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6.2.2二元相图-共晶

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相图(新)

相图(新)

图6-25 亚金属初晶16％Sb的 Pb-Sb合金初晶（100×）
2．共晶体的组织形态
共晶体的组织有多种形态。共晶体是两相混合物， 影响其组织形态的因素很多，其中最主要的是组成相的 基本性质。
2．合金(2)共晶合金的结晶过程
合金室温组织：(α+β) 组成相：α和β相
图6-19 共晶合金组织的形态
3. 合金(3)的结晶过程
合金室温组织：α+二次β+(α+β) 组成相：α、β
图6-21 亚共晶合金组织
3．合金(3)的结晶过程
合金的组成相为α 和β ，它们的相对质量为：
ω ( ) ω ( ) x3 g 100% fg fx3 100% fg
图6-1 Cu-Ni合金相图
6.3.2 平衡结晶过程分析
b点合金结晶过程： 1点以上:液相L 1-2: L 2点:全部结晶为α 2-3:α 降温 其他成分合金的结晶 过程与其类似。
图6-4 匀晶相图合金的结晶过程
匀晶结晶的特点:
（1）固溶体结晶也包括生核与长大过 程。形态主要是胞状晶和树枝晶 , 而且更趋于呈树枝状。 （2）固溶体结晶在一个温度区间内进 行，即为一个变温结晶过程。 （3）在两相区，温度一定时，相的成 分是确定的，两相的质量也是一 定的。随着温度的下降，液相成 分沿液相线变化，固相成分沿固 相线变化 , 两相的质量也发生相 应变化。
图6-5 固溶体的组织形态示意图
6.3.3 非平衡结晶过程分析
在实际生产中，冷却较快，不能保持平衡状态，扩散过程来不及进 行，使结晶过程偏离平衡状态。
非平衡结晶的特点:
（ 1 ）固相平均成分线和液 相平均成分线将偏离平 衡相图中的液相线和固 相线。 （ 2 ）先结晶的部分总是富 含高熔点组元（ Ni ） , 后结晶的部分富含低熔 点组元（Cu）。 （ 3 ）非平衡结晶总是导致 结晶结束温度低于平衡 结晶时的结束温度。

第六章二元相图

第六章二元相图
当 > 0，即eAB > (eAA+eBB)/2时，意味着A-B对结合不稳定，A、B组元 趋向于形成偏聚，此时ΔHm > 0时，为具有吸热效应的固溶反应
2、多相平衡的公切线原理

若G = mAxA+ mBxB，且mi与i 组元含量有关，则可导出：在任意一相的 G - x曲线上，每一点的切线，其两端分别与纵坐标相截，与每一组元的 截距表示该组元在固溶体成分为切点成分时的化学势
说明：
冷却速度越慢，越接近平衡条件，测量结果越准确 纯金属在恒温下结晶，冷却曲线应有一段水平线
其它测定相图的方法：
热膨胀法：利用材料在发生转变时伴随有体积变化的特性，通
过测量试样长度随温度的变化得到临界点，从而作出相图
电阻法：利用材料电阻率随温度的变化来建立相图的 这两种方法适用于测定材料在固态下发生的转变
自由能 ~ 成分关系
（假设A、B组元原子半径相同，晶体结构相同，且无限互溶，则两组元混合前后体积不变； 只考虑最近邻原子间的键能；只考虑两组元不同排列方式的混合熵，不考虑振动熵） xA、xB — A、B组元的摩尔分数，
— 相互作用参数， N A z e AB
x A xB 1
i n i T , P ,r
G
（代表体系内物质传输的驱动力； 等温、等压及其它组元数量不变 的情况下，每增加单位摩尔i 组 元，体系自由能的变化）
组元i 的化学势： （偏摩尔自由能）
ji
如果某组元在各相中的化学势相同，就没有物质的传输，体系处于平衡状态
若体系包含有a，b，……相，对每个相自由能的微分式可写成：
材料组成的层次
组元
加一点盐 完全溶解

工程材料基础-6. 相图

工程材料基础-6. 相图

相律应用的不同情况
相律：f=C-P+1 对二元系，C=2,则f=3-P，可知:
P=3, f=0，平衡相最多为3； P=3，f=0, 温度、相成分一定； P=2，f=1, 温度或相的成分可变，但只有 一个独立变量； P=1，f=2，温度和相成分均可独立改变。
6.2.2 杠杆定理
杠杆定理是分析相图的重要工 具，可用来确定两相平衡时的两平 衡相成分和相对量,也可确定最后形 成的组织中两相的相对量以及组织 的相对量。
6.5.1 相图分析
1.相区有液相L、α 相和β 相三个 单相区，两单相区之间为相应 的两相区。 2.相界线有液相线adb固相线aceb， 固溶线cf、eg和包晶反应水平 线ced。与水平线对应成分的合 金，冷却时在水平线温度 （1186℃）发生包晶反应： 图6-23 Pt-Ag合金相图 3.根据相律,三相反应自由度为零， 温度恒定，三相成分一定。
图6-22 Cu4％-Al合金 中的离异共晶组织
3. 非平衡共晶
成份点位于共晶转变线两端点之外， 且又靠近端点的合金，在平衡结晶时无共 晶转变发生，但在非平衡结晶条件下，也 能发生共晶转变得到少量共晶体，称这种 共晶组织为非平衡共晶。
6.5 二元包晶相图
二组元在液态无限溶解，固态下有 限溶解，发生包晶反应的相图称为二元 包晶相图。包晶反应是一个液相与一个 固相相互作用，生成一个新的固相的过 程 。 Cu-Sn,Cu-Zn,Ag-Sn,Pt-Ag, CdHg,Sn-Sb 等二元合金系都具有此类相图。 下面以Pt-Ag合金相图为例进行分析。
图6-19 共晶系合金的不平衡凝固
图6-20 Al-Si合金系的伪共晶区
四种伪共晶区
图6-21 四种伪共晶区
2. 离异共晶

材料科学基础-6二元相图

材料科学基础-6二元相图

2
Ω=0，＞0，G-x曲线也有一最小值；
Ω＞0， G-x曲线也有2个最小值，拐点内＜0。
6.3.2 多相平衡的公切线原理
6.3.3 混合物的自由能和杠杆法则
6.3.4 从自由能—成分曲线推测相图
6.3.5 二元相图的几何规律
★相图中所有的相界线代表相变的温度和平衡相 成分，即平衡相成分沿着相界线随温度变化而变 化； ★两单相区之间必定有这两相的两相区－相区接 触法则； ★二元相图的三相平衡区为一水平线，其与三个 单相区的交点确定平衡相的浓度； ★两相区与单相区的分界线与三相等温线相交， 分界线的延长线进入另一两相区。
（1）单相区：3个， L、 α 、β （2）两相区： 3个， L+α 、L+β 、α +β 相区：1个， L+α+β （3）三
5.与匀晶和共晶相图的区别
（1）相同处
PDC线以上区域； PDC线以下、DF以右区域的
分析方法以及结晶过程与匀晶相同；
BPDF以内区域，与共晶线MEN线以下区域相同，
按照固ห้องสมุดไป่ตู้度线分析。 （2）不同处 包晶线PDC及包晶反应：L+α→β
6.10 铁碳合金相图 6.11 二元合金的凝固理论
第6章 二元合金相图及合金凝固
由一种元素或化合物构成的晶体称为单组元晶体或纯晶体，
该体系称为单元系。两个组元的为二元系，n个组元都是独立
的体系称为n元系。对于纯晶体材料而言，随着温度和压力的 变化，材料的组成相会发生变化。
从一种相到另一种相的转变称为相变。由不同固相之间的
2.非平衡共晶组织
a
非平衡共晶组织（成分位于a点稍左）一般分布在初晶α 的相界上，或者在枝晶间。可以通过扩散退火来消除，最终得

二元共晶相图ppt课件

二元共晶相图ppt课件
• 如Al-Si系共晶的
• 两相参差不齐，
• Si相成长时各向
• 异性，产生分枝。
；.
29
• 4.3.3.3 平滑-平滑界面(非金属-非金属型)共 晶：这类共晶体中的两相都是平滑界面。 因为这类材料目前应用较少，研究也就很 少。有人认为其显微组织很不规则。
；.
30
• 4.3.4 共晶系合金的非平衡凝固和组织
21
• 4.3.3 共晶组织及形成机理
• 共晶组织的基本特征是两相交替排列。呈 片状，针状，螺旋状和球状等。把共晶体 的形貌和两相的融化熵结合分析，可将共 晶组织分为三类：粗糙-粗糙界面(金属-金 属型)共晶；粗糙-平滑界面(金属-非金属型) 共晶；平滑-平滑界面(非金属-非金属型)共 晶。
；.
22
；.
1
• 我们以Pb-Sn相图为例讨论二元相图。
；.
2
• 图中有三个单相区：L；α；β。三个两相区： L+α；L+β；α+β。一个三相区(线段MEN)： L+α+β。
• 共晶转变指具有E点成分的液相，当冷却至 温度tE时，将同时结晶出两个成分不同的固 相：M点成分的α相和N点成分的β相。其共 晶反应式为：
；.
11
• 共晶转变完成后继续冷却时，共晶体中的α
与β相都要发生脱熔转变，分别析出 αⅡ。
βⅡ和
• 由于共晶体中的次生相常依附于共晶体中
的同类相析出，所以在显微镜下难以识别。
Pb-Sn二元共晶合金在室温下
• 的组织见图4-18，黑
• 色部分为α相，白色
• 部分为β相，两相呈
• 片状交替分布。
；.
12
• 因此同时对α和β饱 • 和，发生共转变， • 形成伪共晶。因为 • 过冷度有限，所以 • 伪共晶区域不大。

第7.2.2章 二元相图-共晶(2学时)

第7.2.2章 二元相图-共晶(2学时)

——匀晶相变
（1）Wsn<2％（室温下α相的平衡浓度）的合金
2 合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）
凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。
L
匀晶转变
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
① 离异共晶：两相分离的共晶组织。 ② 形成原因 平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。 不平衡条件下，包括成分位于共晶线上两端点的两侧。 ③ 消除：扩散退火。
思考题
• 简单总结伪共晶、不平衡共晶和离异共晶的特点。 • 伪共晶——靠近共晶点附近的合金得到了全部共晶组织； • 离异共晶——共晶组织没有显示出共晶的特征； • 不平衡共晶——在不应该出现共晶的合金里出现了共晶组 织。
相变过程
因为腐蚀速度不同，显示出不同颜色。 综合判断：根据相变过程判断相的形态，根据相图（杠杆定律）判断相对含 量，根据相图和腐蚀速度判断相的成分。 黑色基体：富Pb α固溶体（ Pb 为溶剂，Sn为溶质） 晶界和晶内：二次析出相βⅡ（Sn为溶剂，Pb为溶质）
（3）共晶合金 ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋β）＋αⅡ＋βⅡ及其相对量计算。
次生相（二次析出相）αⅡ，βⅡ常与初生的同类相混合在一起（显微镜下无法分辨）
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二元合金与相图.ppt讲解

A B
共晶反应的产物，即两 相的机械混合物称共晶 体或共晶组织。发生共 晶反应的温度称共晶温 度。代表共晶温度和共
晶成分的点称共晶点。
Pb原子 扩散 Sn原子 扩散

Pb-Sn共晶组织 共晶体长大示意图
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡 成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共 晶点以右的合 金称过共晶合 金。

A
L+பைடு நூலகம்
C D
B
凡具有共晶线
成分的合金液
体冷却到共晶
温度时都将发
生共晶反应。
⑵ 合金的结晶过程 ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种 直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
.2
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开 始析出（相变过程也称析出）新相— 相。由已有固相析出的 新固相称二次相或次生相,由 析出的二次 用Ⅱ 表示。。

成分大于 D点合金结晶 过程与Ⅰ合金相似，室 温组织为 + Ⅱ 。
C
E
D
F
G
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程
液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共
晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’
19.2
wt%Sn
析出过程中两相相间形核、互相促进、共 同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、 点球等形状。
C(19.2) E(61.9) D(97.5)
相的相对重量百分比为：
Q Q ED 97.5 61.9 100% 100% 45.4% CD 97.5 19.2 100% Q 54.6%

23.二元合金共晶相图及结晶

A
C L
析出的βⅡ 附着在相邻的β上，看不出形貌改变 同理，β沿着DG变化析出αⅡ β相 析出的αⅡ 也附着在相 邻的α上， 看不出形貌 改变 α β α β α β 这种变化以 后不分析
9
α
T/℃
B
8.8
E
28.5
D
92
β
α α相β
F
Ag
G
Cu
W Cu%
2015-6-14 柏振海 baizhai@
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
二元合金共晶相图及结晶
过共晶x2合金（ hypoeutectic alloy ） 凝固过程
参照亚共晶 合金X3即可
树枝状初晶β，黑色 次晶αⅡ ，白色
α
T
β
β
α
Ag
W Cu%
X2
Cu
层片状共晶（α+β），黑白色
先析出初晶β 初晶β析出量随温度下降越来越多 析出初晶后的液相成分沿着液相线变化 析出的初晶β成分沿着固相线变化 初晶β成分沿固溶度线变化，从初晶β中析出次晶αⅡ 共晶成分的熔体在共晶温度析出共晶体（α+β）
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
二元合金共晶相图及结晶
合金x2凝固过程过程的杠杆定律
过共晶合金凝固完毕后相与组织 刚凝固完毕 相组成为α＋β
β相成分在D点 α相成分在C点
%
α
T
2 C E 3 D
β
2D 100 % CD
%
C2 100 % CD
此时组织组成为β初晶＋（α＋β）共晶 β初晶成分在D点 （α＋β）共晶成分在E点
各种典型Pb－Sn合金的冷却曲线

二元共晶相图

17
第三节 二元共晶相图及合金凝固
离异共晶 ① 离异共晶：两相分离的共晶组织。 ② 形成原因
平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。 不平衡条件下，成分位于共晶线外两端点附近 ③ 消除：扩散退火。
2h
18
第三节 二元共晶相图及合金凝固
4 共晶组织的形成 （2）共晶体的形态
19
(4)X4合金结晶过程分析
（过共晶合金）
T,C
183
Pb
T,C
L
L+
L+
M
E
N
1 L L+(+ )+ 2 L+ (+ )+ 43; Ⅱ
X3
Sn
t
标注了组织组成物的相图
组织组成物与组织图
一般将显微组织中能清晰分辨的独立组成部分，称为组织
组成物。组织组成物可以是单相（如相、II相），也可 以是多相（如共晶组织+）。
L
L+
L+
M E N
生不同程度上的 共晶反应。
+
共晶点 表示E点成分的合
无论Pb 从何处开始,
Sn 金冷却到此温度
+ 体系点达到L共E晶线M N
上发生完全的共 晶转变。
液相组成达到E点
共晶反应要点
• 共晶转变在恒温下进行。 • 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 • 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 • 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
L
L+
L+
共晶线 固溶线
+
固溶线
1P）b 点：纯组元熔点；最大溶S解n 度点；共晶点 （是亚共晶、Sn%过共晶合金成分分界点）等。

第6章 二元合金相图


3.2.3 固溶体合金的结晶与纯金属结晶的异同
(1) 相同点 ✓ 基本过程相同：形核－长大； ✓ 热力学条件相同：⊿T>0，存在过冷度；（目的何在？） ✓ 能量条件相同：能量起伏；（作用何在？） ✓ 结构条件相同：结构起伏。（作用何在？）
(2) 不同点 ✓ 纯金属有固定的熔点，恒温结晶，合金在一个温度范围内 结晶； ✓ 固溶体合金的平衡结晶存在溶质原子重新分配和均匀化； ✓ 合金结晶是异分结晶，需成分起伏。
C
%
ED CD
97.5 61.9 97.5 19.2
45.5%
D %
CE CD
61.9 97.5
19.2 19.2
54.5%
4.2.3 亚共晶合金的ห้องสมุดไป่ตู้衡结晶
II 1 E 2
3
亚共晶合金: 成分在共晶点E以左、C点以右(即Sn: 19.2 ~ 61.9%)的合金称 为亚共晶合金。亚共晶合金发生共晶转变之前，先进行匀晶 转变(L→α), 匀晶转变剩余的液相再进行共晶转变。
二元系相图简介
二元相图仅考虑体系在成分、温度两个变量下的热力学 平衡状态，表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度 变化的规律。
二元相图是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重 要依据，是研究相与温度、成分之间关系的有力工具
二元相图中的成分可用质量分数和摩尔分数表示
质量分数（重量百分数）wt.% 摩尔分数（原子百分数）at.%
① 杠杆定律只能在平衡状态下使用。 ② 杠杆定律只适用于相图中的两相区。 ③ 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，
支点为合金的成分点。
第3节 二元匀晶相图
3.1 相图分析
两组元在液态和固态下均 无限互溶时所构成的相图称二 元匀晶相图。
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初 %
61.9 50 50 19 27.7%, （ ） % 72.3% 61.9 19 61.9 19
L L多
匀晶转变
脱溶转变
( )
共晶转变
II ( )
图 70%Sn-Pb 合金显微组织
（5）组织组成物与组织图
• 共晶合金的显微组织是由α和β两相组成，所以它的相组
成物为α和β两相。 • 相组成物是指组成合金显微组织的基本相。 • 组织组成物是指合金在结晶过程中，形成的具有特定形态 特征,可以清晰分辨的独立组成部分。
α
19
61.9
β 97.5
97.5 61.9 M % 100% 45.4% 97.5 19
（4）亚共晶合金与过共晶合金
① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。 ③ 室温组织（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相对量计算。
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(3)离异共晶
• 当合金中初生固溶体的数量 很多而共晶量很少时，共晶 体中与初生固溶体相同的一 相，往往依附在初生固溶体 上生长，而把另一相推向最 后凝固的晶界处，因此这种 共晶体失去了共晶组织的形
图 可能产生离异共晶示意图
态特征，看上去好象两相被
分离开来，所以称为离异共 晶。
① 离异共晶：两相分离的共晶组织。
共晶转变
II II
3 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
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③ 室温组织（α＋β＋αⅡ＋βⅡ）及其相对量计算。
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L ( )
② 形成原因 平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。 不平衡条件下，成分位于共晶线外两端点附。 ③ 消除：扩散退火。
思考题
• 简单总结伪共晶、不平衡共晶和离异共晶的特点。
• 伪共晶——靠近共晶点附近的合金得到了全部共晶组织；
• 离异共晶——共晶组织没有显示出共晶的特征； • 不平衡共晶——在不应该出现共晶的合金里出现了共晶组 织。
图 四种伪共晶区
（2）不平衡共晶体 • 合金II在不平衡凝固时，由于固相线偏离平衡位置，冷到 共晶温度以下，还有少量液相残留，最后这些液相转变为
共晶体，形成不平衡共晶组织。
① 不平衡共晶：位于共晶线以外成分的合金发生共晶反应而形成的组织。 ②原因：不平衡结晶。成分位于共晶线以外端点附件。
图 共晶系合金的不平衡凝固
（1）Wsn<2％的合金
2 合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）
凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。
L
匀晶转变
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6.2.2 二元共晶相图及合金凝固
共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。
共晶相图：具有共晶转变特征的相图（液态无限互溶、固态有限互溶或完
全不溶，且发生共晶反应。) 共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）
L
共晶转变动画
1 相图分析（相图三要素）
（1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共 晶、过共晶合金成分分界点）等。 （2）线：结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。 （3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。
组织组成物：组成材料的中各个不同本质和形态的部分。 组织图：用组织组成物填写的相图。 组织组成物相对量的计算：杠杆定律。
图 铅锡合金组织分区图
3 不平衡结晶及其组织
• (1)伪共晶 • 在非平衡凝固条件下，成分接近共晶成分的亚共晶或过共晶
合金，凝固后组织却可以全部是共晶体,称为伪共晶。
• 伪共晶的组织形态与共晶相同，但成分不同。 • 两组元熔点大致相同的，一般出现对称的伪共晶区；两组元 相差悬殊，伪共晶区偏向高熔点组元。
（2）2％<Wsn<19％的合金
① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。
② 二次相（次生相）的生成：脱溶转变（二次析出或二次结晶）。
③ 室温组织（α＋βⅡ）及其相对量计算。
L II
匀晶转变 脱溶转变
图 10%Sn-Pb 合金显微组织
（3）共晶合金 ① 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。 ② 共晶线上两相的相对量计算。
L 匀晶转变 L多
脱溶转变 II ( )
( )
共晶转变
相的相对量：
图 50%Sn-Pb 合金显微组织
97.5 50 50 19 % 60%, % 40% 97.5 19 97.5 19
组织的相对量：