材料科学基础第7章PPT课件.ppt

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.,第七章,二元系相图及其合金的凝固,.,合金在成分、温度变化时，其状态可能发生变化。

合金相图就是用图解的方法表示不同成分、温度下合金中相的平衡关系。

由于相图是在极其缓慢的冷却条件下测定的,又称为平衡相图。

根据相图可以了解不同成分合金在温度变化时的相变及组织形成规律。

二元相图都是由一种或几种基本类型的相图组成的。

基本类型的二元相图有：

匀晶、共晶和包晶相图。

第一节基本概念,一、相图的几个基本概念,.,一、相图的几个基本概念组元合金合金系,通常把组合成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元。

-元素-稳定化合物,将一种金属元素同一种或几种其他元素结合在一起所形成的具有金属特性的物质。

有两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金。

Pb-Sn系，Fe-Fe3C系,.,二、相律,自由度数,独立组分数,相数,外界因素,自由度是在温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量中，可以在一定范围内任意改变而不会引起旧相消失或新相产生的独立变量的数目。

.,处于平衡状态下的多相（P个相）体系，每个组元（共有C个组元）在各相中的化学势都必须彼此相等。

处于平衡状态的多元系中可能存在的相数将有一定的限制。

这种限制可用吉布斯相律表示之：

f=C-P+2式中，f为体系的自由度数它是指不影响体系平衡状态的独立可变参数（如温度、压力、浓度等）的数目；C为体系的组元数；P为相数。

对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，一般可认为是常量。

因此相律可写成下列形式：

f=C-P+1相律给出了平衡状态下体系中存在的相数与组元数及温度、压力之间的关系，对分析和研究相图有重要的指导作用。

.,f=0，无变量系统（f=23+1）在二元系中，在水平线中三相平衡，成分和温度都固定不变，恒温转变f=1，单变量系统（f=21+1）在二元系中，在两相区内温度和成分只有一个独立变量，在相区内任意改变温度，则成分随之变化，反之亦然。

f=2，双变量系统在二元系中，在单相区内可以独立改变温度而保持原状态,.,一、相图建立的一些方法,第二节二元合金相图的建立,二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点。

测定材料临界点有动态法和静态法两种方法。

1动态法热分析（thermalanalysis）膨胀法（dilatometrymethod）电阻法（electricalresistivitymethod）2静态法金相法（metallographicmethod）X射线衍射分析（X-raydiffractionmethod）硬度测定法（hardnessmethod）相图的精确测定必须由多种方法配合使用。

.,第二节二元合金相图的建立,二、二元合金相图建立（二元匀晶相图）,.,第二节二元合金相图的建立,二、二元合金相图建立（二元匀晶相图）,.,第三节匀晶相图,熔点液相区固相区液固双相区液相线固相线,一、相图分析,.,第三节匀晶相图,二、匀晶合金结晶过程分析,.,-匀晶合金结晶过程分析,从液相中析出匀晶固相（固溶体）的成分变化析出固相成分沿固相线变化剩余液相成分沿液相线变化液相成分变化和固相成分变化同步进行，并遵守杠杆定律,.,三、杠杆定律（leverrule）,杠杆定律的两端一定是单相杠杆的杆是某一温度杠杆的支点及时研究合金的平均成分杠杆定律是计算双相的重量百分含量,在二元相图中，当两相处于平衡共存的两相区时，两相的质量比可以用杠杆定律求得。

例如在T温度时，液相L和固溶体达到平衡，液、固两相质量百分数分别为WL、W,则有：

WL/W=bc/ab如果把abc看作一根杠杆，上式中的WL/W恰好与它们的杠杆臂成反比关系。

杠杆定律只适用于两相平衡区。

第三节匀晶相图,.,三、杠杆定律（leverrule）,.,四、固溶体的平衡凝固过程,第三节匀晶相图,平衡凝固是指凝固过程中的每个阶段都能达到平衡，即在相变过程中有充分时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。

固溶体的凝固过程与纯金属一样，也包括形核与长大两个阶段，但由于合金中存在第二组元，使其凝固过程较纯金属复杂。

例如合金结晶出的固相成分与液态合金不同，所以形核时除需要能量起伏外还需要一定的成分起伏。

固溶体的凝固在一个温度区间内进行，这时液、固两相的成分随温度下降不断地发生变化.这种凝固过程必然依赖于两组元原子的扩散。

需要着重指出的是，在每一温度下，平衡凝固实质包括三个过程：

液相内的扩散过程。

固相的继续长大。

固相内的扩散过程。

在凝固时，每一个晶核形成一颗晶粒，由于在每一温度下扩散进行充分，晶粒内的成分是均匀一致的。

因此，平衡凝固得到的固溶体显微组织和纯金属相同，除了晶界外，晶粒之间和晶粒内部的成分却是相同的。

.,.,五、固溶体的非平衡凝固过程,第三节匀晶相图,固溶体的凝固依赖于组元的扩散，要达到平衡凝固，必须有足够的时间使扩散进行充分。

但在工业生产中，合金溶液浇涛后的冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡凝固。

非平衡凝固中，液、固两相的成分将偏离平衡相图中的液相线和固相线。

由于固相内组元扩散较液相内组元扩散慢得多，故偏离固相线的程度就大得多，它成为非平衡凝固过程中的主要矛盾。

.,五、固溶体的非平衡凝固过程,固相平均成分线液相平均成分线,.,将铸件加热至固相线以下100200的温度进行较长时间的保温，是偏析元素充分扩散，达到成分的均匀化-扩散退火（均匀化退火）,.,六、固溶体的自由能-成分曲线,第三节匀晶相图,.,第四节二元共晶相图及其凝固分析,点熔点a,b最大溶解度点c,d共晶点e线液相线固相线溶解度曲线共晶线面单相区双相区,LEM+N,.,共晶反应,共晶反应的条件（成分、温度）共晶体共晶合金亚共晶合金过共晶合金,LE（M+N）共晶,.,一、二元共晶合金的凝固过程,.,二、二元共晶合金的凝固过程,共晶合金在发生共晶反应刚结束的时候相的相对含量是多少？

2.共晶合金在室温相的相对含量是多少？

.,共晶合金金相照片-Pb-Sn共晶合金,.,二、二元亚共晶合金的凝固过程,最后的组织：

初+（+）共晶最后的相组成：

+,.,二、二元亚共晶合金的凝固过程,1.50%Sn（wt%）的合金刚开始共晶反应之前相的相对含量,2.50%Sn（wt%）的合金共晶反应结束时相的相对含量,3.50%Sn（wt%）的合金共晶反应结束后的组织组成物对含量,.,亚共晶合金金相照片-Pb-Sn合金,含50%Sn的Pb-Sn合金显微组织,.,三、二元过共晶合金的凝固过程,1.80%Sn合金平衡凝固过程L-L初-L（+）共晶,2.80%Sn合金平衡凝固室温的组织：

初+（+）共晶,3.80%Sn合金平衡凝固室温的相组成：

+,.,三、二元过共晶合金的凝固过程的定量分析,1.80%Sn（wt%）的合金刚开始共晶反应之前相的相对含量,2.80%Sn（wt%）的合金共晶反应结束时相的相对含量,3.80%Sn（wt%）的合金共晶反应结束后的组织组成物对含量,.,四、小于19%（Sn）共晶合金的凝固过程,.,四、小于19%（Sn）共晶合金的凝固过程,1.10%Sn（wt%）的室温时组织组成物的相对含量,2.10%Sn（wt%）的室温时相组成物的相对含量,.,金相照片-Pb-10%Sn合金,.,伪共晶：

非共晶成分的合晶所得到的共晶组织。

在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶的合晶也能得到全部的共晶组织。

伪共晶在相图上是一个区域，其位置偏向高熔点的一方。

五、二元共晶合晶的非平衡凝固,离异共晶共晶体中的相依附于出生相生长，而将共晶体中另外一相推到最后凝固的境界处，使共晶体两相分离,.,.,第五节二元包晶合金,点熔点溶解度点包晶点线液相线固相线溶解度曲线包晶线面,L+,L+,二元包晶相图相区分析,LC+PD,.,二元包晶合金,包晶反应示意图LC+PD,.,一、二元包晶相图分析,1.w（Ag）为42.4的PtAg合金（合金I）在大多数情况下，由包晶反应所形成的相倾向于依附初生相a的表面形核，以降低形核功，并消耗液相和a相而生长。

当a相被新生的卢相包围以后，a相就不能直接与液相L接触。

.,一、二元包晶相图分析,1.42.4%Ag（wt%）的合金刚开始发生包晶反应之前相的相对含量,3.42.4%Ag（wt%）的合金室温时候相的相对含量,2.42.4%Ag（wt%）的合金包晶反应结束时相的相对含量,4.42.4%Ag（wt%）的合金室温时候组织组成物的相对含量,1.42.4%Ag（wt%）合金,.,一、二元包晶相图分析,42.4w（Ag）66.3的pt-Ag（合金II）合金II缓冷至包晶转变前的结晶过程与上述包晶成分合金相同，由于合金II中的液相的相对量大于包晶转变所需的相对量，所以包晶转变后，剩余的液相在继续冷却过程中，将按匀晶转变方式继续结晶出产相，其成分沿CB液相线变化，而b相的成分沿PB线变化，直至t3温度全部凝固结,242.4w（Ag）66.3的pt-Ag（合金II）,.,一、二元包晶相图分析,（1.）合金II（60%Ag（wt%））的合金刚开始发生包晶反应之前相的相对含量,（3.）合金II（60%Ag（wt%））的合金室温时候相的相对含量,（2.）合金II（60%Ag（wt%））的合金发生包晶反应结束时相的相对含量,（4.）合金II（60%Ag（wt%））的合金室温时候组织组成物的相对含量,242.4w（Ag）66.3的pt-Ag（合金II）,.,一、二元包晶相图分析,合金III在包晶反应前的结晶情况与上述情况相似。

包晶转变前合金中相相对量大于包晶反应所需的量，所以包晶反应后，除了新形成的相外，还有剩余的相存在。

包晶温度以下，相中将析出II，而相中析出II，因此该合金金的室温平衡组织为+IIII，,310.5w（Ag）42.4的Pt-Ag合金（合金III）,.,一、二元包晶相图分析,（1.）合金（20%Ag（wt%））的合金刚开始发生包晶反应之前相的相对含量,（3.）合金（60%Ag（wt%））的合金室温时候相的相对含量,（2.）合金（60%Ag（wt%））的合金发生包晶反应结束时相的相对含量,310.5w（Ag）42.4的Pt-Ag合金（合金III）,.,包晶转变的产物相包围着初生相，使液相与相隔开，阻止了液相和相中原子之间直接地相互扩散，而必须通过相，这就导致了包晶转变的速度往往是极缓慢的.影响包晶转变能否进行完全的主要矛盾是所形成新相内的扩散速率。

第五节二元包晶合金,二、包晶合金的非平衡凝固,.,2.实际生产中的冷速较快，包晶反应所依赖的固体中的原子扩散往往不能充分进行，导致包晶反应的不完全性，即在低于包晶温度下，将同时存在未参与转变的液相和相，其中液相在继续冷却过程可能直接结晶出相或参与其他反应，而相仍保留在相的心部，形成包晶反应的非平衡组织。

第五节二元包晶合金,二、包晶合金的非平衡凝固,.,第六节其它类型二元相图,形成稳定化合物的相图合金系中两组元之间还可能形成稳定的金属化合物，其组成可用通式AmBn表示，它具有固定的成分和一定的熔点，可把它看成独立的组元。

它的分析可作为两个简单相图进行。

.,Ti-Ni合金相图中的TiNi化合物（熔点1310）和TiNi3化合物（熔点1380），都有固定的熔点，熔点以下也不会分解。

所以它们都是稳定化合物。

然而化合物Ti2Ni则没有固定的熔点，它是包晶转变的产物。

稳定化合物可以看作一个组元，将相图划分成几个简单的相图。

例如Ti-Ni相图，可以划分成Ti-TiNi相图（含有共晶、包晶和共析转变）、TiNi-TiNi3共晶相图、TiNi3-Ni共晶相图。

这样划分对于复杂相图的分析是十分有利的。

.,.,第六节其它类型二元相图,2.具有共析转变的相图共析转变属于固态相变的一种类型。

和共晶反应一样是由一个相分解为两个相的三相平衡等温转变。

共析转变的特点是：

由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，