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1、7.3二元相图,二元系物质比单元系物质多了一个组元,因此它还有成分的变化,在反映它的状态随成分、温度和压力变化时,必须用三个坐标轴的三维立体相图。由于二元合金的凝固是在一个大气压下进行,所以二元系相图的表示多用一个温度坐标和一个成分坐标表示,即用一个二维平面表示。该平面内的任何点,称为表象点(相图中由成分和温度所确定的任何点),一个表象点反映一个合金的成分和温度,所以表象点可反映不同成分的合金在不同温度时所具有的状态。,7.3.1二元匀晶相图,一.匀晶相图:两组元在液态和固态均能无限互溶,这样的二元系所构成的相图,称为二元匀晶相图。如Cu-Ni,Au-Ag,Au-Pt,Fe-Ni,W-Mo等。
2、其中Cu-Ni相图为最典型的二元匀晶相图,下面以它为例进行讲解。,(一)、相图分析,图7.21为Cu-Ni二元匀晶相图,按相图中的点、线、相区进行相图分析。图7.21 Cu-Ni 相图,1、点:相图中Ta,Tb点分别为纯组元Cu,Ni的熔点。2、线:TaTb凸曲线为液相线。各不同成分的合金加热到该线以上时全部转变为液相,而冷却到该线时开始凝固出固溶体。TaTb凹曲线为固相线。各不同成分的合金加热到该线时开始熔化,而冷却到该线时全部转变为固溶体。,3、相区:在TaTb凸曲线以上为液相的单相区,用L表示;在TaTb凹曲线以下为固相的单相区,用表示;是Cu-Ni互溶形成的置换式无限固溶体。在TaTb
3、凸曲线和TaTb凹曲线之间为液、固两相平衡区,用L+表示。4、匀晶转变:从液相中直接凝固出一个固相的过程,称为匀晶转变。一般用L表示。匀晶转变是匀晶相图中液、固相之间的主要转变方式,而且几乎在所有的二元合金相图中都含有匀晶转变部分。,(二).固溶体合金的平衡凝固及组织,1、平衡凝固:是液态合金在无限缓慢的冷却条件下进行的凝固,因冷却速度十分缓慢原子能够进行充分扩散,在凝固过程的每一时刻都能达到完全的相平衡,这种凝固过程称为平衡凝固。,平衡凝固过程及组织 以含Ni=20%的Cu-Ni合金为例,来分析单相固溶体合金的平衡凝固过程。见图7.21,由图可以看出,该合金在液相线以上,即在t1温度以上为单
4、相的液体L,从高温冷却时只是温度降低不发生状态的变化。当冷却到t1温度时,液相开始发生匀晶转变,凝固出含高熔点组元Ni较多的固溶体1,而液相的成分为L1与合金的成分相同,此时液、固两相的相平衡关系为L11。由相图可以看出1 的含Ni量大于该合金的含Ni量,即大于20%Ni,这种现象称为选份凝固。由杠杆定律可知在t1 温度时1 的质量分数为零。这说明在t1温度时,由于没有过冷度固相还不能形成,当温度略低于t1时固相便可以形成,并且随着温度的降低固相的相对量不断增加,液相的相对量不断减少,液、固两相的成分也在不断变化。如冷却到t2 温度时,从液相中凝固出成分为2固溶体,而液相的成分为L 2,此时,
5、液、固两相的相平衡关系为 L22,为了保持该温度时的相平衡,在 t2温度以上凝固出的1,必须通过扩散使成分由1变为2,而且液相的成分也必须通过扩散由L1变为L2。,这些变化过程的原子扩散示意图见图 7.22,先凝固出的固相中含Ni%量最高,由里向外向液相中扩散,Ni扩散方向(12L2 中)。而固相外层的液相中含Cu%量最高,由外向里向1中扩散,Cu扩散方向(L221中)。由于是平衡凝固,冷却速度很慢一般认为上述扩散过程能充分进行。当冷却到t3 温度时合金与固相线相交,这时液、固两相建立最后的相平衡关系L33 则2 必须通过扩散变为3 成分,即合金成分;而液相的成分必须通过扩散由L2变为 L3,
6、即最后一滴液相的成分为L3。继续冷却,即在 t3温度以下液相消失,固溶体的成分不变,只是进行单纯的冷却,最后在室温时得到组织为等轴状晶粒的单相固溶体,其成分为含Ni%=20%。这就是固溶体的平衡凝固过程及组织。,由上述讨论可以看出固溶体平衡凝固时的成分变化为,随着温度的降低,固相的成分沿固相线变化,相对量不断增加,液相的成分沿液相线变化相对量不断减少,这是固溶体平衡凝固的重要规律之一。固溶体平衡凝固时,液、固两相相对量的变化可以用杠杆定律确定,由图7.21可以看出,随着温度的降低,代表液相相对量的线段不断缩短,而代表固相相对量的线段不断增长。因此,随着温度的降低液相的相对量不断减少,而固相的相
7、对量不断增加。,2、固溶体合金的不平衡凝固组织,图7.22 匀晶转变过程中原子扩散示意图 图7.23 匀晶系合金的不平衡凝固,由上述分析可知,固溶体合金在不平衡凝固时,先凝固出的固溶体与后凝固出的固溶体成分不同,并且没有足够的时间使成分扩散均匀。因此在凝固完毕后,整个固溶体的成分是不一致的,这种成分不均匀现象称为成分偏析,而在一个晶粒内部的成分不均匀现象称为晶内偏析。以Cu-Ni合金为例,它在不平衡凝固后的组织如图7.24(a)。固溶体呈树枝状,先凝固的白色枝杆部分含高熔点组元Ni较多,后凝固的黑色枝间部分含低熔点组元Cu较多。因此枝杆和枝间的成分也不相同,通常把这种晶内偏析称为枝晶偏析。由电
8、子探针微区分析也证实在不易浸蚀的白色枝杆处含Ni较高,在易浸蚀的黑色枝间处含Cu较高,见图7.24(b)。,图7.24 铜镍合金的铸造组织(a)显微组织;(b)电子探针测量结果,7.3.2二元共晶相图,一.共晶相图:当两组元在液态能无限互溶,在固态只能有限互溶,并具有共晶转变,这样的二元合金系所构成的相图称为二元共晶相图。如Pb-Sn,Pb-Sb,Cu-Ag,Al-Si等合金的相图都属于共晶相图。Pb-Sn合金相图是典型的二元共晶相图,见图7.26,下面以它为例进行讲解。首先分析相图中的点,线和相区。,图7.26 铅锡相图,(一)、相图分析,1、点:tA,tB点分别是纯组元铅与锡的熔点,为 3
9、27.5oC和231.9oC。M点:为锡在铅中的最大溶解度点。N点:为铅在锡中的最大溶解度点。E点:为共晶点,具有该点成分的合金在恆温183时发生共晶转变LEM+N 共晶转变:是具有一定成分的液相在恆温下同时转变为两个具有一定成分和结构的固相的过程。F点:为室温时锡在铅中的溶解度。G点:为室温时铅在锡中的溶解度。,2、tAEtB线:为液相线,其中tAE线:为冷却时L的开始温度线,EtB线:为 冷却时L的开始温度线。tAMENtB线:为固相线,其中tAM线:为冷却时L的终止温度线,tBN线:为冷却时L的终止温度线。MEN线:为共晶线,成分在MN之间的合金在恒温183时均发生共晶转变LE(M+N)
10、形成两个固溶体所组成的机械混合物,通常称为共晶体或共晶组织。MF线:是锡在铅中的溶解度曲线。NG线:是铅在锡中的溶解度曲线。,3、相区(1)单相区:在tAEtB液相线以上,为单相的液相区用L表示,它是铅与锡组成的合金溶液。tAMF线以左为单相固溶体区,相是Sn在Pb中的固溶体。tBNG线以右为单相固溶体区,相是Pb在Sn中的固溶体。(2)两相区:在tAEMtA区为L+相区,在tBENtB区为L+相区。在FMENGF区为+相区。(3)三相线:MEN线为L+三相共存线。由相律可知三相平衡共存时,f=2-3+1=0,只能在恒温下实现。,有共晶相图的二元系合金,通常可以根据它们在相图中的位置不同,分为
11、以下几类:成分对应于共晶点(E)的合金称为共晶合金,如Pb-Sn相图中含Sn61.9%的合金。成分位于共晶点(E)以左,M点以右的合金称为亚共晶合金,如含Sn19%61.9%的合金都是亚共晶合金。成分位于共晶点(E)以右,N点以左的合金称为过共晶合金。如含Sn61.9%97.5%的合金都是过共晶合金。成分位于M点以左,N点以右的合金称为端部固溶体合金。如含Sn小于19%和大于97.5%的合金都是端部固溶体合金。,(二).共晶系典型合金的平衡凝固过程分析,1.端部固溶体合金(10%Sn-Pb合金)由图7.26可以看出,合金冷却到t1温度时开始发生匀晶转变从L。随着温度的降低量不断增加,L量不断减
12、少,并且相的成分沿固相线tAM变,L相的成分沿液相线tAE变。当冷却到t2温度时L全部转变成相,继续降低温度相自然冷却不发生成分和相的变化。当冷却到t3温度时,Sn在固溶体中达到饱和状态,因此随着温度的降低,它处于过饱和状态,多余的Sn以固溶体的形式从固溶体中析出,这时固溶体的平衡成分沿MF线变化,相对量逐渐减少,而析出的固溶体的平衡成分沿NG线变化,相对量逐渐增加。,通常将固溶体中析出另一种固相的过程称为脱溶转变,脱溶转变的产物一般称为次生相或二次相。次生相固溶体用表示,以区别从液相中直接凝固出的固溶体。由于次生相是从固相中析出的,而原子在固相中的扩散速度慢,所以次生相一般都较细小,并分布在
13、晶界上或固溶体的晶粒内部。由上述分析可知该合金在室温时的组织为+,见图7.27。图中黑色基体为相,白色颗粒为相。图7.28为该合金的平衡凝固过程示意图。,图7.27 10%Sn-Pb 合金显微组织 500,图7.28 10%Sn-Pb 合金凝固过程示意图,由相图可以看出F点以左,G点以右的合金凝固过程与匀晶合金完全相同,而成分位于F点和M点之间的所有合金的平衡凝固过程都与上述合金相同,显微组织都为+,只是和 的相对量不同。合金成分越接近M点,其含越多,而越接近F点,其含越少。成分位于N点和G点之间的所有合金的平衡凝固过程与上述合金相似,所不同的是它从L,从。,2共晶合金(61.9%Sn-Pb)
14、,由相图可以看出共晶合金从液态缓慢冷却到tE温度时,在恒温下从液相中同时结晶出两个成分不同的固相,即发生共晶转变LEM+N(L61.9%19%+97.5%)由于发生共晶转变时是三相平衡,所以可以用相律证明它是在恒温下进行的。共晶转变在恒温下一直进到液相完全消失,继续冷却M 和N分别析出次生相 和,成分分别沿着MF和NG线变化。由于析出的和与共晶体中的和常常混合在一起,所以在显微镜下很难分辨。因此该合金在室温时的组织一般认为是由(+)共晶体组成。,图7.29 铅锡共晶合金的显微组织 200,图7.30 共晶合金凝固过程示意图,合金的显微组织:是指在金相显微镜下能够观察到的组成部分。共晶合金的显微
15、组织是由和两相组成,所以它的相组成物为和两相。相组成物:是指组成合金显微组织的基本相。组织组成物:是指合金在结晶过程中,形成的具有特定形态特征的独立组成部分。如共晶合金的组织组成物为100%的(+)共晶体。而相组成物的相对量可用杠杆定律计算。,3、亚共晶合金(50%Sn-Pb合金),由图7.26可以看出该合金在冷却到t1温度时,开始发生匀晶转变,从L,该 称为初生相或初晶固溶体或先共晶相,用 初表示,随着温度的降低,初的成分沿着固相线tAM变,相对量不断增加,L的成分沿着液相线tAE变,相对量不断减少,当冷却到t2温度时 初的成分达到M点的成分,剩余液相的成分达到E点的成分,它们的相对量可用杠
16、杆定律计算:,在该温度(略低于t2)剩余液相发生共晶转变 LEM+N 全部转变为共晶体,此时的组织为 初+(+),可以看出共晶体的量就等于t2温度时液相的量。因此(+)%=L%=72.2%,这时它的相组成物为 和。,继续冷却由于固溶体的溶解度减小,因此它们都要发生脱溶过程,初和 共的成分沿MF线变化析出二次相 初 II,共 II;共的成分沿NG线变化析出二次相 共 II,它们析出的二次相 II和 II的成分也分别沿着MF和NG线变化,相对量逐渐增加。由于共晶体(+)中析出的二次相 II与共晶体、混合在一起,在显微镜下分辨不出,所以该合金的室温组织为 初+II+(+)。见图5.31暗黑色块状部分
17、为 初,在其上的白色颗粒为 II,而黑白相间的部分为共晶体(+),图7.32为该合金的平衡凝固示意图。,另外由相图可以看出,所有亚共晶合金的凝固过程都与该合金的凝固过程相同,不同的是当合金成分靠近M点时,初的相对量增加,析出的 II%增加,其(+)的相对量减少;而合金的成分靠近E点时,初的相对量减少,析出的 II%减少,(+)相对量增加。,图7.31 50%Sn-Pb 合金显微组织 200,图7.32 亚共晶合金凝固过程示意图,4、过共晶合金(70%Sn-Pb合金),由相图可以看出过共晶合金的凝固过程与亚共晶合金的凝固过程相似,不同的是它的初生相(先共晶相)为 固溶体,因此它在室温时的组织为:
18、初+II+(+),见图7.33,其中白亮色卵形部分为 初,黑白相间部分为共晶体(+),过共晶合金的具体凝固过程请大家课后自己进行分析。由上述典型合金的平衡凝固过程分析,可以得出二元共晶系合金的组织组成物图(或叫组织分区图)如图7.34。,图7.33 70%Sn-Pb 合金显微组织 200 图7.34 铅锡合金组织分区图,7.3.3二元包晶相图,一.包晶相图:两组元在液态时能无限互溶,在固态时只能有限互溶,并且有包晶转变,这样的二元合金系所构成的相图称为包晶相图。具有包晶相图的二元合金系主要有Pt-Ag,Ag-Sn,Al-Pt,Sn-Sb等,另外在许多二元合金系中也含有包晶转变部分。Pt-Ag合
19、金相图是典型的完整的包晶相图,下面以它为例进行讲解,见图7.40。,图7.40 Pt-Ag相图,(一)、相图分析,1、点:A点:纯组元铂的熔点和凝固点,为1772B点:纯组元银的熔点和凝固点,为961.9C点:是包晶转变时,液相的平衡成分点。D点:是包晶点,具有该点成分的合金在恒温下发生包晶转变,得到100%包晶产物。包晶转变:是一个一定成分的固相和一个一定成分的液相,在恒温下转变成一个新的一定成分的固相的过程。另外,D点也是Pt在Ag中的最大溶解度点;P点:是Ag在Pt中的最大溶解度点,也是包晶转变时 相的平衡成分点;E点:是室温时Ag在Pt中的溶解度,F点:是室温时Pt在Ag的溶解度。2、
20、线:ACB线为液相线,其中AC线为冷却时L 的开始温度线,CB线为冷却时L 的开始温度线。,2、线:ACB线为液相线,其中AC线为冷却时L 的开始温度线,CB线为冷却时L 的开始温度线。APDB线为固相线,其中AP线为冷却时L 的终止温度线,DB线为冷却时L 的终止温度线。CDP线是包晶转变线,成分在CP之间的合金在恒温tD下都发生包晶转变,形成单相固溶体,可用相律证明在三相平衡时f=0,该线是水平线。PE线为Ag在Pt中的固溶度曲线,冷却时 II,DF线为Pt在Ag中的固溶度曲线,冷却时 II。,7.3.4铁碳合金相图,由于碳以石墨形式存在时热力学稳定性比Fe3C高,所以Fe3C在一定条件下
21、将发生分解,形成石墨:(石墨),因此从热力学角度讲Fe3C是一个亚稳定相,石墨才是稳定相,但石墨的表面能很大,形核需要克服很高的能量,所以在一般条件下,铁碳合金中的碳大部分以渗碳体的形式存在。因此铁碳合金相图往往具有双重性,即一个是Fe-Fe3C(6.69%C)亚稳系相图(常用实线表示)见图5.54,另一个是Fe-C(石墨100%C)稳定系相图(常用虚线表示)见图7.54,下面主要介绍Fe-Fe3C亚稳系相图。,图7.54 铁碳相图,(一)、铁渗碳体相图,Fe-Fe3C相图看起来比较复杂,其实并不复杂。只要对二元合金的基本相图掌握的比较好,就不难看出Fe-Fe3C相图主要是由包晶相图,共晶相图
22、和共析相图三个部分所构成。1、相图分析先分析Fe-Fe3C相图中各点、线、相区的含义(1)特性点:Fe-Fe3C相图中的特性点,见表7-2为了便于大家掌握可以将这些特性点归纳成一张表,表7-2 铁碳合金相图中的特性点,7-3 Fe-Fe3C合金相图中的特性线(冷却),(二)相区,1)单相区:有五个:L、Fe3C,在ABCD线以上为液相区,在AHNA区中为相区(高温铁素体),在NJESGN区为 相区(奥氏体区),在GPQG区中为 相区(铁素体区),DFKL区为Fe3C(渗碳体区)。2)两相区:有七个,L+、L+、L+Fe3C,+,+,+Fe3C,+Fe3C在ABJHA区中为L+区,在JBCEJ区中为L+区,在DCFD区中为L+Fe3C,在HJNH区中为+区,在GSPG区中为+区,在ECFKSE区中为+Fe3C,QPSKLQ区中为+Fe3C区 3)三相线、有三条:HJB为L+三相共存,ECF为L+Fe3C三相共存,PSK为+Fe3C三相共存。,图7.71 按组织分区的铁碳合金相图,