第五章二元相图 相图知识 二元匀晶相图与固溶体的凝固 二元共晶相图 二元包晶相图 CORONA >复杂二元相图的分析方法 >铁碳平衡相图
第五章 二元相图 ➢相图知识 ➢二元匀晶相图与固溶体的凝固 ➢二元共晶相图 ➢二元包晶相图 ➢复杂二元相图的分析方法 ➢铁碳平衡相图
第一节相图知识 、相与相图 相:凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀 组成部分,称之为相。 相图:相图又称为状态图,它是表示体系的成分、外界环境和组 成相与相之间的平衡关系的几何图形。它是研究材料组织变 化规律的重要参考工具。外界环境主要是温度和压力,例如 物理学中已经介绍的纯水和纯铁的相图。 液体 液体 8-F T60 固体 0.027 4.582 气体 气体 0.00230.00981100 91014001539 水的相图 纯铁的桕图
第一节 相图知识 一、相与相图 相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀 组成部分，称之为相。 相图：相图又称为状态图，它是表示体系的成分、外界环境和组 成相与相之间的平衡关系的几何图形。它是研究材料组织变 化规律的重要参考工具。外界环境主要是温度和压力，例如 物理学中已经介绍的纯水和纯铁的相图
第一节相图知识 相与相图 二元相图:当存在两个组元时,成分也是变量,但一种组元的含 量为独立,另一组元则为余下部分。为在二维平面上表示, 通常只考虑在常压下,取两个变量温度和成分。横座标用线 段表示成分,纵座标表示温度。平面上以按这时平衡状态下 存在的相来分隔。(如图) 相图用途: 由材料的成分和温度预知平衡相; 2.材料的成分一定而温度发生变化 +a L+阝 时其他平衡相变化的规律; E 3.估算平衡相的数量。 预测材料的组织和性能 G tB(%) B
一、相与相图 第一节 相图知识 二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组元的含 量为独立，另一组元则为余下部分。为在二维平面上表示， 通常只考虑在常压下，取两个变量温度和成分。横座标用线 段表示成分，纵座标表示温度。平面上以按这时平衡状态下 存在的相来分隔。(如图) 相图用途： 1. 由材料的成分和温度预知平衡相； 2. 材料的成分一定而温度发生变化 时其他平衡相变化的规律； 3. 估算平衡相的数量。 预测材料的组织和性能
第一节相图知识 二、相图与冷却曲线的关系 Ⅳ b L十 1083 间 100 时间 wU Ni/% 成分一定,在冷却过程中,不同的相热容量不相同,如果 系统散热能力一样,温度随时间的变化(冷却)曲线上的斜率将 不同,曲线的转折点对应温度就是某些相开始出现或完全小时 的温度,利用这一特点,由实测的冷却曲线可以作出相图
二、相图与冷却曲线的关系： 第一节 相图知识 成分一定，在冷却过程中，不同的相热容量不相同，如果 系统散热能力一样，温度随时间的变化(冷却)曲线上的斜率将 不同，曲线的转折点对应温度就是某些相开始出现或完全小时 的温度，利用这一特点，由实测的冷却曲线可以作出相图
第二节二元匀晶相图与固溶体的凝固 相图形式 两组元在液态和固态都能无限互溶。如CuNi、Ag-Au形 成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图。 相图的构成:由两条曲线将 相图分为三个区。左右两端 b 点分别为组元的熔点。上面 0 的一条曲线称为液相线,液 T L十 相线之上为液相的单相区, 常用L表示;下面的一条曲 ta 线称为固相线,固相线之下 为固溶体的单相区,常用a 表示;两条曲线之间是双相 区,标记L+α表示。 2 B
第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固 一、相图形式 两组元在液态和固态都能无限互溶。如Cu—Ni、Ag—Au形 成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图。 相图的构成：由两条曲线将 相图分为三个区。左右两端 点分别为组元的熔点。上面 的一条曲线称为液相线，液 相线之上为液相的单相区， 常用L表示；下面的一条曲 线称为固相线，固相线之下 为固溶体的单相区，常用α 表示；两条曲线之间是双相 区，标记L+α表示
第二节二元匀晶相图与固溶体的凝固 二、两相平衡时的数量分配规律一一杠杆定律 如图,合金x在温度T将由两相长期并存,这时两相的成分 和数量保持不变。过x点作水平线交液相线和固相线于a、c点, 经热力学证明a、c点的成分分别为平衡的液体和固体的成分, 设m和m2分别为两相的数量, 总重量 由物质不灭可推导出: c T aT 一般用占总体数量的百分 以 比的相对值来表示。如果 把线段axc当成一杠杆,则 a I C 他们满足杠杆力的平衡原c % 杠扦定律示意图 理,所以称之为杠杆定律。 用杠杆定律来分析在理解和使用都有好的直观性和方便。适用所有两相平衡
二、两相平衡时的数量分配规律－－杠杆定律 第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固 如图，合金x在温度T1将由两相长期并存，这时两相的成分 和数量保持不变。过x点作水平线交液相线和固相线于a、c点， 经热力学证明a、c点的成分分别为平衡的液体和固体的成分， 设mL和m分别为两相的数量， 由物质不灭可推导出： 一般用占总体数量的百分 比的相对值来表示。如果 把线段axc当成一杠杆，则 他们满足杠杆力的平衡原 理，所以称之为杠杆定律。 用杠杆定律来分析在理解和使用都有好的直观性和方便。适用所有两相平衡
第二节二元匀晶相图与固溶体的凝固 、固溶体材料冷却时组织转变 过程: 1点以上液体冷却 1500 1~2 1400 1点开始凝固,固体成 L L 分在对应固相线处 1300 2~3、1-2之间,温度下降 1200 a 液体数量减少,固体数 量增加,成分沿液相线 1000 和固相线变化, 到2点,液体数量为0, 801090 时间 固体成分回到合金原始 /% Cu-Ni二元匀晶相图及结晶过程 成分,凝固完成 2点以下固体冷却,无 组织变化
三、固溶体材料冷却时组织转变 第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固 1点以上液体冷却 1点开始凝固，固体成 分在对应固相线处 1－2之间，温度下降， 液体数量减少，固体数 量增加，成分沿液相线 和固相线变化， 到2点，液体数量为0， 固体成分回到合金原始 成分，凝固完成 2点以下固体冷却，无 组织变化 过程：
第二节二元匀晶相图与固溶体的凝固 、固溶体材料冷却时组织转变 特点: 0~1 0 1.与纯金属凝固一样由 1500 1形核和长大来完成结晶 1400 过程,实际进行在一定 C1300 a的过冷度下 1200 2凝固在一温度范围内 进行。只有在温度不断 下将时固体量才增加 1000 温度不变,液固数量维 900 持平衡不变。 时间 /% 3.凝固过程中液体和固 Cu-Ni二元匀晶相图及结晶过程 体的成分在不断变化
三、固溶体材料冷却时组织转变 第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固 1.与纯金属凝固一样由 形核和长大来完成结晶 过程，实际进行在一定 的过冷度下。 2.凝固在一温度范围内 进行。只有在温度不断 下将时固体量才增加， 温度不变，液固数量维 持平衡不变。 3.凝固过程中液体和固 体的成分在不断变化。 特点：
第二节二元匀晶相图与固溶体的凝固 四、固溶体材料非平衡冷却 过程: 从固溶体的凝固特征可知,在晶体长 大过程中,组元元素在析出的固相中不断 的发生迁移。但原子在固体中的迁移相对 结晶过程是较慢的(原子的迁移是扩散过 程,以后专门讨论),可见完全达到平衡 凝固是较困难的,需要相当长的时间, 般的冷却凝固达不到平衡状态 ORON vB(%) 在冷却速度较快时的凝固是非平衡凝固,从相图中可见,在略低于开始 凝固温度t1下开始析出的固体的成分为a1,到t2温度晶体表面生长的成分 可为a2,由于扩散速度跟不上来,心部的成分来不及达到和表面一样就冷却 到下一温度t3,因此析出的固体的成分表里不一,平均成分也偏离了固相线 到达平衡和固相线交点的温度t时还有液相存在,继续冷却到一更低的温度, 固体的平均成分回到合金成分时液体消失,凝固过程才结束
四、固溶体材料非平衡冷却 第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固 从固溶体的凝固特征可知，在晶体长 大过程中，组元元素在析出的固相中不断 的发生迁移。但原子在固体中的迁移相对 结晶过程是较慢的(原子的迁移是扩散过 程，以后专门讨论)，可见完全达到平衡 凝固是较困难的，需要相当长的时间，一 般的冷却凝固达不到平衡状态。 过程： 在冷却速度较快时的凝固是非平衡凝固，从相图中可见，在略低于开始 凝固温度t 1下开始析出的固体的成分为α1，到t 2温度晶体表面生长的成分 可为α2，由于扩散速度跟不上来，心部的成分来不及达到和表面一样就冷却 到下一温度t 3，因此析出的固体的成分表里不一，平均成分也偏离了固相线。 到达平衡和固相线交点的温度t f时还有液相存在，继续冷却到一更低的温度， 固体的平均成分回到合金成分时液体消失，凝固过程才结束
第二节二元匀晶相图与固溶体的凝固 四、固溶体材料非平衡冷却 非平衡凝固的特点有:①凝固过程中,液、固两相的成分偏离液、固相线; ②凝固过程进行到一更低的温度才能完成;③生成固体的成分是不均匀的 随着冷却速度的加大,这些差别特点表现的愈明显。 结果:生成固体的成分不均匀较偏析,快速冷却时在一个晶粒内部先后结晶 的成分有差别,所以称为晶内偏析,金属的晶体往往以树枝晶方式生长,偏 析的分布表现为不同层次的枝晶成分有差别,因此这种偏析又称枝晶偏析。 晶内偏析的程度决定于:相图中液固相线相距愈远,组元元素原子的迁移 能力愈低(扩散系数小),冷却速度愈大,造成的晶内偏析将愈严重。 消除偏析的方法:前两条原因是不可更改的,但并不是采用慢速冷却,因为 慢速冷却会使晶粒变大,最高和最低成分之间的距离加大消除更困难,而是 快速冷却,细化晶粒,会带来晶内的偏析,即宏观均匀而微观有大的差别, 凝固后重新加热到略低于熔点温度,进行一段时间的保温,让原子在这时进 行扩散迁移,达到均匀,这种方法称为均匀化退火
四、固溶体材料非平衡冷却 第二节 二元匀晶相图与固溶体的凝固 非平衡凝固的特点有：①凝固过程中，液、固两相的成分偏离液、固相线； ②凝固过程进行到一更低的温度才能完成；③生成固体的成分是不均匀的。 随着冷却速度的加大，这些差别特点表现的愈明显。 结果：生成固体的成分不均匀较偏析，快速冷却时在一个晶粒内部先后结晶 的成分有差别，所以称为晶内偏析，金属的晶体往往以树枝晶方式生长，偏 析的分布表现为不同层次的枝晶成分有差别，因此这种偏析又称枝晶偏析。 晶内偏析的程度决定于：相图中液—固相线相距愈远，组元元素原子的迁移 能力愈低(扩散系数小)，冷却速度愈大，造成的晶内偏析将愈严重。 消除偏析的方法：前两条原因是不可更改的，但并不是采用慢速冷却，因为 慢速冷却会使晶粒变大，最高和最低成分之间的距离加大消除更困难，而是 快速冷却，细化晶粒，会带来晶内的偏析，即宏观均匀而微观有大的差别， 凝固后重新加热到略低于熔点温度，进行一段时间的保温，让原子在这时进 行扩散迁移，达到均匀，这种方法称为均匀化退火