材料熱力學(xué)課件-二元合金相圖及合金的凝固和組織

2023/2/181第二章二元合金相圖及合金的凝固和組織22023/2/18目錄1有關(guān)相圖的基本知識

2勻晶相圖及固溶體合金的凝固和組織

3共晶相圖及共晶系合金的凝固和組織

4包晶相圖及其合金的凝固和組織

5其它類型的二元合金相圖

6相圖的分析和使用：Fe-C相圖及鐵碳合金

7相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ)32023/2/18合金

合金：由兩種以上的金屬或金屬與非金屬熔合（或燒結(jié)）在一起而具有金屬特性的物質(zhì)。根據(jù)組元數(shù)目，可分為二元合金、三元合金，四元以上合金稱多元合金。合金品種：在元素周期表中除了少數(shù)氣體元素外，幾乎都可制作合金，若取80種元素來配制合金，任取三種元素組成的三元合金系就有C（80,3）種；每一合金系中還可以改變各組元的相對含量，形成許許多多合金品種42023/2/18合金相圖：用圖的形式表明一個合金系的成份、溫度和相態(tài)之間的關(guān)系；用途：研究相結(jié)構(gòu)和組織的形成和變化規(guī)律，可以了解該系合金在各溫度下所存在的相態(tài)、相成分和各個相的含量，相轉(zhuǎn)變溫度等等。用來指導(dǎo)熔鑄、加工和熱處理工藝，研究某合金元素的作用和存在狀態(tài)，研究合金的性能與組織的關(guān)系等。合金相圖52023/2/181有關(guān)相圖的基本知識1.1二元合金中存在的相相：在一個體系中，結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一，并以界面相互分開的均勻部分。相與相之間有界面，如冰和水是兩種不同的相態(tài)，食鹽水溶液是一個相，若在飽和溶液中析出食鹽晶體則成為兩個相。有界面分開的不一定都是相，如合金中同一相的不同晶粒間。1.1.1相62023/2/181.液溶體：a.多數(shù)金屬在液態(tài)下互相溶解而形成均勻的溶液；b.液態(tài)下部分互相溶解，達到飽和溶解度后就不再溶解，而形成有界面分開的成分不同的兩種溶液，如Al-Cd，Cu-Pb，在一定溫度和成分范圍內(nèi)，形成濃度不同和有界面分開的二層溶液c.在液態(tài)幾乎完全不溶解，如Al-Ti，W-Cu，F(xiàn)e-Bi等1.1.2．合金相種類：液溶體、固溶體、金屬間化合物72023/2/182）固溶體

：溶質(zhì)原子(離子或分子)溶入溶劑的晶體點陣中所形成的相，固溶體的晶體結(jié)構(gòu)就是溶劑的晶體結(jié)構(gòu)，按照溶質(zhì)原子溶入熔劑的方式分為：固溶體的強度總是比組成它的純組元高，且隨溶質(zhì)原子濃度增加，強度也增加。82023/2/183）中間相（金屬間化合物）各組元間發(fā)生化學(xué)相互作用，形成晶體結(jié)構(gòu)不同于組成元素的新相，新相有自己獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，位于相圖的中間部位，又稱為“金屬間化合物”，包括正常價化合物，電子化合物和原子尺寸因素化合物。Mg-Si相圖92023/2/18氣相：不論氣體有多少種，他們組成的混合系統(tǒng)都稱為一相。液相：當(dāng)幾種液體完全互溶時，稱為一相固相：當(dāng)形成固溶體或化合物時為一相，若只是機械混合的話，有幾種固體就有幾種相。102023/2/18相變：一個相轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌嗟倪^程相平衡狀態(tài)：宏觀上系統(tǒng)中同時共存的各相在長時間內(nèi)不互相轉(zhuǎn)化，屬于動態(tài)平衡，微觀上組元不停地通過各相界面進行遷移速度相等的轉(zhuǎn)移。1.1.3相平衡條件與相律汽冰水晶型1晶型2一級相變二級相變112023/2/18

相律：在平衡條件下，合金的組元數(shù)和相數(shù)之間存在的關(guān)系

由熱力學(xué)可知，組元轉(zhuǎn)移驅(qū)動力是組元間化學(xué)位差，在α、β兩相平衡系統(tǒng)中的平衡條件為：

μiα＝μiβ(5-1)

即，同一組元在兩相中的化學(xué)位相等那么，合金中C個組元，p個相的平衡條件為每個組元在每個相中化學(xué)位均相等：相律(5-2)……122023/2/18吉布斯相律：?=C-P+2(5-3)C：組元數(shù)，P：平衡共存的相數(shù)，

?：自由度，指平衡系中不改變相數(shù)的前提下可獨立變化的因素數(shù)目（如溫度、壓力、濃度等）

2：表示溫度與壓力兩個因素對于不含氣象的凝聚系統(tǒng)，合金相變時可視為恒壓條件，相律的表達式為

?=C－P+1(5-4)∵f≥0，∴純金屬最多只有兩相平衡二元系最多存在三相平衡132023/2/181.2二元相圖的表示、含義和杠桿定律單元相圖：以溫度和壓力為坐標表示相態(tài)變化鎂的相圖OB和OC：G-L與G-S轉(zhuǎn)變的臨界線，體積變化很大，隨壓力升高，轉(zhuǎn)變溫度也升高OD：L-S轉(zhuǎn)變的臨界線，幾乎與溫度坐標垂直，壓力變化對轉(zhuǎn)變溫度沒有影響142023/2/18鐵的P-T圖AOB固f=C-P+2=3-P系統(tǒng)最少1個相，f=3-1=2，即T、P可獨立改變；系統(tǒng)最多3個相，f=3-3=0，T、P均固定；當(dāng)2相共存時，f=3-2=1，T、P只有一個可自由改變。152023/2/18硫有兩種晶型，正交R和單斜M，相圖中有3個三相點硫的P-T圖162023/2/18橫坐標的左、右兩端點及從左至右的含義；橫坐標上任一點代表某一成分的合金：如x1合金，x2合金。二元相圖Bi-Cd相圖及各成分合金的組織變化示意圖表示恒壓（一個大氣壓）下的狀態(tài)，采用溫度和成分為坐標的平衡圖172023/2/18質(zhì)量分數(shù)和摩爾分數(shù)WA和WB分別表示A和B組元的質(zhì)量分數(shù)，aA、aB分別表示A和B組元的摩爾量，XA、XB分別表示A和B組元的摩爾分數(shù)（5-5）合金成分的表示方法182023/2/18線條：相轉(zhuǎn)變溫度和平衡相的成分；被線條所劃分的區(qū)域稱為相區(qū)，相區(qū)內(nèi)注明合金存在的相態(tài)從相圖上可以看出任一成分的合金在任一溫度下所存在的相態(tài)，在什么溫度下發(fā)生相轉(zhuǎn)變及其轉(zhuǎn)變類型等

如：x1合金冷卻，Bi-Cd相圖及各成分合金的組織變化示意圖192023/2/18將成分坐標當(dāng)作杠桿，以合金成分點為支點，兩相的成分點分別為重點和力點，則與力學(xué)上的杠桿定律一樣，即Cd/Bi=Qp/pr。即兩相物質(zhì)量/質(zhì)量之比反比于支點到兩個相點的線段長。杠桿定律Bi-Cd相圖及各成分合金的組織變化示意圖X1合金：Cd=75/100×100%Bi=25/100×100%202023/2/18WL/Wα=rb/ar注意：杠桿定律適用于平衡結(jié)晶時的兩相區(qū)附錄：杠桿定律212023/2/18合金成分為C，總重量為W在t1溫度時，由液相和固相組成，液相的成分為CL

，重量為WL固相成份為Cα

，重量為Wα

則

W=WL+Wα

（1）

WL·CL+Wα·Cα=W·C（2）由（1）、（2）可得WL/Wα=(Cα-C)/(C-CL)

故WL/Wα=rb/ar

上式還可換寫成

WL/W=rb/ab附錄：杠桿定律的證明222023/2/18求在T2溫度下x1合金中的L和Cd的含量解：1.在T2溫度作水平線交于相區(qū)的邊界線點L2和S，為L和Cd的成分點2.以L2S連線為杠桿，可求出兩相的重量百分含量為

L=OS/L2S×100%

Cd=L2O/L2S×100%Bi-Cd相圖及各成分合金的組織變化示意圖232023/2/18相和組織

從液相中凝固出固相，稱為初晶組織，再從液相中共同凝固出來兩種固相，交替排列，有其形態(tài)的特點，稱為共晶組織，共晶中Cd相與初晶Cd相為同一種相，性質(zhì)完全一樣，其形態(tài)不同。相組成物：把相看作構(gòu)成合金組織的基本單元，如固態(tài)x1合金由Cd相和Bi相組成，Cd相占75%，Bi相占25%組織組成物：按組織形貌的特征來劃分構(gòu)成合金組織的單元，如固態(tài)x1合金由初晶Cd和共晶（Cd+Bi）組成242023/2/18

按杠桿定律計算x1合金在共晶溫度的組織組成物的重量百分數(shù)：

Cd初晶=Em/ED×100%=35/60×100%=58.3%(Cd+Bi)共晶=mD/ED×100%=25/60×100%=41.7%

相組成物？

X2合金：？252023/2/18相圖中其它成分合金凝固時的組織變化：262023/2/181.3用實驗方法測繪二元相圖合金中發(fā)生的所有相轉(zhuǎn)變都同時伴隨著某種物理、化學(xué)性質(zhì)的變化，利用測定合金的某種物理、化學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化找出它們的相變點來測定相圖常用方法熱分析法

X射線分析法金相組織法硬度法電阻法熱膨脹法磁性法……272023/2/181.3.1熱分析法測繪Cu-Ni二元相圖

測定合金的冷卻（或加熱）曲線1.選取有代表性的合金，測繪其冷卻曲線，獲得各合金的相變臨界點2.將同類臨界點成分-溫度圖上連接起來282023/2/181.3.2金相組織法測繪二元相圖通過觀察一系列成分的合金在不同溫度下的組織變化情況，以確定其相變溫度，一