相图(新)

6相图6.1相图基本概念6.2相律和杠杆定律6.3二元匀晶相图6.4二元共晶相图6.5二元包晶相图6.6其他类型的二元相图6.7相图基本类型小结6.8二元相图的分析6.9相图与性能的关系6.10铁碳合金相图小结6.1相图基本概念6.1.1相图材料性能决定于其内部的组织，而组织又由相组成。材料中相的状态是其组织的基础。材料的相状态由其成分和所处温度来决定。相图就是反映材料在平衡状态下相状态与成分和温度关系的图形。相图不仅反映了不同成分材料在不同温度下所存在的相及其相平衡关系，而且反映了温度变化时的相变过程及组织形成的规律。本章仅研究二元相图。6.1.2相图的表示方法二元相图可用温度-成分坐标系的平面图形来表示。以纵坐标表示温度，横坐标表示材料成分。温度—成分坐标系中的任一点称为表象点,代表某一合金在某一温度下所处的相状态。图6-1Cu-Ni合金相图6.1.3相图的建立方法常用的方法有热分析法、金相法等。以铜镍合金系为例用热分析法建立相图的过程：(1)配制系列成分的铜镍合金。(2)测出每个合金的冷却曲线，找出各冷却曲线上临界点(转折点或平台)的温度。(3)画出温度-成分坐标系，在各合金成分垂线上标出临界点温度。(4)将具有相同意义的点连接成线，标明各区域内所存在的相，即得到Cu-Ni合金相图。图6-2建立Cu-Ni相图的示意图建立相图的示意图6．2相律和杠杆定律6.2.1相律相律是表示材料在平衡条件下，系统的自由度数f与组元数c和平衡相数p三者之间关系的定律。它们之间的关系为：f=c-p+1自由度：在保持平衡相数不变的条件下,影响相状态的内外部因素中可独立发生变动的数目。相律的应用相律：f=c-p+1对二元系，c=2,则f=3-p，可知:p=3,f=0，平衡相最多为3；p=3，f=0,温度、相成分一定；p=2，f=1,温度或相的成分可变，但只有一个独立变量；p=1，f=2，温度和相成分均可独立改变。6.2.2杠杆定律杠杆定律是分析相图的重要工具，可用来确定两相平衡时两平衡相的成分和相对量,也可确定最后形成的组织中两相的相对量以及组织的相对量。杠杆定律的证明和力学比喻两相质量分数可计算为：两相的质量比可用下式表达：即两相的质量比与两线段的长度成反比。上式可写成QL·ab=Qα·bc称为杠杆定律。ab100%acbc100%acLQQLabcabQQ注意：只适用于相图中的两相区,并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点,而支点为合金的成分点。6.3二元匀晶相图两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，形成固溶体的二元相图称为二元匀晶相图。Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Fe-Ni、W-Mo、Cr-Mo、Si-Be和Nb-Ti等二元合金系均具有匀晶相图。下面以Cu-Ni合金相图为例进行讨论。6.3.1相图分析组元为Cu和Ni，在成分线两端。相图中aa1b为液相线，ac1b为固相线。两条曲线将图面分成三个区间:液相区L，固相区α和液固两相共存区L+α。液相线是L/L+α的分界线，固相线是L+α/α的分界线。图6-1Cu-Ni合金相图6.3.2平衡结晶过程分析b点合金结晶过程：1点以上:液相L1-2:2点:全部结晶为α2-3:α降温其他成分合金的结晶过程与其类似。图6-4匀晶相图合金的结晶过程L匀晶结晶的特点:（1）固溶体结晶也包括生核与长大过程。形态主要是胞状晶和树枝晶,而且更趋于呈树枝状。（2）固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。（3）在两相区，温度一定时，相的成分是确定的，两相的质量也是一定的。随着温度的下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化,两相的质量也发生相应变化。图6-5固溶体的组织形态示意图6.3.3非平衡结晶过程分析在实际生产中，冷却较快，不能保持平衡状态，扩散过程来不及进行，使结晶过程偏离平衡状态。图6-6固溶体非平衡结晶过程及液、固两相的成分和组织变化示意图（a）成分变化；(b)组织变化非平衡结晶的特点:（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液相线和固相线。（2）先结晶的部分总是富含高熔点组元（Ni）,后结晶的部分富含低熔点组元（Cu）。（3）非平衡结晶总是导致结晶结束温度低于平衡结晶时的结束温度。非平衡结晶的偏析现象固溶体非平衡结晶时，由于从液体中先后结晶出来的固相成分不同，使得一个晶粒内部化学成分不均匀，这种现象称为晶内偏析。由于固溶体通常以树枝状生长方式结晶，先结晶的枝干含高熔点组元较多，而后结晶的枝间含低熔点组元较多，故称为枝晶偏析。枝晶偏析属于晶内偏析。图6-7Cu-Ni合金的显微组织(a)铸造组织；(b）退火组织枝晶偏析影响因素（1）冷却速度(冷速)愈大，扩散进行愈不充分，偏析程度愈大。（2）相图的结晶范围愈大，偏析成分的范围愈大。消除偏析的方法：扩散退火6.3.4成分过冷与晶体长大形态1.成分过冷成分过冷：在固溶体合金结晶过程中，液相溶质分布发生变化，若溶质不能通过对流扩散达到均匀化，因而在固液界面处的液相有溶质的富集。由于合金的结晶温度是由合金的成分决定的，因而液相中溶质分布的变化将引起结晶温度的变化，这时的过冷是由成分变化与实际温度分布两个因素共同决定的，称为成分过冷。溶质平衡分配系数：当固-液两相平衡时，固相成分Cs与液相成分CL之比称为溶质平衡分配系数，以表示，图6-8所示为k0的两种情况。图6-8所示为K0的两种情况（a)K0＜1;(b)K0＞1Ls0CCK图6-9液相内的浓度梯度及其结晶温度(a)液相内的浓度梯度；(b)液相的结晶温度成分过冷的形成以溶质元素降低溶剂元素溶点的相图类型（图6-8a）为例来讨论成分过冷。成分为C0的合金结晶时，先结晶的固体含溶质较少，靠近界面的液体内溶质富集，由于在实际的结晶过程中，不可能通过扩散达到均匀一致的成分，随着结晶的进行，在界面处富集的溶质逐渐增多，液相内溶质分布情况如图6-9（a）所示，距界面不同距离的液相的平衡结晶温度如图6-9（b）所示。图6-11温度梯度与成分过冷的关系图6-10成分过冷形成示意图在结晶过程中，由于热量的散出，溶液的实际温度分布如图6-10（a）所示。若液相各点的实际温度在各点液相开始结晶温度以下，在界面处形成如图6-10（b）中剖线部分所示的过冷情况，可以看出过冷是由界面前沿液相中溶质成分的变化和实际温度分布这两个因素共同决定的，这种过冷就是成分过冷。图6-11示意地表示了温度梯度与成分过冷的关系，温度梯度G越平缓，成分过冷倾向越大。2.晶体生长形态图6-12液相中温度梯度G对固溶体晶体生长形态的影响当温度梯度为G0，没有出现成分过冷，固-液界面前沿的温度分布为正的温度梯度，形成平面界面。当温度梯度为G1，出现成分过冷，但过冷度较小，形成胞状组织。当温度梯度为G2，成分过冷区较大，在固相表面的偶然凸起伸向过冷液相生长，同时在其侧面产生分枝，形成树枝状组织。3.固溶体结晶理论的应用图6-15区域熔炼示意图区域熔炼采用感应加热的方法使金属分段逐步熔化，使先熔化部分结晶，将杂质排至熔化部分的液相中。如此继续分段熔化，就将杂质聚集在样品的尾部。这种方法已广泛用于半导体材料、金属及金属化合物等的提纯,获得了极好的提纯效果。6.4二元共晶相图两组元在液态无限互溶，固态有限溶解，通过共晶反应形成两相机械混合物的二元相图称为二元共晶相图。共晶反应是液相在冷却过程中同时结晶出两个结构不同的固相的过程。Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu、Mg-Al和Mg-Si等二元合金系，以及Fe-C合金、陶瓷材料MgO-CaO系等，都具有此类相图。6.4.1相图分析液相线adb,固相线acdeb,固溶线cf和eg有三个单相区液相L,α和β。三个两相区：L+α、L+β和α+β。水平线cde为三相共存线，亦为共晶反应线，合金在此线对应的温度发生共晶反应，自液相L同时析出两个固溶体，即称为共晶体。共晶反应时三相成分是确定的，反应在恒温下进行。相图中d点为共晶点。图6-16Pb-Sn合金相图共晶反应线与共晶点有如下关系：成分在ce之间的合金平衡结晶时都发生共晶反应，而发生共晶反应时液相成分均为d点。具有d点成分的合金称为共晶合金，d点以左成分的合金为亚共晶合金，d点以右为过共晶合金。ecCdL1836.4.2典型合金平衡结晶过程分析1．合金(1)的平衡结晶过程合金(1)的室温组织组成物α和βII皆为单相，所以它的组织组成物的质量分数与组成相的质量分数相等。两相的质量分数为：11()100%()100%[()1()]xgafgfxafg或ωωww2．合金(2)共晶合金的结晶过程图6-19共晶合金组织的形态合金室温组织：(α+β)组成相：α和β相3.合金(3)的结晶过程图6-21亚共晶合金组织合金室温组织：α+二次β+(α+β)组成相：α、β3．合金(3)的结晶过程合金的组成相为α和β，它们的相对质量为：合金的组织组成物为：初生α、βII和共晶体(α+β)。它们的相对质量可两次应用杠杆定律求得。计算得到合金(3)在室温下的三种组织组成物的相对质量为（请自行推导）：33()100%()100%xgfgfxfgωω2()100%2()100%2()100%IIcgdfgcdfcdfgcdccdωωω4.合金(4)的结晶过程结晶过程与亚共晶合金相似，也包括匀晶反应、共晶反应和二次结晶三个转变阶段。不同之处是初生相为β固溶体，二次结晶过程为:所以室温组织为β+αII+(α+β)。图6-22为过共晶合金组织。图中白色树枝状组织为β，其上少量的黑点为αII，其余为共晶(α+β)。II图6-22过共晶合金组织可划分为6个组织区：Ⅰ：α单相组织Ⅱ：α＋βIIⅢ：α+βII+(α+β)共晶Ⅳ：(α+β)共晶Ⅴ：β+αII+(α+β)共晶Ⅵ：β+αII可以看出，两相区中由两相可组成不同的组织状态。图6-23标注组织的共晶相图6.4.3初晶和共晶的组织形态1.初晶的组织形态如果初晶是金属相有粗糙界面，如固溶体一般呈树枝状，在金相显微镜下截断的枝晶断面为椭圆形，如图6-24。如果初晶为非金属性质的光滑界面时，一般多有规则的外形，在显微镜下常见有三角形、四边形和六边形等，图6－25为呈多边形的初晶。图6-246％Sb的Pb-Sb合金初晶（100×）图6-25亚金属初晶16％Sb的Pb-Sb合金初晶（100×）2．共晶体的组织形态共晶体的组织有多种形态。共晶体是两相混合物，影响其组织形态的因素很多，其中最主要的是组成相的基本性质。图6-26典型共晶组织形态(a)层片状；(b)棒状；(c)球状；(d)针片状；(e)螺旋状6.4.4非平衡结晶的特点共晶成分的合金在缓冷条件下会得到100%的共晶组织，而非共晶成份合金在快冷条件下也能得到100%的共晶组织，把这种非共晶成份的共晶组织称为伪共晶。图6-27共晶系合金的不平衡结晶图6-28Al-Si合金系的伪共晶区1.伪共晶图6-29四种伪共晶区2.离异共晶成份点靠近共晶转变线两端点的亚共晶和过共晶合金，结晶后组织中初晶量很多，共晶体数量很少，而且共晶体中与初晶相同的一相，同初晶结合在一起，将共晶体中的另一相推至晶界，造成共晶体两相分离的组织称为离异共晶。图6-30Cu4％-Al合金中的离异共晶组织3.非平衡共晶成份点位于共晶转变线两端点之外，且又靠近端点的合金，在平衡结晶时无共晶转变发生，但在非平衡结晶条件下，也能发生共晶转变得到少量共晶体，称这种共晶组织为非平衡共晶。图6-27共晶系合金的不平衡结晶6.5二元包晶相图二组元在液态无限溶解，固态下有限溶解，发生包晶反应的相图称为二元包晶相图。包晶反应是一个液相与一个固相相互作用，生成一个新的固相的过程。Pt-Ag,Cu-Sn,Cu-Zn,Ag-Sn,Cd-Hg,Sn-Sb等二元合金系都具有此类相图。6.5.1相图分析1.相区有液相L、α相和β相三个单相区，两单相区之间为相应的两相区。