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二元合金相图(很好很强大)


第四节 合金的结晶
本节要点:
1、掌握合金结晶的基本概念; 2、掌握几种基本的二元相图及其相变过程; 3、能够利用相图判定一定条件下的金属性能。

合金的结晶过程比纯金属复杂,常用相图进行分析。
相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程

的简明图解,又称状态图或平衡图。

合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制
的一系列不同成分的合金。
?

组元是指组成合金的最简 单、最基本、能够独立存 多数情况下组元是指组成 合金的元素。但对于既不
温度(℃)

L

在的物质。
?

?

发生分解、又不发生任何
反应的化合物也可看作组
Cu

元, 如Fe-C合金中的Fe3C。

成分(wt %Ni)

Ni

Cu-Ni合金相图

相图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,是制订熔炼、铸造、热加工及热
处理工艺的重要依据。

根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
三元相图
Fe-C二元相图

一、二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的,最常用的是 热分析法。

(1) 二元相图的建立
[以Cu-Ni合金(白铜)为例]

步骤:
1. 配制不同成分的合金,测出各合金的冷却曲线, 找出曲线上的临界点(停歇点或转折点和平台)

的温度值。
2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。

3. 将垂线上相同意义的点连接起来,并标上相应
的数字和字母。

相图中,结晶开始点的连线叫液相线。

结晶终了点的连线叫固相线。

⑵ 杠杆定律
处于两相区的合金,不仅由相图可知道两平衡相的 成分,还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。 ① 确定两平衡相的成分:设合金成分为x,过x做成 分垂线。在成分垂线相当 以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律 于温度t 的o点作水平线, 其与液固相线交点a、b所
t

对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
?
1

?

2

② 确定两平衡相的相对重量 设合金的重量为1,液相重量为QL,固相重量为Q?。 则 QL + Q? =1

QL x1 + Q? x2 =x
解方程组得:

x2 ? x QL ? x 2 ? x1 x ? x1 Qα ? x 2 ? x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。

因此两相的相对重量百分比为:

xx2 ob QL ? ? x1 x2 ab x1 x ao Q? ? ? x1 x2 ab
两相的重量比为:

上式与力学中的杠杆定律完全相似,因此称之为杠 杆定律。即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。 在杠杆定律中,杠杆的支点是合金的成分,杠杆的 端点是所求的两平衡相(或两组织组成物)的成分。

杠杆定律只适用于两相区。
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

二、二元相图的基本类型与分析
相图由两条线构成, 1、二元匀晶相图 上面是液相线,下 面是固相线。 两组元在液态和固 相图被两条线分为 态下均无限互溶时 三个相区,液相线 以上为液相区L , 所构成的相图称二 固相线以下为? 固 元匀晶相图。 溶体区,两条线之 间为两相共存的两 相区(L+ ? )。
Cu

L

液相线 ? +

L

固相线

?

成分(wt%Ni)

Ni

⑴ 合金的结晶过程
除纯组元外,其它成分合金结晶过程相似,以Ⅰ合金
为例说明。 随温度下降, 当液态金属自 固溶体重量增1 高温冷却到 t 加,液相重量 温度时,开始结 减少。同时,的 晶出成分为?1 液相成分沿液 固溶体,其Ni含 相线变化,固 量高于合金平均 相成分沿固相 成分。 线变化。
L

?

这种从液相中结晶出单一固相的 转变称为匀晶转变或匀晶反应。

成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3
时,最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体,此时 固溶体的成分又变 回到合金成分?3上

来。
液固相线不仅是相

区分界线,也是结晶
时两相的成分变化

线;匀晶转变是变
温转变。

(2) 枝晶偏析
合金的结晶只有在缓慢冷却 条件下才能得到成分均匀的 固溶体。但实际冷速较快, 结晶时固相中的原子来不及

扩散,使先结晶出的枝晶轴
含有较多的高熔点元素(如

Cu-Ni合金中的Ni), 后结晶
的枝晶间含有较多的低熔点 元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。

在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的
现象称作枝晶偏析。它不仅与冷速有关,而且与液

固相线的间距有关。
? ?

冷速越大,液固相线间距越大,枝晶偏析越严重。 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。 生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长 时间保温,以使原子充分扩散、成分均匀,消除 枝晶偏析,这种热处理工艺称作扩散退火。

Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织

平衡组织

枝晶偏析组织

2、二元共晶相图
当两组元在液态

下完全互溶,在
固态下有限互溶, 并发生共晶反应 时所构成的相图 称作共晶相图。
成分(wt%Sn)

以 Pb-Sn 相图为 例进行分析。

Pb

Sn

Pb-Sn合金相图

⑴ 相图分析 ③ 液固相线:液相线AEB, ⑤ 共晶线:水平线CED叫 做共晶线。 ① 相:相图中有L、?、? 固相线ACEDB。A、B分 在共晶线对应的温度下 Pb 三种相, ?是溶质Sn在 别为Pb、Sn的熔点。 (183 ℃),E点成分的 中的固溶体, ?是溶质 ④ 固溶线: 溶解度点的连线 合金同时结晶出C点成分 Pb在Sn中的固溶体。 称固溶线。相图中的CF、 的 ? 固溶体和D点成分的 ② 相区:相图中有三个单 DG线分别为 Sn在 Pb中 在一定温度下,由一定成 ?相区: L、?、?;三个 固溶体,形成这两个相 和 Pb在 Sn中的固溶线。 分的液相同时结晶出两个 的机械混合物: L+?、?+ 两相区: L+?、 成分和结构都不相同的新 固溶体的溶解度随温度降 ?;一个三相区:即水平 LE ?(?C + ?D) 固相的转变称作共晶转变 低而下降。 线CED。 或共晶反应。

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。
C A

L+?
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共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 液态合金冷却到E 点时, Pb和Sn同时达到饱和, 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。

共晶组织形态
针 状 共 晶
树 枝 状 共 晶 螺 旋 状 共 晶

放 射 状 共 晶

在共晶转变过程中,L、

?、 ? 三相共存, 三个相的
量在不断变化,但它们各 自成分是固定的。
C(19.2) E(61.9) D(97.5)

共晶组织中的相称共晶相。 共晶转变结束时,? 和 ?

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%

共晶结束后,随温度下降, ? 和? 的成分分别沿CF 线和DG线变化,并从共晶 ? 中析出?Ⅱ ,从共晶 ? 中析出?Ⅱ ,由于共晶组织细, ?Ⅱ与共晶?结合, ?Ⅱ与共晶? 结合,共晶合金的室温组织仍为 ( ?+? ) 共晶体。
室温下两相的相对重量百分比是多少?
Q? ? E' G FE' , Q? ? FG FG

Pb-Sn共晶合金组织

②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。

形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。

H

由? 析出的二次? 用?Ⅱ 表示。 随温度下降,? 和? 相的成分分别沿CF线和DG线变 化, ?Ⅱ的重量增加。

室温下?Ⅱ的相对重量百分比为:Q?Ⅱ

F4 ? ? 100% FG

由于二次相析 出温度较低, 一般十分细小

Q?

Q ?Ⅱ

Ⅰ合金室温组织为

? + ?Ⅱ 。

A B

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

③ 亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程
合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点,固相成 分变化到C点,液相成分变化到E点, 此时两相的相对 重量为: Q ( ? Q ) ? C 2 ? 100%, Q ? 2 E ? 100% L E ? CE CE

在2点,具有E点成分的剩余液体发生共晶反应: L ?(? + ?) ,转变为共晶组织,共晶体的重量与转 变前的液相重量相等, 即QE =QL C 2 ? 100%, Q? ? 2 E ? 100% ?
CE CE

反应结束后,在共晶温度下?、 ? 两相的相对重量百分 比为:
2D C2 Q? ? ? 100%, Q? ? ? 100% CD CD

温度继续下降,将从一次? 和共晶? 中析出?Ⅱ,从共 晶? 中析出?Ⅱ。其室温组

织为?Ⅰ+ (?+?) + ?Ⅱ。
亚共晶合金的 结晶过程

④ 过共晶合金结晶过程
与亚共晶合金相似,不同的是 一次相为 ? ,二次相为?Ⅱ 室温组织为?Ⅰ+(?+?)+?Ⅱ。

⑶ 组织组成物在相图上的标注
组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。

? Ⅰ 和 ? Ⅰ, ? Ⅱ 和 ?Ⅱ,共晶体
(?+?)都是组
织组成物。

相与相之间的
差别主要在 结构和成分 上。

组织组成物之间的差别主要在形态上。如?Ⅰ 、 ?Ⅱ和 共晶 ? 的结构成分相同,属同一个相,但它们的形 态不同,分属不同的组织组成物。

将组织组成物标注在相图中,可使所标注的组织与显
微镜下观察到的组织一致。

Pb-Sn亚共晶组织

组织组成 物在相图 上的标注

3、二元包晶相图
当两组元在液态下完全互溶,在固态下有限互溶, 并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。 以Pt-Ag相图为例简要分析 ⑴ 相图分析

单相区:L、?、β
二相区:L+?、 L+?、
?

L L+? L+? ? +?

? +?
三相区:L+?+? (水平

?

线PDC)

水平线PDC称包晶线,与该线成 在一定温度下,由 分对应的合金在该温度下发生 一个液相包着一个 包晶反应:LC+?P?β D 。该反 固相生成另一新固 相的反应称包晶转 应是液相L包着固相?, 新相 β 在L与α 的界面上形核,并 变或包晶反应。 向L和?两个方向长大。

⑵ 合金的结晶过程

① 包晶成分合金:匀晶?包晶?二次析出。
室温组织为β + ?II

② PD成分合金:匀晶?包晶?二次析出。 室温组织为? +βII+β + ?II

时间

③ DC成分合金:匀晶?包晶?匀晶?二次析出 室温组织为β +?II。

时间

4、具有共析反应的二元相图
共析反应(共析转变)是指在一定温度下,由一定成分

的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相
的过程。 共析转变也是固态 相变。 最常见的共析转变 是铁碳合金中的 珠 光 体 转 变 : ?S
S
P

? ?P+ Fe3C 。 (?—奥氏体,?—铁素体,Fe C—渗碳体) 3

共析相图与共晶相图相似,对应的有共析线(PSK线)、 共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合 金(共析成分合
铁碳合金相图

金)、亚共析合
金(共析线上共

析点以左的合
金)、过共析合 金(共析线上共 析点以右的合 金)。

共析反应的产物是共析体(铁碳合金中的共析体称珠 光体),也是两相的机械混合物(铁素体+渗碳体)。
?

与共晶反应不同 的是,共析反应 的母相是固相,

而不是液相。
?

另外,由于固态

转变过冷度大,
因而共析组织比

共晶组织细。

珠光体

5、二元相图的分析步骤
实际二元相图往往比较复杂,可按下列步骤进行分析。

⒈ 分清相图中包括哪些基本类型相图
⒉ 确定相区

⑴ 相区接触法则
相邻两个相区的相数差为1

⑵ 单相区的确定
① 液相线以上为液相区;
Fe- Fe3C相图

② 靠纯组元的封闭 区是以该组元为单 相固溶体区;
③相图中每一条水 平线必定与三个单 相区点接触。
Fe- Fe3C相图

⑶ 两相区的确定:两个单相区之间夹有一个两相
区,该两相区的相 由两相邻单相区的 相组成。 ⑷ 三相区的确定:二 元相图中的水平线 是三相区,其三个
Fe-Fe3C相图

相由与该三相区点
接触的三个单相区

的相组成。

常见三相等温水平线上的反应
反应名称 图形特征 反应式 L? ? + ? 说明 恒温下由一个液相同时 结晶出两个成分结构不 同的新固相。 恒温下由一个液相包着 一个固相生成另一个新 的固相。

共晶反应

包晶反应

L+ ? ? ?

共析反应

恒温下由一个固相同时 ? ? ? + ? 析出两个成分结构不同 的新固相。

⒊ 分析典型合金的结晶过程
⑴作出典型合金冷

却曲线示意图

二元合金冷却曲线
的特征是: ①在单相区和两相 区冷却曲线为一 斜线。

②由一个相区进入另一相区时, 冷却曲线出现拐点: a. 由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐; b. 由相数多的相 区进入相数少 的相区曲线向

左拐。
③ 发生三等温转

变时,冷却曲
线呈一水平台

阶。

⑵ 分析合金结晶过程 ① 画出组织转变示意图。 ② 计算各相、各 组织组成物相对 重量百分比:

a. 在单相区,合金
由单相组成,相

的成分、重量即
合金的成分、重

量。

b. 在两相区,两相的成分随 温度沿各自的相线变化, 各相和各组织组成物的相 对重量可由杠杆定律求出。

相1成分

?

合金成分

?

相2成分

?

相1 重量

相2 重量

合金成分为杠杆的支点,相
或组织组成物的成分为杠
组织1成分

杆的端点。
c. 在三相区,三个相成分固

?

合金成分

?

组织2成分

?

组织1 重量

定,重量不断变化,杠杆
定律不适用。

组织2 重量

6、相图与合金性能之间的关系
⑴ 相图与合金力学性能、物 理性能的关系 ①两相机械混合物的合金:性 能与合金成分呈直线关系,

是两相性能的算术平均值,
如:

?混= ???Q? + ?β?Qβ
HB混=HB? ?Q? +HBβ?Qβ

(Q? 、Qβ为两相相对重量)

② 单相固溶体的合金:
性能随成分呈曲线变化,

随溶质含量增加,σ、
HB、?增加,塑性下 降。 ③ 形成稳定化合物的合 金: 性能-成分曲线出现拐点。

⑵ 相图与铸造性能的关系 ①固溶体合金液固相线

间距越大、偏析倾向
大, 树枝晶发达, 流动

性降低, 补缩能力下
降, 分散缩孔增加。 ②共晶合金结晶温度低, 流动性好,缩孔集中, 偏析小, 铸造性能 好。

一个二元共晶反应如下: (1)WB =50%的合金完全凝固时初晶α与 共晶(α+β)的重量百分数,以及共晶体 中α相与β相的重量百分数; (2)若已知显微组织中β初晶与(α+β) 共晶各占一半,求该合金的成分。

本节重点:
1、二元相图的基本知识: 相图(概念及其建立); 2、几种基本的二元相图类型; 3、相图与合金性能的关系。


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