《元相图分析》PPT课件.ppt

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1、材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固7.3二元相图分析二元相图分析 材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固主主要要讨讨论论 匀晶相图及固溶体凝固匀晶相图及固溶体凝固 共晶相图及其合金凝固共晶相图及其合金凝固 包晶相图及其合金凝固包晶相图及其合金凝固 其他类型的二元相图其他类型的二元相图 复杂二元相图的分析方法复杂二元相图的分析方法 根据相图推测合金的性能根据相图推测合金的性能 二元合金相图分析实例二元合金相图分析实例 Fe FeC C合金的组织和性能合金的组织和性能 AlAl2 2O O3 3SiOSiO2

2、2系的组织性能系的组织性能 CuCuZnZn合金合金 CuCuSnSn合金合金材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固7.3.1匀晶相图和固溶体凝固匀晶相图和固溶体凝固 由由液液相相直直接接结结晶晶出出单单相相固固溶溶体体（solid solid solutionsolution），的的过过程程称为称为匀晶相变匀晶相变。匀晶相图匀晶相图：匀晶相图的特点匀晶相图的特点：两组元在液态和固态都能无限相互溶解。：两组元在液态和固态都能无限相互溶解。当两个金属当两个金属组组元之元之间间形成无限固溶体形成无限固溶体时时，其条件，其条件为为：两者的两者的晶体晶体结结构

3、相同，原子尺寸接近，构相同，原子尺寸接近，r15%r15%，两者具有相同的原子两者具有相同的原子价的价的电负电负性性。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固1.1.匀晶相图的分析匀晶相图的分析 两点两点：端点分别为纯：端点分别为纯CuCu、NiNi的熔点的熔点。两线两线：相图由一条液相线和一条固相线组成。：相图由一条液相线和一条固相线组成。三三区区：液液相相区区(用用L L表表示示)、固固溶溶体体区区(用用表表示示)、结结晶区间晶区间(用用L+L+表示表示)。当系统处于两相平衡时。当系统处于两相平衡时f=1f=1。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二

4、元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 有有些些合合金金的的匀匀晶晶相相图图还还有有极点极点：在在Au-CuAu-Cu、Fe-CoFe-Co、Ti-ZrTi-Zr合金的相图上有合金的相图上有极小点极小点；在在Pb-TlPb-Tl、Al-MnAl-Mn合金的相合金的相图上有图上有极大点极大点。在分析此类匀晶相图时，在分析此类匀晶相图时，把极小点和极大点的合金看把极小点和极大点的合金看作一个组元，该点的合金结作一个组元，该点的合金结晶是在恒温下进行的。晶是在恒温下进行的。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固2.固溶体的平衡凝固固溶体的平衡凝固 平衡凝

5、固平衡凝固（equilibrium solidificationequilibrium solidification）：平衡组织平衡组织（equilibrium microstructureequilibrium microstructure）：CuCuNiNi合金冷却曲线合金冷却曲线（cooling curvecooling curve）：温度时间曲线：温度时间曲线 结晶过程结晶过程：LL+LL+CuCuNiNi合金平衡结晶合金平衡结晶时的时的组织变化示意图组织变化示意图：成分均匀化成分均匀化：每时刻结晶出的固溶体的成分不同。：每时刻结晶出的固溶体的成分不同。2003 Brooks/Cole

6、,a division of Thomson Learning,Inc.Thomson Learning is a trademark used herein under license.材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 .固固溶溶体体合合金金凝凝固固时时结结晶晶出出来来的的固固相相成成分分与与原原液液相相成成分分不不同同。固固溶溶体体凝凝固固为为异异分分结结晶晶(选选择择结结晶晶)；纯纯金金属属凝固结晶为凝固结晶为同分结晶同分结晶 .固溶体凝固需要一定的温度范固溶体凝固需要一定的温度范围围，即为一个变温结晶过程。，即为一个变温结晶过程。固溶体固

7、溶体结晶过程中的自由度数为结晶过程中的自由度数为1 1，在此温度，在此温度范围内，只能结晶出一定数量的固相。范围内，只能结晶出一定数量的固相。固溶体平衡凝固过程分为三个过固溶体平衡凝固过程分为三个过程：程：液相内的扩散过程。液相内的扩散过程。固相的固相的继续长大。继续长大。固相内的扩散过程。固相内的扩散过程。固溶体的凝固过程也是一个固溶体的凝固过程也是一个形核形核和和长大长大的过程。的过程。固溶体的凝固与纯金属的凝固相比有两个显著特点：固溶体的凝固与纯金属的凝固相比有两个显著特点：材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固3.3.固溶体的不平衡结晶固溶体的

8、不平衡结晶(链接链接)对非平衡凝固结论如下对非平衡凝固结论如下：(1)(1)固固相相、液液相相的的平平均均成成分分分分别别与与固固相相线线、液液相相线线不不同同，有有一一定定的的偏偏离离，其其偏偏离离程程度度与与冷冷却却速速度度有有关关。冷冷却却速速度度越越大大，其其偏偏离离程程度度越越严严重重；冷冷却却速速度度越越小小，偏偏离离程程度度越越小小，越越接接近近于于平衡条件。液相线的偏离程度较固相线小。平衡条件。液相线的偏离程度较固相线小。(2)(2)先先结结晶晶部部分分含含有有较较多多的的高高熔熔点点组组元元(Ni)Ni)，后后结结晶晶部部分分含有较多的低熔点组元含有较多的低熔点组元(Cu)C

9、u)。(3)(3)非非平平衡衡结结晶晶条条件件下下，凝凝固固的的终终结结温温度度低低于于平平衡衡结结晶晶时时的终止温度。结晶的温度范围增大。的终止温度。结晶的温度范围增大。非平衡凝固非平衡凝固(结晶结晶)（non-equilibriumsolidification）:不平衡组织不平衡组织（nonequilibriummicrostructure）:原因原因:冷速快冷速快(假设液相成分均匀、固相成分不均匀假设液相成分均匀、固相成分不均匀)。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 固固溶溶体体非非平平衡衡结结晶晶时时，一一个个晶晶粒粒内内部部化化学学成成分

10、分不不均均匀匀，称称为为晶晶内内偏偏析析。先先结结晶晶的的晶晶粒粒与与后后结结晶晶晶晶粒粒的的成成分分是是不不同同的的，这这种种成分的不均匀称为成分的不均匀称为晶间偏析晶间偏析。由由于于固固溶溶体体一一般般都都以以枝枝晶晶状状方方式式结结晶晶，先先结结晶晶的的枝枝晶晶轴轴（干干）含含有有高高熔熔点点组组元元多多，而而后后结结晶晶的的分分枝枝枝枝晶晶间间含含有有低低熔熔点点的的组组元元多多，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成成分分不不同同。在在一一个个枝枝晶晶范范 围围 内内 成成 分分 不不 均均 匀匀 的的 现现 象象 称称 为为 枝枝 晶晶 偏偏 析析（dend

11、ritic dendritic segregationsegregation）。）。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 枝枝晶晶偏偏析析对对合合金金的的力力学学性性能能影影响响较较大大。枝枝晶晶偏偏析析程程度度大大小小与与铸造时冷却条件、原子的扩散能力，相图形状有密切关系铸造时冷却条件、原子的扩散能力，相图形状有密切关系:(1)(1)冷冷却却速速度度：在在其其它它条条件件不不变变时时，V V冷冷越越大大，晶晶内内偏偏析析程程度度严严重重，但但得得到到枝枝晶晶较较小小。如如果果冷冷速速极极大大，致致使使偏偏析析来来不不及及发发生生，反而又能够得到成分

12、均匀的铸态组织。反而又能够得到成分均匀的铸态组织。(2)(2)合合金金的的结结晶晶范范围围：偏偏析析元元素素在在固固溶溶体体中中扩扩散散能能力力越越小小，相相图图上上液液、固固相相线线间间距距离离的的间间隔隔愈愈大大，形形成成树树枝枝晶晶状状偏偏析析的的倾倾向愈大。向愈大。要要消消除除枝枝晶晶偏偏析析采采用用均均匀匀化化退退火火(扩扩散散退退火火diffusion diffusion annealingannealing)材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 7.3.2 7.3.2 共晶相图及合金凝固共晶相图及合金凝固 组组成成共共晶晶相相图图（th

13、e the eutectic eutectic phase phase diagramdiagram）的的两两组组元元的的相相互互作作用用的的特特点点是是:液液态态下下两两组组元元能能无无限限互互溶溶，固固态态下下只只能能部部分分互互溶溶(形形成成有有限限固固溶溶体体或或化化合物合物)，甚至有时完全不溶，并具有共晶转变，甚至有时完全不溶，并具有共晶转变(the eutectic reaction)(the eutectic reaction)。共共晶晶转转变变是是在在一一定定条条件件下下(温温度度、成成分分不不变变)，由由均均匀匀液液体体中中同同时时结结晶晶出出两两种不同固相的转变。即：种不同

14、固相的转变。即：L+L+具有共晶转变的相图称为具有共晶转变的相图称为共晶相图共晶相图。所所得得到到两两固固相相的的混混合合物物称称为为共共晶晶组组织织(eutectic(eutectic structure)structure)，其其特特点点是是两两相交替细弥混合，其形态与合金的特性及冷却速度有关，通常呈片层状相交替细弥混合，其形态与合金的特性及冷却速度有关，通常呈片层状。共晶体的结构共晶体的结构 材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 共晶相图的建立共晶相图的建立材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固1.1.

15、共晶相图分析共晶相图分析 相图中的三个基本相相图中的三个基本相：液相（：液相（L L）、）、固相固相和和 点点：纯组元熔点；最大溶解度点；：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶共晶点点(eutectic point)(eutectic point)相相图图中中有有相相线线：液液相相线线（AEBAEB）、固固相相线线（AMNBAMNB）和和共共晶晶转转变变线线（MENMEN）。MFMF和和NGNG则则代代表表两两固固溶溶体体和和的的溶溶解解度度曲曲线线。共共晶晶转转变变线线是是一一条条水水平平线线，是是L L、和和三三相相共共存存的的温温度度和和各各相相的的成成分分。成成分分为为E E的的液液相相在在

16、该该温温度度下下发发生生共共晶反应晶反应(eutectic reaction)(eutectic reaction)：L LE E M M+N N 根据相律，三相平衡时有根据相律，三相平衡时有f=0f=0。因此三个平衡相的。因此三个平衡相的成分成分及及反应温度反应温度都是确都是确定的，在冷却曲线中出现一个平台。定的，在冷却曲线中出现一个平台。共晶温度：共晶温度：共共晶晶点点或或共共晶晶成成分分(eutectic(eutectic composition)composition)：相相图图中中相相区区：3 3个个单单相相区区为为L L相相区区、相相区区和和相相区区；3 3个个双双相相区区为为L+

17、L+相相区区、L+L+相相区区、+相相区区；1 1个个 三三 相相 共共 存存 区区，MENMEN线线，为为L+L+材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固2.2.共晶系合金的平衡凝固共晶系合金的平衡凝固 根根据据相相变变特特点点和和组组织织特特征征将将共共晶晶系系合合金金分分为为了了四四类类：端端部部固固溶溶体体合合金金、亚亚共共晶晶合合金金（hypoeutectic hypoeutectic alloysalloys）、过过共共晶晶合合金金（hypereutectic alloyshypereutectic alloys）、）、共晶合金共晶合金（eu

18、tectic alloyeutectic alloy）。）。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 (1)(1)端部固溶体合金（端部固溶体合金（W WSnSn19%)57.2%=GC/PC57.2%W WL L=PG/PC42.8%=PG/PC42.8%室温时室温时:W:W=FG/EF=FG/EF W W=EG/EF=EG/EF材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 包晶点以左合金的平衡凝固包晶点以左合金的平衡凝固 冷却曲线冷却曲线:结结晶晶和和组组织织转转变变过过程程：LL+L+LL+L+碰到碰到DPDP发生

19、包晶反应：发生包晶反应：L LC C+P P=D D 为恒温反应为恒温反应 匀晶反应包晶反应脱溶转变匀晶反应包晶反应脱溶转变 室温组织室温组织：+，、的相对量可通过杠杆法则的相对量可通过杠杆法则求出求出 。开始包晶反应时开始包晶反应时:W WL L=HC/PC57.2%=HC/PC42.8%=PH/PC42.8%包晶反应完了时包晶反应完了时:W W=FH/EF=FH/EF W W=HD/PD=HD/PD 室温时室温时:W:W=PH/PD=PH/PD W W=EH/EF=EH/EF材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固3.包晶系合金的非平衡凝固包晶系合金

20、的非平衡凝固 包晶转变一般不易进行完全，即最终组织不易达到平衡状态，包晶转变一般不易进行完全，即最终组织不易达到平衡状态，且包晶反应速度较慢，易形成非平衡组织。且包晶反应速度较慢，易形成非平衡组织。包晶转变形成的非平衡组织可采用延长时间，使合金元素进包晶转变形成的非平衡组织可采用延长时间，使合金元素进行充分的扩散退火的方法来减少和消除。行充分的扩散退火的方法来减少和消除。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固4.包晶转变的特点和应用包晶转变的特点和应用 包晶转变有两个显著特点包晶转变有两个显著特点：一是包晶转变的形成相依附在：一是包晶转变的形成相依附在

21、初晶相上形成；二是包晶转变的不完全性。根据这两个特点，在初晶相上形成；二是包晶转变的不完全性。根据这两个特点，在工业上可有下述应用。工业上可有下述应用。（1 1）在轴承合金中的应用）在轴承合金中的应用 滑动轴承使用时，轴和轴承之间必然有强烈的磨擦和磨损。滑动轴承使用时，轴和轴承之间必然有强烈的磨擦和磨损。为此，希望轴承材料的组织由具有足够塑性和韧性的基体及均匀为此，希望轴承材料的组织由具有足够塑性和韧性的基体及均匀分布的硬质点所组成。这些硬质点一般是金属化合物，分布的硬质点所组成。这些硬质点一般是金属化合物，所占的重量为所占的重量为5%5%50%50%。软的基。软的基体使轴承具有良好的磨合性，

22、不体使轴承具有良好的磨合性，不会因受冲击而开裂。硬的质点使会因受冲击而开裂。硬的质点使轴承具有小的摩擦系数和抗咬合轴承具有小的摩擦系数和抗咬合性能。可选用性能。可选用Sn-SbSn-Sb系轴承合金系轴承合金就属此例。就属此例。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 （2 2）包晶转变的细化晶粒作用）包晶转变的细化晶粒作用 利用包晶转变可以细化晶粒。例如在铝及铝合金中添加少量利用包晶转变可以细化晶粒。例如在铝及铝合金中添加少量的钛，可获得显著的细化晶粒效果。的钛，可获得显著的细化晶粒效果。根据根据Al-TiAl-Ti相图，当含钛量超过相图，当含钛量超过0

23、.15%0.15%以后，合金首先从液体以后，合金首先从液体中结晶出初晶中结晶出初晶TiAlTiAl3 3，然后在，然后在665665发生包晶转变：发生包晶转变：L+TiAlL+TiAl3 3。TiAlTiAl3 3对对相起非均匀形核作用，相起非均匀形核作用，相依附于相依附于TiAlTiAl3 3上形核并长大。上形核并长大。由于从液体中结晶出的由于从液体中结晶出的TiAlTiAl3 3细小而弥散，其非均匀形核作用的细小而弥散，其非均匀形核作用的效果很好，细化晶粒作用显著。效果很好，细化晶粒作用显著。同样，在铜及铜合金中加同样，在铜及铜合金中加入少量的铁与镁，在镁合金入少量的铁与镁，在镁合金中加入

24、少量的锆或锆的盐类，中加入少量的锆或锆的盐类，均因在包晶转变前形成大量均因在包晶转变前形成大量细小的化合物，起非均匀形细小的化合物，起非均匀形核作用，从而具有良好的细核作用，从而具有良好的细化晶粒效果。化晶粒效果。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固7.3.4溶混间隙相图与调幅分解溶混间隙相图与调幅分解 溶溶混混间间隙隙（miscibility miscibility gapgap）是是两两种种液液相相或或两两种种固固溶溶体体不不相相混混溶溶的的现现象象。它它可可以以出出现现在在单单相相的的液液相相中中，也也可可以以出出现现在在单单一固溶体区内。即：

25、一固溶体区内。即：L LL L1 1+L+L2 2 或或 1 1+2 2 转变方式有二种转变方式有二种：(1)形核长大方式，需要克服形核能垒，形核长大方式，需要克服形核能垒，(2)没有形核阶段的不稳定分解，称为没有形核阶段的不稳定分解，称为调幅分解调幅分解（spinodaldecompotion）。）。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固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 2.2.具有偏晶转变的相图具有偏晶转变的相图 3.3.具有合晶转变的相图具有合晶转变的相图 4.4.具有熔晶转变的相

26、图具有熔晶转变的相图 5.5.具有固态转变的二元相图具有固态转变的二元相图 材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固1.1.具有化合物的二元相图具有化合物的二元相图 在在某某些些二二元元系系中中，可可形形成成一一个个或或多多个个化化合合物物，化化合合物物一一般般处处于于相相图图的的中中间间位位置置，又又称称为为中中间间相相（intermediate intermediate phasephase）。根根据据两两组组元元间间形形成成化化合合物的稳定性，可分为：物的稳定性，可分为：稳定化合物、形成稳定化合物的相图稳定化合物、形成稳定化合物的相图 不稳定化合物

27、、不形成稳定化合物的相图不稳定化合物、不形成稳定化合物的相图材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 (1).(1).形成稳定化合物的相图形成稳定化合物的相图 稳稳定定化化合合物物是是指指具具有有固固定定的的熔熔点点，且且在在熔熔点点以以下下保保持持固固有有结构而不发生分解的化合物。结构而不发生分解的化合物。相相图图特特征征：形形成成的的没没有有溶溶解解度度的的化化合合物物在在相相图图上上表表现现为为一一条条垂垂线线。可可以以把把它它作作为为一一个个独独立立的的组组元元而而把把相相图图分分为为两两部部分分。该类化合物成分是固定的，或在一定范围内但有确定的

28、熔点。该类化合物成分是固定的，或在一定范围内但有确定的熔点。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 Mg-SiMg-Si合合金金,就就能能形形成成稳稳定定化化合合物物MgMg2 2SiSi。Mg-SiMg-Si合合金金相相图图属属于于含含有有稳稳定定化化合合物物的的相相图图。在在分分析析将将整整个个Mg-SiMg-Si相相图图可可分分为为Mg-MgMg-Mg2 2SiSi和和MgMg2 2Si-SiSi-Si两个相图来进行分析。两个相图来进行分析。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固(2)(2)形成不稳定化合

29、物的相图形成不稳定化合物的相图 不稳定化合物不稳定化合物是指在加热到一定温度时会发生分解的化合物是指在加热到一定温度时会发生分解的化合物 相图特征相图特征：化合物线在加热到一定温度化合物会分解。：化合物线在加热到一定温度化合物会分解。包包晶晶反反应应所所形形成成的的中中间间相相均均属属于于不不稳稳定定化化合合物物。它它们们不不能能视视为独立组元而把相图划分为简单相图。为独立组元而把相图划分为简单相图。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固固相中有化合物分解和生成的二元系统相图固相中有化合物分解和生成的二元系统相图 材料科学基础材料科学基础第七章第七章二

30、元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固2.具有偏晶转变的二元相图具有偏晶转变的二元相图 偏偏晶晶转转变变（monotectic monotectic reactionreaction）相相图图特特点点：在在一一定定的的成成分分和和温温度度范范围围内内，两两组组元元在在液液态态下下也也只只能能有有限限溶溶解解，存存在在两两种种不不同浓度的液相同浓度的液相L L1 1和和L L2 2。其其转转变变特特征征：是是在在一一定定温温度度下下从从一一个个液液相相中中同同时时分分解解出出一一个个固固相相和和另另一一成成分分的的液液相相的的过过程程，且且固固相相的的相相对对量量总总是是偏偏多多。即即：L

31、L1 1A+LA+L2 2 材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固3.3.具有合晶转变的相图具有合晶转变的相图 合合晶晶转转变变（syntectic syntectic reactionreaction）相相图图(图图7.417.41)特特点点：二二元元组组在在液液态态下下有有限限溶溶解解，存存在在不不熔熔合合线线，不不熔熔合合线线以以下下的的两两液液相相L L1 1和和L L2 2。转转变变特特征征：在在恒恒定定温温度度下下，两两个个成成分分不不同同的的液液相相相相互互作作用用形成一个固相的转变称为合金转变。即形成一个固相的转变称为合金转变。即L L

32、1 1+L+L2 2 具有偏晶转变的二元系如具有偏晶转变的二元系如：Na-ZnNa-Zn材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固4.4.具有熔晶转变的相图具有熔晶转变的相图 在在某某些些合合金金结结晶晶过过程程中中，当当达达到到一一定定温温度度会会从从一一个个固固相相分分解解为为一一个个液液相相和和另另一一个个固固相相，即即发发生生了了固固相相的的再再熔熔现现象象，这这 种种 转转 变变 称称 为为 熔熔 晶晶 转转 变变（metatectic metatectic reactionreaction）。即即：L+L+材料科学基础材料科学基础第七章第七章二

33、元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固5.5.具有固态转变的二元相图具有固态转变的二元相图 当当合合金金中中组组元元具具有有同同素素(分分)异异构构变变时时，则则其其固固溶溶体体会会出出现现三三种种情情况况：固固溶溶体体的的多多晶晶型型转转变变，共共析析转转变变、包包析转变、偏析转变析转变、偏析转变.(1)(1)具具有有固固溶溶体体多多晶晶型型转转变变的相图的相图 固固溶溶体体的的多多晶晶型型转转变变又又称为称为多形性转变多形性转变。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 (2)(2)具有共析转变的相图具有共析转变的相图 共共析析转转变变(eute

34、ctoid(eutectoid reaction)reaction)是是在在一一定定温温度度下下一一个个固固相相转转变变为为另另两两个个固固相相的的过过程程，即即：(+)(+)。共共析析反反应应是是由由一一种种固固相相转转变变成成完完全全不不同同的的两种相互关联的固相两种相互关联的固相,此两相混合物称为共析体。如此两相混合物称为共析体。如:+Fe3C+Fe3C 共共析析转转变变与与共共晶晶转转变变相相似似，区区别别在在于于它它是是由由一一个个固固相相在在恒恒温温下下转转变变为为另另外外两两个个固固相相。共共析析转转变变对对热热处处理理强强化化意意义义很很大大。钢钢的的热热处处理理是是以以共共析

35、析转转变为基础的。变为基础的。共共 析析 合合 金金（eutectoid eutectoid alloyalloy）、亚亚 共共 析析 合合 金金（hypoeutectoid hypoeutectoid alloyalloy）、）、过共析合金（过共析合金（hypereutectoid alloyhypereutectoid alloy）材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固(3)(3)具有包析转变的相图具有包析转变的相图 包包析析转转变变（peritectoid peritectoid reactionreaction）类类似似于于包包晶晶转转变变，区

36、区别别在在于于包包析析转转变变是是由由两两个个固固相相反反应应生生成成另另外外一一个个固固相相。如如：+材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固(4)(4)具有脱溶沉淀过程的相图具有脱溶沉淀过程的相图 随随着着温温度度降降低低固固溶溶体体中中溶溶解解度度下下降降，析析出出第第二二相相的的过过程程，称为脱溶过程。称为脱溶过程。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固(5)(5)具有有序具有有序无序转变的相图无序转变的相图(6)(6)具有固溶体形成中间相转变的相图具有固溶体形成中间相转变的相图(7)(7)具有磁性转变的

37、相图具有磁性转变的相图材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固7.3.67.3.6复杂二元相图的分析方法复杂二元相图的分析方法 分析复杂二元相图的步骤和方法如下：分析复杂二元相图的步骤和方法如下：(1)(1)首首先先看看相相图图中中是是否否存存在在化化合合物物，如如有有稳稳定定化化合合物物，则则以以这这些些稳稳定定化化合合物物为为界界(把把化化合合物物视视为为组组元元)，把把相相图图分分成成几几个个区区域域(基本相图基本相图)进行分析。进行分析。(2)(2)根据根据相区接触法则，认清各相区的组成相相区接触法则，认清各相区的组成相。组组成成二二元元相相图图

38、的的基基本本单单元元有有单单相相区区、两两相相区区和和三三相相水水平平线线。这些单元根据相区接触法则组合在一起。这些单元根据相区接触法则组合在一起。单单相相区区：代代表表一一种种具具有有独独特特结结构构和和性性质质的的相相的的成成分分和和温温度度范范围，若单相为一根垂线，则表示该相成分不变。围，若单相为一根垂线，则表示该相成分不变。双双相相区区：邻邻区区原原则则是是含含有有P P个个相相的的相相区区的的邻邻区区，只只能能含含有有P P1 1个个相相。违违背背了了这这条条原原则则，无无法法满满足足相相律律的的要要求求。两两相相区区中中平平衡衡相相之间都有互溶度，只是互溶度大小不同而已。之间都有互

39、溶度，只是互溶度大小不同而已。三相区三相区：三相共存水平线：三相共存水平线 材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 (3)(3)找找出出所所有有的的三三相相共共存存水水平平线线，分分析析这这些些恒恒温温转转变变的的类类型型，写写出出转转变变式式。下下表表列列出出了了二二元元系系各各类类三三相相恒恒温温反应反应(转变转变)的类型，可借助于分析。的类型，可借助于分析。(4)(4)应应用用相相图图分分析析典典型型合合金金的的组组晶晶过过程程和和组组织织变变化化规律规律。单相区单相区；相成分、质量与原合金相同。；相成分、质量与原合金相同。双双相相区区；在在不不

40、同同温温度度下下两两相相成成分分沿沿相相界界线线变变化化，各各相相的相对量可由杠杆法则求得。的相对量可由杠杆法则求得。三三相相共共存存(平平衡衡)时时，三三个个相相的的成成分分固固定定不不变变，可可用用杠杠杆法则求出恒温转变前、后相组成的相对量。杆法则求出恒温转变前、后相组成的相对量。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固二元相图恒温转变类型二元相图恒温转变类型 恒恒 温温 转转 变变 类类 型型反应式反应式相图特征相图特征分解型分解型（共晶型）（共晶型）共晶转变共晶转变L L+共析转变共析转变+偏晶转变偏晶转变L L1 1L L2 2+熔晶转变熔晶转

41、变+L+L合成型合成型（包晶型）（包晶型）包晶转变包晶转变L L+包析转变包析转变+合晶转变合晶转变L L1 1+L+L2 2材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 (5)(5)在在应应用用相相图图分分析析实实际际情情况况时时，切切记记相相图图只只给给出出体体系系在在平平衡衡条条件件下下存存在在的的相相和和相相对对量量，并并不不能能表表达达出出相相的的形形状状、大大小小和和分分布布（这这些些只只取取决决于于相相的的本本性性及及形形成成条条件件）；相相图图只只表表示示平平衡衡状状态态的的情情况况，而而实实际际生生产产条条件件下下很很难难达达到到平平衡衡状

42、状态态，因此要特别重视它们的非平衡条件下可能出现的相和组织。因此要特别重视它们的非平衡条件下可能出现的相和组织。(6)(6)相图的正确与否可用相律来判断相图的正确与否可用相律来判断。在在分分析析和和认认识识了了相相图图中中的的相相、相相区区及及相相变变线线的的特特点点之之后后，就可分析具体合金随温度改变而发生的相变及组织变化。就可分析具体合金随温度改变而发生的相变及组织变化。注意事项注意事项：(1)相图是在平衡条件下测定的，而实际中的很少能达到平衡状相图是在平衡条件下测定的，而实际中的很少能达到平衡状态。态。(2)相图不能给出相的形状、大小和分布。相图不能给出相的形状、大小和分布。(3)相图可

43、能存在误差和错误。相图可能存在误差和错误。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固7.3.7 7.3.7 根据相图推测合金的性能根据相图推测合金的性能 合金的性能取决于合金的组织，而合金组织合金的性能取决于合金的组织，而合金组织与相图有关，所以可根据相图预测合金平衡状态与相图有关，所以可根据相图预测合金平衡状态下的一些性能。下的一些性能。包括包括：使用性能（力学性能、物理性能等）使用性能（力学性能、物理性能等）工艺性能（合金的铸造工艺性能（合金的铸造 、压力加工压力加工 、切削加切削加工工 、热处理强化性能）热处理强化性能）材料科学基础材料科学基础第七章

44、第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固1.1.使用性能使用性能 一一般般形形成成两两相相机机械械混混合合物物的的合合金金的的性性能能是是各各相相性性能能的的平平均均值值，即即性性能能与与成成分分呈呈线线性性关关系系；形形成成固固溶溶体体合合金金时时性性能能与与成成分分呈呈曲曲线关系线关系；形成；形成稳定化合物稳定化合物时，其时，其性能在曲线上出现奇点性能在曲线上出现奇点。固溶强化是提高合金强度的方法之一。固溶强化是提高合金强度的方法之一。固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关。固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合

45、金凝固2.2.工艺性能工艺性能 (1)(1)合金铸造性能合金铸造性能 铸铸造造合合金金宜宜选选择择在在接接近近共共晶晶成成分分的的合金合金。纯组元和共晶成分的合金的流动性最纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，凝固后容易形成集中缩孔，合金较好，凝固后容易形成集中缩孔，合金较为致密，且共晶合金熔点低且是恒温转为致密，且共晶合金熔点低且是恒温转变，铸造性能好。相图中液相线和固相变，铸造性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合金的液、固相线温度间隔大时，形成合金的液、固相线温度间

46、隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，而降低树枝晶阻碍未结晶液体的流动，而降低其流动性，其流动性，增多分散缩孔。所以，铸增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。造合金常选共晶或接近共晶的成分。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 (2)(2)合金压力加工性能合金压力加工性能 合合金金的的压压力力加加工工性性能能与与合合金金的的组组织织有有关关。单单相相固固溶溶体体由由于于其其强强度度低低，塑塑性性好好，变变形形均均匀匀，压压力力加加工工性性能能较较好好。所所以以需需压

47、压力力加加工工的的合合金金通通常常选选择择单单相相固固溶溶体体或或接接近近单单相相固固溶溶体体(含含第二相应尽量少第二相应尽量少)成分的合金。成分的合金。单单相相合合金金的的锻锻造造性性能能好好。合合金金为为单单相相组组织织时时变变形形抗抗力力小小，变变形形均均匀匀，不不易易开开裂裂，因因而而变变形形能能力力大大。双双相相组组织织的的合合金金变变形形能能力力差差些些，特特别别是是组组织织中中存存在在有有较较多多的的化化合合物物相相时时，因因为为它们都很脆。它们都很脆。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 (3)(3)合金切削加工性能合金切削加工性能

48、合合金金切切削削加加工工性性能能与与合合金金的的组组织织有有关关。塑塑性性好好的的材材料料进进行行切切削削加加工工时时，切切削削不不易易断断开开且且缠缠绕绕在在刀刀具具上上，增增加加零零件件表表面面粗粗糙糙度度，不不易易进进行行高高速速切切削削，因因此此单单相相固固溶溶体体型型合合金金切切削削加加工工性性能能不不够够好好。而而具具有有两相组织的合金的切削加工性一般比较好。两相组织的合金的切削加工性一般比较好。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固 (4)(4)热处理工艺性能热处理工艺性能 可可借借助助于于相相图图判判断断合合金金能能否否通通过过热热处处

49、理理强强化化，并并能能为热处理提供数据。为热处理提供数据。相相图图中中无无固固态态相相变变的的合合金金不不能能进进行行热热处处理理强强化化，但但能进行消除枝晶偏析的扩散退火。能进行消除枝晶偏析的扩散退火。具具有有多多晶晶型型转转变变的的合合金金，可可通通过过再再结结晶晶退退火火和和正正火火处处理理使使合合金金晶晶粒粒细细化化，以以提提高高强强度度、硬硬度度，称称为为细细晶晶强化。强化。具具有有溶溶解解度度(固固溶溶度度)变变化化的的合合金金，可可通通过过固固溶溶处处理理以及后来进行的时效处理来提高合金的硬度、强度。以及后来进行的时效处理来提高合金的硬度、强度。具有共析转变的合金，原则上可进行淬

50、火处理。具有共析转变的合金，原则上可进行淬火处理。合金进行化学热处理时，渗入元素必须在被渗金属合金进行化学热处理时，渗入元素必须在被渗金属中具有一定的溶解度或者能形成化合物。中具有一定的溶解度或者能形成化合物。材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及其合金凝固二元系相图及其合金凝固Fe-CFe-C合金的组织和性能合金的组织和性能 AlAl2 2O O3 3-SiO-SiO2 2系的组织和性能系的组织和性能 Cu-ZnCu-Zn合金相图合金相图 Cu-SnCu-Sn合金合金 其他例子其他例子7.3.8二元合金相图分析实例二元合金相图分析实例材料科学基础材料科学基础第七章第七章二元系相图及