二元系相图ppt课件

第七章第七章 二元系相图二元系相图及其合金凝固及其合金凝固 第七章二元系相图及其合金凝固1本章要求本章要求1.1.几种基本相图：几种基本相图：匀晶相图（匀晶相图（Cu-NiCu-Ni合金相图）、合金相图）、共共晶相图（晶相图（Pb-SnPb-Sn合金相图）、包晶相图（合金相图）、包晶相图（Pt-AgPt-Ag合金相合金相图）。图）。2.2.相律，杠杆定律及其应用。相律，杠杆定律及其应用。3.3.二元合金相图中的几种平衡反应：二元合金相图中的几种平衡反应：共晶反应、共析共晶反应、共析反应、包晶反应、包析反应反应、包晶反应、包析反应 、偏晶反应、熔晶反应、偏晶反应、熔晶反应、合晶反应。合晶反应。4.4.二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织。二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织。5.5.熟练掌握熟练掌握Fe-FeFe-Fe3 3C C相图。熟悉相图。熟悉Fe-CFe-C合金中各相与组织的合金中各相与组织的结构。会几种典型结构。会几种典型Fe-CFe-C合金的冷却过程分析合金的冷却过程分析 。熟练杠。熟练杠杆定律在杆定律在Fe-CFe-C合金的应用合金的应用。本章要求1.几种基本相图：匀晶相图（Cu-Ni合金相图27.1 7.1 相图的表示和测定方法相图的表示和测定方法7.1.1 7.1.1 二元相图的表示法二元相图的表示法 二二 元元 系系（binary binary systemsystem）由由 于于 合合 金金 有有 成成 分分（compositioncomposition）变变化化，所所以以其其相相图图（phase phase diagramdiagram）需需用纵、横两个坐标轴表示，纵轴表示温度，横轴表示成分。用纵、横两个坐标轴表示，纵轴表示温度，横轴表示成分。v如如果果合合金金系系由由A A、B B两两组组元元组组成成，横横坐坐标标一一端端为为组组元元A A，而而另另一一端端为为组组元元B B，那那么么体体系系中中任任一一成成分分合合金金都都可可以以在在横横坐坐标上找到相应的点。标上找到相应的点。v根根据据国国标标，二二元元合合金金成成分分可可以以有有两两种种表表示示方方法法：质质量量分分数数(W)(W)和和摩摩尔尔分分数数(x)(x)。但但通通常常多多数数用用质质量量百百分分数数表表示示，在在没没有有特特别别注注明明，合合金金成成分分都都是是指指质质量量百百分分数数。若若A A、B B为为单单质质，质质量量百百分分数数和和摩摩尔尔分分数数之之间间换换算算 如如7.17.1式式和和7.17.1式式（P224P224）。）。7.1相图的表示和测定方法7.1.1二元相图的表示法37.1.2 7.1.2 二元相图的测定方法二元相图的测定方法 二二元元相相图图的的测测定定是是根根据据各各种种成成分分材材料料的的临临界界点点（critical critical pointpoint）绘绘制制。临临界界点点是是表表示示物物质质结结构构状状态态发发生生本本质质变变化化的的临临界界相相变变点点。测测定材料临界点有两种方法类型：定材料临界点有两种方法类型：(1)(1)动动态态法法：热热分分析析法法（thermal thermal analisis analisis methodmethod）、膨胀法、电阻法、膨胀法、电阻法 (2)(2)静态法：金相法、静态法：金相法、X Xrayray衍射分析法衍射分析法 这些方法主要是利用合金在相结构变化时，这些方法主要是利用合金在相结构变化时，引起物理性能、力学性能及金相组织变化的特引起物理性能、力学性能及金相组织变化的特点来测定。点来测定。7.1.2二元相图的测定方法二元相图的测定是根据4CuNi CuNi 相图测定相图测定 下下面面以以热热分分析析法法为为例例说说明明如如何何测测绘绘CuNiCuNi相相图图，其其步步骤如下：骤如下：1.1.按按质质量量分分数数先先配配制制一一系系列列具具有有代代表表性性成成分分不不同同的的CuNiCuNi合金。合金。2.2.测出上述所配合金及纯测出上述所配合金及纯CuCu、纯、纯NiNi的冷却曲线。的冷却曲线。3.3.求求出出各各冷冷却却曲曲线线上上的的临临界界点点。纯纯CuCu、纯纯NiNi的的冷冷却却曲曲线线上上有有一一平平台台，表表示示其其在在恒恒温温下下凝凝固固。合合金金的的冷冷却却曲曲线线上上没没有有平平台台，而而为为二二次次转转折折，温温度度较较高高的的折折点点表表示示凝凝固固的的开开始始温温度度，而而温温度度低低的的转转折折点点对对应应凝凝固固的终结温度。的终结温度。4.4.将将各各临临界界点点分分别别投投到到对对应应的的合合金金成成分分、温温度度坐坐标中，每个临界点在二元相图中对应一个点。标中，每个临界点在二元相图中对应一个点。5.5.连接各相同意义的临界点连接各相同意义的临界点(开始点或终了点开始点或终了点)就就得到了得到了CuNiCuNi合金的二元相图。合金的二元相图。CuNi相图测定下面以热分析法为例说明如何测绘Cu5热分析装置示意图热分析装置示意图 热分析装置示意图6热分析法测绘热分析法测绘CuNiCuNi相图相图热分析法测绘CuNi相图77.1.3 7.1.3 二元相图的线、区二元相图的线、区v 由由凝凝固固开开始始温温度度连连接接起起来来的的线线成成为为液液相相线线（liquidus liquidus lineline）。v 由由凝凝固固终终了了温温度度连连接接起起来来的的线线成成为为固固相相线线（solidus solidus lineline）。v 相相图图中中由由相相界界线线划划分分出出来来的的区区域域称称为为相相区区（phase phase regionsregions），表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。，表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。在二元合金系中有在二元合金系中有单相区（单相区（single phase regionsingle phase region）、两）、两相区（相区（two phase regiontwo phase region）、三相区（）、三相区（three phase three phase regionregion）。单相区内、。单相区内、f=2 f=2，T T和成分都可变。双相区内、和成分都可变。双相区内、f=1f=1，T T和成分只有一个可以独立变化。若三相共存、和成分只有一个可以独立变化。若三相共存、f=0f=0，T T和成分都不变，属恒温转变。和成分都不变，属恒温转变。7.1.3二元相图的线、区由凝固开始温度连接起来的线87.1.4 7.1.4 杠杆法则杠杆法则 v 在在二二元元系系中中 xx1xx1时时 Gm1Gm2 Gm1x2xx2时时 Gm1Gm2 Gm1Gm2 相相为为稳稳定定相相，体体系系为为单单相相态态；x1xx2x1xx2时时 公公切切线线上上表表示示GmGm低低于于Gm1Gm1或或Gm2Gm2，故，故 相和相和相共存时体系能量最低。相共存时体系能量最低。v 杠杠杆杆法法则则(the(the lever lever rule)rule):两两平平衡衡相相共共存存时时，多多相相成成分分是切点所对应的成分是切点所对应的成分x1x1和和x2x2，即固定不变。即，即固定不变。即:n1/(n1 n1/(n1n2)=n2)=（x2x2x x）/（x2x2x1x1）n2/(n1 n2/(n1n2)=n2)=（x xx1x1）/（x2x2x1x1）v在在和和两相共存时，可用杠杆法则求出两相的相对量。两相共存时，可用杠杆法则求出两相的相对量。相的相对量为相的相对量为:%=(x2:%=(x2x)/x)/（x2x2x1x1）相的相对量为相的相对量为:%=:%=（x xx1x1）/（x2x2x1x1）v应用应用 (1)(1)确定两平衡相的成分确定两平衡相的成分(浓度浓度)。(2)(2)确定两平衡相的相对量。确定两平衡相的相对量。7.1.4杠杆法则在二元系中xx1时Gm19杠杆法则的证明与力学比喻杠杆法则的证明与力学比喻杠杆法则的证明与力学比喻107.2 7.2 相图热力学的基本要点相图热力学的基本要点7.2.1 7.2.1 固溶体的自由能（固溶体的自由能（G G）成分（成分（%）曲线）曲线如图如图7.37.3为固溶体的为固溶体的自由能自由能成分曲线成分曲线（free energycomposition free energycomposition curvecurve）示意图。示意图。7.2相图热力学的基本要点7.2.1固溶体的自由能（G117.2.2 7.2.2 多相平衡的公切线原理多相平衡的公切线原理 二二元元合合金金系系中中当当两两相相平平衡衡时时，两两组组元元分分别别在在两两相相中中化化学学势势相相等等。两两相相平平衡衡时时的的成成分分由由两两相相自自由由能能成成分分曲曲线线的的公公切切线线所所确确定定，两两相相曲曲线线的的切切线线斜斜率率相等，即它们的公切线相等，即它们的公切线 （图（图7.4 7.4）。）。v 二二元元合合金金系系在在特特定定温温度度条条件件下下三三相相平平衡衡，其其热热力力学学（thermodynamicsthermodynamics）条条件件为为两两组组元元分分别别在在三三相相中中的的化化学学势势相相等等，三三相相的的切切线线斜斜率率相相等等，并并且且为为它它们们的的公公切切线线 (图图7.5)7.5)，其其切切点点成成分分分分别别为为三三相相平平衡衡时时的的成成分分，切切线线与与两两组组元元自自由由能能轴轴G G的的交交点点就就是是两两组组元元在该条件化学位。在该条件化学位。7.2.2多相平衡的公切线原理二元合金系中当两相127.2.3 7.2.3 混合物的自由能混合物的自由能 混混合合物物的的摩摩尔尔吉吉布布斯斯自自由由能能GmGm应应与与两两组组成成相相和和的的摩摩尔尔吉吉布布斯斯自自由由能能Gm1Gm1和和Gm2Gm2在在同同一一直直线线上上，且且位位于于x1x1和和x2x2之之间间，其其值值为为式式7.67.6，该该直直线线即即为相为相和和平衡时的公切线。平衡时的公切线。7.2.3混合物的自由能混合物的摩尔吉布斯自由137.2.4 7.2.4 从从GG成分曲线推测相图成分曲线推测相图 根据公切线原理可求出体系中在某一温度下平根据公切线原理可求出体系中在某一温度下平衡相的成分，因此可根据二元系的不同温度下的衡相的成分，因此可根据二元系的不同温度下的自由能自由能GG成分曲线推出二元系相图。公切线的位成分曲线推出二元系相图。公切线的位置代表二平衡相成分或三平衡相成分。置代表二平衡相成分或三平衡相成分。7.2.4从G成分曲线推测相图根据公切线原理可147.2.5 7.2.5 二元相图的几何规律二元相图的几何规律二元相图应遵循如下规律二元相图应遵循如下规律:v (1)(1)相相图图中中所所有有的的线线条条都都代代表表发发生生相相转转变变的的温温度度和和平平衡衡相相的的成成分分，所所以以相相界界线线是是相相平平衡衡的的体体现现，平平衡衡相相的的成成分分必必须须沿沿着相界线随温度而变化。着相界线随温度而变化。v (2)(2)两两个个单单相相区区之之间间必必定定有有一一个个由由该该两两相相组组成成的的两两相相区区分分开开，而而不不能能以以一一条条线线接接界界(即即两两个个单单相相区区只只能能交交于于一一点点而而不不能能交交于于一一条条线线)。两两个个两两相相区区必必须须以以单单相相区区或或三三相相水水平平线线分分开开。即即:在在二二元元相相图图中中，相相邻邻相相区区的的相相数数差差为为1 1，这这个个规规则则为为相区接触法则。相区接触法则。v (3)(3)二二元元相相图图中中的的三三相相平平衡衡必必为为一一条条水水平平线线，表表示示恒恒温温反反应应。在在这这条条水水平平线线上上存存在在3 3个个表表示示平平衡衡相相的的成成分分点点，其其中中两两点点在在水水平平线线两两端端，另另一一点点在在端端点点之之间间，水水平平线线的的上上下下方方分分别别与与3 3个两相区相接。个两相区相接。v (4)(4)当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交则分当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交则分界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区界线的延长线应进入另一两相区内，而不会进入单相区。7.2.5二元相图的几何规律二元相图应遵循如下规律:157.3 7.3 二元相图分析二元相图分析 v匀晶相图和固溶体凝固匀晶相图和固溶体凝固 v共晶相图及合金凝固共晶相图及合金凝固 v包晶相图及其合金凝固包晶相图及其合金凝固 v其他类型的二元相图其他类型的二元相图 v复杂二元相图的分析方法复杂二元相图的分析方法 v根据相图推测合金的性能根据相图推测合金的性能 v二元合金相图分析实例二元合金相图分析实例 FeC FeC合金的组织和性能合金的组织和性能 Al Al2 2O O3 3SiOSiO2 2系的组织性能系的组织性能 CuZn CuZn合金合金 CuSn CuSn合金合金7.3二元相图分析匀晶相图和固溶体凝固16 7.3.1 7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固匀晶相图和固溶体凝固 匀晶相图概念匀晶相图概念v由液相直接结晶出单相固溶体的过程称为匀晶相变。由液相直接结晶出单相固溶体的过程称为匀晶相变。v 完完全全具具有有匀匀晶晶转转变变的的相相图图称称为为匀匀晶晶相相图图。它它是是两两组组元元在在液态和固态都能无限相互溶解的二元合金系相图。液态和固态都能无限相互溶解的二元合金系相图。v 属属于于二二元元匀匀晶晶相相图图的的二二元元合合金金有有CuCuNiNi、AuAuAgAg、AuAuPtPt、FeFeCrCr、CrCrMoMo、FeFeNiNi、GdGdMgMg、MoMoW W等等；属属于于二二元元匀匀晶晶相相图图的的二二元元陶陶瓷瓷有有NiONiOCoOCoO、CoOCoOMgOMgO、NiONiOMgOMgO等等v 当两个金属组元之间形成无限固溶体时，其条件为：两当两个金属组元之间形成无限固溶体时，其条件为：两者的晶体结构相同，原子尺寸接近，者的晶体结构相同，原子尺寸接近，r 15%r 15%，两者具有，两者具有相同的原子价的电负性。对于以离子晶体化合物为组元的相同的原子价的电负性。对于以离子晶体化合物为组元的固溶体（固溶体（solid solutionsolid solution），要形成无限固溶体，上述规，要形成无限固溶体，上述规则也基本适用，只是上述规则中以离子半径代替原子半径。则也基本适用，只是上述规则中以离子半径代替原子半径。7.3.1匀晶相图和固溶体凝固匀晶相图概念17CuNiCuNi相图相图CuNi相图181.1.匀晶相图的分析匀晶相图的分析 如如图图7.127.12为为CuNiCuNi相相图图，它它由由一一条条液液相相线线和和一一条条固固相相线线组组成成，在在液液相相线线以以上上区区域域，合合金金处处于于液液态态，称称为为液液相相区区(用用L L表表示示)；在在固固相相线线以以下下区区域域，合合金金处处于于固固态态，称称为为固固溶溶体体区区(用用表表示示)；在在两两个个单单相相区区之之间间，合合金金处处于于液液、固固两两相相平平衡衡区区，即即结结晶晶区区间间，(用用L+L+表表示示)，当当系系统统处处于于两两相相平衡时平衡时f=2f=22 21=11=1。注：在给定温度下，处于平衡的两个相的成注：在给定温度下，处于平衡的两个相的成分都已完全确定，不能任意的改变，此时液相和分都已完全确定，不能任意的改变，此时液相和固相的成分应当分别是在此温度刚开始凝固和开固相的成分应当分别是在此温度刚开始凝固和开始熔化的成分。始熔化的成分。1.匀晶相图的分析如图7.12为CuNi相图192.2.固溶体的平衡凝固固溶体的平衡凝固A Av 平平衡衡凝凝固固（equilibrium equilibrium solidificationsolidification）是是指指凝凝固固过过程程是是在在无无限限缓缓慢慢地地冷冷却却，原原子子(组组元元)扩扩散散能能够够充充分分进进行行以以达达到到相相平平衡衡的的成成分分。这这种种凝凝固固方方式式所所得得到到的的组组织织称称为为平平衡衡组组织织（equilibrium microstructureequilibrium microstructure）。v CuNiCuNi合合金金冷冷却却曲曲线线（cooling cooling curve curve）及结晶过程示意图。及结晶过程示意图。v 图图7.157.15是是该该合合金金平平衡衡结结晶晶时时的的组组织织变变化化示示意图。意图。v 固固溶溶体体的的凝凝固固过过程程也也是是一一个个形形核核和和长长大大的的过过程程。形形核核方方式式可可以以是是均均匀匀形形核核，也也可可以以依依靠靠外来质点非均匀形核。外来质点非均匀形核。2.固溶体的平衡凝固A平衡凝固（equilibrium20固溶体合金平衡结晶过程示意图固溶体合金平衡结晶过程示意图固溶体合金平衡结晶过程示意图212.2.固溶体的平衡凝固固溶体的平衡凝固B B 固固溶溶体体的的凝凝固固与与纯纯金金属属的的凝凝固固相相比比有有两两个个显著特点：显著特点：.固固溶溶体体合合金金凝凝固固时时结结晶晶出出来来的的固固相相成成分分与与原原液液相相成成分分不不同同。上上述述结结晶晶出出的的晶晶体体与与母母相相化化学学成成分分不不同同的的结结晶晶称称为为异异分分结结晶晶(又又称称选选择择结结晶晶)；纯纯金金属属凝凝固固结结晶晶时时结结晶晶出出的的晶晶体体与与母母相化学成分完全一样称为同分结晶相化学成分完全一样称为同分结晶 .固溶体凝固需要一定的温度范围，固溶体凝固需要一定的温度范围，在此在此温度范围内，只能结晶出一定数量的固相。温度范围内，只能结晶出一定数量的固相。2.固溶体的平衡凝固B固溶体的凝固与纯金属的凝222.2.固溶体的平衡凝固固溶体的平衡凝固C C 把把在在某某一一温温度度下下，固固溶溶体体平平衡衡凝凝固固过过程程分分为为三三个个过过程：程：1.1.液相内的扩散过程。液相内的扩散过程。2.2.固相的继续长大。固相的继续长大。3.3.固相内的扩散过程。固相内的扩散过程。固溶体的平衡冷却结晶过程可归纳为：冷却时遇到固溶体的平衡冷却结晶过程可归纳为：冷却时遇到液相线开始结晶，遇到固相线结晶终止，形成单相均液相线开始结晶，遇到固相线结晶终止，形成单相均匀固溶体。在结晶过程中每一温度，其液相、固相成匀固溶体。在结晶过程中每一温度，其液相、固相成分和相对量可由该温度下作水平线与液相线、固相线分和相对量可由该温度下作水平线与液相线、固相线的交点及杠杆定理得出。随温度下降，固相成分沿固的交点及杠杆定理得出。随温度下降，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变化，且液相成分减少，相线变化，液相成分沿液相线变化，且液相成分减少，固相成分增加，直至结晶完毕。固相成分增加，直至结晶完毕。2.固溶体的平衡凝固C把在某一温度下，固溶体平233.3.固溶体的不平衡结晶固溶体的不平衡结晶A A 工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快，在工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快，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，称为偏离平衡条件，称为非平衡凝固非平衡凝固(结晶结晶)（non-non-equilibrium solidificationequilibrium solidification）。非平衡凝固。非平衡凝固(结晶结晶)得到的组织称为得到的组织称为不平衡组织（不平衡组织（nonnonequilibrium equilibrium microstructuremicrostructure）。3.固溶体的不平衡结晶A工业生产中合金溶液浇243.3.固溶体的不平衡结晶固溶体的不平衡结晶B B 通过对非平衡凝固分析得到如下结论：通过对非平衡凝固分析得到如下结论：v (1)(1)固固相相、液液相相的的平平均均成成分分分分别别与与固固相相线线、液液相相线线不不同同，有有一一定定的的偏偏离离。其其偏偏离离程程度度与与冷冷却却速速度度有有关关。冷冷却却速速度度越越大大，其其偏偏离离程程度度越越严严重重；冷冷却却速速度度越越小小，偏偏离离程程度度越越小小，越接近于平衡条件。液相线的偏离程度较固相线小。越接近于平衡条件。液相线的偏离程度较固相线小。v (2)(2)先先结结晶晶部部分分含含有有较较多多的的高高熔熔点点组组元元(Ni)(Ni)，后后结结晶晶部部分含有较多的低熔点组元分含有较多的低熔点组元(Cu)(Cu)。v (3)(3)非非平平衡衡结结晶晶条条件件下下，凝凝固固的的终终结结温温度度低低于于平平衡衡结结晶晶时的终止温度。时的终止温度。3.固溶体的不平衡结晶B通过对非平衡凝固分析得到如下253.3.固溶体的不平衡结晶固溶体的不平衡结晶Cv 固固溶溶体体非非平平衡衡结结晶晶时时，由由于于从从液液体体中中先先后后结结晶晶出出来来的的固固相相成成分分不不同同，结结果果使使得得一一个个晶晶粒粒内内部部化化学学成成分分不不均均匀匀，这这种现象称为晶内偏析。种现象称为晶内偏析。v 由由于于固固溶溶体体一一般般都都以以枝枝晶晶状状方方式式结结晶晶，枝枝晶晶轴轴（干干）含含有有高高熔熔点点组组元元多多，而而枝枝晶晶间间含含有有低低熔熔点点的的组组元元多多，导导致致先先结结晶晶的的枝枝干干和和后后结结晶晶的的枝枝间间成成分分不不同同，故故称称为为枝枝晶晶偏偏析析（dendritic dendritic segregationsegregation）。枝枝晶晶偏偏析析属属于于晶晶内内偏偏析析。枝枝晶晶偏偏析析的的合合金金对对合合金金的的力力学学性性能能（mechanical mechanical propertyproperty）影影响响较较大大。容容易易导导致致合合金金塑塑性性（plasticityplasticity），韧韧性性（toughnesstoughness）下下降降；易易引引起起晶晶间间腐腐蚀蚀（corrosioncorrosion），降降低合金的抗蚀性能。低合金的抗蚀性能。3.固溶体的不平衡结晶C固溶体非平衡结晶时，由于从液体263.3.固溶体的不平衡结晶固溶体的不平衡结晶D D 枝枝晶晶偏偏析析程程度度大大小小与与铸铸造造时时冷冷却却条条件件、原原子子的的扩扩散散能力，相图形状有密切关系能力，相图形状有密切关系:(1)(1)在在其其它它条条件件不不变变时时，V V冷冷越越大大，晶晶内内偏偏析析程程度度严严重重，但但得得到到枝枝晶晶较较小小。如如果果冷冷速速极极大大，致致使使偏偏析析来来不及发生，反而又能够得到成分均匀的铸态组织。不及发生，反而又能够得到成分均匀的铸态组织。(2)(2)偏偏析析元元素素在在固固溶溶体体中中扩扩散散能能力力越越小小，相相图图上上液液、固固相相线线间间距距离离的的间间隔隔愈愈大大，形形成成树树枝枝晶晶状状偏偏析析的的倾倾向向愈大。愈大。v 要消除枝晶偏析采用要消除枝晶偏析采用均匀化退火均匀化退火(扩散退火扩散退火)（diffusion annealingdiffusion annealing）。3.固溶体的不平衡结晶D枝晶偏析程度大小与铸造时27固溶体合金不平衡结晶固溶体合金不平衡结晶固溶体合金不平衡结晶284.4.匀晶相图的其它类型匀晶相图的其它类型 有些合金的匀晶相图还有极点：有些合金的匀晶相图还有极点：v 在在AuAuCuCu、FeFeCoCo、TiTiZrZr等合金的相图上有极等合金的相图上有极小点；小点；v 在在PbPbTlTl、AlAlMnMn等合金的相图上有极大点。等合金的相图上有极大点。4.匀晶相图的其它类型有些合金的匀晶相图还有极点：29 7.3.2 7.3.2 共晶相图及合金凝固共晶相图及合金凝固 共晶相图的概念共晶相图的概念v 组组成成共共晶晶相相图图（the the eutectic eutectic phase phase diagramdiagram）的的两两组组元元，其其相相互互作作用用的的特特点点是是:液液态态下下两两组组元元能能无无限限互互溶溶，固固态态下下只只能能部部分分互互溶溶(形形成成有有限限固固溶溶体体或或化化合合物物)，甚甚至至有有时时完完全不溶，并具有共全不溶，并具有共晶转变（晶转变（the eutectic reactionthe eutectic reaction）。v 所所谓谓共共晶晶转转变变是是在在一一条条条条件件下下(温温度度、成成分分)，由由均均匀匀液液体体中中同同时时结结晶晶出出两两种种不不同同固固相相的的转转变变。所所得得到到两两固固相相的的混混合合物物称称为为共共晶晶组组织织(体体)。具具有有共共晶晶转转变变的的相相图图称称为为共共晶晶相图。相图。v 属属于于二二元元共共晶晶相相图图的的合合金金有有：PbPbSnSn、PbPbSbSb、AlAlSiSi、AlAlCuCu、MgMgSiSi、AlAlMgMg等。等。7.3.2共晶相图及合金凝固共晶相图的概念301.1.共晶相图分析共晶相图分析v 相图中有三个基本相：液相（相图中有三个基本相：液相（L L）、固相）、固相和和v 相相图图中中有有相相线线：液液相相线线、固固相相线线和和共共晶晶转转变变线线。共共晶晶转转变变线线是是一一条条水水平平线线，是是L L、和和三三相相共共存存的的温温度度和和各各相相的的成成分分。成成分分为为E E的的液液相相在在该该温温度度下下发发生生共共晶晶反反应应：L LE E M M+N N v 共共晶晶组组织织（eutectic eutectic structurestructure）的的特特点点是是两两相相细细弥弥混混合合。发发生生共共晶晶转转变变的的温温度度称称为为共共晶晶温温度度（the the eutectic eutectic temperaturetemperature）。发发生生共共晶晶转转变变的的液液相相成成分分点点E E称为称为共晶点（共晶点（the eutectic pointthe eutectic point）或共晶成分。或共晶成分。v 相相图图中中相相区区：三三个个单单相相区区 L L相相区区、相相区区和和相相区区；三三个个双双相相区区 L+L+相相区区、L+L+相相区区、+相相区区；三三相相共共存于存于MENMEN线线 L+L+v 各相区中相组成物：各相区中相组成物：各相区中组织组成物：各相区中组织组成物：1.共晶相图分析相图中有三个基本相：液相（L）、固相和31PbPbSnSn共晶相图共晶相图PbSn共晶相图322.2.共晶系合金的平衡凝固共晶系合金的平衡凝固A A 根根据据相相变变特特点点和和组组织织特特征征将将共共晶晶系系合合金金分分为为了了四四类类：端端部部固固溶溶体体合合金金、亚亚共共晶晶合合金金（hypoeutectic hypoeutectic alloysalloys）、过过共共晶晶合合金金（hypereutectic hypereutectic alloysalloys）、共共晶晶合合金金（eutectic alloyeutectic alloy）。(1)(1)端部固溶体合金端部固溶体合金v 这类合金的冷却曲线为：这类合金的冷却曲线为：v 结晶过程：结晶过程：L L+L L+匀晶反应脱溶转变匀晶反应脱溶转变v 室温组织：室温组织：+2.共晶系合金的平衡凝固A根据相变特点和组织特33合金合金的平衡结晶过程的平衡结晶过程合金的平衡结晶过程34合金合金的平衡结晶的显微组织的平衡结晶的显微组织 500 500合金的平衡结晶的显微组织500352.2.共晶系合金的平衡凝固共晶系合金的平衡凝固B B(2)(2)共晶合金共晶合金v 该合金的冷却曲线为：该合金的冷却曲线为：v 该合金发生共晶反应：该合金发生共晶反应：LE M+N LE M+N 这这一一过过程程在在恒恒温温下下进进行行，直直至至凝凝固固结结束束。形形成成共共晶晶体体（+）。两两个个相相的的相相对对量量可可用用杠杠杆杆法法则则求求得得：M=EN/MN N=ME/MNM=EN/MN N=ME/MNv 其组织特征如图其组织特征如图7.227.22v 结晶过程：结晶过程：LL+LL+（+）(+)(+)共共 共晶反应脱溶转变共晶反应脱溶转变v 室温组织：室温组织：(+)(+)共共 2.共晶系合金的平衡凝固B(2)共晶合金36共晶合金（共晶合金（）的平衡结晶过程）的平衡结晶过程共晶合金（）的平衡结晶过程37共晶合金（共晶合金（）的平衡结晶的显微组织）的平衡结晶的显微组织共晶合金（）的平衡结晶的显微组织382.2.共晶系合金的平衡凝固共晶系合金的平衡凝固C C（3 3）亚共晶合金）亚共晶合金v 这类合金的冷却曲线为：这类合金的冷却曲线为：v 其组织变化示意图如图：其组织变化示意图如图：v 其其结结晶晶过过程程：LL+L+LL+L+（+）共共+(+)+)共共+(+)+(+)共共 匀晶反应共晶反应脱溶转变匀晶反应共晶反应脱溶转变v 室温组织：室温组织：+(+)+(+)共共 在共晶转变之前，从液态中先结晶出在共晶转变之前，从液态中先结晶出相。先结晶出的相。先结晶出的相叫相叫先共晶相（先共晶相（pro-eutectic phasepro-eutectic phase）。先共晶相和液。先共晶相和液相比例可用杠杆法则求出相比例可用杠杆法则求出 2.共晶系合金的平衡凝固C（3）亚共晶合金39亚共晶合金的平衡结晶过程亚共晶合金的平衡结晶过程亚共晶合金的平衡结晶过程40亚共晶合金的平衡结晶的显微组织亚共晶合金的平衡结晶的显微组织亚共晶合金的平衡结晶的显微组织412.2.共晶系合金的平衡凝固共晶系合金的平衡凝固D D(4)4)过共晶合金过共晶合金v 过过共共晶晶合合金金的的凝凝固固过过程程和和组组织织特特征征与与亚亚共共晶晶合合金金相相类类似，只是初生相似，只是初生相(先共晶相先共晶相)为为固溶体而不是固溶体而不是固溶体。固溶体。v 这类合金的冷却曲线为：这类合金的冷却曲线为：v 其结晶过程组织变化示意图如图：其结晶过程组织变化示意图如图：v 结结晶晶过过程程：LL+L+LL+L+（+）共共+(+)+)共共+(+)+(+)共共 匀晶反应共晶反应脱溶转变匀晶反应共晶反应脱溶转变v 室温组织：室温组织：+(+)+(+)共共2.共晶系合金的平衡凝固D(4)过共晶合金422.2.共晶系合金的平衡凝固共晶系合金的平衡凝固E Ev 通通过过以以上上分分析析共共晶晶系系合合金金的的平平衡衡凝凝固固可可分分为为两两类类：固固溶溶体体合合金金和和共共晶晶型型合合金金。前前者者的的结结晶晶过过程程主主要要为为匀匀晶晶相相变变脱脱溶溶转转变变，组组织织为为初初生生固固溶溶体体和和次次生生组组织织；后后者者的的结结晶晶过过程程主主要要为为匀匀晶晶相相变变、共共晶晶相相变变和和脱脱溶溶相相变变，组组织织为为初初生生固固溶溶体体、共共晶晶体体和和次次生生组组织织。在在适适温温，FGFG范范围围内的合金组织是由和两个基本相构成。内的合金组织是由和两个基本相构成。v 需需要要指指出出的的是是在在分分析析显显微微组组织织时时，应应注注意意组组织织织织成成物物和和相相组组成成的的区区别别。组组织织组组成成物物是是在在结结晶晶过过程程中中形形成成的的，有有清清晰晰轮轮廓廓的的独独立立组组成成部部分分，如如上上述述组组织织中中、(+)+)共共 都都是是组组织织组组成成物物。而而相相组组成成物物是是指指组组成成显显微微组组织织的的基基本本相相，它它有有确确定定的的成成分分及及结结构构但但没没有有形形态态上上的的概概念念，上上述述各各类类合合金金在在室室温温的的相相组组成成物物都都是是相相和和相相。所所以以共共晶晶合合金金都都是是由由相相和和相相组组成成的的机机械械混混合合物物（mechanical mechanical mixturemixture）。2.共晶系合金的平衡凝固E通过以上分析共晶系合金的433.3.共晶系合金的非平衡凝固共晶系合金的非平衡凝固-A-A(1)(1)伪共晶伪共晶v 在在非非平平衡衡凝凝固固条条件件下下，某某些些亚亚共共晶晶和和过过共共晶晶成成分分的的合合金金获获得得了了全全部部的的共共晶晶组组织织。这这种种由由非非共共晶晶成成分分合合金金所所得得到到的的共共晶晶组织称为组织称为伪共晶（伪共晶（pseudo-eutecticpseudo-eutectic）。v 将两液相线延长形成影线区。对于那些具有非共晶型转变将两液相线延长形成影线区。对于那些具有非共晶型转变的合金，当合金熔液快冷至由两液相线延长线所包围的区域，的合金，当合金熔液快冷至由两液相线延长线所包围的区域，形成初生相的过程被抑制，发生同时结晶出形成初生相的过程被抑制，发生同时结晶出相和相和相的共相的共晶转变，形成类似于共晶组织晶转变，形成类似于共晶组织(伪共晶伪共晶)。伪共晶区随时冷却。伪共晶区随时冷却增加而增大。若当合金中两组元熔点相近时，伪共晶区呈对增加而增大。若当合金中两组元熔点相近时，伪共晶区呈对称分布，即图称分布，即图7.277.27所示情况；若合金中两组元熔点相差很大所示情况；若合金中两组元熔点相差很大时，伪共晶将偏向高熔点组元一側，如图时，伪共晶将偏向高熔点组元一側，如图7.287.28。3.共晶系合金的非平衡凝固-A(1)伪共晶443.3.共晶系合金的非平衡凝固共晶系合金的非平衡凝固-B-B(2)(2)非平衡共晶组织非平衡共晶组织v 若若某某些些合合金金在在平平衡衡结结晶晶时时获获得得单单相相固固溶溶体体而而不不出出现现共共晶晶组组称称为为不不(非非)平平衡衡共共晶晶组组织织。非非平平衡共晶组织分布在衡共晶组织分布在相晶界和枝晶间。相晶界和枝晶间。v 由由于于非非平平衡衡共共晶晶体体数数量量较较少少，通通常常共共晶晶体体中中相相依依附附于于初初生生相相生生长长，将将共共晶晶体体中中另另一一相相推推到到最最后后凝凝固固的的晶晶界界处处从从而而使使共共晶晶体体两两组组成成相相间间的的组组织织特特征征消消失失，这这种种两两相相分分离离的的共共晶晶体体称为称为离异共晶（离异共晶（divorced eutecticdivorced eutectic）。3.共晶系合金的非平衡凝固-B(2)非平衡共晶组织45 7.3.3 7.3.3 包晶相图及其合金凝固包晶相图及其合金凝固 包晶相图概述包晶相图概述v 有有些些合合金金当当凝凝固固到到一一定定温温度度时时，已已结结晶晶出出来来的的一一定定成成分分的的固固相相与与剩剩余余液液相相(有有确确定定成成分分)发发生生反反应应生生成成另另一一种种固固相相的的恒恒温温转转变变过过程程称称为为包包晶转变（晶转变（peritectic reactionperitectic reaction）。v 两两组组元元在在液液态态下下无无限限互互溶溶，固固态态下下只只能能部部分分互互溶溶并并具具有有包包晶晶转转变变的的相相图图称称为为二二元元包包晶晶相相图图（the peritectic phase diagramthe peritectic phase diagram）。v 具具有有包包晶晶转转变变的的二二元元合合金金有有：CuCuSnSn、FeFeC C、CuCuZnZn、AgAgSnSn、AgAgPt Pt 7.3.3包晶相图及其合金凝固包晶相图概述461.1.包晶相图分析包晶相图分析 v 线线：固固相相线线、液液相相线线、水水平平线线(DPC)(DPC)为为包包晶晶转转变变线线，包包晶晶线线仅仅有有DPDP为为固固相相线线，而而PCPC为为液液相相线线，固溶度曲线。固溶度曲线。包包晶晶转转变变线线上上的的合合金金在在该该温温度度下下发发生生包包晶晶转转变：变：Lc+D=P Lc+D=Pv 相相 区区：三三 个个 单单 相相 区区 L L相相 区区、相相 区区 和和 相相 区区；三三个个双双相相区区 L+L+相相区区、L+L+相相区区、+相相区；三相共存于区；三相共存于DPCDPC线线 L+L+v 包晶线与共晶线不同之处在于：共晶线为固包晶线与共晶线不同之处在于：共晶线为固相线，线上的合金在共晶温度全部凝固完毕，相线，线上的合金在共晶温度全部凝固完毕，其组织为两相混合物。包晶线仅有其组织为两相混合物。包晶线仅有DPDP为固相线，为固相线，而而DCDC为液相线。为液相线。1.包晶相图分析线：固相线、液相线、水平线(DPC)为47PtPtAgAg包晶相图包晶相图PtAg包晶相图482.2.包晶系合金的平衡凝固包晶系合金的平衡凝固A A 包晶点（包晶点（P P）合金）合金v冷却曲线如图冷却曲线如图7.317.31：v发生包晶反应：发生包晶反应：Lc+D=PLc+D=P为恒温反应为恒温反应v结晶过程：结晶过程：LL+L+LL+L+匀晶反应包晶反应脱溶转变匀晶反应包晶反应脱溶转变v室温组织：室温组织：+v包晶转变机理：包晶转变机理：(教材教材P241 P241 了解了解)2.包晶系合金的平衡凝固A包晶点（P）合金492.2.包晶系合金的平衡凝固包晶系合金的平衡凝固B B 包晶点（包晶点（P P）以右合金）以右合金v 冷却曲线如图冷却曲线如图7.337.33：v 碰到碰到PCPC发生包晶反应发生包晶反应 ：Lc+D=P Lc+D=P 为恒温反应为恒温反应v 结晶过程：结晶过程：LL+L+L+LL+L+L+匀匀晶晶反反应应包包晶晶反反应应匀匀晶晶反反应应脱脱溶溶转变转变v 室温组织：室温组织：+2.包晶系合金的平衡凝固B包晶点（P）以右合金502.2.包晶系合金的平衡凝固包晶系合金的平衡凝固C C 包晶点（包晶点（P P）以左合金）以左合金v 冷却曲线如图冷却曲线如图7.347.34：v 碰到碰到DPDP发生包晶反应：发生包晶反应：Lc+D=P Lc+D=P 为恒温反应为恒温反应v 结晶过程：结晶过程：LL+L+LL+L+匀匀晶晶反反应应包包晶晶反反应应脱脱溶转变溶转变v 室温组织：室温组织：+2.包晶系合金的平衡凝固C包晶点（P）以左合金513.3.包晶系合金的非平衡凝固包晶系合金的非平衡凝固 包晶转变一般不易进行完全，即最终组包晶转变一般不易进行完全，即最终组织不易达到平衡状态，且包晶反应速度较慢，织不易达到平衡状态，且包晶反应速度较慢，形成非平衡组织。形成非平衡组织。3.包晶系合金的非平衡凝固包晶转变一般不易进527.3.4 7.3.4 溶混间隙相图与调幅分解溶混间隙相图与调幅分解 v 溶溶混混间间隙隙（miscibility miscibility gapgap）是是两两种种液液相相或或两两种种固固溶溶体体不不相相混混溶溶的的现现象象。它它可可以以出出现现在在单单相相的的液液相相中，也可以出现在单一固溶体区内。中，也可以出现在单一固溶体区内。LL1+L2 1+2 LL1+L2 1+2v转变方式有二种：转变方式有二种：(1)(1)形核长大方式，需要克服形核能垒，形核长大方式，需要克服形核能垒，(2)(2)没有形核阶段的不稳定分解，称为没有形核阶段的不稳定分解，称为调幅分解调幅分解（spinodal decompotionspinodal decompotion）。7.3.4溶混间隙相图与调幅分解溶混间隙（misc537.3.57.3.5.其他类型的二元相图其他类型的二元相图 1.1.具有化合物的二元相图具有化合物的二元相图 2.2.具有偏晶转变的相图具有偏晶转变的相图 3.3.具有合晶转变的相图具有合晶转变的相图 4.4.具有熔晶转变的相图具有熔晶转变的相图 5.5.具有固态转变的二元相图具有固态转变的二元相图7.3.5.其他类型的二元相图1.具有化合物的二元相541.1.具有化合物的二元相图具有化合物的二元相图v 在在某某些些二二元元系系中中，可可形形成成一一个个或或多多个个化化合合物物，化化合合物物 一一 般般 处处 于于 相相 图图 的的 中中 间间 位位 置置，又又 称称 为为 中中 间间 相相（intermediate intermediate phasephase）。根根据据两两组组元元间间形形成成化化合合物物的稳定性，可分为稳定化合物和不稳定化合物。的稳定性，可分为稳定化合物和不稳定化合物。(1).(1).形成稳定化合物的相图形成稳定化合物的相图v 稳稳定定化化合合物物是是指指具具有有固固定定的的熔熔点点，且且在在熔熔点点以以下下保保持固有结构而不发生分解的化合物。持固有结构而不发生分解的化合物。v 相相图图特特征征：形形成成的的没没有有溶溶解解度度的的化化合合物物在在相相图图上上表表现现为为一一条条垂垂线线。可可以以把把它它作作为为一一个个独独立立的的组组元元而而把把相相图图分分为为两两部部分分。该该类类化化合合物物成成分分是是固固定定的的，或或在在一一定定范围内但有确定的熔点。范围内但有确定的熔点。v 形形成成稳稳定定化化合合物物的的二二元元相相图图有有：MgMgSiSi、CuCuTiTi、FeFe P P、MgMg CuCu、AgAg SrSr、Na2SiO3Na2SiO3 SiO2SiO2、BeOBeOAl2O3Al2O3、SiO2SiO2MgO MgO 1.具有化合物的二元相图在某些二元系中，可形成一个或55(2).(2).形成不稳定化合物的相图形成不稳定化合物的相图v 不不稳稳定定化化合合物物是是指指在在加加热热到到一一定定温温度度时时会会发发生分解的化合物。生分解的化合物。v 相相图图特特征征：化化合合物物线线在在加加热热到到一一定定温温度度化化合合物会分解。物会分解。v 包包晶晶反反应应所所形形成成的的中中间间相相均均属属于于不不稳稳定定化化合合物物。它它们们不不能能视视为为独独立立组组元元而而把把相相图图划划分分为为简简单相图。单相图。v 例如：例如：K KNaNa相图相图 (2).形成不稳定化合物的相图562.2.具有偏晶转变的相图具有偏晶转变的相图 v 偏偏晶晶转转变变（monotectic monotectic reactionreaction）相相图图特特点点：在在一一定定的的成成分分和和温温度度范范围围内内，两两组组元元在在液液态态下下也也只只能能有有限限溶溶解解，存存在在两两种种不不同同浓浓度度的的液液相相L1L1和和L2L2。v 其其转转变变：是是在在一一定定温温度度下下从从一一个个液液相相中中同同时时分分解解出出一一个个固固相相和和另另一一成成分分的的液液相相的的过过程程，且且固相的相对量总是偏多。固相的相对量总是偏多。即：即：L1 A+L2L1 A+L2v 具具有有偏偏晶晶转转变变的的二二元元系系有有：CuCuS S、CuCuO O、MnMnP P 2.具有偏晶转变的相图偏晶转变（monotectic573.3.具有合晶转变的相图具有合晶转变的相图 v 合合晶晶转转变变（syntectic syntectic reactionreaction）相相图图特特点点：二二元元组组在在液液态态下下有有限限溶溶解解，存存在在不不熔熔合合线线，不熔合线以下的两液相不熔合线以下的两液相L1L1和和L2L2。v 其其转转变变：在在恒恒定定温温度度下下，两两个个成成分分不不同同的的液液相相和和相相互互作作用用形形成成一一个个固固相相的的转转变变称称为为合合金金转变。转变。即即 L1+L2 L1+L2 具有偏晶转变的二元系如：具有偏晶转变的二元系如：NaNaZnZn3.具有合晶转变的相图合晶转变（syntectic584.4.具有熔晶转变的相图具有熔晶转变的相图 v 在在某某些些合合金金结结晶晶过过程程中中，当当达达到到一一定定温温度度会会从从一一个个固固相相分分解解为为一一个个液液相相和和另另一一个个固固相相，即即发发生生了了固固相相 的的 再再 熔熔 现现 象象，这这 种种 转转 变变 称称 为为 熔熔 晶晶 转转 变变（metatectic reactionmetatectic reaction）。即：。即：L+L+v 具有熔晶转变的合金很少，如具有熔晶转变的合金很少，如FeFeS S、CuCuSb Sb 4.具有熔晶转变的相图在某些合金结晶过程中，当达到一595.5.具有固态转变的二元相图具有固态转变的二元相图 当当合合金金中中组组元元具具有有同同素素(分分)异异构构变变时时，则则其其固固溶溶体体会会出出现现三三种种情情况况：固固溶溶体体的的多多晶晶型型转转变变，共共 析析 转转 变变、包包 析析 转转 变变、偏偏 析析 转转 变变（monotectoid reactionmonotectoid reaction）。(1)(1)具有固溶体多晶型转变的相图具有固溶体多晶型转变的相图 固固溶溶体体的的多多晶晶型型转转变变又又称称为为多多形形性性转转变变。具具有有这这类类转转变变的的合合金金有有等等，如如FeFeC C、FeFeTiTi合合金金5.具有固态转变的二元相图当合金中组元具有同素(分60(2)(2)具有共析转变的相图具有共析转变的相图 共共析析转转变变（eutectoid eutectoid reactionreaction）是是在在一一定定温温度度下下一一个个固固相相转转变变为为另另两两个个固固相相的的过过程程。共共析析转转变变与与共共晶晶转转变变相相似似，区区别别在在于于它它是是由由一一个个固固相相在在恒恒温温下下转转变变为为另另外外两两个个固固相相。共共析析转转变变对对热热处处理理强强化化意意义义很很大大。钢钢的的热热处处理理是是以以共共析析转变为基础的。转变为基础的。共共析析合合金金（eutectoid eutectoid alloyalloy）、亚亚共共析析合合金金（hypoeutectoid hypoeutectoid alloyalloy）、过过共共析析合合金金（hypereutectoid alloyhypereutectoid alloy）(2)具有共析转变的相图61(3)(3)具有包析转变的相图具有包析转变的相图 包包析析转转变变（peritectoid peritectoid reactionreaction）类类似似于于包包晶晶转转变变，区区别别在在于于包包析析转转变变是是由由两两个个固固相相反反应生成另外一个固相。应生成另外一个固相。(4)(4)具有脱溶沉淀过程的相图具有脱溶沉淀过程的相图 随随着着温温度度降降低低固固溶溶体体中中溶溶解解度度下下降降，析析出出第第二相的过程，称为脱溶过程。二相的过程，称为脱溶过程。(5)(5)具有有序具有有序无序转变的相图无序转变的相图(6)(6)具有固溶体形成中间相转变的相图具有固溶体形成中间相转变的相图(7)(7)具有磁性转变的相图具有磁性转变的相图(3)具有包析转变的相图627.3.67.3.6复杂二元相图的分析方法复杂二元相图的分析方法 分析复杂二元相图的步骤和方法如下：分析复杂二元相图的步骤和方法如下：(1)(1)首首先先看看相相图图中中是是否否存存在在化化合合物物，如如有有稳稳定定化化合合物物，则则以以这这些些稳稳定定化化合合物物为为界界(把把化化合合物物视视为为组组元元)，把把相相图图分分成几个区域成几个区域(基本相图基本相图)进行分析。进行分析。(2)(2)根据相区接触法则，认清各相区的组成相。根据相区接触法则，认清各相区的组成相。v单单相相区区：代代表表一一种种具具有有独独特特结结构构和和性性质质的的相相的的成成分分和和温温度度范围，若单相为一根垂线，则表示该相成分不变。范围，若单相为一根垂线，则表示该相成分不变。v双双相相区区：邻邻区区原原则则是是含含有有P P个个相相的的相相区区的的邻邻区区，只只能能含含有有P1P1个个相相。违违背背了了这这条条原原则则，无无法法满满足足相相律律的的要要求求。两两相相区区中平衡相之间都有互溶度，只是互溶度大小不同而已。中平衡相之间都有互溶度，只是互溶度大小不同而已。7.3.6复杂二元相图的分析方法分析复杂二元相图的步骤和63(3)(3)找找出出所所有有的的三三相相共共存存水水平平线线，分分析析这这些些恒恒温温转转变变的的类类型型，写写出出转转变变式式。表表7.17.1（或或讲讲义义