第四章-二元相图课件.ppt

1、Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章1第四章第四章 二元合金相图二元合金相图 Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章2前言前言 物质再温度、压力、成分变化时，其状态会发生变化。相图就是表示物质的状态、压力、温度的关系的简明图解。利用相图，我们可以知道在热力学平衡条件下，各种成分的物质在不同温度、压力下的相组成、各种相的成分、相的相对量。Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章3第一节第一节 相图的基本概念相图的基本概念主要内容如下：相图的定义、表示方法及其测定；相平衡的概念及相平衡的条件；相律Materi

2、alMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章41.相图相图定义合金系中相的状态和组织与成分、温度之间的关系图称为相图（压力恒定）。Material二元合金相图的表示相图的建立1.实验测定法（热分析法）热分析示意图Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章52.相图的建立相图的建立1.匀晶相图的建立匀晶相图MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章62.相图的建立（续）相图的建立（续）2.共晶相图的建立共晶相图MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章73.杠

3、杆定律杠杆定律1.杠杆定律杠杆定律示意图Material%oboaobWWW%oaobWWlaLal100100杠杆定律只适合于两相区1.杠杆定律的表达式在两相区内，两相的重量比与相图中所截两线段成反比。2.应用（1）确定两平衡相的相对含量及各相所占的重量分数（2）确定两平衡相的成分（3）求合金成分MaterialMaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章84.相平衡与相平衡与相律相律1.相平衡合金中各相之间不发生相变（动态平衡）。2.相平衡的条件各组元在各相中的化学位相等。MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图

4、第四章94.相平衡与相律（续相平衡与相律（续）1.相律定义 在平衡条件下，系统的自由度数与相数、组元数之间的关系。表达式在压力恒定的条件下，有：F=C-P+1式中，f 自由度数；C 组元数；P 相数应用1.确定自由度数；2.确定系统由几相平衡共存；MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章10第二节第二节 二元相图的基本类型二元相图的基本类型1.基本内容匀晶转变与匀晶相图共晶转变与共晶相图包晶转变与包晶相图MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章111.匀晶相图与匀晶转变匀晶相图与匀晶转变匀晶转变由液相直接析

5、出单相固溶体的过程。（L)匀晶相图完全具有匀晶转变的相图。（典型：Cu-Ni相图）相图分析 两点：纯组元的熔点；两线：L,S相线；三区：L,L+。MaterialCuNi匀晶相图Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章1212LL+NiCuW Cu%LL1点以上1-2点2点以下30%Cu1.匀晶相图与匀晶转变（续）匀晶相图与匀晶转变（续）Material1.1.匀晶系合金（匀晶系合金（30%Cu30%Cu）凝固过程示意图）凝固过程示意图Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章131.匀晶转变过程中原子扩散示意图匀晶转变过程中原子扩散示意图

6、CuNi 1 2L1.匀晶相图与匀晶转变（续）匀晶相图与匀晶转变（续）MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章141.匀晶相图与匀晶转变（续）匀晶相图与匀晶转变（续）平衡结晶过程平衡结晶就是无限缓慢地冷却，原子扩散非常充分，时时达到相平衡条件的一种结晶方式。固溶体结晶机理与纯金属结晶的相同处与纯金属结晶的不同处1.固溶体的平衡结晶及其组织Material 与纯金属结晶的比较 相同点：基本过程：形核长大；热力学条件：T0；能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。不同点：合金在一个温度范围内 结晶 合金结晶是选分结晶：需成分起伏分 析Material S

7、cienceMay 13,2023二元相图第四章15固溶体的非平衡过程及其组织固溶体的非平衡过程及其组织1.匀晶相图与匀晶转变（续）匀晶相图与匀晶转变（续）MaterialCu-Ni不平衡结晶凝固及组织图Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章161.匀晶相图与匀晶转变（续）匀晶相图与匀晶转变（续）晶内偏析一个晶粒内部成分不均匀的现象（微观偏析）。影响枝晶偏析的因素 冷却速度 相图中L-S相线的间隔 偏析元素的扩散能力消除枝晶偏析的手段产生偏析的实质：原子扩散不充分，造成各处成分不均匀。消除手段：扩散退火（均匀化退火）。1.偏析MaterialMaterial Sc

8、ienceMay 13,2023二元相图第四章172.共晶相图共晶相图1.基本内容共晶相图典型合金的平衡结晶过程初晶与共晶组织共晶合金的不平衡结晶及组织MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章182.共晶相图共晶相图(续）续）共晶转变组成共晶相图的两组元，在液态可无限互溶，而固态只能部分互溶，甚至完全不溶。两组元的混合使合金的熔点比各组元低，因此，液相线从两端纯组元向中间凹下，两条液相线的交点所对应的温度称为共晶温度。在该温度下，液相通过共晶凝固同时结晶出两个固相，这样两相的混合物称为共晶组织或共晶体。以Pb-Sn相图为例：NMEL183Materi

9、alMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章192.共晶相图共晶相图(续）续）Material1.共晶相图 相平衡线MN把相图划分为3 个单相区：L，；3个两相区：L+，L+，+；而L相区在共晶线上部的中间，相区和相区分别位于共晶线的两端。Pb-Sn共晶相图Material2.相图分析附注根据相律，在二元系中，三相共存时，自由度为零，共晶转变是恒温转变，故是一条水平线。图中MF和NG线分别为固溶体和固溶体的饱和溶解度曲线，它们分别表示和固溶体的溶解度随温度降低而减少的变化。Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章202.共晶相图共晶相图(

10、续）续）合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）（1）Wsn19的合金 凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。二次相（次生相）的生成：脱溶转变（二次析出或二次再结晶）。室温组织（）及其相对量计算。Material含10的PbSn合金平衡冷却示意图Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章212.共晶相图共晶相图(续）续）Material1.共晶合金（含61.9Sn）w(sn)61.9%的合金为共晶合金。该合金从液态缓冷至183时，液相LE同时结晶出和两种固溶体，这一过程在恒温下进行，直至凝固结束。继续冷却时，共晶体中和相将各自沿MF和NG溶解度曲线变化而改变其

11、固溶度，附注2.共晶组织MaterialPbSi共晶组织从和中分别析出II和II。由于共晶体中析出的次生相常与共晶体中同类相结合在一起，所以在显微镜下难以分别出来，所以室温组织为Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章222.共晶相图共晶相图(续）续）1.亚共晶合金（19%Sn61.9%）成分位于M，E两点之间的合金称为亚共晶合金，因为它的成分低于共晶成分而只有部分液相可结晶成共晶体。室温组织通常可写为 初+(+)+IIMaterial2.亚共晶合金（19%Sn61.9%）MaterialPbSn亚共晶结晶过程示意图附注液相共晶反应生成的(+)在冷却过程中，会同时沿

12、MF和NG变化，析出II和II，但是II和II 量很少，同时分别依附在 上，不易分辨，所以室温组织为初+(+)+IIMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章232.共晶相图共晶相图(续）续）1.过共晶合金成分位于E，N两点之间的合金称为过共晶合金。其平衡凝固过程及平衡组织与亚共晶合金相似，只是初生相为固溶体而不是固溶体。室温时的组织为初+(+)II。Material2.过共晶合金组织 MaterialPbSn过共晶组织Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章242.共晶相图共晶相图(续）续）1.共晶相图的组织MaterialPbSn共晶相

13、图组织分布图Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章253.共晶组织形态共晶组织形态1.三种常见共晶组织的立体图MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章263.共晶组织形态（续）共晶组织形态（续）Material1.几种常见共晶组织的图Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章273.共晶组织形态（续）共晶组织形态（续）1.搭桥方式生长的共晶合金MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章284.共晶组织长大过程共晶组织长大过程Material1.层片状共晶

14、的长大过程 成分互惠交替形核 片间搭桥促进生长 两相交替分布 共晶组织Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章295.共晶合金的不平衡结晶及组织共晶合金的不平衡结晶及组织伪共晶 不是共晶成分的合金获得全部共晶体的组织。离异共晶 在共晶相数量较多而共晶体数量很少的情况下，共晶体中与初晶相同的一相往往依附于初晶生长，而使共晶中的另一组成相留在晶界或枝间处，从而看不出典型的共晶组织形态。把这种两相分离的共晶组织称为离异共晶。MaterialMaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章305.共晶合金的不平衡结晶及组织（续共晶合金的不

15、平衡结晶及组织（续）1.共晶合金的不平衡结晶MaterialMaterial2.共晶合金的不平衡结晶组织Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章316.包晶相图包晶相图1.基本内容包晶相图典型合金的平衡结晶包晶转变机理及不平衡结晶MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章326.包晶相图（续）包晶相图（续）1.包晶相图 具有包晶转变特征的 相图。2.包晶转变一定成分的液相和一定成分的固相在恒温下转变成为另一固相。以Pt-Ag相图为例：LC+P DMaterialPtAg包晶相图附注E点和书上的P点不一样MaterialMat

16、erial ScienceMay 13,2023二元相图第四章331.典型合金的平衡结晶（1）w(Ag)为42.4的PtAg合金 结晶过程：液相：AC 固相：AP PDC发生共晶反应 LC+P D 室温组织：。6.包晶相图（续）包晶相图（续）MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章341.典型合金的平衡结晶（2）42.4w(Ag)66.3的pt-Ag 结晶过程：合金II缓冷至包晶转变前的结晶过程与上述包晶成分合金相同，由于合金H中的液相的相对量大于包晶转变所需的相对量，所以包晶 转变后，剩余的液相在继续冷却过程中，将按匀晶转变方式 继续结 晶出产相，

17、其成分沿CB液相线变化，而b相的成分沿DB线变化，直 至t3温度全部凝固结束。室温组织：。6.包晶相图（续）包晶相图（续）MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章351.典型合金的平衡结晶（3）10.5w(Ag)42.4 的 Pt-Ag合金 结晶过程：合金III在包晶反应前的 结晶情况与（2）情况相似。室温组织：6.包晶相图（续）包晶相图（续）MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章366.包晶相图（续）包晶相图（续）1.包晶转变机理及不平衡结晶 包晶转变的产物相包围着初生相a，使液相与a相隔开，阻止了液相

18、和a相中原子之间直接地相互扩散，而必须通过相，这就导致了包晶转变的速度往往是极缓慢的.显然，影响包晶转变能否进行完全的主要矛盾是所形成新相内的扩散速率。实际生产中的冷速较快，包晶反应所依赖的固体中的原子扩散往往不能充分进行，导致包晶反应的不完全性，即在低于包晶温度下，将同时存在未参与转变的液相和a相，其中液相在继续冷却过程可能直接结晶出b相或参与其他反应，而a相仍保留在相的心部，形成包晶反应的非平衡组织.2.扩散退火可以消除或改善包晶偏析MaterialMaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章377.包晶转变的应用包晶转变的应用1.细化晶粒 2.轴承

19、合金MaterialMaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章388.其它类型的二元合金相图其它类型的二元合金相图1.具有稳定化合物的相图 稳定化合物加热时具有固定的熔点，在熔点以下保持固有的结构不发生分解。在相图上把这种化合物看做一个独立组元，用一条垂线表示，并把相图分成两个独立的相图。例：Mg-Si系MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章398.其它类型的二元合金相图（续）其它类型的二元合金相图（续）2.具有共析反应的相图 共析转变 一定成分的固相在恒温下同时析出两个不同成分的固相。（属于共晶型转变，但

20、是没有液相参与反应）例：Fe-Fe3C系：Material69.630218.077.0CFe（PSK共析线）Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章40小结小结1.二元相图中，有水平线的地方必有三相平衡反应。2.三相平衡反应中，有液相参加的三相平衡反应“晶”；没有液相参加的三相平衡反应“析”MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章419.二元相图的分析方法及应用二元相图的分析方法及应用基本内容1.二元相图的一些几何规律v 相区接触法则v 二元相图中的三元平衡区必定是一条等温水平线。2.相区分析的一般步骤3.二元相图的应用

21、MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章429.二元相图的分析方法及应用（续）二元相图的分析方法及应用（续）相区接触法则相图中相邻相区的相数差为一（点接触除外）。即两个单相区之间必定有一个由这两个组成的两相区；两个两相区之间必须以单相区或三相区（水平线）隔开。二元相图中的三相平衡区必定是一条等温水平线。相律：f=C-P+1=2-3+1=01.二元相图的一些几何规律MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章43 看相图中是否存在稳定化合物。如存在的话，则将稳定化合物作为独立组元，把相图分成几个部分进行分析。确定

22、各单相区及其中的相。根据相区接触法则，确定各相区中的组成相，并分析各相界线及成分点的意义。找出三相共存水平线及与其点接触的三个单相区。由三个单相区与水平线的相对位置确定三相平衡转变的性质。应用相图分析具体合金的结晶过程和组织。利用杠杆定律计算两相或两组织的相对量。2.相区分析的一般步骤9.二元相图的分析方法及应用（续）二元相图的分析方法及应用（续）MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章443.二元相图的应用1.应用相图时要注意的问题 相图反映的是平衡条件下相的平衡，而不是组织的平衡。但是可以在相图上标注出各相区的组织组成物。相图给出的是平衡状态时的

23、情况。二元相图只反映二元合金相的平衡关系。9.二元相图的分析方法及应用（续）二元相图的分析方法及应用（续）MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章452.根据相图判断合金的力学性能单相固溶体合金两相混合物合金3.根据相图判断合金的热处理可能性4.判断合金的铸造性能5.判断合金的其它工艺性能压力加工性切削加工性能3.二元相图的应用9.二元相图的分析方法及应用（续）二元相图的分析方法及应用（续）MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章46第四节第四节 铁碳相图和铁碳合金铁碳相图和铁碳合金c%2.11wt.%：碳

24、钢 c%2.11wt.%：铸铁 1.前言MaterialMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章47第四节第四节 铁碳相图和铁碳合金铁碳相图和铁碳合金Fe-C合金的基本相及组织 Fe-Fe3C相图 基本内容：LessonsMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章481.Fe-C合金的基本相及组织合金的基本相及组织1.纯纯Fe（pure iron):C%0.0218wt.%，Tm=1538，有同素异构转变：1394：-Fe-Fe（A4转变），晶体结构由bcc fcc 912：-Fe-Fe（A3转变），晶体结构由 fcc bcc-Fe在770

25、恒温下发生磁性转变（A2转变）；2.C在在Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体 铁素体（ferrite）C在-Fe中的固溶体，bcc晶格，含C量低，C%max=0.0218wt.%（727），常用或F表示；奥氏体（austenite）C在-Fe中的固溶体，fcc晶格，C%max=2.11wt.%（1148），常用或A表示Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章491.Fe-C合金的基本相及组织合金的基本相及组织(续续)3.渗碳体（渗碳体（Fe3C,cementite）Fe3C：Fe与C的化合物（复杂间隙相，C%=6.69wt.%）硬而脆，塑性差，网状、粒状、条状等（由热

26、处理条件决定）4.珠光体（珠光体（pearlite)共析转变的产物（共析体)，与Fe3C的机械混合物，常用P表示，性能位于与Fe3C之间。5.莱氏体（莱氏体（ledeburite）共晶转变的产物（共晶体），共析线以上温度为与Fe3C的机械混 合物 高温莱氏体（Ld）；共析线以下温度为P与Fe3C的机械混 合物 低温莱氏体（Ld）。来氏体通常硬而脆，通常呈鱼骨状。6.石墨（石墨（graphite）单质的C（100%C），多出现在铸铁组织中，强度、硬度、塑性都 很低。Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章502.Fe-Fe3C相图相图 1.三条水平线三条水平线 包晶转

27、变 1495，HJB：L0.53+0.090.17；共晶转变 即 L Ld 1148，ECF：L0.43(2.11 +Fe3C6.69)共析转变 即 P，727，PSK（A1线）：0.77(0.0218+Fe3C6.69)本节的主要内容是阐述相图中的几条重要线。LessonsMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章512.Fe-Fe3C相图相图(续续)2.三条重要的固态相变线三条重要的固态相变线GS线（A3线）合金在冷却过程中，的开始 线，也是加热时的终了线。ES线（Acm线）C在中的固溶线，合金从1148 到727时，从中析出Fe3C，2.11 0.77+Fe3C

28、6.69PQ线C在中的固溶线，合金从1148 冷到室温时，从中析出Fe3C，0.0218 0.001+Fe3C6.69LessonsMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章522.Fe-Fe3C相图相图(续续)3.其它线其它线A2线（770）的磁性转变线，770时为 铁磁性A0线（230）Fe3C的磁性转变线，230时 Fe3C为铁磁性LessonsMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章532.Fe-Fe3C相图相图(续续)4.典型合金的结晶过程1）工业纯铁w(C)0.0218%;2)共析钢w(C)=0.77%；3)亚共析钢0.0218

29、%w(C)0.77%；4)过共析钢0.77%w(C)2.11%；5)共晶白口铁w(C)=4.30%；6)亚共晶白口铁2.11%w(C)4.30%；7)过共晶白口铁4.30%w(C)6.69%；LessonsMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章54L-Fe-Fe-FeFeFe3C06.697271148 14950.772.114.30PLdL+Ld+Fe3CP+Fe3C+LdP+P+Fe3CA1A3ACm+1227L+Fe3CLd钢铸铁5.以组织标注的以组织标注的Fe-Fe3C相图相图 Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章552.

30、Fe-Fe3C相图相图(续续)6.Fe-Fe3C相图的组织相图的组织 Lessons工业纯铁亚共析钢共析钢 过共析钢 亚共晶铸铁 共晶铸铁 过共晶铸铁Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章562.Fe-Fe3C相图相图(续续)6.Fe-C合金的分类及其组织合金的分类及其组织 类别合金C%(wt.%)组织举例纯铁0.0218+Fe3C 钢亚共析钢0.02180.77 +P+Fe3C 45钢、20钢 共析钢0.77 P T8 过共析钢0.772.11 P+Fe3C T10、T12 铸铁亚共晶白口铁2.114.3 高温：+Ld+Fe3C 室温：P+Ld+Fe3C 共晶白

31、口铁4.3 高温：Ld 室温：Ld 过共晶白口铁4.36.69 高温：Ld+Fe3C 室温：Ld+Fe3C 注：铸铁中的C以Fe3C形式存在，其断口通常呈白亮色，故称为白口铸铁。LessonsMaterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章573.C3.C对对Fe-CFe-C合金组织和性能的影响合金组织和性能的影响 1-1.对组织的影响对组织的影响 碳含量对Fe-C合金组织的影响的示意图如下：Material图中，F 铁素体；P 烛光体；Ld 莱氏体；Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章583.C3.C对对Fe-CFe-C合金组织和性能的影响

32、（续）合金组织和性能的影响（续）1-2.对性能的影响对性能的影响 Material含碳量对Fe-C合金力学性能的影响Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章593.C3.C对对Fe-CFe-C合金组织和性能的影响（续）合金组织和性能的影响（续）1-3.对工艺性能的影响 适合锻造：C%2.11%，可得到单相组织。适合铸造：C%4.3%。，流动性好。适合冷塑变：C%100倍才可见）Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章685.2铸造缺陷铸造缺陷(续续)Material2-1.1 宏观偏析宏观偏析定义定义 宏观偏析又称为区域偏析，是指铸锭先结

33、晶区域与后结晶区域的成分不同，宏观偏析不能通过均匀化退火消除或减轻。Definition分类分类 根据铸锭先结晶区域与后结晶区域的成分不同，宏观偏析可以划分为以下三类：正偏析；反偏析；比重偏析；Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章695.2铸造缺陷铸造缺陷(续续)Material2-1.1 宏观偏析（续）宏观偏析（续）正偏析（正常偏析）正偏析（正常偏析）K01时，情况相反；反偏析反偏析K01时，先凝固的外层的溶质含量高，后凝固的内层的溶质含量低；比重偏析比重偏析铸锭上下区域之间的成分不均匀；Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章70

34、5.2铸造缺陷铸造缺陷(续续)Material2-1.2 显微偏析显微偏析定义定义 显微偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀，显微偏析可以通过均匀化退火消除或减轻。Definition分类分类 根据一个晶粒内部的成分不均匀情况，显微偏析可以划分为以下三类：枝晶偏析；晶界偏析；胞状偏析；Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章715.2铸造缺陷铸造缺陷(续续)Material2-1.2 显微偏析（续）显微偏析（续）枝晶偏析（晶内偏析）枝晶偏析（晶内偏析）树枝晶的主干与枝晶间隙之间的成分不均匀。胞状偏析胞状偏析胞壁与胞心的成分不均匀。晶界偏析晶界偏析晶界与晶内成分不均匀。M

35、aterial ScienceMay 13,2023二元相图第四章725.2铸造缺陷铸造缺陷(续续)Material2-2 缩孔与缩松缩孔与缩松1.定义定义 合金凝固发生收缩时没有得到足够液体的补充而形成的收缩孔洞。2.分类分类缩孔集中缩孔分散缩孔中心疏松一般疏松缩穴缩管Material ScienceMay 13,2023二元相图第四章735.2铸造缺陷铸造缺陷(续续)Material2-3 气孔与夹杂气孔与夹杂1.气孔（气泡）气孔（气泡）合金在凝固过程中因气体的析出而形成的孔洞。包括析出型气孔和反应型气孔。析出型气孔析出型气孔 熔炼过程中溶解的气体在金属凝固时析出。反应型气孔反应型气孔 气体来源于液体中的某些化学反应。2.夹杂（杂质）夹杂（杂质）外来夹杂外来夹杂 从外界（浇注系统、铸模等）混入到溶液中的夹杂物。内生夹杂内生夹杂 在冶炼过程中发生内部反应生成的夹杂物。