2.2-二元相图的基本类型

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。

二元系统相图的基本类型相图中用途最大，研究得最多的就是二元相图。

某些多元复杂体系，在一定程度上也可以简化成“赝二元体系”来处理，因此我们在这里对二元体系做一个简单介绍。

相图中有点、线、面，他们分别有如下含义：①点：表示平衡相中某相的“温度”与“成分”，亦称相点。

如：同成分点、临界点、共晶点、包晶点；②线：相转变时温度与“平衡相成分”的关系。

如：固相线、液相线、固溶度线、汇溶线、水平反应线；③面：相型相同的一种状态区域。

如：单相区、两相区、三相区；二元相图中的几何规律：①在二元系相图中，除点接触外相邻相区的相数差永远是“1”（相区接触法则）；②在三相点处的相线曲率，必须使其延长线所表示的亚稳相位于其他两条平衡相线之间，而不是任意的（曲率原则）；③三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点（如何分析这3点很重要！）；④若两个三相区中有2个相同相，则两条水平线间必是由这两相组成的两相区；相图的四个普适定律：=-+①相律：对于一个达到相平衡的系统而言，定有：F C P n②杠杆定理：计算两相区内平衡存在的两个相的相对质量。

③相平衡定律：体系中各相的数量并不影响这些相的平衡组成和性质。

④质量作用定律：单位时间从相（1）转化到相（2）的分子数应当与该组分在相（1）中的有效浓度成正比；反向转化的分子数应当与它在相（2）中的有效浓度成正比。

对于相律的几个注意点：①相律推导的条件是平衡状态，故相律是各种相平衡体系都必须遵守的规律；②相律是热力学推论，有普适性和局限性；③相律只表示体系中组分和相的数目，不能指明组分和相的类型、结构、含量以及之间的函数关系等；如相律可以告诉我们在某一平衡条件下，指定系统中有几个相（只是一个数值），却不能指出是哪些具体的物相，这些物相究竟是什么只能用实验去测得；④自由度的值不得小于零；⑤不能预告反应动力学（即反应速度）二元系统是含有二个组元（C=2）的系统，如CaO-SiO2，Na2O-SiO2系统等。

§4-2二元相图的基本类型与分析一、匀晶相图匀晶相图：组元在液态、固态均能无限互溶所形成的相图。

例如：Cu-Ni Fe-Cr W-Mo相图。

1、点、线、区的意义2、合金K的结晶过程1点以上, 合金为液相L。

1-2之间, 合金发生匀晶反应:L→α,2点以下, 合金全部结晶为α固溶体最终室温组织：单相 固溶体。

3、枝晶偏析固溶体结晶时如果冷却较快, 原子扩散不能充分进行。

先结晶的树枝晶轴含高熔点组元较多, 后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元较多。

结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均。

这种现象称为枝晶偏析。

枝晶偏析对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。

生产上为了消除其影响，常把合金加热到高温(低于固相线100℃左右), 并进行长时间保温, 使原子充分扩散,获得成分均匀的固溶体, 这种处理称为扩散退火。

二、共晶相图共晶相图：两组元在液态下无限溶解，在固态下不能无限溶解，并有共晶转变的相图。

例如：Al-Si Al-Sn Pb-Bi等相图分析：相：α相：Sn溶于Pb中的有限固溶体。

β相：Pb溶于Sn中的有限固溶体。

主要点、线的含义：d点：共晶点cde水平线:共晶反应线cf线:Sn在Pb中的溶解度线(或α相的固溶线)。

合金从高温冷却时,碰到此线，从α相中析出β相。

从固态α相中析出的β相称为β。

IIeg线: Pb在Sn中溶解度线(或β相的固溶线)。

合金从高温冷相。

却时,碰到此线,从β中析出αII1、平衡结晶过程①成分在fc’之间的合金I的平衡结晶过程1点以上：合金为液相L1-2之间：合金发生匀晶反应: L →α,2-3之间：合金全部结晶为α固溶体3点以下：由于Sn 在α中的溶解度沿cf 线降低, 从α中析出βII合金室温组织： α+βII②成分为e 点的合金II 的平衡结晶过程合金冷却到1点温度（T d ）：共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。

共晶反应条件（d 点的含义）：温度T d = 183℃ 共晶温度液体成分Sn ﹪ = 61.9﹪ 共晶成分共晶反应产物：（αc + βe ）为共晶体；是两相混合物。