第四章 二元相圖

1第4章二元相圖4.1相圖的基本知識4.2二元相圖的基本類型4.3二元相圖的分析和使用4.4鐵碳相圖和鐵碳合金22

4.1相圖的基本知識

相圖：描述物質的狀態(tài)與溫度、壓力及成分之間關系的圖解。根據(jù)相圖可確定不同成分的材料在不同溫度下組成相的種類、各相的相對量、成分及溫度變化時可能發(fā)生的變化。僅在熱力學平衡條件下成立，不能確定結構、分布狀態(tài)和具體形貌。

4.1.1相圖的表示狀態(tài)與成分表示法狀態(tài)表示：溫度－成分坐標系。坐標系中的點－表象點。成分表示：質量分數(shù)或摩爾分數(shù)。

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杠桿定律

（1）平衡相成分的確定（根據(jù)相律，若溫度一定，則自由度為0，平衡相成分隨之確定。）（2）數(shù)值確定：直接測量計算或投影到成分軸測量計算。（3）注意：只適用于兩相區(qū)；三點（支點和端點）要選準。44

4.1.2相圖的建立方法：實驗法和計算法。過程：配制合金－測冷卻曲線－確定轉變溫度－填入坐標－繪出曲線。相圖結構：兩點、兩線、三區(qū)。54.1.3相平衡與相律1.相平衡條件相平衡：在指定的溫度和壓力下，若多相體系的各相中每一組元的濃度均不隨時間而變，則體系達到相平衡。動態(tài)平衡各組元在它存在的各相中的化學位相等。2.相律（1）相律：熱力學平衡條件下，系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度數(shù)之間的關系。（2）表達式：f=c-p+2;壓力一定時，f=c-p+1。（3）應用可確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)。如單元系2個，二元系3個。可以解釋純金屬與二元合金的結晶差別。純金屬結晶恒溫進行，二元合金變溫進行。66

4.1.4二元相圖的幾何規(guī)律（1）相區(qū)接觸法則：兩個單相區(qū)之間必定有一個由這兩個相組成的兩相區(qū)，而不能以一條線接界。兩個兩相區(qū)必須以單相區(qū)或三相水平線隔開。由此可以看出二元相圖中相鄰相區(qū)的相數(shù)差一個(點接觸除外)。（2）在二元相圖中，若是三相平衡，則三相區(qū)必為一水平線．這條水平線與三個單相區(qū)的接觸點確定了三個平衡相及相濃度。每條水平線必與三個兩相區(qū)相鄰。（3）如果兩個恒溫轉變中有兩個相同的相，則這兩條水平線之間一定是由這兩個相組成的兩相區(qū)。（4）當兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與三相等溫線相交，則分界線的延長線應進入另一兩相區(qū)，而不會進入單相區(qū)。788

4.2二元勻晶相圖

4.2.1勻晶相圖1.相圖分析勻晶轉變：由液相直接結晶出單相固溶體的轉變。勻晶相圖：具有勻晶轉變特征的相圖。相圖分析兩點：純組元的熔點；兩線：L,S相線；三區(qū)：L,α,L+α。99

4.2固溶體合金的平衡結晶（1）平衡結晶：每個時刻都能達到平衡的結晶過程。（2）平衡結晶過程分析①冷卻曲線：溫度－時間曲線②相（組織）與相變（各溫區(qū)相的類型、相變反應式、杠桿律應用）；③組織示意圖；④成分均勻化：10*在每一溫度下，平衡凝固實質包括三個過程：①液相內的擴散過程；②固相的繼續(xù)長大；③固相內的擴散過程。1111

（3）與純金屬結晶的比較①

相同點：基本過程：形核－長大；熱力學條件：⊿T>0；能量條件：能量起伏；結構條件：結構起伏。②不同點：合金在一個溫度范圍內結晶（可能性：相律分析；必要性：成分均勻化。）合金結晶是選分結晶：需成分起伏。

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3固溶體的不平衡結晶（1）原因：冷速快（假設液相成分均勻、固相成分不均勻）。（2）結晶過程特點：固相成分按平均成分線變化（但每一時刻符合相圖）；結晶的溫度范圍增大；組織多為樹枝狀。

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（3）成分偏析：晶內偏析：一個晶粒內部化學成分不均勻現(xiàn)象。枝晶偏析：樹枝晶的枝干和枝間化學成分不均勻的現(xiàn)象。（消除：擴散退火，在低于固相線溫度長時間保溫。）

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4固溶體合金凝固時的溶質量分布

（1）穩(wěn)態(tài)凝固：從液固界面輸出溶質速度等于溶質從邊界層擴散出去速度的凝固過程。（2）平衡分配系數(shù)：在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質濃度的比值。k0=Cs/Cl

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（3）溶質分布：

A液、固相內溶質完全混合（平衡凝固）

B固相不混合、液相完全混合

C固相不混合、液相完全不混合

D固相不混合、液相部分混合1616

E區(qū)域熔煉（上述溶質分布規(guī)律的應用）

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5成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響（1）成分過冷：由成分變化與實際溫度分布共同決定的過冷。（2）形成：界面溶質濃度從高到低－液相線溫度從低到高。（圖示：溶質分布曲線－勻晶相圖－液相線溫度分布曲線－實際溫度分布曲－成分過冷區(qū)。）1818

5成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響（3）成分過冷形成的條件和影響因素條件：G/R<mC0(1-k0)/Dk0

合金固有參數(shù)：m,k0

;

實驗可控參數(shù)：G,R。

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（4）成分過冷對晶體生長形態(tài)的影響

2020

4.2.2二元共晶相圖及合金凝固

共晶轉變：由一定成分的液相同時結晶出兩個一定成分固相的轉變。共晶相圖：具有共晶轉變特征的相圖。（液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不溶，且發(fā)生共晶反應。共晶組織：共晶轉變產物。（是兩相混合物）211共晶相圖分析（相圖三要素）（1）點：純組元熔點；最大溶解度點；共晶點（是亞共晶、過共晶合金成分分界點）等。（2）線：結晶開始、結束線；溶解度曲線；共晶線等。（3）區(qū)：3個單相區(qū)；3個兩相區(qū)；1個三相區(qū)。22

2合金的平衡結晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（1）α固溶體合金（WSn<19％）及β固溶體合金（WSn＞97.5％）①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②二次相（次生相）的生成：脫溶轉變（二次析出或二次再結晶）。③室溫組織（α＋βⅡ）及其相對量計算。圖4.13Pb-Sn合金相圖圖4.14含10%Sn的Pb-Sn合金平衡冷卻示意圖23（2）共晶合金（WSn=61.9％）①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②共晶線上兩相的相對量計算。③室溫組織（α＋β＋αⅡ＋βⅡ）及其相對量計算。

圖4.13Pb-Sn合金相圖圖4.16Pb-Sn共晶合金平衡冷卻示意圖24（3）亞共晶合金及過共晶合金①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②共晶線上兩相的相對量計算。③室溫組織（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相對量計算。

圖4.18亞共晶合金平衡冷卻示意圖25

（4）組織組成物與組織圖組織組成物：組成材料的中各個不同本質和形態(tài)的部分。組織圖：用組織組成物填寫的相圖。組織組成物相對量的計算：杠桿定律。2626

3共晶組織的形成（1）共晶體的形成成分互惠－交替形核片間搭橋－促進生長

兩相交替分布（共晶組織）

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（2）共晶體的形態(tài)金屬-金屬型（粗糙－粗糙界面）：層片狀（一般情況）、棒狀、纖維狀（一相數(shù)量明顯少于另一相）金屬-非金屬型（粗糙－光滑界面）：具有不規(guī)則或復雜組織形態(tài)（由于兩相微觀結構不同）非金屬-非金屬（光滑－光滑界面）所需動態(tài)過冷度不同，金屬相任意長大，另一相在其間隙長大?？傻玫角驙睢⑨槧?、花朵狀、樹枝狀共晶體。非金屬相與液相成分差別大。形成較大成分過冷，率先長大，形成針狀、骨骼狀、螺旋狀、蜘蛛網狀的共晶體。2829

（3）初生晶的形態(tài)：金屬固溶體：粗糙界面－樹枝狀；非金屬相：光滑界面－規(guī)則多面體。2h304.偽共晶①偽共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶組織。②形成原因：不平衡結晶；成分位于共晶點附近。

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5.不平衡共晶體①

不平衡共晶：位于共晶線以外成分的合金發(fā)生共晶反應而形成的組織。②原因：不平衡結晶。成分位于共晶線以外端點附件。

③不平衡組織由非共晶成分的合金得到的完全共晶組織。共晶成分的合金得到的亞、過共晶組織。（偽共晶區(qū)偏移）3232

6.離異共晶①

離異共晶：兩相分離的共晶組織。②

形成原因平衡條件下，成分位于共晶線上兩端點附近。不平衡條件下，成分位于共晶線外兩端點附。③

消除：擴散退火。

334.2.3二元包晶相圖及合金凝固

包晶轉變：由一個特定成分的固相和液相生成另一個特點成分固相的轉變。包晶相圖：具有包晶轉變特征的相圖。1包晶相圖分析點、線、區(qū)。

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2平衡結晶過程及其組織（1）包晶合金（含42.4%）的結晶結晶過程：包晶線以下，L,α對β過飽和－界面生成β－三相間存在濃度梯度－擴散－β長大－全部轉變?yōu)棣隆Ｊ覝亟M織：β或β＋αⅡ。圖4.27（a）Pt-Ag相圖35

（2）成分在D-C之間合金（42.4%<Ag<66.8%)的結晶結晶過程：β剩余；室溫組織：β＋αⅡ圖4.27（a）Pt-Ag相圖36

（3）成分在P-D之間合金（10.5%<Ag<42.4%)的結晶結晶過程：α剩余；室溫組織：α＋β＋αⅡ＋βⅡ。圖4.27（a）Pt-Ag相圖37

2平衡結晶過程及其組織

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3具有包晶轉變的合金的不平衡結晶

包晶轉變產物β相包在α相外面，這樣，兩個反應相L，α的原子必須通過β相來傳遞以維持反應的進行。原于在固相中的擴散速度比在液相中慢得多。所以包晶轉變速度往往很慢。實際生產中，由于冷速較快，包晶轉變不能充分進行。此外，在不平衡凝固條件下，一些原來不應發(fā)生包晶轉變的合金，也會部分發(fā)生包晶轉變，組織中出現(xiàn)了少量β相。包晶轉變產生的不平衡組織，可采用長時間的擴散退火來減少或消除。394.3二元相圖的分析和使用4.3.1其他類型的二元相圖1、其他類型的恒溫轉變相圖（1）熔晶轉變相圖定義：一個固相在恒溫下轉變成一個液相和另一個固相的轉變。（2）偏晶轉變相圖定義：一個液相在恒溫下分解為一個固相和另一個液相的轉變。（3）共析轉變相圖定義：一定成分的固相在恒溫下生成另外兩個一定成分的固相的轉變。（4）包析轉變相圖定義：兩個一定成分的固相，在恒溫下，轉變?yōu)橐粋€新的固相的轉變。402、組元間形成化合物的相圖穩(wěn)定化合物：具有一定熔點，在熔點以下不分解的化合物。3、具有異晶轉變的相圖一個固相轉變?yōu)榱硪粋€固相的轉變稱為異晶轉變也稱同素異構轉變。4、具有固溶體形成中間相轉變的相圖5、具有有序---無序轉變的相圖6、具有磁性轉變的相圖414.3.2復雜二元相圖的分析和使用

1、復雜二元相圖的分析步驟

①以穩(wěn)定的化合物分割相圖；②根據(jù)相區(qū)接觸法則，確定各點、線、區(qū)的意義；③分析水平線，確定相比特性點及轉變反應式；④分析具體合金的結晶過程及其組織變化。注：虛線、點劃線的意義－尚未準確確定的數(shù)據(jù)、磁學轉變線、有序－無序轉變線。2、應用相圖時要注意的問題①相圖只能給出合金在平衡條件下存在的相和相對量，并不表示相的形狀、大小和分布，而這些主要取決于相的特征及形成條件。②相圖只表示平衡狀態(tài)的情況，而實際生產條件下，合金很少能達到平衡狀態(tài)。42表4.1二元系各類恒溫轉變圖型43

3、根據(jù)相圖判斷合金的性能①根據(jù)相圖判斷材料的力學和物理性能

44②根據(jù)相圖判斷材料的工藝性能鑄造性能：根據(jù)液固相線之間的距離XX越大，成分偏析越嚴重（因為液固相成分差別大）；流動性越差（因為枝晶發(fā)達）；熱裂傾向越大（因為液固兩相共存的溫區(qū)大）。45

塑性加工性能：選擇具有單相固溶體區(qū)的合金。熱處理性能：選擇具有固態(tài)相變或固溶度變化的合金。

464.4鐵碳相圖和鐵碳合金

鐵－石墨相圖：Fe-C;

鐵－滲碳體相圖：Fe-Fe3C。1鐵碳合金中的組元和相

L,δ,A(γ),F(α),Fe3C（滲碳體）47

2Fe-Fe3C相圖分析

點：16個。線：兩條磁性轉變線；三條等溫轉變線；其余三條線：GS,ES,PQ。區(qū)：5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)，3個三相區(qū)。相圖標注：相組成物標注的相圖。組織組成物標注的相圖。48

點：16個。

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線：兩條磁性轉變線（770A2、230）；三條等溫轉變線；（包晶、共晶、共析A1）其余四條重要的固態(tài)轉變線：GS（A3）、ES、GP、PQ。區(qū)：5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)，3個三相區(qū)。相圖標注：相組成物標注的相圖。組織組成物標注的相圖。50

3典型鐵碳合金的平衡凝固合金分類：工業(yè)純鈦（C%<0.0218%）碳鋼（0.0218<C%<2.11%）：共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼鑄鐵（C%>2.11%）：共晶鑄鐵、亞共晶鑄鐵、過共晶鑄鐵51

典型合金（7種）的平衡結晶過程、組織變化、室溫組織及其相對量計算。工業(yè)純鐵結晶過程（+Fe3CⅢ）

三次滲碳體最大量計算52

共析鋼結晶過程P（+Fe3C）珠光體P中的相對量的計算

53

亞共析鋼結晶過程（+P）相對量的計算

54

過共析鋼結晶過程（P+Fe3CⅡ，二次滲碳體最大量計算）相對量的計算55

共晶白口鐵結晶過程Ld`（P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶）

Ld（+Fe3C共晶）（Ld-Ld`轉變）56

亞共晶白口鐵結晶過程（P+Fe3CⅡ+Ld`）57

過共晶白口鐵結晶過程（Fe3CⅠ+Ld`）5858

（2）重要問題：

Fe3CⅠ,Fe3CⅡ,Fe3CⅢ的意義及其最大含量計算。

Ld-Ld`轉變。二次杠桿的應用。59

含碳量對平衡組織和性能的影響（1）對平衡組織的影響（隨C%提高）組織：α＋Fe3CⅢLd`＋Fe3CⅠ；相：α減少，F(xiàn)e3C增多；

Fe3C形態(tài)：Fe3CⅢ（薄網狀、點狀）共析Fe3C（層片狀）Fe3CⅡ（網狀）共晶Fe3C（基體）Fe3CⅠ（粗大片狀）。6060

4.4.2碳和雜質元素對碳鋼組織和性能的影響

1.碳的影響

A、對力學性能的影響：強度、硬度升高，塑韌性下降。