二元匀晶相图

格式：ppt
大小：359.00 KB
文档页数：10

下载文档原格式

二元匀晶相图

一、相图分析
1、相图的坐标
纵坐标是温度坐标，横坐标是成分坐标：左端线是表示100％的Cu，右端线表示 100％的Ni，从左至右Ni的含量增加(直至100％)、Cu 的含量减少(直至0％)。
2、相图中的线和区
相图中有二条曲线，将整个图形分成三个区域。
实用文档
2
上面一条曲线称为液相线(Liquid line)，液相线以上的区域称为液相区(Liquid-phase field)，温度高于液相线时合金的状
也称为杠杆定律。
实用文档
5
三、典型合金冷却过程分析
各种成分的Cu-Ni合金都属于匀晶合金。下面以Cu-53%Ni 合金为例，分别对合金结晶过程中液、固二相的成分变化规律，二相相对量的计算和微观组织的形成进行分析讨论。
1、液-固两相成分的变化
合金从液态开始缓慢冷却，当温度降低到液相线(1点)时，结晶开始。此
设合金的平均成分为x，合金
的总量为Q，在温度T1时液、固两相平衡，液相的成分为xL、质量为QL，固相的成分为xS、质量为QS。则有：
Q QxIQm LQ N LaQoSxgLeQSxS
实用文档
4
上式可变换为：
QL xS x QS x xL
还可以变换为：
或 Q L x x L Q S x S x
QL xS x Q xS xL 或 QS xL x Q xS xL
合金的平均成分点看作杠杆的支点o； T1温度水平线与液、固相线的交点a、 b为杠杆的两个端点；液、固两相的
质(重)量为作用在端点上的力。
为了计算简便，一般取合金总量Q =1。
因上述结果与物理学中的杠杆定律的表达式相似，所以这里
采用均匀化热处理(Homogenizing heat treatment)可以消除枝晶偏析。

材料科学基础-8-二元相图(2)

第二节二元相图
（一）匀晶相图
2、固溶体的平衡凝固
（3）固溶体的结晶规律
c.固溶体的凝固过程与纯金
属一样，也包括形核与长大
两个阶段
e. 平衡凝固得到的固溶体显
微组织和纯金属相同，除了
晶界外，晶粒之间和晶粒内
部的成分却是相同的。
d.合金结晶形核时需要能量
起伏和成分起伏
a. 固溶体的结晶与纯金属不同，它不在
（2）压力加工性：压力加工合金通常是相图上单相固溶体
成分范围内的单相合金或含有少量第二相的合金。
——单相固溶体合金切削加工性能
不够好，而具有两相组织的合金切
削加工性一般比较好。
（4）热处理性：
相图上无固态相变或固溶度变化的
合金不能进行热处理。
孔等缺陷。
——我国20世纪60年代开始研制Pt-Ag合金，但至今无法批量
稳定发展
——国内外通过添加Pd（钯）制成Pt-Pd-Ag三元合金，虽综合
性能不如Pt-Ag合金，但加工性能得以改善。
第二节二元相图
（三）包晶相图
2、包晶合金的凝固及其平衡组织
（1）ω (Ag)为42.4％的Pt-Ag合金（合金I）

′
% =
× %

第二节二元相图
1186℃
A
LP+αC ↔ βD
（三）包晶相图
f=2-3+1=0
包晶点
• 1、包晶相图
• 包晶转变：由一个固相与
液相作用生成另一个固相
的过程。
• 包晶相图：两组元在液态
无限互溶，固态下有限互
溶，并发生包晶反应的二
元系相图。
第二节二元相图
2、包晶合金的凝固及其平衡组织

材料科学基础4.3二元匀晶相图

4.4 匀晶相图
4.两平衡相的相对量
在T2温度下，合金x （成分O）由液相（成分L2）和固相（成分α2）组成，令合金重W0，液相重Wl ，固相重Wα,有：
W0＝ Wl + Wα 溶质含量为：
W0 × O ＝ Wl × L2 + Wα × α2 （Wl + Wα）× O ＝ Wl × L2 + Wα × α2 Wl （ O－ L2）＝ Wα （ α2 － O ）
Wl / Wα ＝（ α2 － O ）/ （ O－ L2）两平衡相的相对量与其在相图上平衡成分
线段长度成反比。
Wl / （W0 － Wl ）＝（α2 － O ）/ （ O－ L2）所以：
Wl / W0＝（ α2 － O ）/ （α2 － L2） Wα / W0＝ 1－ Wl / W0
＝（ O － L2）/ （α2 － L2）上式就是二元系中的杠杆定律，杠杆的支点是合金成分点，杠杆的两端点是两平衡相的平衡成分点。
4.4.3 固溶体的非平衡凝固
• 偏析－合金内部成分不均匀； • 晶内偏析－晶粒内部成分不均匀； • 枝晶偏析－树枝晶内的偏析； • 枝晶偏析对铸件影响很大，可在低于固相线
温度下进行均匀化退火或进行热轧、锻造降低枝晶偏析；
• 不平衡凝固偏离固相线、液相线，但液、固相界面仍然符合相图的平衡关系。

二元合金结构与相图

相结构与相图
相：合金中具有一样成分和一样构造〔聚集状态〕并以界面分开的、均匀的组成局部。固态金属一般是一个相，而合金那么可能是几个相。由于形成条件不同，各相可以不同的数量、形状、大小组合。在显微镜下观察，可以看到不同的组织。
固态合金的相可分成两类：
固溶体：假设相的晶体构造与某一组成元素的晶体构造一样，这种固相称为固溶体；
〔1〕置换固溶体
〔2〕间隙固溶体
〔3〕固溶体的溶解度
〔4〕固溶体的性能
相结构与相图
〔1〕置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位
置而形成的固溶体。形成条件：
溶剂与溶质原子尺寸相近。
溶质原子溶剂原子
置换固溶体
相结构与相图
〔2〕间隙固溶体
溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体。
形成条件：
L
垂线与相线的交点
做出冷却速度曲线
Ni
时间
相结构与相图
〔1〕单相区中，不管温度怎么变化单相的成份=合金的成份，单相的重量=合金的重量。
〔2〕两相区中的两个相随温度变化会发生两个变化： ①两个相的成分随温度变化分别沿各自的相线变化〔水平温度线〕 ②两个相的相对重量随温度变化也要发生变化〔杠杆定律〕
求合金Ⅰ在温度t3下两个相的相对重量
L
t3
QXQaQQLLXL 1 X0
Q
QL
QL
(
X0 XL
Xa Xa
) 1 0 0%
Q
( XL XL
X0 Xa
) 1 0 0%
A
Xa X0 XL B
QL X0 Xa Q XL X0
相结构与相图
例：求含Ni60%的Cu-Ni合金，冷却至温度

第四章4.1二元匀晶相图

4h
第二节二元匀晶相图
3 固溶体的不平衡结晶（1）原因:冷速快(假设液相成分均匀、固相成分不均匀)。（2）结晶过程特点：固相成分按平均成；组织多为树枝状。
第一节相图的基本知识
2 相图的表示与建立（1）状态与成分表示法状态表示：温度－成分坐标系。坐标系中的点－表象点。成分表示：质量分数或摩尔分数。
第一节相图的基本知识
2 相图的表示与建立（2）相图的建立方法：实验法和计算法。过程：配制合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－绘出曲线。相图结构(匀晶)：两点、两线、三区。
1 匀晶相同及其分析（1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。（2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。 (两组元在液态和固态都无限互溶)
（3）相图分析两点：纯组元的熔点；两线：L, S相线；三区：L, α, L+α。
第一节相图的基本知识
3 杠杆定律-相含量的计算工具（1）平衡相成分的确定（根据相律，若温度一定，则自由度为0，平衡相成分随之确定。）（2）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。（3）注意：只适用于两相区；三点(支点和端点)要选准。
第二节二元匀晶相图
第二节二元匀晶相图
4 稳态凝固时的溶质分布 (4) 区域熔炼（上述溶质分布规律的应用）
第二节二元匀晶相图
5 成分过冷及其对晶体生长形态的影响（1）成分过冷：由成分变化与实际温度分布共同决定的过冷。（2）形成：界面溶质浓度从高到低 →液相线温度从低到高。（图示：溶质分布曲线→ 匀晶相图→ 液相线温度分布曲线→ 实际温度分布曲线→ 成分过冷区。）
第二节二元匀晶相图
2 固溶体合金的平衡结晶（1）平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。（2）平衡结晶过程分析 ① 冷却曲线：温度－时间曲线；

合金相图

2．Cu-Ni合金的平衡结晶过程如b)图所示。 3．杠杆定理
不同条件下相的成分及其相对量可用杠杆定理求得。
1）确定两平衡相的成分
如图（a）所示，水平线与液相线L的交点 x1 即为相的成分。
2）确定两平衡相的相对量方法是：
① 设试验合金重量为1，液、固相重量分别为QL、QS ，则 QL+QS =1；
4.2 二元合金相图的基本类型和分析
一、二元匀晶相图
在液态和固态两组元都能无限互溶的相图称为均晶相图。二元合金系Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Fe-Ni、W-Mo等具有这类相图。 1．Cu-Ni相图分析
分析：
① 液相线—曲线Al1B ② 固相线—曲线Aa4B ③ 液相区—液相线以上的液相L区域 ④ 固相区—固相线以下的固a相区域 ⑤ 液相线与固相线之间为液、固两相区（L+a） ⑥ A为Cu的熔点（1083℃），B为Ni的熔点（1452℃）。
三、二元包晶相图
二组元在液态无限互溶，在固态有限固溶且发生包晶反应。如Fe-Fe3C合金（Fe3C----渗碳体）。 1．相图分析包晶相图组成如图所示。包晶反应过程如图所示。
2．合金结晶过程 Fe-Fe3C合金结晶过程如图所示。
四、形成稳定化合物的二元合金相图
分析： ① 稳定化合物指熔化前不分解的化合物。 ② 可将稳定化合物看作一个组元，从而把整个相图看成由若
“二元合金相图的基本类型和分析”部分结束！请转入：
“铁碳合金相图及应用”
100 %
或 QL x1 Qs x2
3）注意：杠杆定律只能用于两相平衡共存时计算。
4．成分偏析实际生产条件下为非平衡结晶，因此，先后结晶的部
分成分会不相同。 ① 枝晶偏析（晶内偏析）：先结晶的枝轴与后结晶的枝轴

匀晶相图ppt

距离
中期：
L相：界面层堆积非常严重－扩
散不够快，远端保持C0 S相：保持C0
后期：—— 终端瞬态区 L相：浓度较大--界面层扩散受阻 --浓度再次增加，且幅度很大 S 相：结晶出高浓度溶质
3．正常凝固溶质分布综合比较
浓度
C0
快速
中速
平衡缓慢
S/L 界面处溶质分布： k0 < 1
缓慢凝固： CS
浓度
S
L/S界面
k0C1
k0C2
S相：忽略扩散的作用 —— 溶质不混合 L相：搅拌、对流、扩散— 溶质完全混合
开始－中前期：
溶质原子富集在L相中 ——L相
L
较多—— L相浓度变化不大——
C1
S相浓度维持较低水平
距离中期－中后期：
C2
L相富集程度加大—— L相量减
少—— L相浓度增加—— S相中
不得不结晶出较多的溶质—— S
（2）固相扩散难度 > 液相扩散
α1 α'2 α2
L1
L'1
L2
α3
L'2
L3
α'3
α4
L'3
α'4
L'4
难度 —— 固相平均成分线偏离固相线程度 > 液相平均成分线偏离液相线程度
L4
（3）固相难扩散 —— 先后结晶
部分保持各自溶质浓度 ——
Ni
Cu
偏析 —— 影响性能 ——
（解决途径）均匀化退火
第二节二元匀晶相图
匀晶转变：
由液相直接结晶出单相固溶体的转变（相变）
匀晶相图：
体系只具有匀晶转变的
一、相图分析

第二节二元匀晶相图

合金相变时，伴随物理、化学性能的变化，可利用热分析法（或者热膨胀法、磁性测定法、金相法、电阻法和X射线结构分析法等）精确测定相变临界点（即临界温度），确定不同相存在的温度和成分区间，建立相图。
2. 具体步骤：
选组元，配合金系，熔化
标注在温度— 成分坐标中无限缓冷下测各合金的冷却曲线连接各相变点
+ L
即 Ma ×（C- Ca）=Mb× (Cb- C)
由此可知，两相的相对含量为： Ma/Mb =(Cb-C)/（C-Ca）若M=Ma+ Mb为已知量，那么，两相的绝对含量为： Ma=(Cb-C)（Ma+Mb）/（Cb-Ca） Mb=(C-Ca)（Ma+Mb）/（Cb-Ca）

Ca
40
Cb
C
1300 1200 1100 1000 900 800 0 20 40 60 80 100
+ L

加热温度范围
WCu(%)
Cu
Ni
将铸件加热到低于固相线100~200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩散，以达到成分均匀化。
非平衡结晶：合金结晶较快，原子的扩散来不及充分进行，结果使先结晶出来的固溶体和后结晶的固溶体成分不均匀。晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象。
后结晶出来的，含A元素少
先结晶出来的，含A元素多
富Cu
富Ni
Cu-Ni合金晶内偏析的组织
非平衡结晶
晶内偏析
1500 1400
L
塑性、韧性下降，易引起晶内腐蚀，热加工困难扩散退火
两线：液相线、固相线 1、相图分析三区：液相、液相+固相、固相
1500 1400

二元合金的相结构与结晶相图建立与匀晶相图2258103

上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律，其含义为合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
9

在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端
点是所求的两个平衡相的成分。
例（如图）
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
3
4
三、相律及杠杆定律
（一）相律及其应用
相律：表示平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。表达式：
F=C-P+2 （压力：不等） F=C-P+1 （压力：常数） C－组元数（component）； P－相数（phase）； F－自由度数（free）平衡系统的自由度数：平衡系统的独立、可变的因素数。（在保持合金系的相数不变的条件下，合金系中可改变的、影响合金状态的内部因素和外部因素的数目）（成分、温度、压力）
如 Cu-Ni，Fe-Cr, Au-Ag Cu-Ni合金相图
15
一、相图分析

两个点——Cu和Ni的熔点

两条线——上面是液相线，
下面是固相线。
L

三个区——液相区L ，
固相区，

+
L

固液共存的两相区（L+ ）。

16
二、固溶体合金的平衡结晶过程
平衡结晶——极缓慢的冷却条件下进行的结晶过程
§3-3 二元合金相图的建立
相图 (phase diagram) ：表示在平衡条件下合金的状态与温度、成分之间关系的图解，又称为平衡图或状态图。（工具）

二元合金相图的基本类型和分析

“二元合金相图的基本类型和分析”部分结束！请转入：
“铁碳合金相图及应用”
LE 183。C C B
⑤ 固溶线：CF线及DG线分别为α固溶体和β固溶体的固溶线。
2．合金的结晶过程及组织合金Ⅰ、合金Ⅱ、合金Ⅲ、合金Ⅳ的结晶过程及其组织如
图所示。
分析：
① 相组成
② 组织组成物
③ 属这类相图的合金还有Pb-Sn、Al-Si、AlSn、Al-Cu、Pb-Sb、 Ag-Cu等。
4）在两相平衡区，可应用杠杆定律求出各相的相对量。
2．相图的应用
① 相图反映了合金的成分与组成相之间的关系，而组成相的本质及其相对含量与合金力学性能、物理化学性能密切相关。
② 相图反映了合金的结晶特性。 ③ 在某种程度上可根据相图来判断合金力学性能、物理化学性能
及合金的铸造性能。如图所示。
④ 相图也是制定热处理和热变形工艺的重要依据。
干个简单相图所组成。
五、具有固态转变的二元合金相图
1．固态转变主要有：
① 固溶体的脱溶转变； ② 共析转变； ③ 包析转变； ④ 固溶体的同素异晶转变； ⑤ 有序—无序转变等。
2．固溶体的脱溶转变
固溶体因溶解度变化而发生的脱溶转变。如图所示。
3．共析转变
由图分析可知：
① 从固相中同时析出两种不同新相的反应称为共析反应。 ② 共析反应的产物为共析物。 ③ 由于共析反应在固态进行，所以共析组织比共晶组织要细
二、二元共晶相图
二组元在液态无限互溶，而在固态仅有限互溶且发生共晶反应。以Pb-Sn合金为例。
1．相图分析 ① 相及相区：有α、β、L三种相；由三个单相区、三个双相区组成相图。 ② AEB为液相线 , ACEDB为固相线。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

二元匀晶相图
二元匀晶(Isomorphous)相图是二元合金相图中图形最简单的相图。
具有匀晶相图的二元合金系统有Cu-Ni, Fe-Cr, Ag-Au, Nb-Ti, Cr-Mo, W-Mo等。
右图所示Cu-Ni相图是最常见的二元匀晶相图，以此相图为例进行讨论，其它匀晶相图与此类似。
一、相图分析
2、相的相对量计算
1300˚C时，液相的相对量QL/Q（可以取合金总量Q =1）：
QL 58 53 0.38 38% Q 58 45
固相的相对量QS /Q：
QS 53 45 0.62 62% Q 58 45
因为 QL + QS = Q，取Q =1
所以 QS =1-QL = 1-38% = 62%
金的总量为Q，在温度T1时液、固两相平衡，液相的成分为xL、质量为QL，固相的成分为xS、质量为QS。则有：
Q QL QS Q x QL xL QS xS
上式可变换为：
QL xS x QS x xL
还可以变换为：
或 QL x xL QS xS x
液相的成分沿液相线变化，固相的成分沿固相线变化。
动画
温度降低到1300℃时，液相成分为45%Ni, 固相成分为58%Ni。当温度降低到2点，即固相线温度时，液相的成分为L2，固相的成分为合金的平均成分(53%Ni)。此时液相实际上已经不存在了，都已结晶成为固相。
温度继续下降，一直冷却到室温，合金在固态没有任何转变发生。仔细观察动画。
采用均匀化热处理(Homogenizing heat treatment)可以消除枝晶偏析。
匀晶合金的非平衡组织
因此，能够形成匀晶合金系的两种组元必须具有相同的晶体结构，相同的原子价，原子半径接近(相差不超过15％)，相互不形成化合物。
二、杠杆定律
杠杆定律只适应于平衡相图的二相区。
二元合金在平衡状态下两相共存，如结晶时，可以利用杠杆定律(Lever rule)计算出某一温度下两相的相对量。
设合金的平均成分为x，合
下面的一条曲线是固相线(Solid line)，固相线以下的区域为固相区(Solid-phase field)，温度低于固相线时合金为固相(α)。
两条曲线之间的区域是液、固两相共存的二相区(L + α)。
3、匀晶相图的特点
二组元在液态和固态都能够完全相互溶解，所有成分(Ni: 0~100%)的合金在固态只有一种晶体结构，相图中只有一个固相区。
QL xS x Q xS xL 或 QS xL x Q xS xL
合金的平均成分点看作杠杆的支点o； T1温度水平线与液、固相线的交点a、 b为杠杆的两个端点；液、固两相的质(重)量为作用在端点上的力。
为了计算简便，一般取合金总量Q =1。因上述结果与物理学中的杠杆定律的表达式相似，所以这里也称为杠杆定律。
四、匀晶合金的非平衡结晶
匀晶合金在平衡条件下结晶，冷却速度极其缓慢，先后结晶的固相虽然成分不同，但是有足够的时间进行均匀化扩散。所以，室温下的组织是均匀的固溶体，在光学显微镜下观察，与纯金属十分相似。
匀晶合金平衡组织示意图
但是，在实际生产中合金的冷却速度很快，远远达不到平衡的条件。因此，固、液二相中的扩散来不及充分进行，先后结晶出来的固相中较大的成分差别被保留下来。这种成分差别的存在，还造成结晶时固相以树枝状形态生长。因此，这种成分上的不均匀性被称为“树枝状偏析”或枝晶偏析。
三、典型合金冷却过程分析
各种成分的Cu-Ni合金都属于匀晶合金。下面以Cu-53%Ni合金为例，分别对合金结晶过程中液、固二相的成分变化规律，二相相对量的计算和微观组织的形成进行分析讨论。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1、液-固两相成分的变化
合金从液态开始缓慢冷却，当温度降低到液相线(1点)时，结晶开始。此时结晶出来的极少量固相成分为S1，液相的成分基本未变。随着温度降低，固相逐渐增多，液相不断减少。
1、相图的坐标
纵坐标是温度坐标，横坐标是成分坐标：左端线是表示100％的Cu，右端线表示 100％的Ni，从左至右Ni的含量增加(直至100％)、Cu的含量减少(直至0％)。
2、相图中的线和区
相图中有二条曲线，将整个图形分成三个区域。
上面一条曲线称为液相线(Liquid line)，液相线以上的区域称为液相区(Liquid-phase field)，温度高于液相线时合金的状态为液相(L)；

二元匀晶相图

合集下载