二元相圖的基本類型新

合金，是由兩種或兩種以上的金屬與非金屬經(jīng)一定方法所合成的具有金屬特性的物質(zhì)。金屬材料合金品種非常多。每一合金系中還可以改變各組元的相對(duì)含量，形成許多合金品種2.2二元相圖的基本類型

Basictypesoftwo-componentphasediagram2.2.1相圖的建立(Setting-upofphasediagrams)2.2.2勻晶相圖——學(xué)習(xí)二元相圖的基礎(chǔ)(Isomorphousdiagram-thefoundationofstudyingtwo-componentphasediagram)2.2.3共晶相圖——學(xué)習(xí)二元相圖的關(guān)鍵(Theeutecticphasediagram-thekeytostudytwo-componentphasediagram)2.2.4包晶相圖特征(Characteristicsofperitecticphasediagram)2.2.5具有穩(wěn)定化合物相圖(Phasediagramswithstablecompound)2.2.6具有共析反應(yīng)的相圖(Phasediagramswitheutectoidreaction)2.2.7二元合金相圖與性能之間的關(guān)系(Relationshipbetweenpropertiesandphasediagramsofbinaryalloys)2.2.1相圖的建立

Setting-upofphasediagrams相圖是表示材料(合金)體系中材料(合金)的狀態(tài)與溫度、成分間關(guān)系的簡(jiǎn)明圖解，它清楚地表明了材料中各種相的存在范圍以及相與相之間的關(guān)系。相圖中的相是指平衡相，它不反映時(shí)間因素的影響。材料在一定成分和一定溫度下的相狀態(tài)，以及當(dāng)成分和溫度改變時(shí)相狀態(tài)的變化,可用溫度—成分坐標(biāo)系的圖示明確而系統(tǒng)地表示出來。

建立相圖的方法有實(shí)驗(yàn)測(cè)定和理論計(jì)算兩種，但目前所使用的相圖大部分都是根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制出來的。2.2.1相圖的建立

Setting-upofphasediagrams如圖2.7所示，首先配制一系列不同成分的合金，測(cè)出其從液態(tài)到室溫的冷卻曲線，求得各相變點(diǎn)，然后把這些特性點(diǎn)標(biāo)在溫度-成分的坐標(biāo)圖紙上，把相同意義的特性點(diǎn)聯(lián)結(jié)成線。這些特性線將相圖劃分出一些區(qū)域，這些區(qū)域稱為相區(qū);最后，在各相區(qū)內(nèi)填入相應(yīng)的“相”的名稱。在二元相圖中，有的相圖簡(jiǎn)單(如Cu-Ni相圖)，有的相圖很復(fù)雜(如Fe-C相圖)。但不管多么復(fù)雜，任何二元相圖都可以看成是由幾類基本類型的相圖迭加、復(fù)合而組成的。圖2-7用熱分析法建立Cu-Ni相圖

有關(guān)相圖的基本概念：合金狀態(tài)一定條件下合金有哪幾個(gè)相組成相變臨界點(diǎn)相變的溫度相圖反映在平衡條件下，合金的狀態(tài)同溫度、成分之間關(guān)系的圖形。2.2.1相圖的建立

Setting-upofphasediagrams2.2.2勻晶相圖—學(xué)習(xí)二元相圖的基礎(chǔ)(Binaryisomorphousdiagrams)1.勻晶相圖與勻晶轉(zhuǎn)變兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均可以以任意比例相互溶解，即在固態(tài)下形成無限固溶體的合金相圖稱為勻晶相圖。例如Cu-Ni、Fe-Cr等合金相圖均屬于此類相圖。在這類合金中，結(jié)晶時(shí)都是從液相結(jié)晶出單相固溶體，這種結(jié)晶過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。應(yīng)該指出，幾乎所有的二元合金相圖都包含有勻晶轉(zhuǎn)變部分，因此掌握這一類相圖是學(xué)習(xí)二元合金相圖的基礎(chǔ)。2.相圖分析①特性點(diǎn)：純銅的熔點(diǎn)A為1083℃，純鎳的熔點(diǎn)B為1455℃。②特性線：液相線，固相線。③相區(qū)與基本相：3.固溶體合金的平衡結(jié)晶過程分析

1083℃1455℃w3.固溶體合金的平衡結(jié)晶過程分析

K合金的平衡結(jié)晶過程，其特點(diǎn)是:固溶體合金的平衡結(jié)晶是變溫結(jié)晶的過程。液態(tài)金屬在無限緩慢冷卻條件下，冷卻到一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶，而且在結(jié)晶過程中固溶體的成分沿著固相線變化(即α1→α2→α3→α4)，而液相的成分沿液相線變化(即l1→l2→l3→l4)。這就是固溶體合金的平衡結(jié)晶規(guī)律。用冷卻曲線描述K合金的平衡結(jié)晶過程如圖2－8（b）所示。

4.杠桿定律及其應(yīng)用

分析成分為K的Cu-Ni合金，在溫度時(shí)，液相成分為x1，固相成分為x2(通過tx溫度作一水平線，此水平線與液、固相線的交點(diǎn)即為L(zhǎng)相的成分與α相的成分)?，F(xiàn)求在該溫度下，已結(jié)晶出固溶體α和剩余液相L的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖2.9杠桿定律的證明在合金相圖中的兩相區(qū)(如液相和固相)內(nèi)，若給定某一溫度，就能確定在該溫度下兩平衡相(如液、固兩相)的成分，以及在該溫度下兩平衡相(如液、固兩相)的相對(duì)質(zhì)量，這就是杠桿定律的內(nèi)容。4.杠桿定律及其應(yīng)用

設(shè)合金總質(zhì)量為W(100%即1)，液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為WL,固相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Wα，則

WL+Wα=W(即1)(2.1)若已知液相中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為x1，固溶體中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為x2，合金中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為k，則WL·x1+Wα·x2=W·k(2.2)解(2.1)和(2.2)組成的方程:WL=(x2-k)/(x2-x1);Wα=(k-x1)/(x2-x1)。將分子和分母都換成相圖中的線段，并將WL和Wα的質(zhì)量分?jǐn)?shù)用百分?jǐn)?shù)表示時(shí)，則WL=kx2/x1x2×100%;Wα=x1k/x1x2×100%;兩相相對(duì)質(zhì)量之比為：WL/Wα=xx2/x1x。以上所求得的兩平衡相相對(duì)質(zhì)量之間的關(guān)系與力學(xué)中的杠桿定律頗為相似，因此稱為“杠桿定律”。杠桿定律說明:某合金兩平衡相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(WL與Wα)之比等于該兩相成分點(diǎn)到合金成分點(diǎn)距離的反比，即線段xx2與x1x之比。杠桿定律僅適用于兩相區(qū)，用于求兩平衡相的成分及其相對(duì)質(zhì)量。x1x2x1WLx2x1kkx2Wa5.不平衡結(jié)晶——枝晶偏析

在實(shí)際結(jié)晶過程中，很難保持體系的平衡狀態(tài)，冷卻過程往往是比較快的（即不平衡結(jié)晶），此時(shí)原子不能充分進(jìn)行擴(kuò)散，這時(shí)先結(jié)晶出的固相含高熔點(diǎn)組元(鎳)較多，后結(jié)晶出的固相含低熔點(diǎn)組元(銅)較多，快冷使這種成分不均勻現(xiàn)象保留下來，形成了在同一晶粒中的成分偏析，因結(jié)晶一般是以樹枝狀方式進(jìn)行，先結(jié)晶的主干和后結(jié)晶的分支成分不一致，故這種偏析稱為枝晶偏析。因這種偏析發(fā)生在一個(gè)晶粒內(nèi)，故又稱晶內(nèi)偏析。枝晶偏析，會(huì)使合金的力學(xué)性能、耐蝕性和加工工藝性能變壞。為消除枝晶偏析，可采用高溫?cái)U(kuò)散退火(又稱均勻化退火)方法，即將合金鑄件加熱至固相線以下100～200℃長(zhǎng)時(shí)間保溫(一般5～8h)，使原子充分?jǐn)U散，從而達(dá)成分均勻化的目的。

不平衡結(jié)晶－－枝晶偏析示意圖何謂共晶相圖？?jī)山M元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)時(shí)相互有限互溶并發(fā)生共晶反應(yīng)(轉(zhuǎn)變)、形成共晶組織的二元相圖稱為二元共晶相圖。

Pb-Sn、Pb-Sb1.相圖分析（1）共晶相圖的形成

共晶相圖可以抽象地看作是兩勻晶相圖重疊結(jié)果，如圖2-10所示。其中(a)圖示出從液相內(nèi)結(jié)晶出以A組元為基α固溶體;(b)圖示為從液相內(nèi)結(jié)晶出以B為基β固溶體;(c)圖為(a)、(b)兩相圖重合在一起圖示。2.2.3共晶相圖—學(xué)習(xí)二元相圖的關(guān)鍵Binaryeutecticphasediagram圖2.10共晶相圖的形成

（1）共晶相圖的形成

二元共晶相圖［(d)圖示］可分解為三部分，即水平線以上為勻晶轉(zhuǎn)變部分、以下為脫溶轉(zhuǎn)變部分，水平線上則為共晶轉(zhuǎn)變部分。

1.相圖分析圖2.10共晶相圖的形成

（1）共晶相圖形成條件：兩組元在液態(tài)能完全互溶；固態(tài)時(shí)只能有限互溶；發(fā)生共晶反應(yīng)。2.2.3共晶相圖—學(xué)習(xí)二元相圖的關(guān)鍵Binaryeutecticphasediagram（2）相圖分析①特征線②特征點(diǎn)

③相區(qū)與基本相：包含有兩種有限固溶體α相和β相

α相：Sn組元溶于Pb組元中形成的固溶體

β相：Pb組元溶于Sn組元中形成的固溶體這種在一定溫度下，由一定成分液相同時(shí)結(jié)晶出成分各自一定的兩個(gè)新固相的轉(zhuǎn)變，稱為共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為兩固相的混合物，稱為共晶組織.2.典型合金的平衡結(jié)晶過程

1234由于固態(tài)下原子擴(kuò)散能力小，析出的次生相不易長(zhǎng)大，一般都比較細(xì)小，分布于晶界或固溶體中。2.典型合金的平衡結(jié)晶過程

各種形態(tài)的共晶組織（1）層片狀（Pb-Cu）棒狀球狀（Cu-Cu2O）針狀（Al-Si）各種形態(tài)的共晶組織（2）螺旋狀（Zn-MgZn）蛛網(wǎng)狀放射狀（Cu-P）2.典型合金的平衡結(jié)晶過程

（3）合金Ⅲ(亞共晶合金)

19%與61.9%之間結(jié)晶過程中的反應(yīng)特征為:勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出反應(yīng)。共晶溫度時(shí)的相組成：Wα=2N/MN×100%，Wβ=M2/MN×100%。組織組成：Wα=2E/ME×100%W共晶體(α+β)=M2/ME×100%室溫下的相組成：Wα=2’G/FG×100%，Wβ=F2’/FG×100%。組織組成為α+βⅡ+(α+β)

W共晶體(α+β)=M2/ME×100%Wα=（2E/ME）×(M’G/FG)×100%WβⅡ=（2E/ME）×(FM’/FG)×100%

M’2’2.典型合金的平衡結(jié)晶過程

（3）合金Ⅲ(亞共晶合金)初晶樹枝晶的截面形態(tài)（右上圖）；亞或過共晶合金室溫組織圖（下圖）亞共晶合金室溫組織→←過共晶合金室溫組織

同理，過共晶合金(61.5%~97.5%)的平衡結(jié)晶過程與亞共晶合金相似，只是初晶(初生相)為β固溶體、而不是α固溶體。其室溫組織為β+αⅡ＋（α＋β）。其反應(yīng)特征亦為：勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次析出反應(yīng)。[例題2.1]依據(jù)Pb-Sn相圖(見圖2.11)，說明含２８％Sn的Pb-Sn合金在下列溫度時(shí)組織中有哪些相，并求出相的相對(duì)量。(1)高于300℃；(2)剛冷至183℃，共晶轉(zhuǎn)變尚未開始；(3)在183℃，共晶轉(zhuǎn)變完畢；(4)冷至室溫。i.分析：通過Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%的合金成分點(diǎn)作一垂線，再與縱坐標(biāo)溫度水平線相交，就可方便地判斷在各個(gè)溫度瞬時(shí)，合金所處的狀態(tài)；杠桿定律應(yīng)用的前提條件是兩相區(qū)，一定要牢記。SRTiv.請(qǐng)思考？

若把求出“相的相對(duì)量”，改為“組織的相對(duì)量”，如何計(jì)算？3.兩種填寫相圖的方法

以相組分（相組成物）形式填寫的相圖→組織組分(組織組成物)形式填寫相圖→2.4包晶相圖特征Characteristicsofpertecticphasediagrams包晶相圖與前述共晶相圖的共同點(diǎn)是，液態(tài)時(shí)兩組元均可無限互溶，固態(tài)時(shí)則只有有限固溶度，因而也形成有限固溶體。但其相圖中水平線所代表的結(jié)晶過程則與共晶水平線卻截然不同。如：Fe-Fe3Ｃ相圖中的包晶反應(yīng)部分。圖2-14包晶轉(zhuǎn)變過程示意圖圖2.13鐵碳相圖包晶轉(zhuǎn)變部分2.2.5具有穩(wěn)定化合物的相圖

Phasediagramswithstablecompounds何謂穩(wěn)定化合物？系指具有一定熔點(diǎn)，在熔點(diǎn)以下保持其固有結(jié)構(gòu)而不發(fā)生分解的化合物。在相圖中可把這種化合物看作是一個(gè)獨(dú)立組元，因而用一條垂線表示，并把相圖分為兩個(gè)獨(dú)立的相圖。如圖2.15所示為Mg-Si相圖，含36.6%Si時(shí)形成穩(wěn)定化合物Mg2Si，其成分固定，即可作為一個(gè)獨(dú)立組元而將相圖分解為兩個(gè)獨(dú)立的共晶相圖。可分別按各自獨(dú)立的共晶相圖進(jìn)行分析。圖2.15Mg-Si二元合金相圖Fe3C2.2.6具有共析反應(yīng)的相圖

Phasediagramswitheutectoidreaction

共析反應(yīng)屬于共晶型反應(yīng)，其與共晶反應(yīng)的區(qū)別在于，在恒溫下不是由液相而是由一個(gè)成分一定的固相同時(shí)析出另外兩種成分各自一定的新固相。如：鐵碳合金相圖中PSK水平線上的共析反應(yīng)：反應(yīng)產(chǎn)物為共析體(共析組織)，由于共析反應(yīng)系固相分解，其原子擴(kuò)散較困難，易產(chǎn)生較大的過冷，所以共析組織遠(yuǎn)比共晶組織細(xì)密。共析轉(zhuǎn)變對(duì)合金的熱處理強(qiáng)化有重大意義，鋼鐵和鈦合金的熱處理就是建立在共析轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)之上。圖2.＃具有共析轉(zhuǎn)變的二元相圖圖2.17以相組分表示的鐵碳相圖2.2.7二元合金相圖