二元合金相图ppt课件

第四章 二元合金相图,第一节 二元匀晶相图 第二节 二元共晶相图 第三节 二元包晶相图 第四节 二元相图与性能的关系,1,第一节 二元匀晶相图,二元单相合金指二元合金在固态时只有一种相 （固溶体）的合金。这种合金也是所有合金中 最简单且最常见的一类合金。有些二元合金系 在固态时无论成分如何只有一种相，如Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、Fe-Ni及W-Mo等， 几乎所有的二元甚至多元合金在一定成分范围 内在固态下也是单相。,2,相 图,进行材料研究，金相分析，制定热、铸、锻、焊等热加工工艺规范的重要依据和有效工具。,了解合金系中不同成分和温度下的相的种类、相的成分及相的相对含量。 了解合金在加热和冷却过程中的转变并预测其性能的变化规律。,即表示在平衡条件下合金组织与成分、温度之间关 系的图形。合金相图又称合金平衡图或合金状态图,3,一、相律,在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。,4,5,二、二元匀晶相图的分析,二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。,匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。,具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。,6,（一）二元合金相图的建立 （以Cu-Ni二元合金为例）,无限缓冷下测各合金的冷却曲线,标注在温度成分坐标中,连接各相变点,1、建立相图的思路： 合金相变时，伴随物理、化学性能的变化，可利用 热分析法（或者热膨胀法、磁性测定法、金相法、电阻 法和X射线结构分析法等）精确测定相变临界点（即临界 温度），确定不同相存在的温度和成分区间，建立相图。,2、 具体步骤：,选组元，配合 金系，熔化,确定各合金的相变温度,确定相,7,Cu-Ni合金相图的建立,L,如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。,8,1、相图分析,两线：液相线、固相线 三区：液相、液相+固相、固相,A,（二）二元匀晶相图分析,9,三、合金的平衡结晶过程,平衡结晶过程分析,所谓平衡结晶过程是指合金从液态无限缓慢冷却、 原子扩散非常充分，冷却过程中每一时刻都能达 到相平衡条件的一种结晶过程。,10,给定合金的成分，可计算不同温度下，此成分的合金所形成不同的相的相对含量，即各相的质量分数计算。,引例：100ml的10%的NaCl水溶液和100ml的30%的 NaCl水溶液混合后浓度是多少？,10010%+10030%=C200 C=20%,反过来考虑：把20%的NaCl水溶液分成浓度分别 为10%和 30%的两份，那么两份的体积分数是多 少？,V110%+V230%=20%(V1+V2),四、质量分数计算,11,这种方法可推广到固相和固液混合相,如图：成分为C的Ni-Cu合金，缓冷到t时,根据相图分析：（）此状态下存在哪几相？（）各相的成分如何？（）各相的数量（绝对数量与相对数量）？,（）做水平线，与固相 线和液相线分别交于a、b 点。剩余液相总处于即将 结晶的状态，即t的液 相线上的点的成分，即b 点成分Cb ，而刚结晶出来 的固相即t的固相线上 的a点的成分Ca。,（）由相图可知，C点 存在L+两相区,12,（ ）利用引例的思路，问题转化为： 浓度为C的合金，分成浓度为Ca 、 Cb两份，所以有: MaCa+ MbCb=C(Ma+ Mb) 即 Ma （C- Ca）=Mb (Cb- C) 由此可知，两相的相对含量为： Ma/Mb =(Cb-C)/（C-Ca） 若M=Ma+ Mb为已知量，那么， 两相的绝对含量为： Ma=(Cb-C)（Ma+Mb）/（Cb-Ca） Mb=(C-Ca)（Ma+Mb）/（Cb-Ca）,13,总结：由质量分数的计算式 Ma （C- Ca）=Mb (Cb- C) 并结合相图，可知，此式类似与杠杆定律的应用，所以这种方法又称杠杆定律。,注意： 使用条件：只适合平衡结晶的两相区 解决问题： （1）确定二平衡相的成分 （2）确定二平衡相的数量,14,平衡结晶：在结晶过程中，原子的扩散在固 相、液相及固液相之间非常充分，能跟得上相变 的速度，最终形成成分均匀的固溶体。,15,非平衡结晶：合金结晶较快，原子的扩散来不及 充分进行，结果使先结晶出来的固溶体和后结晶的固 溶体成分不均匀。,晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象。,五、非平衡结晶过程,16,Cu-Ni合金晶内偏析的组织,17,非平衡结晶,晶内偏析,塑性、韧性下降，易引起晶内腐蚀，热加工困难,将铸件加热到低于固相线100200的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩 散，以达到成分均匀化。,扩散退火,18,设A、B组元的熔点分别为1450和1080，它们在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ，通过 工艺可以减轻或消除这种现象。,19,已知A、B二元合金相图属于匀晶相图，A组元的熔点为500，B组元的熔点为300，400时液相L中B的质量分数为60%，固相中B的质量分数为40%。 (1) 画出该合金相图示意并标注各区域的相组成物。 (2) 计算wB=50%的合金在400时液相和固相的质量分数。,20,一、二元共晶相图分析,共晶反应：合金在冷却到某一温度时，由一定成 分的液相同时结晶出成分不同、结构不同的两个 固相，这就是共晶反应（L）。反应产物 是两个固相的混合物，称为共晶组织或共晶体。,二元共晶相图：两组元在液态下无限互溶，冷却 时发生共晶转变的二元合金相图叫二元共晶相图。,1、基本概念,第二节 二元共晶相图,根据相律，在二元合金中，固态下最多能同时 出现两种相。这类合金包括二元共晶（或共析） 合金、二元包晶合金。,21,2、相与组织,在金属或合金中， 凡化学成分相同、晶体 结构相同并与其它部分 有界面分开的均匀组成 部分。,气相、液相、固相。 铁碳合金中的相、 相、 相等。,合金的相组成及相 的数量、形态、大小、 分布特征。组织可以由 一种相组成，也可由多 种相组成。,亚共晶组织、共晶组织 过共晶组织。铁碳合金 中的珠光体P、铁素体 F、奥氏体A等。,X射线衍射分析,金相显微镜、电镜等,概念,例子,检测,22,例如；图为45钢的平衡组织 按相组成为： Fe3C 按组织组成为： F+P,23,3、共晶相图的一般特征,L,L,L+, +,A+B,L+B,L+A,L+,24,183,4、相图分析（以Pb-Sn相图为例 ）P52图3-11,1点：共晶点,4种线： 液相线 固相线 溶解度线 共晶转变线,6个区：L、 L+、 L+、 +,共晶反应：L61.919 97.5,25,基本反应，三种线，水平线是关键； 相区有一有二没有三，三相共存水平线； 杠杆定律别小看，能定成分能把量来算。,识别分析相图要领,26,二、平衡结晶过程及室温平衡组织,共晶合金结晶过程分析,1、共晶合金平衡结晶过程,（一）共晶合金,27,概括起来，共晶合金平衡结晶过程为：,共晶温度以上：,共晶温度：,共晶温度以下：,室温组织：,液态L61.9,共晶转变 L61.919 97.5,二次结晶 ， ,（+）共晶 由于 和常与共晶和相连， 显微镜下很难分辨，室温组织为：（+）共晶 ,28,2、共晶合金室温平衡组织特征,共晶组织的基本特征是 两相均匀并交替分布， 根据合金组元的不同，共晶组织的形态各异， 有层片状、棒状、球状、针状、螺旋状等。,29,（Pb-Sn）共晶组织（层片状）,30,（Al-Si）共晶组织（针状）,31,共晶组织（棒状）,32,共晶组织（点状Cu-Cu2O）,33,（Zn-MgZn）共晶组织（螺旋状）,34,共晶组织（蛛网状）,35,（Cu-P）共晶组织（放射状）,36,（二）亚共晶和过共晶合金平衡结晶过程 及室温组织,亚共晶合金：以Pb-Sn相图为例，成分在M、E 之间的Pb-Sn合金。,过共晶合金: 成分在E 、N之间的Pb-Sn合金。,37,50% Sn的亚共晶合金的结晶过程分析,38,概括起来，亚共晶合金平衡结晶过程为：,t1温度以上：,t1 t2温度：,t2温度时发生共晶反应：,室温组织：,t2温度以下：,液态 L50,液相中析出 ， L,L61.9 19 97.5,初 ,初 + + （+）共晶,39,亚共晶组织（ 50% Sn 的Pb-Sn合金）,40,亚共晶组织（亚共晶白口铁）,41,70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析,42,概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：,t1温度以上：,t1 t2温度：,t2温度时发生共晶反应：,室温组织：,t2温度以下：,液态 L70,液相中析出 ， L ,L61.9 19 97.5,初 ,初 + + （+）共晶,概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：,t1温度以上：,t1 t2温度：,t2温度时发生共晶反应：,室温组织：,t2温度以下：,液态 L70,液相中析出 ， L ,L61.9 19 97.5,初 ,初 + + （+）共晶,43,过共晶平衡组织（70% Sn 的Pb-Sn合金）,44,过共晶平衡组织（过共晶白口铁）,45,分析合金结晶,分析结晶也不难，首先定好合金线； 画曲线，分阶段，各段画出相转变； 引线标相（组织）名，这样做最简便。,46,（+）,+,+ +（+）,L,+ +（+）,标明组织组成物的Pb-Sn合金相图,47,三、质量分数计算,1、含Sn61.9%的Pb-Sn共晶合金,室温组织：（+）共晶,过E点的水平线交MF、NG 于M、N两点，则有 %ME= %EN %= EN/MN100% =（97.5-61.9）/（97.5-19） =45.4% % =54.6%,（+）,48,+ +（+）,室温组织： 初+（+）共晶 相组成物： +,相的质量百分数： %=PG/FG100% % =FP/FG100%,2、含Sn50%的Pb-Sn亚共晶合金,49,各组织的质量百分数计算：,(+)共晶%=M2/ME100% (初+)%=2E/ME100%,+ +（+）,一次杠杆,室温：初+(+)共晶,(初+)%M2= (+)共晶% 2E,% M2 = L%2E,50,或者： % =1-(+)共晶%- 初%,各组织的质量百分数计算：,(初+)%=2E/ME100%,二次杠杆,初% FS= % SG,初% =(初+)%SG/FG100% =(2E/ME)(SG/FG)100%,%= (初+)%FS/FG100% =(2E/ME) (FS/FG) 100%,51,3、含Sn70%的Pb-Sn过共晶合金,室温组织： 初+(+)共晶 相组成物： +,相的质量百分数： %=PG/FG100% % =FP/FG100%,各组织的质量百分数： 参照亚共晶合金的计算 方法请同学们自己计算,+ +（+）,(+)共晶=2N/EN100% % =(E2/EN)(SG/FG) 100% 初%=(E2/EN)(FS/FG)100% 或初% =1-(+)共晶% -%,52,什么叫包晶转变？,合金在冷却到某一温度时，已结晶出的一定 成分的固相和它周围尚未结晶的一定成分的液相 发生反应结晶出另外一种固相，这就是包晶反应。 即： L ,1、基本概念,许多合金系都具有包晶转变，例如Pt-Ag、Sn-Ag、 Cd-Hg、Cu-Zn、Cu-Sn等。Pt-Ag合金相图是一种 比较简单的包晶相图，下面以此为例进行分析。,第三节 二元包晶相图,53,点：D,区： 单相区L、 、 双相区L 、 L + 、 + ,线： 液相线APB 固相线ACDB 包晶线CDP L P + C D 固溶度曲线 CE、DF,Pt-Ag合金相图,2、相图分析,54,包晶合金的平衡结晶过程, + ,55,当合金形成单相固溶体时，合金的性能与组元及 溶质元素的溶入量有关。对于一定的溶质和溶剂， 溶质的溶入量越多，合金的强度、硬度越高（即 产生了固溶强化），同时电阻增大，电导率越低。,当合金通过包晶、共晶或共析转变形成两相混合 物特别是两相机械混合物，合金的性能往往是两 组成相性能的平均值，即性能与成分呈线性关系。,铸造性能取决于相图中的液相线与固相线之间的 水平与垂直间隔，间隔越大，铸造性能越差；单 相固溶体压力加工性能优于两相混合物组成的合 金；固溶体的切削性能不够好，两相混合物的合 金则切削性能较好，适合高速切削。,第四节 二元合金相图与合金性能之间的关系,56,A、B合金相图属于共晶相图，A组元的熔点为330，B组元的熔点为200，共晶转变温度为160，共晶合金中B的质量分数为60%，B在（以A为溶剂的固溶体）中的最大溶解度为10%，A在（以B为溶剂的固溶体）中的最大溶解度为5%，室温下两组元互不相溶（溶解度为0）。画出相图，将题中给出的3个温度和3个成分点以及各区域的相组成标在相图上。,57,由Pb-Sn相图可知，纯Sn的熔点为 ，共晶成分中Pb的质量分数为 ，在共晶温度下Sn在固溶体中的最大溶解度为 ，共晶点对应的Sn的质量分数为 （教材P52图3-11）,58,已知AB二元合金相图属于匀晶相图，A组元的熔点是300，B组元的熔点是600,400时液相L中A的质量分数为70%，固相中A的质量分数是30%，（1）画出该合金相图并将各区域的相组成标在相图上。（2）计算WB=50%的合金在400 时液相和固相的质量分数。,59,二、固溶体合金结晶时溶质的重新分布,1. 讨论条件 (1) 平衡凝固时各温度下两相溶质都达到均匀化，此时 固相内溶质浓度CS， 液相内溶质浓度CL， k0=CS/CL k0平衡分配系数：一定温度下，固/液两平衡相中溶质浓度之比值。,60,近似认为固、液相线均为直线，k0恒定。,61,(2) 不考虑非平衡冷却情况，液、固相界面处始终保持局部平衡，即相界面处由液相生成的固相成分由CS=k0CL确定。 (3) 不考虑固相内的扩散。在各温度下按(CS)i=k0(CL)i 关系生成的固相成分在随后冷却中保持不变。而相界面处液相的浓度(CL)i取决于液相内溶质的混合状态。 合金凝固过程中液相内溶质混合状态分3种类型。,62,将成分为C0的单相固溶体合金的熔液置于圆棒形锭子内由向右进行定向凝固。,水平圆棒的凝固,63,2. 液相内溶质可充分均匀混合,凝固速度缓慢，液相内溶质中通过的对流、扩散和扩散可充分混合使成分均匀化。 冷凝过程中液相成分沿液相线变化，局部平衡时，(CS)i=k0(CL)i，在随后冷却中保持不变。圆棒从左到右产生显著浓度差。 在k01时，如果合金圆棒自左向右凝固，则左端获得纯化，溶质富集于右端。且k0越小，此效应越显著。,64,剩余液相的平均浓度:,圆棒离左端距离Z处的溶质浓度 :,其中 L：合金棒长度 C0：合金的原始浓度 k0: 平衡分配系数,液相内溶质充分均匀混合,65,3. 液相内溶质仅靠扩散混合 当凝固速度较大时，液相无搅拌、对流而只有扩散时，则凝固时从固相中排出的溶质原子不能均匀分布在液相中，而在液固界面处液相一侧堆积，凝固过程中溶质原子的变化分三个阶段： (1)起始瞬态 () 凝固开始，液相成分C0，固相成分K0C0，冷却中，界面处两相局部平衡，液相成分不均匀，界面处有局部平衡成分CL，远离界面保持母相成分CO。,66,K01固溶体合金成分过冷形成示意图 (a)相图一角 (b)边界层内浓度分布 (c)边界层内液相线温度 (d)TL与TD(G)构成成分过冷,TD,67,3. 影响成分过冷的因素 合金本身: m、Co越大，D越小， k01时k0值越大。 成分过冷倾向增大。 外界条件: G越小，R越大， 成分过冷倾向增大。,形成成分过冷的临界条件：,68,区：液相温度梯度G很大，使TDTL， 不产生成分过冷。 晶体以平面方式生长，形成稳定平界面。 区：液相温度梯度G减小， 产生小的成分过冷区 界面偶有凸起，形成胞状界面。 区：液相温度梯度G很小，成分过冷程度很大， 类似负温度梯度条件， 晶体以树枝状方式长大，形成树枝状晶。,69,不同成分过冷程度的三个区域,70,影响晶体生长方式的主要因素,影响晶体生长方式的主要因素：,温度梯度G，凝固速度R，溶质浓度C0。,增大溶质浓度，降低液相温度梯度，均可增大成分过冷程度，发展树枝状结晶。,71,72,成胞状组织（Cellular Structure） Pb-Sn合金,73,枝晶组织（Dendrite Structure）,Cu-Co合金,Ni-Ce合金,74,4、三元相图（Ternary Phase Diagrams）,三元相图的成分坐标,75,三元匀晶相图,三元共晶相图,76,三元相图杠杆定律,在二元系统中所介绍的杠杆规则，在三元系统中同样适用。设有两个三元混合物的组成为M和N。,其重量分别为m和n。从二元杠杠规则可知，混合后的新混合物的组成点P，一定落在MN连线上，且有下列关系：,77,重心规则,M、N、Q混合后的组成，可通过下述方法求得。首先，可以应用杠杠规则求出M、N的混合物组成点B，然后再将Q和B混合，得出总的混合物组成点P。其关系式如下：MNB，QBP。故： MN+QP,78,交叉位置规则,新组成点P落在三角形MNQ的外边，并在MQ和QN的延长线的范围内，因M+N=t；Q+P=t；则可得到M+N=Q+P；故M+N-Q=P。也就是说需要从混合物M+N中取出一定量的Q才能得到P。,79,共轭位置规则,新组成点P落在三角形MNQ的外边，并在MQ和NM的延长线所包围的范围内，其组成及量与M、N、Q的关系由下式求得：因Q+N+P=M，故M-（Q+N）=P。也就是说：要从混合物M中取出一定量的Q+N才能得到P。反过来，P分解时，要加入相应量的QN才能得到M。,80,81,注意,被界线和侧面二元系统（三角的边）所包围的液相面投影下来成为析晶区（A）（B）和（C），三个二元系统为AB、BC、CA。相对应的二元低共熔点为e1，e2，e3 ，界线为 e1E，e2 E，e3E。三元低共熔点为E。三个顶点为三个纯组分A、B、C。,82,83,84,