第四章-二元合金相图

Pb WSn(%) Sn
G
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 L
19
t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应： L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
一、相律
在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。
二、二元匀晶相图的分析
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。 具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
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
确定各合金 的相变温度
确定相
如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。
Cu20% Cu60%Cu80% Cu Ni Cu40%
1600
1500
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
Ni
WCu(%)
Cu
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。
设A、B组元的熔点分别为1450℃和1080℃，它们 在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的 二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体 中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ， 通过 工艺可以减轻或消除这种现 象。
t 2


60
80
100
Ni
WCu(%)
Cu
时间
平衡结晶过程分析
四、质量分数计算
给定合金的成分，可计算不同温度下，此成分的合金 所形成不同的相的相对含量，即各相的质量分数计算。
引例：100ml的10%的NaCl水溶液和100ml的30%的 NaCl水溶液混合后浓度是多少？
100×10%+100×30%=C×200 C=20% 反过来考虑：把20%的NaCl水溶液分成浓度分别 为10%和 30%的两份，那么两份的体积分数是多 少？
已知A、B二元合金相图属于匀晶相图，A组元 的熔点为500℃，B组元的熔点为300℃，400℃时 液相L中B的质量分数为60%，固相α中B的质量分 数为40%。 (1) 画出该合金相图示意并标注各区域的相组 成物。 (2) 计算wB=50%的合金在400℃时液相和固相的 质量分数。
第二节 二元共晶相图
（Ⅰ）由相图可知，C点 存在L+α两相区
L a C b
+ L
Ca
40
Cb C
WCu(%)
60 80 100
Ni
Cu
（Ⅱ）做水平线，与固相 线和液相线分别交于a、b 点。剩余液相总处于即将 结晶的状态，即t℃的液 相线上的点的成分，即b 点成分Cb ，而刚结晶出来 的固相即t℃的固相线上 的a点的成分Ca。
Pb
WSn(%)
Sn
400
T 327.5 A
L
T/℃
L
L
Ⅱ
+
300
L+
t1
61.9
200

M
19
183 +
t2
E
t1

t2
L
t2'
+ + Ⅱ
100
+ Ⅱ
+
0 F 040
50
60
70
80
90 100
t/s
WSn(%)
50% Sn的亚共晶合金的结晶过程分析
概括起来，亚共晶合金平衡结晶过程为： t1温度以上： 液态 L50 L
19
t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应：L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
亚共晶组织（ 50% Sn 的Pb-Sn合金）
共晶()
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
WCu(%)
60 80 100
Ni
Cu
Ca Ma
C
Cb Mb
400
A 327. 300 5 L+
200

M
19
183
+
61.9

E
231. L+ 9 N 97.5 G
100
0
0F
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Pb
WSn(%)
6个区：L、、 100 L+、 L+、 Sn +
识别分析相图要领 基本反应，三种线，水平线是关键；
相区有一有二没有三，三相共存水平线；
V1×10%+V2×30%=20%×(V1+V2)
这种方法可推广到固相和固液混合相 如图：成分为C的Ni-Cu合金，缓冷到t℃时,根据相图分 析：（Ⅰ）此状态下存在哪几相？（Ⅱ）各相的成分如 何？（Ⅲ）各相的数量（绝对数量与相对数量）？
1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 0 20
（ Ⅲ ）利用引例的思路，问题转化为： 浓度为C的合金，分成浓度为Ca 、 1500 Cb两份，所以有: 1400 Ma×Ca+ Mb×Cb=C×(Ma+ Mb)
1300 1200 1100 1000 900 800 0 20
L c b a
+ L
即 Ma ×（C- Ca）=Mb× (Cb- C)
共晶组织（蛛网状）
（Cu-P）共晶组织（放射状）
（二）亚共晶和过共晶合金平衡结晶过程 及室温组织
亚共晶合金：以Pb-Sn相图为例，成分在M、E 之间的Pb-Sn合金。 过共晶合金: 成分在E 、N之间的Pb-Sn合金。
T
500
400
A
300
200
M
E
B N
100
0 0
G F
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
相
例如；图为45钢的平衡组织 按相组成为： Fe3C 按组织组成为： F+P
铁素体F
珠光体P（ +Fe3C）
3、共晶相图的一般特征
T
L
T
L L+B L+
L+A

A+B


+
L+

A
B%
B
A
B%
B
4、相图分析（以Pb-Sn相图为例 ）P52图3-11
500
T
L
1点：共晶点
4种线： 液相线 固相线 溶解度线 B 共晶转变线 共晶反应： L61.919 97.5
后结晶出来的，含A元素少
先结晶出来的，含A元素多
富Ni 相
富Cu 相
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
1300 1200 1100 1000 900 800 0 20 40 60 80 100
+ L
加热温度范围
1200
1200 1100
1000
1000 900

0 20 40 60 80 100
800
800
t
Cu-Ni合金相图的建立
WCu(%)
（二）二元匀晶相图分析
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 1300 1200 1100 1000 900 800 0 20 40 60 80 100
相 图
由 相 图 可
即表示在平衡条件下合金组织与成分、温度之间关
系的图形。合金相图又称合金平衡图或合金状态图
了解合金系中不同成分和温度下的相 的种类、相的成分及相的相对含量。
了解 了解合金在加热和冷却过程中的转变 并预测其性能的变化规律。 相
图
进行材料研究，金相分析，制定热、 的 铸、锻、焊等热加工工艺规范的重要依据 作用 和有效工具。
2、相与组织
组织 在金属或合金中， 合金的相组成及相 凡化学成分相同、晶体 的数量、形态、大小、 概 结构相同并与其它部分 分布特征。组织可以由 念 有界面分开的均匀组成 一种相组成，也可由多 部分。 种相组成。
例 气相、液相、固相。 子 铁碳合金中的相、 相、 相等。 检 X射线衍射分析 测 亚共晶组织、共晶组织 过共晶组织。铁碳合金 中的珠光体P、铁素体 F、奥氏体A等。 金相显微镜、电镜等
杠杆定律别小看，能定成分能把量来算。
二、平衡结晶过程及室温平衡组织 （一）共晶合金 500
1、共晶合金平衡结晶过程
400
T 327.5 A
300
Ⅰ
L
T/℃