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1、材料科学基础第三章第1页，本讲稿共19页第一节 二元单相合金二元单相合金指二元合金在固态时只有一种相（固溶体）的合金。这种合金也是所有合金中最简单且最常见的一类合金。有些二元合金系在固态时无论成分如何只有一种相，如Ni-Cu、Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、Fe-Ni及W-Mo等，几乎所有的二元甚至多元合金在一定成分范围内在固态下也是单相。第2页，本讲稿共19页相 图 进行材料研究，金相分析，制定热、铸、锻、焊等热加工工艺规范的重要依据和有效工具。v 了解合金系中不同成分和温度下的相的种类、相的成分及相的相对含量。v 了解合金在加热和冷却过程中的转变并预测其性能的变化规律。即表示在平衡条件
2、下合金组织与成分、温度之间关系的图形。合金相图又称合金平衡图或合金状态图了解由相图可作用相图的第3页，本讲稿共19页一、相律在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金，固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件下恒温下出现的相数为2或3。第4页，本讲稿共19页二、二元匀晶相图的分析 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态均无限互溶时的二元合金相图。匀晶转变：在一定温度范围内由液相结晶出单相的固溶体的结晶过程。具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。第5页，本讲稿
3、共19页（一）二元合金相图的建立（以Pb-Sb二元合金为例）无限缓冷下测各合金的冷却曲线标注在温度成分坐标中连接各相变点 1、建立相图的思路：合金相变时，伴随物理、化学性能的变化，可利用热分析法（或者热膨胀法、磁性测定法、金相法、电阻法和X射线结构分析法等）精确测定相变临界点（即临界温度），确定不同相存在的温度和成分区间，建立相图。2、具体步骤：选组元，配合 金系，熔化确定各合金的相变温度确定相第6页，本讲稿共19页Cu-Ni合金相图的建立L如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu六组合金。（L+）第7页，本讲稿共19页1、相图分析L+L两线：液相线、固相线三
4、区：液相、液相+固相、固相A（二）二元匀晶相图分析第8页，本讲稿共19页三、合金的平衡结晶过程L+L12时间温度LL平衡结晶过程分析t1t2所谓平衡结晶过程是指合金从液态无限缓慢冷却、原子扩散非常充分，冷却过程中每一时刻都能达到相平衡条件的一种结晶过程。第9页，本讲稿共19页给定合金的成分，可计算不同温度下，此成分的合金所形成不同的相的相对含量，即各相的质量分数计算。引例：100ml的10%的NaCl水溶液和100ml的30%的NaCl水溶液混合后浓度是多少？10010%+10030%=C200C=20%反过来考虑：把20%的NaCl水溶液分成浓度分别为10%和 30%的两份，那么两份的体积分
5、数是多少？V110%+V230%=20%(V1+V2)四、质量分数计算第10页，本讲稿共19页这种方法可推广到固相和固液混合相L+LCbCa abCC如图：成分为C的Ni-Cu合金，缓冷到t时,根据相图分析：（）此状态下存在哪几相？（）各相的成分如何？（）各相的数量（绝对数量与相对数量）？（）做水平线，与固相线和液相线分别交于a、b点。剩余液相总处于即将结晶的状态，即t的液相线上的点的成分，即b点成分Cb，而刚结晶出来的固相即t的固相线上的a点的成分Ca。（）由相图可知，C点存在L+两相区第11页，本讲稿共19页（）利用引例的思路，问题转化为：浓度为C的合金，分成浓度为Ca、Cb两份，所以有:
6、MaCa+MbCb=C(Ma+Mb)即 Ma（C-Ca）=Mb(Cb-C)由此可知，两相的相对含量为：Ma/Mb=(Cb-C)/（C-Ca）若M=Ma+Mb为已知量，那么，两相的绝对含量为：Ma=(Cb-C)（Ma+Mb）/（Cb-Ca）Mb=(C-Ca)（Ma+Mb）/（Cb-Ca）L+LCbCa abCcCaC CbMa Mb第12页，本讲稿共19页CaC CbMaMb总结：由质量分数的计算式 Ma（C-Ca）=Mb(Cb-C)并结合相图，可知，此式类似与杠杆定律的应用，所以这种方法又称杠杆定律。注意：使用条件：只适合平衡结晶的两相区 解决问题：（1）确定二平衡相的成分（2）确定二平衡相的
7、数量第13页，本讲稿共19页 平衡结晶：在结晶过程中，原子的扩散在固相、液相及固液相之间非常充分，能跟得上相变的速度，最终形成成分均匀的固溶体。L+Lt1t2t3t1t3t2第14页，本讲稿共19页 非平衡结晶：合金结晶较快，原子的扩散来不及充分进行，结果使先结晶出来的固溶体和后结晶的固溶体成分不均匀。晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象。后结晶出来的，含A元素少先结晶出来的，含A元素多五、非平衡结晶过程第15页，本讲稿共19页富Ni富CuCu-Ni合金晶内偏析的组织第16页，本讲稿共19页非平衡结晶 晶内偏析塑性、韧性下降，易引起晶内腐蚀，热加工困难 将铸件加热到低于固相线100200
8、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。扩散退火L+L加热温度范围第17页，本讲稿共19页六、性能与成分的关系由相图可大致推断出合金在平衡状态下的力学 性能和物理性能。对于二元匀晶相图来说，合金 形成了单相的固溶体，合金的性能与组元几溶质 元素的溶入量有关。对于一定的溶质和溶剂，溶 质的溶入量越多，则合金的强度、硬度提高越多（即产生了固溶强化），同时电阻增大，电导率 越低。铸造性能取决于相图中的液相线与固相线之间的水平间隔，间隔越大，合金的铸造性能越差；压力加工性能好的合金通常是单相固溶体。而两相混合物组成的合金，压力加工性能就比较差；固溶体的切削性能不够好。第18页，本讲稿共19页第19页，本讲稿共19页