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1、1材料科学基础材料科学基础II1.二元相图和合金的凝固与制备原理二元相图和合金的凝固与制备原理(第第7章章)2.三元相图三元相图(第第8章章)3.材料的形变和再结晶材料的形变和再结晶(第第5章章)4.材料的亚稳态材料的亚稳态(第第9章章)2第第7章章 二元系相图和合金的二元系相图和合金的 凝固与制备原理凝固与制备原理7.1 7.1 相图的表示和测定方法相图的表示和测定方法7.2 7.2 相图热力学的基本要点相图热力学的基本要点7.3 7.3 二元相图分析二元相图分析7.4 7.4 二元合金的凝固理论二元合金的凝固理论7.5 7.5 高分子合金概述高分子合金概述7.6 7.6 陶瓷合金概述陶瓷合
2、金概述3相图的意义47.1 相图的表示和测定方法相图的表示和测定方法对对于于成成分分单单一一的的纯纯物物质质，如如纯纯水水、纯纯金金属属、纯纯氧氧化化物物等等，由由于没有成分的变化，一般采用于没有成分的变化，一般采用压力压力(Pressure)-温度温度(Temperature)相图相图(PTphasediagrams)5对对于于常常用用的的合合金金相相图图，因因为为压压力力的的影影响响很很小小，况况且且一一般般都都是是处处在在1个个大大气气压压的的条条件件下下，所所以以不不再再把把压压力力当当作作变变量量考考虑虑，而而采用温度采用温度-成分相图成分相图(temperature-composi
3、tionphasediagram)1.相图的表示相图的表示温度温度成分坐标系成分坐标系坐标系中的点：表象点坐标系中的点：表象点成分表示：成分表示：质量分数质量分数wt.%摩尔分数摩尔分数at.%6 组元、组元、相对原子（分子）质量相对原子（分子）质量:A ArA、A ArB 质量分数质量分数:w wA 、w wB 摩尔分数摩尔分数:x xA、x xB 并且并且w wA+w wB=100%,x xA+x xB=100%7 例题例题1 1：计算计算w w Ni为为8%8%的的CuCu NiNi合金的摩尔分数。合金的摩尔分数。(Cu(Cu(Cu(Cu和和和和NiNiNiNi的相对原子质量，分别为的相
4、对原子质量，分别为的相对原子质量，分别为的相对原子质量，分别为63.5563.5563.5563.55和和和和58.71)58.71)58.71)58.71)82.相图的建立相图的建立建建立立相相图图的的关关键键是是要要准准确确地地测测出出各各成成分分合合金金的的相相变变临界点临界点(临界温度临界温度)。由由于于合合金金凝凝固固时时的的结结晶晶潜潜热热较较大大，结结晶晶时时冷冷却却曲曲线线上上的的转转折折比比较较明明显显，因因此此常常用用热热分分析析法法来来测测合合金金的的结晶温度，即测液相线、固相线。结晶温度，即测液相线、固相线。测测临临界界点点的的方方法法通通常常有有热热分分析析法法、硬硬
5、度度法法、金金相相分分析、析、X射线结构分折、磁性法、膨胀法、电阻法等。射线结构分折、磁性法、膨胀法、电阻法等。9例：热分析法测定二元例：热分析法测定二元例：热分析法测定二元例：热分析法测定二元Cu-NiCu-NiCu-NiCu-Ni合金合金合金合金1)1)配置配置配置配置不同成分不同成分不同成分不同成分的的的的Cu-NiCu-Ni合金，测出各合金的合金，测出各合金的合金，测出各合金的合金，测出各合金的冷却曲线冷却曲线冷却曲线冷却曲线，找出曲线上的找出曲线上的找出曲线上的找出曲线上的临界点临界点临界点临界点（停歇点或转折点）。（停歇点或转折点）。（停歇点或转折点）。（停歇点或转折点）。10热分
6、析法热分析法时间温度凝固开始凝固终了LL+SS11例：热分析法测定二元例：热分析法测定二元例：热分析法测定二元例：热分析法测定二元Cu-NiCu-NiCu-NiCu-Ni合金合金合金合金1)1)配置配置配置配置不同成分不同成分不同成分不同成分的的的的Cu-NiCu-Ni合金，测出各合金的合金，测出各合金的合金，测出各合金的合金，测出各合金的冷却曲线冷却曲线冷却曲线冷却曲线，找出曲线上的找出曲线上的找出曲线上的找出曲线上的临界点临界点临界点临界点（停歇点或转折点）。（停歇点或转折点）。（停歇点或转折点）。（停歇点或转折点）。2)2)将临界点将临界点将临界点将临界点标在温度标在温度标在温度标在温度
7、-成分坐标中的成分垂线上。成分坐标中的成分垂线上。成分坐标中的成分垂线上。成分坐标中的成分垂线上。3)3)用光滑曲线将垂线上相同意义的用光滑曲线将垂线上相同意义的用光滑曲线将垂线上相同意义的用光滑曲线将垂线上相同意义的点连接起来。点连接起来。点连接起来。点连接起来。4)4)分析相图：区、线、点。分析相图：区、线、点。分析相图：区、线、点。分析相图：区、线、点。12Cu-Ni相图相图Cu30%Ni50%Ni70%Ni100%Ni时间温度CuNi305070wNi(%)L13 由凝固开始温度连接起来的线成为由凝固开始温度连接起来的线成为液相线液相线 由凝固终了温度连接起来的线成为由凝固终了温度连接
8、起来的线成为固相线固相线 相图中由相界线划分出来的区域称为相图中由相界线划分出来的区域称为相区相区,表明表明 在此范围内存在的平衡相类型和数目。在此范围内存在的平衡相类型和数目。相律：相律：表示在平衡条件下，系统的表示在平衡条件下，系统的自由度数自由度数(f)、组元数组元数(c)和和平衡相数平衡相数(p)之间的关系式。之间的关系式。f=cp+1147.2 相图热力学的基本要点相图热力学的基本要点1.固溶体的自由能固溶体的自由能成分曲线成分曲线准化学模型准化学模型:(1)只考虑最近邻分子间的键能，对混合焓只考虑最近邻分子间的键能，对混合焓 Hm作近似处理作近似处理(2)只考虑两种组元不同排列方式
9、产生的混合熵，只考虑两种组元不同排列方式产生的混合熵，不考虑温度引起的振动熵不考虑温度引起的振动熵 当当当当A A、B B两种组元混合形成固溶体的自由能两种组元混合形成固溶体的自由能两种组元混合形成固溶体的自由能两种组元混合形成固溶体的自由能相互作用参数15当当当当W WW W000时，出现两个最小值。在时，出现两个最小值。在时，出现两个最小值。在时，出现两个最小值。在E E、F F之间的之间的之间的之间的 成分范围内的体系分解成两个成分范围内的体系分解成两个成分范围内的体系分解成两个成分范围内的体系分解成两个成分成分成分成分不同的固不同的固不同的固不同的固 溶体（溶混间隙）溶体（溶混间隙）溶
10、体（溶混间隙）溶体（溶混间隙）有序固溶体有序固溶体有序固溶体有序固溶体无序固溶体无序固溶体无序固溶体无序固溶体偏聚固溶体偏聚固溶体偏聚固溶体偏聚固溶体16 在任意一相的在任意一相的在任意一相的在任意一相的G-G-G-G-x x x x曲线上，每一点的切线，其两端分别与纵坐曲线上，每一点的切线，其两端分别与纵坐曲线上，每一点的切线，其两端分别与纵坐曲线上，每一点的切线，其两端分别与纵坐标相截，与标相截，与标相截，与标相截，与每一组元的截距表示该组元在固溶体成分为切点每一组元的截距表示该组元在固溶体成分为切点每一组元的截距表示该组元在固溶体成分为切点每一组元的截距表示该组元在固溶体成分为切点成分时
11、的化学势成分时的化学势成分时的化学势成分时的化学势。图中图中图中图中二元系中，两相平衡的热力学条件为二元系中，两相平衡的热力学条件为二元系中，两相平衡的热力学条件为二元系中，两相平衡的热力学条件为3.多相平衡的公切线原理多相平衡的公切线原理17多相平衡公切线法则：多相平衡公切线法则：多相平衡公切线法则：多相平衡公切线法则：在某温度下，多相平衡必能在某温度下，多相平衡必能在某温度下，多相平衡必能在某温度下，多相平衡必能做出公切线，切点对应各相做出公切线，切点对应各相做出公切线，切点对应各相做出公切线，切点对应各相平衡时成分。平衡时成分。平衡时成分。平衡时成分。两相平衡时，混合物的自由两相平衡时，
12、混合物的自由两相平衡时，混合物的自由两相平衡时，混合物的自由能位于切点之间直线上。能位于切点之间直线上。能位于切点之间直线上。能位于切点之间直线上。多相平衡时多相平衡时多相平衡时多相平衡时184.混合物的自由能和杠杆法则混合物的自由能和杠杆法则组元：组元：A，B相：相：，物质的量：物质的量：n1，n2摩尔吉布斯自由能：摩尔吉布斯自由能：Gm1，Gm2B组元在组元在 和和 两相中的摩尔分数：两相中的摩尔分数：x1，x2混合物中混合物中B组元的摩尔分数组元的摩尔分数混合物的摩尔吉布斯自由能混合物的摩尔吉布斯自由能19混合物的摩尔吉布斯自由能混合物的摩尔吉布斯自由能Gm应和两组成相应和两组成相 和和
13、 的摩的摩尔吉布斯自由能尔吉布斯自由能Gm1和和Gm2在同一直线上，并且在同一直线上，并且x位于位于x1和和x2之间。之间。两平衡相共存时，各相的成分是切点所对应的成分两平衡相共存时，各相的成分是切点所对应的成分x1和和x2，即固定不变。，即固定不变。20两相相对量的变化两相相对量的变化 杠杆定律杠杆定律 相的相对量相的相对量 相的相对量相的相对量两相平衡时，相含两相平衡时，相含量计算的基本量计算的基本法则法则杠杆法则杠杆法则两相的相对量随体系的成分两相的相对量随体系的成分x 而变而变21 根据公切线原理，可以求出某一温度下平衡相的成分根据公切线原理，可以求出某一温度下平衡相的成分根据公切线原
14、理，可以求出某一温度下平衡相的成分根据公切线原理，可以求出某一温度下平衡相的成分。因此，。因此，。因此，。因此，可根据二元系的不同温度下的自由能可根据二元系的不同温度下的自由能可根据二元系的不同温度下的自由能可根据二元系的不同温度下的自由能成分曲线画出二元系相图。成分曲线画出二元系相图。成分曲线画出二元系相图。成分曲线画出二元系相图。1)1)匀晶相图匀晶相图匀晶相图匀晶相图5.从自由能从自由能-成分曲线推测相图成分曲线推测相图222)2)共晶相图共晶相图共晶相图共晶相图23(1)相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分，所以相的成分，所以
15、相界线是相平衡的体现，平衡相成相界线是相平衡的体现，平衡相成分必须沿着相界线随温度而变化。分必须沿着相界线随温度而变化。6.二元相图的几何规律二元相图的几何规律(2)相区接触法则相区接触法则：在二元相图中，相邻相区的相数差：在二元相图中，相邻相区的相数差为为1。(3)二元相图中的二元相图中的三相平衡三相平衡必为必为一条水平线一条水平线，表示恒温，表示恒温反应。反应。(4)相界线走向规则：相界线走向规则：当两相区与单相区的分界线当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入与三相等温线相交，则分界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区内。另一两相区内，而不会进入单相区内
16、。24252627282930 匀晶转变匀晶转变匀晶转变匀晶转变 匀晶相图及特点匀晶相图及特点匀晶相图及特点匀晶相图及特点 匀晶反应的条件匀晶反应的条件匀晶反应的条件匀晶反应的条件7.3 二元相图分析二元相图分析7.3.1匀晶相图和固溶体凝固匀晶相图和固溶体凝固由液相结晶出单相固溶体的过程由液相结晶出单相固溶体的过程 在固态、液态无限互溶在固态、液态无限互溶在固态、液态无限互溶在固态、液态无限互溶 表示匀晶转变的相图表示匀晶转变的相图表示匀晶转变的相图表示匀晶转变的相图具具具具有相同的晶体结构有相同的晶体结构有相同的晶体结构有相同的晶体结构原子半径接原子半径接原子半径接原子半径接 近近近近(相
17、差不超过相差不超过相差不超过相差不超过1515)相同的原子价相同的原子价相同的原子价相同的原子价相似的电负性相似的电负性相似的电负性相似的电负性ABTATBLL+液相线液相线固相线固相线两相区两相区(单相区单相区)(单相区单相区)只发生只发生只发生只发生 匀晶转变的二元合金：匀晶转变的二元合金：匀晶转变的二元合金：匀晶转变的二元合金：Cu-NiCu-NiCu-NiCu-Ni，Au-AgAu-AgAu-AgAu-Ag，Au-PtAu-PtAu-PtAu-Pt等；等；等；等；二元陶瓷：二元陶瓷：二元陶瓷：二元陶瓷：NiO-CoONiO-CoONiO-CoONiO-CoO,CoO-MgOCoO-Mg
18、OCoO-MgOCoO-MgO,NiO-MgONiO-MgONiO-MgONiO-MgO等等等等L 32特殊特殊匀晶相图：匀晶相图：极点处结晶在恒温下进行，自由度为极点处结晶在恒温下进行，自由度为0 0，而不是，而不是1 1。xL=x 增加了一个增加了一个约束条件约束条件 f=C-P+1-1=2-2+1-1=0f=C-P+1-1=2-2+1-1=0A AA AB BB B如：如：Cu-AuCu-Au如：如：Pb-TlPb-TlL LL L 固溶体合金的平衡凝固固溶体合金的平衡凝固 平衡凝固：是指凝固过程中的每个阶段都能达到平衡，即在相变过程中有充分的时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。3
19、4以以w(Ni)为为30%Cu-Ni合金为例合金为例t1t2t3液、固相线不仅是液、固相线不仅是相区相区分线分线,也是结晶时也是结晶时两相两相的成分变化线；的成分变化线；匀晶转变是变温转变匀晶转变是变温转变ABCFEHG35以以w(Ni)为为30%Cu-Ni合金为例合金为例t1t2t3ABCFEHG液、固相线不仅是液、固相线不仅是相区相区分线分线,也是结晶时也是结晶时两相两相的成分变化线；的成分变化线；匀晶转变是变温转变匀晶转变是变温转变36以以w(Ni)为为30%Cu-Ni合金为例合金为例t0t1t2t3t1t2t3ABCFEHG组织变化示意图成分起伏成分起伏37结晶中的扩散过程分析结晶中的
20、扩散过程分析38在某一温度下，固溶体在某一温度下，固溶体平衡凝固平衡凝固过程可分为过程可分为三个过三个过程程：1.液相内的扩散过程。液相内的扩散过程。2.固相的继续长大。固相的继续长大。3.固相内的扩散过程。固相内的扩散过程。固溶体的平衡冷却结晶过程可归纳为：固溶体的平衡冷却结晶过程可归纳为：冷冷却却时时遇遇到到液液相相线线开开始始结结晶晶，遇遇到到固固相相线线结结晶晶终终止止，形形成成单单相相均均匀匀固固溶溶体体。在在结结晶晶过过程程中中每每一一温温度度，其其液液相相、固固相相成成分分和和相相对对量量可可由由该该温温度度下下作作水水平平线线与与液液相相线线、固固相相线线的的交交点点及及杠杠杆
21、杆定定理理得得出出。随随温温度度下下降降，固固相相成成分分沿沿固固相相线线变变化化，液液相相成成分分沿沿液液相相线线变变化化，且液相成分减少，固相成分增加，直至结晶完毕且液相成分减少，固相成分增加，直至结晶完毕 。39 相同点：基本过程：形核长大；相同点：基本过程：形核长大；热力学条件：热力学条件：T0T0；能量条件：能量起伏；能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。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：需合金结晶是选分结晶：需成分起伏成分起伏。问答题：从结晶条件和过程分析，纯金属和单相固溶体合金结晶时的异同点？40 例题：例
22、题：图图图图1 1 1 1为一匀晶相图，试根据相图确定：为一匀晶相图，试根据相图确定：为一匀晶相图，试根据相图确定：为一匀晶相图，试根据相图确定：(1)(1)(1)(1)计算计算计算计算w wB B=40%=40%=40%=40%的合金开始凝固出来的固相成分为多少？的合金开始凝固出来的固相成分为多少？的合金开始凝固出来的固相成分为多少？的合金开始凝固出来的固相成分为多少？(2)(2)(2)(2)若开始凝固出来的固体成分为若开始凝固出来的固体成分为若开始凝固出来的固体成分为若开始凝固出来的固体成分为w wB B=60%=60%=60%=60%，合金的成分为多少？，合金的成分为多少？，合金的成分为
23、多少？，合金的成分为多少？(3)(3)(3)(3)成分为成分为成分为成分为w wB B=70%=70%=70%=70%的合金最后凝固时的液体成分为多少？的合金最后凝固时的液体成分为多少？的合金最后凝固时的液体成分为多少？的合金最后凝固时的液体成分为多少？(4)(4)(4)(4)若合金成分为若合金成分为若合金成分为若合金成分为w wB B=60%=60%=60%=60%，凝固到某温度时液相成分，凝固到某温度时液相成分，凝固到某温度时液相成分，凝固到某温度时液相成分w wB B=40%=40%=40%=40%，固相成，固相成，固相成，固相成分为分为分为分为w wB B=85%=85%=85%=85
24、%，此时液相和固相的相对量各为多少？，此时液相和固相的相对量各为多少？，此时液相和固相的相对量各为多少？，此时液相和固相的相对量各为多少？w wB B41固溶体合金的非平衡凝固固溶体合金的非平衡凝固 非平衡凝固：实际生产中的凝固是在偏离平衡条件下非平衡凝固：实际生产中的凝固是在偏离平衡条件下进行的，这种凝固过程称为非平衡凝固。进行的，这种凝固过程称为非平衡凝固。（1 1）原因）原因:冷速快冷速快 （2 2）结晶过程特点：液相成分按）结晶过程特点：液相成分按液相平均成分线液相平均成分线变化变化 固相成分按固相成分按固相平均成分线固相平均成分线变化变化 （但每一时刻均符合相图）；（但每一时刻均符合
25、相图）；结晶的温度范围增大；结晶的温度范围增大；组织多为树枝状。组织多为树枝状。X X0TTA AB BT T1 1123L L1 1L L2 2L L3 3T T4 4T T3 3T T2 2L L4 44T4423L4L3L2L1T11T2121T323固溶体合金的非平衡凝固固溶体合金的非平衡凝固 23X X0TTA AB BT T1 1123L L1 1L L2 2L L3 3T T4 4T T3 3T T2 2L L4 44423L4L3L2T4L1T1T2T3固溶体合金的非平衡凝固固溶体合金的非平衡凝固 非非平平衡衡凝凝固固：实际生产中的凝固是在偏离平衡条件下进行的，这种凝固过程称为
26、非平衡凝固。(1)固相平均成分线和液相平均成分线将偏离平衡相图中的固相线和液相线不同；(2)先结晶部分总是富含高熔点组元；后结晶部分总是富含低熔点组元；(3)非平衡凝固总是导致凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温度。44固溶体合金的非平衡结晶的偏析现象固溶体合金的非平衡结晶的偏析现象 晶内偏析：固固溶溶体体非非平平衡衡结结晶晶时时，由由于于从从液液体体中中先先后后结结晶晶出出来来的的固固相相成成分分不不同同，使使得得一一个个晶晶粒粒内内部部化化学学成成分分不不均均匀匀，这这种种现现象称为晶内偏析。象称为晶内偏析。枝晶偏析：固固溶溶体体通通常常以以树树枝枝状状生生长长方方式式结结晶晶，非非平平衡衡
27、凝凝固固导导致致先先结结晶晶的的枝枝干干和和后后结结晶晶的的枝枝间间的的成成分分不不同同，称称为为枝枝晶晶偏偏析析。枝晶偏析属于晶内偏析。枝晶偏析属于晶内偏析。45非平衡结晶晶内偏析塑性、韧性下降，易引起晶内腐蚀，热加工困难扩散退火将铸件加热到低于固相线100 200 C的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩散，以达到成分均匀化。46铸造组织铸造组织 退火组织退火组织 47 共晶转变共晶转变(共晶反应共晶反应)共晶相图及特点共晶相图及特点 共晶组织共晶组织7.3.2共晶相图及其合金凝固共晶相图及其合金凝固由由一一定定成成分分的的液液相相同同时时结结晶晶出出两个两个一定一定成分成分固相固相
28、的转变。的转变。L E C+D具有共晶转变特征的相图具有共晶转变特征的相图液液态态无无限限互互溶溶、固固态态有有限限互互溶溶或完全不溶或完全不溶共共晶晶转转变变产产物物两两相相混混合物合物L+L+L+48L+L+L+固溶线固溶线固溶线固溶线(1)(1)点点共晶相图分析共晶相图分析纯组元熔点纯组元熔点共晶共晶点点E最大溶解度点最大溶解度点C,D液相线液相线溶解度曲线溶解度曲线(固溶线固溶线)CF,DG固相线固相线共晶线共晶线CED单相区单相区3三相区三相区1两相区两相区3(2)(2)线线相：相：B原子溶入原子溶入A基体中形成基体中形成的固溶体的固溶体相：相：A原子溶入原子溶入B基体中形成基体中形
29、成的固溶体的固溶体反映不同温度时的溶解度变化反映不同温度时的溶解度变化(3)(3)区区49共晶反应分析共晶反应分析共共晶晶温温度度：两两组组元元的的混混合合使使合合金金的的熔熔点点比比各各组组元元低低，液液相相线线从从两两端端纯纯组组元元向向中中间间凹凹下下,两两条条液液相相线线的的交交点所对应的温度称为点所对应的温度称为共晶温度共晶温度。共共晶晶合合金金：成成分分对对应应共共晶晶点点的的合合金金为共晶合金。为共晶合金。亚亚共共晶晶合合金金：成成分分位位于于C C，E E两两点点之之间的合金为亚共晶合金。间的合金为亚共晶合金。过过共共晶晶合合金金：成成分分位位于于E E，D D两两点点之之间的
30、合金为过共晶合金。间的合金为过共晶合金。共晶反应线共晶反应线表示从表示从C点到点到D点范围的合金，点范围的合金，在该温度上都要发生不同程在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应度上的共晶反应共晶点共晶点表示表示E点成分的合金点成分的合金冷却到此温度上发冷却到此温度上发生生完全的共晶转变完全的共晶转变LE C+D共晶合金的平衡凝固及其组织共晶合金的平衡凝固及其组织以Pb-Sn合金为例a.WSn2的铅锡合金的铅锡合金(c)2003 Brooks/Cole,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used h
31、erein under license.b.2WSn19的铅锡合金的铅锡合金1以上以上1-22-33以下以下在在在在3 3点以前为点以前为点以前为点以前为匀晶转变匀晶转变匀晶转变匀晶转变，结，结，结，结晶出单相晶出单相晶出单相晶出单相 固溶体，这种固溶体，这种固溶体，这种固溶体，这种直接从直接从直接从直接从液相中结晶出的固液相中结晶出的固液相中结晶出的固液相中结晶出的固相相相相称称称称一次相或初生相一次相或初生相一次相或初生相一次相或初生相。温度降到温度降到温度降到温度降到3 3点以下，点以下，点以下，点以下，固溶体中固溶体中固溶体中固溶体中SnSn过饱和，由于过饱和，由于过饱和，由于过饱和，
32、由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相 相。由已有固相析出的新固相称相。由已有固相析出的新固相称相。由已有固相析出的新固相称相。由已有固相析出的新固相称二次相或次二次相或次二次相或次二次相或次生相生相生相生相。用。用。用。用II表示。表示。表示。表示。室温组织：室温组织：+IIc.共晶合金共晶合金WSn=61.9的合金的合金c.共晶合金共晶合金WSn=61.9的合金的合金183C在共晶转变过程中，在共晶转变过程中，在共晶转变过程中，在共晶转变过程中，L L L
33、L、三相共存三相共存三相共存三相共存,三个相的量在不三个相的量在不三个相的量在不三个相的量在不断变化，但它们断变化，但它们断变化，但它们断变化，但它们各自成分是固各自成分是固各自成分是固各自成分是固定定定定的。的。的。的。共晶组织中的相称共晶相。共晶转共晶组织中的相称共晶相。共晶转共晶组织中的相称共晶相。共晶转共晶组织中的相称共晶相。共晶转变结束时，变结束时，变结束时，变结束时，和和和和 相的相对重量相的相对重量相的相对重量相的相对重量百分比为：百分比为：百分比为：百分比为：室温组织：室温组织：室温组织：室温组织：+IIII+IIII室温下两相的重量百分比室温下两相的重量百分比室温下两相的重量
34、百分比室温下两相的重量百分比Ed.亚亚共晶合金共晶合金19WSn61.9的合金的合金室温组织：室温组织：室温组织：室温组织：初初初初+(+(+)+)+IIII+IIIIT时间时间e.过过共晶合金共晶合金室温组织：室温组织：室温组织：室温组织：初初初初+(+(+)+)+IIII+IIII综上：综上：综上：综上：根据对上述不同成分合金的组织分析表明，尽管根据对上述不同成分合金的组织分析表明，尽管根据对上述不同成分合金的组织分析表明，尽管根据对上述不同成分合金的组织分析表明，尽管不同成分不同成分不同成分不同成分的合金的合金的合金的合金具有具有具有具有不同的显微组织不同的显微组织不同的显微组织不同的显
35、微组织，但在室温下，但在室温下，但在室温下，但在室温下，F-GF-GF-GF-G范围内的合金组织均由两范围内的合金组织均由两范围内的合金组织均由两范围内的合金组织均由两个基本相构成。所以，两相合金的显微组织实际上是通过组成个基本相构成。所以，两相合金的显微组织实际上是通过组成个基本相构成。所以，两相合金的显微组织实际上是通过组成个基本相构成。所以，两相合金的显微组织实际上是通过组成相相相相的不同形态，以及其数量、大小和分布等形式体现出来的不同形态，以及其数量、大小和分布等形式体现出来的不同形态，以及其数量、大小和分布等形式体现出来的不同形态，以及其数量、大小和分布等形式体现出来，由此得，由此得
36、，由此得，由此得到不同性能的合金。到不同性能的合金。到不同性能的合金。到不同性能的合金。组织组织分区分区图图+组织组成物：图中所标的组织组成物：图中所标的组织组成物：图中所标的组织组成物：图中所标的，IIII，IIII，(+)等叫做组织组成物。等叫做组织组成物。等叫做组织组成物。等叫做组织组成物。58Pb-Sn合金组织组成物在相图上的标注课堂练习课堂练习1：一一个个二二元元共共晶晶反反应应如如下下：LwB=0.75wB=0.15+wB=0.95，求求(1)wB=0.50的的合合金金凝凝固固后后，初初与与共共晶晶体体(+)共共晶晶的的相对量；相对量；相与相与相的相对量。相的相对量。(2)若若共共
37、晶晶反反应应后后，初初和和(+)共共晶晶各各占占一一半半，问问该该合合金金成分如何？成分如何？课堂练习课堂练习2：组组元元A（熔熔点点327oC）和和组组元元B（熔熔点点232oC）的的共共晶晶成成分分为为61.9%的的B，在在共共晶晶温温度度时时（183oC），B在在A中中的的固固溶溶度度为为19.2%，A在在B中中的的固固溶溶度度为为2.5%，室室温温时时，A中中尚尚能能固固溶溶1%B，而，而B中几乎不能固溶中几乎不能固溶A，根据上述条件：，根据上述条件：1、做出、做出A-B相图，并标明各点、线和相区的名称相图，并标明各点、线和相区的名称2、绘绘出出含含70%B合合金金的的冷冷却却曲曲线线
38、及及各各温温度度阶阶段段的的组组织织示示意意图图，并并计计算算合合金金在在共共晶晶温温度度和和室室温温下下的的相相组组成成物物和和组组织织组组成成物物的的重重量百分数。量百分数。共晶合金的非平衡凝固共晶合金的非平衡凝固(1)(1)伪共晶伪共晶在在平平衡衡凝凝固固条条件件下下，只只有有共共晶晶成成分分的的合合金金才才能能得得到到全全部部的的共共晶晶组组织。织。在在非非平平衡衡凝凝固固条条件件下下，某某些些亚亚共共晶晶或或过过共共晶晶成成分分的的合合金金也也能能得得到到全全部部的的共共晶晶组组织织，这这种种由由非非共共晶晶成成分分的的合合金金所所得得到到的的共共晶晶组组织织称称为为伪共晶伪共晶。具
39、具有有共共晶晶转转变变的的合合金金，当当合合金金溶溶液液过过冷冷到到两两条条液液相相线线的的延延长长线线所所包包围围的的影影线线区区时时，可可得得到到共共晶晶组织。影线区称为组织。影线区称为伪共晶区伪共晶区。伪共晶组织特点：伪共晶组织特点：伪伪共共晶晶组组织织的的形形态态特特征征与与共共晶晶组组织织完完全全相相同同，只只是是它它的的合合金金成分不是共晶成分成分不是共晶成分。62 伪共晶区的特点伪共晶区的特点 a.a.两组元熔点接近时，伪共晶区一般呈对称分布；两组元熔点接近时，伪共晶区一般呈对称分布；b.b.两两组组元元熔熔点点相相差差较较大大时时，共共晶晶点点偏偏向向于于低低熔熔点点组组元元，
40、而而伪共晶区伪共晶区偏向于高熔点组元一侧。偏向于高熔点组元一侧。63Al-SiAl-Si合金的伪共晶区合金的伪共晶区64成成分分点点位位于于共共晶晶线线之之外外，且且又又靠靠近近端端点点的的合合金金，在在平平衡衡结结晶晶时时无无共共晶晶转转变变发发生生，但但在在非非平平衡衡结结晶晶条条件件下下，也也能能发发生生共晶转变得到少量共晶体共晶转变得到少量共晶体，称这种共晶组织为，称这种共晶组织为非平衡共晶非平衡共晶。(2)(2)非平衡共晶组织非平衡共晶组织65当当当当合合合合金金金金中中中中的的的的先先先先共共共共晶晶晶晶相相相相数数数数量量量量很很很很多多多多而而而而共共共共晶晶晶晶组组组组织织织
41、织的的的的量量量量很很很很少少少少时时时时，共共共共晶晶晶晶组组组组织织织织中中中中与与与与先先先先结结结结晶晶晶晶相相相相相相相相同同同同的的的的那那那那一一一一相相相相，依依依依附附附附在在在在先先先先结结结结晶晶晶晶相相相相上上上上生生生生长长长长，剩剩剩剩下下下下的的的的另另另另一一一一相相相相则则则则单单单单独独独独在在在在晶晶晶晶界界界界处处处处凝凝凝凝固固固固，从从从从而而而而使使使使共共共共晶晶晶晶组组组组织织织织特特特特征征征征消消消消失失失失，这这这这种种种种两两两两相相相相分分分分离离离离的的的的共共共共晶晶晶晶称称称称为为为为离异共晶。离异共晶。离异共晶。离异共晶。(3
42、)(3)离异共晶离异共晶平平衡衡条条件件下下:成成分分位位于于共共晶晶线线上上两端点附近。两端点附近。非非平平衡衡条条件件下下：成成分分位位于于共晶线共晶线外外两端点附近。两端点附近。注意：注意：非非平平衡衡条条件件下下获获得得的的离离异异共共晶晶组组织织可可通通过过均均匀匀化化退退火火方方法法予予以消除。以消除。66 比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造的操作比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造的操作 共晶合金的流动性好，在凝固之中防止了阻碍液体流动的共晶合金的流动性好，在凝固之中防止了阻碍液体流动的枝晶形成，从而改善铸造性能枝晶形成，从而改善铸造性能 恒温转变恒温转变(无凝固温度范围无凝固温度范围
43、)减少了铸造缺陷，例如偏聚和减少了铸造缺陷，例如偏聚和缩孔缩孔 共晶凝固可获得多种形态的显微组织，尤其是规则排列的共晶凝固可获得多种形态的显微组织，尤其是规则排列的层状或杆状共晶组织，可能成为优异性能的原位复合材料层状或杆状共晶组织，可能成为优异性能的原位复合材料共晶合金在铸造工业中是非常重要的，源于共晶合金的特殊性质共晶合金在铸造工业中是非常重要的，源于共晶合金的特殊性质 包晶转变包晶转变(包晶反应包晶反应)包晶相图及特点包晶相图及特点677.3.3包晶相图及其合金凝固包晶相图及其合金凝固 由由一一个个特特定定成成分分的的固固相相和和液液相相生生成成另另一一个个特特定定成成分分固固相相的的转
44、变。转变。具有包晶转变特征的相图具有包晶转变特征的相图液态无限互溶、固态部分互溶液态无限互溶、固态部分互溶反反应应相相是是液液相相和和一一个个固固相相，其其成成分分点点位位于于水水平平线线的的两两端端，所所形形成成的的固固相相位位于于水水平平线线中中间间的的下方。下方。包晶点68 包晶合金的凝固及其平衡组织包晶合金的凝固及其平衡组织以以Pt-Ag合金合金为为例例a.WAg=42.4的的Pt-Ag合金合金室温组织：室温组织：+IIa.WAg=42.4的的Pt-Ag合金合金开开始始进进行行包包晶晶反反应应时时的的两两相的相对量相的相对量b.42.4WAg66.3的合金的合金室温组织：室温组织：+I
45、Ic.10.5WAg42.4的合金的合金室温组织：室温组织：+II+II包晶合金的非平衡凝固包晶合金的非平衡凝固75 异异常常相相导导致致包包晶晶偏偏析析包包晶晶转转变变要要经经扩扩散散。包包晶晶偏偏析析：因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。异异常常相相由由不不平平衡衡包包晶晶转转变变引引起起。成成分分在在靠靠近近固固相相、包包晶晶线线以外端点附近。以外端点附近。7.3.5其他类型的二元相图其他类型的二元相图1.1.具有化合物的二元相图具有化合物的二元相图 在某些二元系中，可形成一个或多个化合物，化合在某些二元系中，可形成一个或多个化合物
46、，化合物一般处于相图中的中间位置，又称为中间相。物一般处于相图中的中间位置，又称为中间相。根据两组元间形成化合物的稳定性，可分为稳定化根据两组元间形成化合物的稳定性，可分为稳定化合物和不稳定化合物。合物和不稳定化合物。77a.形成形成稳稳定化合物的相定化合物的相图图 稳定化合物是指具有确定的熔点，可熔化成与固态稳定化合物是指具有确定的熔点，可熔化成与固态相同成分液体的那类化合物。相同成分液体的那类化合物。形成稳定化合物的相图形成稳定化合物的相图78b.形成不形成不稳稳定化合物的相定化合物的相图图 不稳定化合物是指加热到一定温度时会发生分解的不稳定化合物是指加热到一定温度时会发生分解的化合物。化
47、合物。形成不稳定化合物的相图形成不稳定化合物的相图2.2.具有三相平衡恒温转变的其他二元相图具有三相平衡恒温转变的其他二元相图由一个液相由一个液相L1分解为一个固相和另一成分解为一个固相和另一成分的液相分的液相L2的恒温转变。的恒温转变。分解型恒温转变相图a.偏晶相偏晶相图图80某些合金结晶过程中，当到达一定温度某些合金结晶过程中，当到达一定温度时会从一个固相分解成一个液相和另一个时会从一个固相分解成一个液相和另一个固相，即发生固相的再熔现象。固相，即发生固相的再熔现象。b.熔晶相熔晶相图图Fe-B，Fe-S，Cu-Sb等等合金具有熔合金具有熔晶转变。晶转变。81一个固相在恒温下，转变为两外两
48、个固一个固相在恒温下，转变为两外两个固相。共析转变与共晶转变相似，区别在于相。共析转变与共晶转变相似，区别在于它是由一个固相在恒温下转变为另外两个它是由一个固相在恒温下转变为另外两个固相。共析转变对热处理强化意义很大，固相。共析转变对热处理强化意义很大，钢的热处理是以共析转变为基础的。钢的热处理是以共析转变为基础的。c.共析共析转变转变合成型恒温转变相图两个成分不同的液相两个成分不同的液相L1和和L2相互作用形相互作用形成一个固相。成一个固相。a.合晶合晶转变转变Na-Zn，K-Zn等合金具等合金具有合晶转变。有合晶转变。83包析转变相似于包晶转变，为一个固相包析转变相似于包晶转变，为一个固相
49、与另一个固相反应形成第三个固相的恒温与另一个固相反应形成第三个固相的恒温转变。转变。b.包析包析转变转变843.3.具有无序具有无序-有序转变的相图有序转变的相图有些合金在一定成分有些合金在一定成分和一定温度范围内会发和一定温度范围内会发生有序生有序-无序转变。无序转变。854.4.具有同素异晶转变具有同素异晶转变当体系中组元具有同当体系中组元具有同素异构转变时，则形成素异构转变时，则形成的固溶体常常有多晶型的固溶体常常有多晶型转变。转变。86实际二元相图往往比较复杂，可参考下列步骤进行分析实际二元相图往往比较复杂，可参考下列步骤进行分析实际二元相图往往比较复杂，可参考下列步骤进行分析实际二元
50、相图往往比较复杂，可参考下列步骤进行分析7.3.6复杂二元相图的分析方法复杂二元相图的分析方法1 1）首先看是否首先看是否首先看是否首先看是否存在稳定的化合物存在稳定的化合物存在稳定的化合物存在稳定的化合物，如果有则以稳定化合物为界把，如果有则以稳定化合物为界把，如果有则以稳定化合物为界把，如果有则以稳定化合物为界把相图相图相图相图划分划分划分划分成几个简单相图再进行下一步分析。成几个简单相图再进行下一步分析。成几个简单相图再进行下一步分析。成几个简单相图再进行下一步分析。2 2）确定单相区。确定单相区。确定单相区。确定单相区。3 3）根据相区接触法则确定两相区：）根据相区接触法则确定两相区：