1、理 论 课 教 案章节课题4-3二元合金相图（一）课 型新授课课时2教具学具电教设施多媒体教学目标知识教学点使学生掌握二元相图的基本知识，为学习后面的铁碳相图打好基础，在此基础上了解合金的结晶过程。能力培养点熟悉几种常见的二元合金相图（匀晶相图）；会利用杠杆定律计算相组成物及组织组成物的相对含量。德育渗透点培养学生的职业道德观及互相协作的精神教学重点难点重点掌握合金中的相及相结构类型；熟悉几种常见的二元合金相图。难点利用杠杆定律计算相组成物及组织组成物的相对含量。学法引导1、讲授法 2、讨论法教学内容更新、补充、删节补充金属材料与热处理相关内容参考资料金属学与热处理课后体会教 与 学 互 动
2、设 计教 师 活 动 内 容学生活动内容时间（一）组织教学点名考勤，稳定学生情绪，准备上课（二）提出问题1、合金的基本定义2、固溶体和金属化合物的定义、分类（三）讲授新课4-3二元合金相图（一）1、合金的结晶特点也是形核与长大，但有自己的特点：（1）不是恒温下进行的，有一定的结晶温度范围。（2）结晶过程中不只有一个固相和液相，而是在不同范围内有不同的相，各相成分也变化。因此，合金的结晶过程要复杂些，单用一条冷却曲线难以说清楚。为了研究合金的结晶过程及合金组织的变化规律，需借用一个工具相图。2、二元合金相图的基本知识（1）相图（平衡图、状态图）表示在平衡状态下，合金的组成相或组织状态与温度、压力
3、、成分之间关系的简明图解（一般在常压下，故压力参数可不考虑）。所谓平衡状态是指合金的成分、质量份数不再随时间而变化的一种状态。合金的极缓慢冷却可近似认为是平衡状态。相图用途：研究合金的相变、组织形成及变化的规律； 制定热加工工艺的重要工具。（2）表示方法纯金属可用一条温度轴表示出不同温度下的相状态。 T/ L 1083 S 纯Cu t/h 相图二元合金的组成相不仅与温度有关，还与合金的成分有关。因此，不能用一条温度轴表示，还需增加一个成分坐标轴。如Cu-Ni相图 T/ 1455液相线 L L+ 固相线 1083 Cu Ni Ni% 说明点、线、区的定义即相图分析：2个点、2条线、3个区。（3）
4、测定方法：热分析法（最常用）（4）杠杆定律设某一成分合金在某温度时处于二元相图的两相区内，那么，S、L两相的重量可借助于“杆杆定律”来求得。以Cu-Ni合金相图为例说明： T/ L 1455 a(x1) c b(x2) 1083 Cu x Ni Ni% 设某一成分为x的Ni，在t温度时，L相的成分为x1的Ni；S相的成分为x2的Ni。L、S两相的重量为WL、W、总重量为W。则有：WL+W=W WLx1+ Wx2 = Wx由此两式得：= 于是，L、S两相得相对重量分数为： L = 100% S = 100%此为“杠杆定律”，只适用于相图中的两相区。因两相重量的计算与力学中的杠杆两端力的计算相似而
5、得名。 W1 ac= W2bc a 支点c b （成分点） = W1 W2 两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应的合金系，称为匀晶系并构成匀晶相图。例如、合金相图等。现以合金相图为例，对匀晶相图及其合金的结晶过程进行分析。匀晶相图1）相图分析相图（见图2.3）为典型的匀晶相图。图中线为液相线，该线以上合金处于液相；线为固相线，该线以下合金处于固相。液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点以及加热时熔化的终点和始点。为液相，是和形成的液溶体；为固相，是和组成的无限固溶体。图中有两个单相区：液相线以上的相区和固相线以下的相区。图中还有一个两相区：液相线和固相
6、线之间的+相区。2）合金的结晶过程 图2.6 匀晶合金的结晶过程以点成分的合金(含量为)为例分析结晶过程。该合金的冷却曲线和结晶过程如图2.6所示。首先利用相图画出该成分合金的冷却曲线，在1点温度以上，合金为液相。缓慢冷却至l-2温度之间时，合金发生匀晶反应，从液相中逐渐结晶出固溶体。2点温度以下，合金全部结晶为固溶体。其它成 分合金的结晶过程也完全类似。3）匀晶结晶的特点与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程，且固溶体更趋于呈树枝状长大。固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。在两相区内，温度一定时，两相的成分（即含量）是确定的。确定相成分的方
7、法见2.1.4。两相区内，温度一定时，两相的相对质量是一定的，且符合杠杆定律。固溶体结晶时成分是变化的（相沿变化，相沿变化），缓慢冷却时由于原子的扩散充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（）较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元（）较多。结果造成在一个晶粒之内化学成分的分布不均。这种现象称为枝晶偏析（见图2.7）。枝晶偏析对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。生产上为了消除其影响，常把合金加热到高温（低于固相线100左右），并进行长时间保温，使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体。这种处理称为扩散退火
8、。 图2.7 枝晶偏析示意图（四）课堂小结 点出重点，分析难点（五）布置作业1、复习本次课的内容2、习题册上的习题 3、预习下一节内容准备上课学生思考并回答所提出的问题。学生分组讨论并发言听 讲 记笔记学生思考、讨论准备回答听 讲 记笔记学生认真听课听 讲 记笔记学生认真思考听课记笔记总结归纳结合图形详细讲解学生认真听讲指导学生看书认真听讲记笔记 学生根据老师的提示认真回顾本次课的重点内容2分5分5分5分10分10分15分10分15分5分5分3分理 论 课 教 案章节课题4-3二元合金相图（二）课 型新授课课时2教具学具电教设施多媒体教学目标知识教学点使学生掌握二元相图的基本知识，为学习后面的
9、铁碳相图打好基础，在此基础上了解合金的结晶过程。能力培养点熟悉几种常见的二元合金相图（共晶相图）；会利用杠杆定律计算相组成物及组织组成物的相对含量。德育渗透点培养学生的职业道德观及互相协作的精神教学重点难点重点掌握合金中的相及相结构类型；熟悉几种常见的二元合金相图。难点利用杠杆定律计算相组成物及组织组成物的相对含量。学法引导1、讲授法 2、讨论法教学内容更新、补充、删节补充金属材料与热处理相关内容参考资料金属学与热处理课后体会教 与 学 互 动 设 计教 师 活 动 内 容学生活动内容时间（一）组织教学点名考勤，稳定学生情绪，准备上课（二）提出问题1、二元合金相图的基本定义2、杠杆定律的应用3
10、、匀晶相图（三）讲授新课4-3二元合金相图（二）三、共晶相图两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生共晶反应的合金系，称为共晶系并构成共晶相图。例如、合金相图等。现以合金相图为例，对共晶相图及其合金的结晶过程进行分析。1 相图分析合金相图（图2.8）中，为液相线，为固相线。合金系有三种相:与形成的液溶体相，溶于中的有限固溶体相，溶于中的有限固溶体相。相图中有三个单相区（、相区）；三个两相区（+、+、+相区）；一条+的三相并存线（水平线）。 图2.8 Pb-Sn合金相图及成分线点为共晶点，表示此点成分（共晶成分）的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度）时，共同结晶出点成分的相和点成分的相
11、：。这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合物（层片相间）叫共晶体。发生共晶反应时有三相共存，它们各自的成分是确定的，反应在恒温下平衡地进行着。水平线为共晶反应钱，成分在之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。线为在中的溶解度线（或相的固溶线）。温度降低，固溶体的溶解度下降。含量大于点的合金从高温冷却到室温时，从相中析出相以降低其 含量。从固态相中析出的相称为二次，常写作。这种二次结晶可表达为：。线为在中的溶解度线（或相的固溶线）。含量小于点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次：。2.3.2 典型合金的结晶过程2.3.2.1 合金合金的平衡结晶过程（如
12、图2.9所示）。液态合金冷却到1点温度以后，发生匀晶结晶过程，至2点温度合金完全结晶成固溶体，随后的冷却（2-3点间的温度），相不变。从3点温度开始，由于在中的溶解度沿线降低，从中析出，到室温时中含量逐渐变为点。最后合金得到的组织为+。其组成相是点成分的相和点成分的相。运用杠杆定律，两相的相对质量为： 合金的室温组织由和组成，和即为组织组成物。组织组成物是指合金组织中那些具有确定本质，一定形 图2.9 合金结晶过程示意图成机制和特殊形态的组成部分。组织组成物可以是单相，或是两相混合物。 合金的室温组织组成物和皆为单相，所以它的组织组成物的相对质量与组成相的相对质量相等。2.3.2.2 合金 合
13、金为共晶合金，其结晶过程如图2.10所示。合金从液态冷却到1点温度后，发生共晶反应：，经一定时间到时反应结束，全部转变为共晶体（）。从共晶温度冷却至室温时，共晶体中的和均发生二次结晶，从中析出，从中析出。的成分由点变为点，的成分由点变为点；两种相的相对质量依杠杆定律变化。由于析出的和都相应地同和相连在一起，共晶体的形态和成分不发生变化，不用单独考虑。合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为和相。 图2.10共晶合金结晶过程示意图 图2.11 亚共晶合金结晶过程示意图2.3.2.3 合金合金是亚共晶合金，其结晶过程如图2.11所示。合金冷却到1点温度后，由匀晶
14、反应生成固溶体，此乃初生固溶体。从1点到2点温度的冷却过程中，按照杠杆定律，初生的成分沿线变化，液相成分沿线变化；初生逐渐增多，液相逐渐减少。当刚冷却到2点温度时，合金由点成分的初生相和点成分的液相组成。然后剩余液相进行共晶反应，但初生相不变化。经一定时间到点共晶反应结束时，合金转变为。从共晶温度继续往下冷却，初生中不断析出，成分由点降至点；此时共晶体如前所述，形态、成分和总量保持不变。合金的室温组织为初生+。合金的组成相为和，它们的相对质量为：。合金的组织组成物为：初生、和共晶体。它们的相对质量须两次应用杠杆定律求得。根据结晶过程分析，合金在刚冷到2点温度而尚未发生共晶反应时，由和两相组成，
15、它们的相对质量为：。其中，液相在共晶反应后全部转变为共晶体，因此这部分液相的质量就是室温组织中共晶体质量，即： 。初生冷却时不断析出，到室温后转变为和。按照杠杆定律，占+质量百分数为（注意，杠杆支点在点）；占的为。由于+的质量等于的重量，即+在整个合金中的重量百分数为，所以在合金室温组织中，和分别所占的相对质量为：。这样，合金在室温下的三种组织组成物的相对质量为：。成分在之间的所有亚共晶合金的结晶过程均与合全相同，仅组织组成物和组成相的相对质量不同。成分越靠近共晶点，合金中共晶体的含量越多。位于共晶点右边，成分在之间的合金为过共晶合金（如图2.8中的合金）。它们的结晶过程与亚共晶合金相似，也包
16、括匀晶反应、共晶反应和二次结晶等三个转变阶段；不同之处是初生相为固溶体，二次结晶过程为。所以室温组织为。2.3.3 标注组织的共晶相图我们研究相图的目的是要了解不同成分的合金室温下的组织构成。因此，根据以上分析，将组织标注在相图上。以便很方便地分析和比较合金的性能，并使相图更具有实际意义。如图2.12所示。从图中可以看出，在室温下点及其左边成分的合金的组织为单相，点及其右边成分的合金的组织为单相，之间成分的合金的组织由和两相组成。即合金系的室温组织自左至右相继为：、+、+、。 图2.12 标注组织的共晶相图由于各种成分的合金冷却时所经历的结晶过程不同，组织中所得到的组织组成物及其数量是不相同的
17、。这是决定合金性能最本质的方面。（四）课堂小结 点出重点，分析难点（五）布置作业1、复习本次课的内容2、习题册上的习题 3、预习下一节内容准备上课学生思考并回答所提出的问题。学生分组讨论并发言听 讲 记笔记学生思考、讨论准备回答听 讲 记笔记学生认真听课听 讲 记笔记学生认真思考听课记笔记总结归纳结合图形详细讲解学生认真听讲指导学生看书认真听讲记笔记 学生根据老师的提示认真回顾本次课的重点内容2分5分5分15分10分15分15分15分5分3分理 论 课 教 案章节课题4-3二元合金相图（三）课 型新授课课时2教具学具电教设施多媒体教学目标知识教学点使学生掌握二元相图的基本知识，为学习后面的铁碳
18、相图打好基础，在此基础上了解合金的结晶过程。合金力学性能与相图的关系能力培养点熟悉几种常见的二元合金相图（包晶相图）；会利用杠杆定律计算相组成物及组织组成物的相对含量。合金力学性能与相图的关系德育渗透点培养学生的职业道德观及互相协作的精神教学重点难点重点掌握合金中的相及相结构类型；熟悉几种常见的二元合金相图。难点利用杠杆定律计算相组成物及组织组成物的相对含量。合金力学性能与相图的关系学法引导1、讲授法 2、讨论法教学内容更新、补充、删节补充金属材料与热处理相关内容参考资料金属学与热处理课后体会教 与 学 互 动 设 计教 师 活 动 内 容学生活动内容时间（一）组织教学点名考勤，稳定学生情绪，
19、准备上课（二）提出问题1、二元合金相图的基本定义2、杠杆定律的应用3、共晶相图（三）讲授新课4-3二元合金相图（三）四、包晶相图两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生包晶反应的合金系，称为包晶系并构成包晶相图。例如、合金相图等。现以合金相图为例，对包晶相图及其合金的结晶过程进行分析。1 相图分析合金相图（图2.13）中存在三种相：与形成的液溶体相；溶于中的有限固溶体相；溶于中的有限固溶体相。点为包晶点。点成分的合金冷却到点所对应的温度（包晶温度）时发生以下反应： 图2.13 Pt-Ag 合金相图这种由一种液相与一种固相在恒温下相互作用而转变为另一种固相的反应叫做包晶反应。发生包晶反应
20、时三相共存，它们的成分确定，反应在恒温下平衡地进行。水平线为包晶反应线。 为在中的溶解度线，为在中的溶解度线。2 典型合金的结晶过程1） 合金 合金的结晶过程如图2.14所示。液态合金冷却到1点温度以下时结晶出固溶体，相成分沿线变化，相成分沿线变化。合金刚冷到2点温度而尚未发生包晶反应前，由点成分的相与点成分的相组成此两相在点温度时发生包晶反应，相包围相而形成。反应结束后，相与相正好全部反应耗尽，形成点成分的固溶体。温度继续下降时，从中析出。最后室温组织为。其组成相和组织组成物的成分和相对重量可根据杠杆定律来确定。在合金结晶过程中，如果冷速较快，包晶反应时原子扩散不能充分进行，则生成的固溶体中
21、会发生较大的偏析。原处含量较高，而原区含量较低。这种现象称为包晶偏析。包晶偏析可通过扩散退火来消除。图2.14 合金结晶过程示意图 图2.15 合金结晶过程示意图2.4.2.2 合金 合金的结晶过程如图2.15所示。液态合金冷却到1点温度以下时结晶出相，刚至2点温度时合金由点成分的液相和点成分的相组成，两相在2点温度发生包晶反应，生成固溶体。与合金不同，合金在包晶反应结束之后，仍剩余有部分固溶体。在随后的冷却过程中，和中将分别析出和，所以最终室温组织为。五、共析相图与含有稳定化合物的相图除了上述三个基本相图以外，还经常用到一些特殊相图。如共析相图、含有稳定化合物的相图等。1 共析相图如图2.1
22、6所示，其下半部分为共析相图，形状与共晶相图相似。点成分（共析成分）的合金（共析合金）从液相经匀晶反应生成相后，继续冷却到点温度（共析温度）时，发生共析反应，共析反应的形式类似于共晶反应，而区别在于它是由一个固相（相）在恒温下同时析出两个固相（点成分的相和点成分的相）。反应式为；，此两相的混合物称为共析体(层片相间)。各种成分的合金的结晶过程的分析同于共晶相图。但因共析反应是在固态下进行的，所以共析产物比共晶产物要细密的多。2 含有稳定化合物的相图在有些二元合金系中组元间可能形成稳定化合物。稳定化合物具有一定的化学成分、固定的熔点，且熔化前不分解，也不发生其它化学反应。如图2.17为相图，稳定
23、化合物在相图中是一条垂线，可以把它看作成一个独立组元而把相图分为两个独立部分。 图2.16 共析相图 图2.17 Mg-Si合金相图六、合金的性能与相图的关系1 合金的力学性能和物理性能相图反映出不同成分合金室温时的组成相和平衡组织，而组成相的本质及其相对含量、分布状况又将影响合金的性能。图2.18示意表明了相图与合金力学性能及物理性能的关系。图形表明，合金组织为两相混合物时，如两相的大小与分布都比较均匀，合金的性能大致是两相性能的算术平均值，即合金的性能与成分呈直线关系。此外，当共晶组织十分细密时，强度、硬度会偏离直线关系而出现峰值（如图中虚线所示）。单相固溶体的性能与合金成分呈曲线关系，反
24、映出固溶强化的规律。在对应化合物的曲线上则出现奇异点。2 合金的铸造性能图2.19表示了合金铸造性能与相图的关系。液相线与固相线间隔越大，流动性越差，越易形成分散的孔洞（称分散缩孔，也称缩松）。共晶合金熔点低，流动性最好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔。因此铸造合金宜选择共晶或近共晶成分，有利于获得健全铸件。图2.18 合金的使用性能与相图关系示意图 图2.19 合金的铸造性能与相图关系示意图3 相图的局限性 最后应当指出应用相图时的局限性。首先，相图只给出平衡状态的情况，而平衡状态只有很缓慢冷却和加热，或者在给定温度长时间保温才能满足，而实际生产条件下合金很少能达到平衡状态。因此用相图分析
25、合金的相和组织时，必须注意该合金非平衡结晶条件下可能出现的相和组织以及与相图反映的相和组织状况的差异。其次，相图只能给出合金在平衡条件下存在的相、相的成分和其相对量，并不能反映相的形状、大小和分布，即不能给出合金组织的形貌状态。此外要说明的是，二元相图只反映二元系合金的相平衡关系，实际使用的金属材料往往不只限于两个组元，必须注意其他元素加入对相图的影响，（四）课堂小结 点出重点，分析难点（五）布置作业1、复习本次课的内容2、习题册上的习题 3、预习下一节内容准备上课学生思考并回答所提出的问题。学生分组讨论并发言听 讲 记笔记学生思考、讨论准备回答听 讲 记笔记学生认真听课听 讲 记笔记学生认真思考听课记笔记总结归纳学生认真听讲结合图形详细讲解学生根据老师的提示认真回顾本次课的重点内容2分5分5分15分15分10分15分15分5分3分
