第七章 二元系相圖和合金的凝固

第七章二元系相圖與合金的凝固

IV二元包晶相圖及其它相圖材料科學(xué)基礎(chǔ)2009-2010學(xué)年第一學(xué)期FundamentalsofMaterialsScience11.簡(jiǎn)單包晶相圖的形成條件和主要特征

A和B組元化學(xué)性質(zhì)或原子尺寸相差較大，或晶體結(jié)構(gòu)不相同。兩個(gè)組元混合后，在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下部分互溶，形成有限固溶體。部分成分的合金在冷卻過(guò)程發(fā)生三相平衡反應(yīng)：包晶反應(yīng)。簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram2液相線固相線固溶線簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram

典型包晶相圖分析3（１）相圖中的區(qū)（a）３個(gè)單相區(qū)Ｌ：A和B無(wú)限互溶。：A為溶劑，B原子溶入A晶格中形成有限固溶體。：B為溶劑，A原子溶入B晶格中形成有限固溶體。和相區(qū)位于相圖的兩端，相和相也稱為端際固溶體。（b）３個(gè)雙相區(qū)：Ｌ＋，Ｌ＋，＋L+相區(qū)和L+相區(qū)：兩相平衡反應(yīng)：L；L冷卻過(guò)程發(fā)生勻晶反應(yīng)，從液相結(jié)晶出I固溶體。Ｌ；或從液相結(jié)晶出I固溶體。+相區(qū)：兩相平衡反應(yīng)：

冷卻過(guò)程發(fā)生脫溶分解，從和相中分別析出II和II。

＋I(xiàn)I，＋

II，固溶析出（脫溶分解）簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖Eutecticphasediagram4（2）相圖中的線ACB：液相線，合金開(kāi)始結(jié)晶出或的溫度。ADPB：固相線：合金結(jié)晶結(jié)束的溫度。AD和AC：L+平衡共存時(shí)，液相和相成分隨溫度變化曲線。CB和PB：L+平衡共存時(shí)，液相和相成分隨溫度變化曲線。DF：B在A中的最大溶解度隨溫度變化的曲線，相飽和溶解度曲線。PG：A在B中的最大溶解度隨溫度變化的曲線，相飽和溶解度曲線。

簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram5水平線DPC：三相平衡共存：L++三相平衡反應(yīng)，L+

水平線上的點(diǎn)：D，P，C，三個(gè)單相區(qū)與水平線的接觸點(diǎn)，代表三個(gè)平衡相的成分。冷卻過(guò)程，在該溫度，成分為C點(diǎn)的液相和成分為D點(diǎn)的固溶體反應(yīng)生成固溶體。ＬC＋

DP所有成分在D-C范圍內(nèi)的合金冷卻到該溫度都將發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變。簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram62.包晶反應(yīng)在一定溫度下，一定成分的液相和已結(jié)晶的一定成分的固相形成另一個(gè)成分和結(jié)構(gòu)都不相同的固相的過(guò)程。簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖

平衡包晶反應(yīng)產(chǎn)物為成分均勻的單相固溶體或化合物。包晶反應(yīng)是三相平衡反應(yīng)，自由度F=0，轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵逻M(jìn)行，三個(gè)相的成分在反應(yīng)過(guò)程保持不變。在二元相圖中對(duì)應(yīng)一水平線DPC，稱為包晶反應(yīng)線。水平線對(duì)應(yīng)的溫度為包晶轉(zhuǎn)變溫度。peritectic

phasediagram7水平線與三個(gè)單相區(qū)點(diǎn)接觸，液相區(qū)和先結(jié)晶的一個(gè)固相區(qū)分別在包晶反應(yīng)線的兩端，一個(gè)固相區(qū)（包晶反應(yīng)產(chǎn)物）位于共晶反應(yīng)線下部的中間。三個(gè)接觸點(diǎn)P、C、D分別代表了參與包晶反應(yīng)的三個(gè)相的成分。C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成分為液相的成分，D點(diǎn)和P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成分代表兩個(gè)固相的成分。P點(diǎn)稱為包晶點(diǎn)，具有該點(diǎn)成分的合金稱為包晶合金。LPCD簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖AmBnLPCDperitectic

phasediagram8簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram3.平衡結(jié)晶過(guò)程9簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram+IILL+LL+

+II10計(jì)算包晶反應(yīng)時(shí)的相對(duì)含量簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram100%W11簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram12包晶轉(zhuǎn)變過(guò)程，相傾向于依附初生相的表面形核，并消耗液相和相而生長(zhǎng)。相包圍著初生相

長(zhǎng)大，使液相與相隔開(kāi)，相就不能直接與液相L接觸。液相和相中原子之間不能直接地相互擴(kuò)散，必須通過(guò)相，導(dǎo)致了包晶轉(zhuǎn)變的速度往往是極緩慢的。4.不平衡結(jié)晶：（1）包晶合金：實(shí)際生產(chǎn)中冷卻速度較快，包晶反應(yīng)過(guò)程原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，導(dǎo)致包晶反應(yīng)不完全，即在低于包晶溫度仍然有液相或在仍殘留在心部，液相在繼續(xù)冷卻過(guò)程發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變或其它反應(yīng)，形成包晶反應(yīng)的非平衡組織。（2）成份在包晶線左側(cè)的合金在冷卻過(guò)程不應(yīng)該發(fā)生包晶反應(yīng)，由于在不平衡勻晶轉(zhuǎn)變過(guò)程，初生的平均成分線偏離平衡成分線，使部分剩余液相和初生發(fā)生包晶反應(yīng)，形成少量的相。簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram13實(shí)例分析Pt-Ag相圖簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram14Pt-Ag相圖分析1.組元和相Pt和Ag均面心立方結(jié)構(gòu)。在高溫下液態(tài)下可以互溶。在固態(tài)下，兩者不能無(wú)限即連續(xù)互溶，各自形成兩種有限固溶體:相—是以Pt為溶劑的有限固溶體，Ag以單個(gè)原子溶在Pt的面心立方晶體點(diǎn)陣，以置換方式占據(jù)Pt點(diǎn)陣位置。相—是以Ag為溶劑的有限固溶體，Pt以單個(gè)原子溶在Ag的面心立方晶體點(diǎn)陣，以置換方式占據(jù)Ag的點(diǎn)陣位置。相區(qū)和相區(qū)分別位于相圖的兩端，相和相也稱為端際固溶體。簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram152.凝固及其平衡組織（1）42.4％Ag的Pt－Ag合金（合金I）勻晶轉(zhuǎn)變L，包晶轉(zhuǎn)變L+包晶轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)，L和的相對(duì)量：簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram

包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，先結(jié)晶的相和液相全部轉(zhuǎn)變?yōu)橄?。隨溫度降低，相脫溶分解

+II

。室溫平衡組織為b+aII。16（2）10.5％＜w(Ag)＜42.4％（合金II）L勻晶轉(zhuǎn)變，包晶轉(zhuǎn)變L+，脫溶分解

+II和

+II包晶轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)，L和的相對(duì)量：合金中相的相對(duì)量大于包晶反應(yīng)所需的量。包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，除了新形成的相外，還有剩余的相存在。包晶溫度以下，相中將析出II，而相中將析出II。室溫平衡組織為++II＋I(xiàn)I。簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram17（3）42.4％＜%Ag＜66.3％（合金III）勻晶轉(zhuǎn)變L，包晶轉(zhuǎn)變L+，勻晶轉(zhuǎn)變L和脫溶分解

+II包晶轉(zhuǎn)變開(kāi)始時(shí)，L和的相對(duì)量：合金中液相的相對(duì)量大于包晶轉(zhuǎn)變所需的相對(duì)量。包晶轉(zhuǎn)變后，剩余的液相在冷卻過(guò)程中，將按勻晶轉(zhuǎn)變方式繼續(xù)結(jié)晶出相，液相成分沿cb液相線變化，而相的成分沿pb線變化，直至t3溫度凝固結(jié)束。在t4溫度以下，相中將析出

II，室溫平衡組織為+II。簡(jiǎn)單相圖-包晶相圖peritectic

phasediagram18具有化合物的相圖（1）在某些二元合金系中，可形成一個(gè)或幾個(gè)化合物，由于它們位于相圖中間，故又稱中間相。（2）根據(jù)化合物的穩(wěn)定性可分為：穩(wěn)定化合物。穩(wěn)定化合物有確定的熔點(diǎn)，可熔化成與固態(tài)相同成分的液體。不穩(wěn)定化合物。不穩(wěn)定化合物不能熔化成與固態(tài)相同成分的液體，當(dāng)加熱到一定溫度時(shí)會(huì)發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)相。（3）沒(méi)有溶解度的化合物在相圖中是一條垂線，有溶解度的化合物在相圖中是一個(gè)相區(qū)。具有化合物的相圖19合金成分為36.6％Si時(shí)形成穩(wěn)定化合物Mg2Si，沒(méi)有溶解度。它具有確定的熔（1087℃），熔化后的Si含量不變。把穩(wěn)定化合物Mg2Si看作一個(gè)獨(dú)立組元，把Mg－Si相圖分成Mg2Si和Mg、Mg2Si－Si兩個(gè)獨(dú)立的二元共晶相圖進(jìn)行分析。具有化合物的相圖20

MoNi為不穩(wěn)定化合物，有一定的溶解度，相圖上為一個(gè)相區(qū)。它由包晶轉(zhuǎn)變L＋Mo（固溶體）→MoNi得到。當(dāng)加熱到包晶線時(shí)分解為成分與之不同的液相和Mo為基的固溶體。其它相圖-具有化合物的相圖21

部分二元合金在液態(tài)下不能完全互溶，在一定范圍分離成兩個(gè)互不相溶的兩個(gè)液相L1和L2。L1是B組元在A組元中的飽和溶液，L2是A組元在B組元中的飽和溶液。液相產(chǎn)生分層現(xiàn)象，在相圖中出現(xiàn)在雙液區(qū)L1+L2

，又稱液相分層區(qū)。平衡共存的兩個(gè)液相又稱為共軛溶液。兩個(gè)液相的密度和成分各不相同，兩個(gè)液相的成分隨溫度分別沿雙液區(qū)邊界線變化。其它相圖-溶混間隙相圖22調(diào)幅分解其它相圖-溶混間隙相圖23偏晶轉(zhuǎn)變是由一個(gè)液相L1分解為一個(gè)固相S和另一成分的液相L2的恒溫轉(zhuǎn)變。L1

L2+S

L1相區(qū)在偏晶線上部的中間，S（）相區(qū)和L2相區(qū)分別位于偏晶線的兩端。SL1L2dcfL1（d）

L2（c）

+Sf其它相圖-偏晶相圖24合晶反應(yīng)是在恒溫下由兩個(gè)成分不同的液相L1和L2相互作用形成一個(gè)固相S的過(guò)程：

L1+L2SS（）相區(qū)在合晶線下部的中間，L1相和L2相區(qū)分別位于合晶線的兩端。L1SL2sbaL1（a）+L2（b）

Ss其它相圖-合晶相圖25熔晶反應(yīng)是由一個(gè)固相恒溫分解為一個(gè)液相和另一個(gè)成分和結(jié)構(gòu)不同的固相的過(guò)程。S1

L

+S2

S1相區(qū)在熔晶線上部的中間，S2和L相區(qū)分別位于熔晶線的兩端。S1

S2LscdS2（s）

Lc

+S1（d）

其它相圖-熔晶相圖26固溶體晶型轉(zhuǎn)變其它相圖-具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的相圖27在某些合金系，在低溫下，在不同的成分范圍，可以出現(xiàn)不同有序相。這類典型的合金系為Cu-Au相圖。Cu和Au均為面心立方結(jié)構(gòu)，在高溫下形成無(wú)限固溶體，在低溫可形成幾種有序相：Cu3Au（I，II），Cu-Au（I，II），CuAu3。隨溫度降低，發(fā)生無(wú)序固溶體有序相Cu3AuICu3AuII。其它相圖-具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的相圖28三相平衡反應(yīng)共析反應(yīng)共析反應(yīng)是在一定溫度下（共析溫度），一定成分的固相同時(shí)析出兩個(gè)成分或結(jié)構(gòu)都不相同的固相和的過(guò)程：e

c

+d共析反應(yīng)是三相平衡反應(yīng)，根據(jù)相律，自由度為零，反應(yīng)溫度和三個(gè)相的成分不變。共晶反應(yīng)的產(chǎn)物為兩個(gè)固相和的機(jī)械混合物，稱為共析體或共析組織。相區(qū)在共析線上部的中間，α相區(qū)和β相區(qū)分別位于共析線的兩端。

ecde

c

+d其它相圖-具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的相圖29包析轉(zhuǎn)變包析轉(zhuǎn)變是在一定溫度下（包析溫度），兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)都不相同的固相和相互作用形成另一個(gè)新的固相的過(guò)程：

d+c

p包析轉(zhuǎn)變是三相平衡反應(yīng)，根據(jù)相律，自由度為零，轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵逻M(jìn)行，三個(gè)相的成分在轉(zhuǎn)變過(guò)程保持不變。相區(qū)和相區(qū)分別位于包析線的兩端，包析產(chǎn)物相區(qū)在包析線下部的中間：pcdd+c

p其它三相平衡反應(yīng)30二元相圖中的三相平衡反應(yīng)

恒溫轉(zhuǎn)變類型反應(yīng)式相圖特征分解型（共晶型）共晶轉(zhuǎn)變Lα+β共析轉(zhuǎn)變?chǔ)忙?β偏晶轉(zhuǎn)變L1L2+α熔晶轉(zhuǎn)變?chǔ)摩?L合成型（包晶型）包晶轉(zhuǎn)變L+βα包析轉(zhuǎn)變?chǔ)?βα合晶轉(zhuǎn)變L1+L2α31（1）相鄰相區(qū)之間的相數(shù)為1，點(diǎn)接觸除外。兩個(gè)單相區(qū)之間必有一個(gè)雙相區(qū)。兩個(gè)單相區(qū)只能交于一點(diǎn)。三相水平線只能與兩相區(qū)相鄰，而不能與單相區(qū)有線接觸。（2）兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與水平線相交，其延長(zhǎng)線進(jìn)入兩相區(qū)，而不會(huì)進(jìn)入單相區(qū)。（3）所有水平線都代表了三相平衡的恒溫轉(zhuǎn)變，水平線與參與平衡反應(yīng)的三個(gè)相區(qū)為點(diǎn)接觸，接觸點(diǎn)分別代表了三個(gè)相的成分。轉(zhuǎn)變的類型可由三個(gè)相的位置和性質(zhì)確定。二元相圖的幾何規(guī)律32（1）先看相圖中是否存在穩(wěn)定化合物，如有，則以這些化合物為界，把相圖分成幾個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析。（2）根據(jù)相區(qū)接觸法則，區(qū)別各相區(qū)。（3）找出三相共存水平線，分析這些恒溫轉(zhuǎn)變的類型。（4）應(yīng)用相圖分析具體合金隨溫度改變而發(fā)生的相轉(zhuǎn)變和組織變化規(guī)律。在單相區(qū)，該相的成分與原合金相同；在兩相，不同溫度下兩相成分分別沿其相界線而變。根據(jù)研究的溫度，畫出連結(jié)線，其兩端分別與兩條相界相交，由此根據(jù)杠桿法則可求出兩相的相對(duì)量。三相共存時(shí)，三個(gè)相的成分固定，不能用杠杠定理確定相對(duì)量，但可用杠桿法則求出恒溫轉(zhuǎn)變前、后組成相的相對(duì)量。復(fù)雜二元相圖的分析方法33（5）在應(yīng)用相圖分析實(shí)際情況時(shí)，切記相圖只給出體系在平衡條件下存在的相和相對(duì)量，并不能表示出相的形狀、大小和分布；相圖只表示平衡狀態(tài)的情況，而實(shí)際生產(chǎn)條件下合金和陶瓷很少能達(dá)到平衡狀態(tài)，因此要特別重視它們?cè)诜瞧胶鈼l件下可能出現(xiàn)的相和組織。尤其是陶瓷，其熔體的粘度較合金大，組元的擴(kuò)散比合金慢，因此，許多陶瓷凝固后極易形成非晶體或亞穩(wěn)相。（6）相圖的建立由于某種原因而可能存在誤差和錯(cuò)誤，則可用相律來(lái)判斷。復(fù)雜二元相圖的分析方法34合金的性能很大程度上取決于組元的特性及其所形成的合金相的性質(zhì)和相對(duì)量，借助于相圖所反映出的這些特性和參量來(lái)判定合金的使用性能（如力學(xué)和物理性能等）和工藝性能（如鑄造性能，壓力加工性能，熱處理性能等），對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)有一定的借鑒作用。1．根據(jù)相圖判斷合全的使用性能形成兩相機(jī)械混合物的合金，其性能是兩組成相性能的平均值，即性能與成分呈線性關(guān)系。固溶體的性能隨合金成