcsteel用相图可以解释焊接过程中出现的许多现象，并可以作出某些预测。

当然，焊接过程的相与相图的绘制过程是不尽相同的。

前者不仅是在相当快速加热和快速冷却条件下的不平衡过程，而且化学成分分布也比较复杂多变，又是多元素合金；后者则是一种极其缓慢加热和缓慢冷却平衡过程，其化学成分分布也比较均匀。