4-2二元相圖及其類型

1、第二節(jié) 二元相圖及其類型,一.相圖基本知識,●利用相圖可以獲取的信息,(1)不同成分的材料在不同溫度下存在哪些變化,(2)各穩(wěn)定相的相對量是多少,(3)成分與溫度變化時所可能發(fā)生的變化,下頁,返回,了解相圖的分析和使用方法后，就可以了解合金的組織狀態(tài)，進而預(yù)測合金的性能。另外，可以根據(jù)相圖來制訂合金的鍛造和熱處理工藝。,組元——組成材料最基本的、獨立的物質(zhì)。,合金——有兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬經(jīng)熔煉或用其它方法制成的具有金

2、屬特性的物質(zhì)。,后退,下頁,相——合金中具有同一聚積狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性并以界面相互隔開的均勻組成部分。,相——描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關(guān)系的一種圖解。所謂相即體系中一切具有相同的物理性能與化學(xué)性能的均勻部分，與其它有明顯界面分開，超越界面會有性質(zhì)突變，否則仍為同一相。,●相,后退,下頁,對于合金系統(tǒng)來說，要保持物理性能、化學(xué)性能相同則要滿足：成分相同和結(jié)構(gòu)相同。,●相變——由一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱肆硪幌嗟倪^程。,●相律——f=C-

3、P+2,C—系統(tǒng)組元，P——平衡時共存的相數(shù)目，f——自由度,后退,下頁,●相平衡——L4.3==r2.11+Fe3C6.69 溫度：1148℃,一、相圖的基本知識合金相圖是應(yīng)用圖解的方法，表示合金的成分、平衡相狀態(tài)及外界條件（溫度、壓力等）之間關(guān)系的圖線，它是研究合金中的相變規(guī)律的基礎(chǔ)。,一、單元系相圖,返回,下頁,下圖是水的相圖，在以溫度和壓力為兩坐標(biāo)的平面圖上，表示出水的3種存

4、在狀態(tài)與溫度和壓力的關(guān)系。（如圖）二、合金的相平衡概念及相律 由于相平衡條件的約束，處于平衡狀態(tài)的合金中可能存的相數(shù)，將受到組元數(shù)及外界條件的限制，這種限制可從相平衡的熱力學(xué)條件推處，這就是相律，即 f=C–P+2,返回,下頁,,,,,,水的狀態(tài)示意圖,P,T,水,冰,氣,其中f為系統(tǒng)的自由度數(shù)，C為組元數(shù)，P為相數(shù)。相律表明：在只受外界溫度和壓力影響的平衡系統(tǒng)中，其自由度數(shù)等于組元數(shù)與相數(shù)之差再加上2。所謂

5、自由度，即指獨立可變的因,返回,下頁,素，包括各組成相的成分、數(shù)量及溫度、壓力等。在金屬及合金的制造和應(yīng)用過程中，一般都是在常壓下進行的，因此常把壓力看成一個常數(shù)，相律的表達式可寫成 f=C–P+1,返回,下頁,相律在相圖中的應(yīng)用,,,組元數(shù)（C） 相數(shù)（P） f=C–P+1,,,二元系,2,三元系,3,,,,,,,,單相合金，成分和溫度都可變,兩相

6、平衡，成分、相對量和溫度等因素中只有一個獨立變量,三相平衡，三相的成分、相對量及溫度都確定,單相合金其中兩個組元的含量及溫度三個因素均可變,兩相平衡，兩相的成分、數(shù)量及溫度中有兩個獨立變量,三相平衡，所有變量中只有一個是獨立變量,四相平衡所有因素都確定不變,1,2,3,1,2,3,4,2,1,0,3,2,1,0,含義,,,,下頁,返回,●相圖的建立,上頁,下頁,●杠桿定律,溫度,后退,下頁,二.二元系相圖,1.勻晶相圖,,t

7、A,,,,,,,,A,B,X,1,2,tB,L,,,,,,,0,℃,L,1,2,冷卻曲線,t,℃,B%,后退,下頁,2024/3/25,13,●形成：液態(tài)完全互溶，固態(tài)完全互溶 ，即形成 勻晶相圖。,●冷凝過程：,液相線:合金凝固的開始轉(zhuǎn)變線L=時液相 的平衡成分線 。,固相線:合金凝固終了線L=時固相的平衡成分線。,●組成,,圖5-15,后退,下頁,返回,●不平衡凝固：出現(xiàn)枝晶偏析(主枝與分枝成分不均勻)圖5-16,后退,下頁,固

8、溶體與純金屬結(jié)晶的不同之處：（1）固溶體結(jié)晶是在一個溫度范圍內(nèi)完成的，而純金屬結(jié)晶是在恒溫下完成的。（2）合金結(jié)晶過程中，結(jié)晶出的固相與共寸液相的成分不同，這種結(jié)晶稱為選分結(jié)晶。而純金屬在結(jié)晶過程中，固相與液相的成分始終是相同的。,上頁,下頁,2.共晶相圖,●形成：液相完全互溶，固相有限互溶，有共晶反應(yīng)的相圖。,后退,下頁,后退,下頁,（1）相圖分析 液相線：αe 、be固相線：αm 、bnmf為Sn在P

9、b中的固溶度曲線ng為Pb在Sn中的固溶度曲線三個單相區(qū)：L、α、β三個兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β。三個兩相區(qū)的接觸線men為共晶反應(yīng)線，此線表示三相共存區(qū),后退,下頁,（2）共晶轉(zhuǎn)變 在三相共存水平線men上，兩條液相線匯交于e點。e點以上是液相區(qū)，e點下方是α+β兩相共存區(qū)。這說明，相當(dāng)于e點成分的液相，當(dāng)冷至三相共存線men時會同時結(jié)晶出成分為m的α相與成分為n的β相。,三個單相區(qū)：,三個兩相區(qū)：

10、,后退,下頁,●共晶反應(yīng)：,固相線：,液相線：,●凝固過程：,合金1：,合金2 ：,●組成,,后退,下頁,●不平衡凝固,◆偽共晶,在非共晶成分處獲得100%的共晶組織，只能在非平衡條件下得到。,如圖所示,后退,下頁,后退,下頁,◆不平衡共晶,m點以左，n點以右合金不平衡凝固時出現(xiàn)的共晶組織 。,后退,下頁,◆離異共晶,當(dāng)初相較多，當(dāng)發(fā)生共晶反應(yīng)時，與當(dāng)初相相同的一相優(yōu)先形核，將另一相推到最后處形成，失去了共晶形貌，即組織為離異組織。,上

11、頁,下頁,●包晶相圖,后退,下頁,后退,下頁,后退,下頁,1.包晶型反應(yīng)有何特點？與共晶反應(yīng)相比，你能否總結(jié)其規(guī)律？2.分析其冷凝過程，比較平衡與非平 衡凝固的異同？,上頁,下頁,◆起他類型的二元系相圖（1）熔晶反應(yīng)：一個固相在某一恒溫下分解成一個固相與一個液相的反應(yīng)。（2）合晶反應(yīng)：由兩個不同成分的液相在某一恒溫下生成一個一定成分的固相的反。應(yīng)。（3）偏晶反應(yīng)：在某一恒溫下，由一定成分的液相分解出另一成分的液相，并同時結(jié)晶出一

12、定成分的固相的反應(yīng)。,后退,下頁,（4）共析反應(yīng)：在某一恒溫下，一定成分的固相同時分解成兩個成分與結(jié)構(gòu)不同的固相反應(yīng)。（5）包析反應(yīng)：兩個不同成分的固相，在某一恒溫下相互作用生成另一固相的反應(yīng)。表5-6是對以上反應(yīng)類型的總結(jié),上頁,下頁,后退,下頁,二元相圖的分析方法,一、二元相圖的一些基本規(guī)律（1）相接觸法則：在二元相圖中，相鄰相區(qū)的相數(shù)差為1，點接觸除外。（2）在二元相圖中，三相平衡一定是一條水平線，該向上一定與3個單相區(qū)

13、有點接觸，其中兩點在水平線的兩端，另一點在水平線中間某處，3點對應(yīng)于3個平衡相的成分，此外該線一定與3個兩相區(qū)相鄰。（3）兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與水平線相交處，前者的延長線應(yīng)進入另一個兩相區(qū)。,后退,下頁,四.相圖與性能的關(guān)系,1、根據(jù)相圖判斷材料的力學(xué)性能和物理性能圖5-42所示。1）對于勻晶系，固溶體的強度和硬度均隨溶質(zhì)組元含量的增加而提高。2）固溶體的塑性、電導(dǎo)率隨溶質(zhì)含量的增加而降低。3）電阻隨溶質(zhì)量的增加而增加。,

14、上頁,下頁,對于共晶系和包晶系：1）當(dāng)兩相混合物中兩相的大小及分布都較均勻時，材料的性能是兩組成相的平均值，即呈線性關(guān)系。2）當(dāng)共晶組織十分細(xì)密，且在不平衡結(jié)晶出現(xiàn)偽共晶時，其強度和硬度在共晶成分俯近偏離直線關(guān)系而出現(xiàn)峰值。圖5-42中虛線所示。,上頁,下頁,2、根據(jù)相圖判斷合金的工藝性能合金的鑄造性能主要表現(xiàn)為合金液體的流動性、縮空、熱裂傾向及成分偏析等。1）溫度間隔和成分間隔越大的合金其流動性越差，分散縮空也越多，凝固后的枝