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二元匀晶相图 二元匀晶 Isomorphous 相图是二元合金相图中图形最简单的相图 具有匀晶相图的二元合金系统有Cu Ni Fe Cr Ag Au Nb Ti Cr Mo W Mo等 右图所示Cu Ni相图是最常见的二元匀晶相图 以此相图为例进行讨论 其它匀晶相图与此类似 1 一 相图分析 1 相图的坐标 纵坐标是温度坐标 横坐标是成分坐标 左端线是表示100 的Cu 右端线表示100 的Ni 从左至右Ni的含量增加 直至100 Cu的含量减少 直至0 2 相图中的线和区 相图中有二条曲线 将整个图形分成三个区域 2 上面一条曲线称为液相线 Liquidline 液相线以上的区域称为液相区 Liquid phasefield 温度高于液相线时合金的状态为液相 L 下面的一条曲线是固相线 Solidline 固相线以下的区域为固相区 Solid phasefield 温度低于固相线时合金为固相 两条曲线之间的区域是液 固两相共存的二相区 L 二组元在液态和固态都能够完全相互溶解 所有成分 Ni 0 100 的合金在固态只有一种晶体结构 相图中只有一个固相区 因此 能够形成匀晶合金系的两种组元必须具有相同的晶体结构 相同的原子价 原子半径接近 相差不超过15 相互不形成化合物 3 匀晶相图的特点 3 二元合金在平衡状态下两相共存 如结晶时 可以利用杠杆定律 Leverrule 计算出某一温度下两相的相对量 二 杠杆定律 设合金的平均成分为x 合金的总量为Q 在温度T1时液 固两相平衡 液相的成分为xL 质量为QL 固相的成分为xS 质量为QS 则有 杠杆定律只适应于平衡相图的二相区 4 上式可变换为 或 或 还可以变换为 为了计算简便 一般取合金总量Q 1 因上述结果与物理学中的杠杆定律的表达式相似 所以这里也称为杠杆定律 合金的平均成分点看作杠杆的支点o T1温度水平线与液 固相线的交点a b为杠杆的两个端点 液 固两相的质 重 量为作用在端点上的力 5 三 典型合金冷却过程分析 各种成分的Cu Ni合金都属于匀晶合金 下面以Cu 53 Ni合金为例 分别对合金结晶过程中液 固二相的成分变化规律 二相相对量的计算和微观组织的形成进行分析讨论 合金从液态开始缓慢冷却 当温度降低到液相线 1点 时 结晶开始 此时结晶出来的极少量固相成分为S1 液相的成分基本未变 随着温度降低 固相逐渐增多 液相不断减少 液相的成分沿液相线变化 固相的成分沿固相线变化 动画 1 液 固两相成分的变化 6 温度降低到1300 时 液相成分为45 Ni 固相成分为58 Ni 当温度降低到2点 即固相线温度时 液相的成分为L2 固相的成分为合金的平均成分 53 Ni 此时液相实际上已经不存在了 都已结晶成为固相 温度继续下降 一直冷却到室温 合金在固态没有任何转变发生 仔细观察动画 1300 C时 液相的相对量QL Q 可以取合金总量Q 1 2 相的相对量计算 7 固相的相对量QS Q 因为QL QS Q 取Q 1所以QS 1 QL 1 38 62 匀晶合金在平衡条件下结晶 冷却速度极其缓慢 先后结晶的固相虽然成分不同 但是有足够的时间进行均匀化扩散 所以 室温下的组织是均匀的固溶体 在光学显微镜下观察 与纯金属十分相似 四 匀晶合金的非平衡结晶 匀晶合金平衡组织示意图 8 但是 在实际生产中合金的冷却速度很快 远远达不到平衡的条件 因此 固 液二相中的扩散来不及充分进行 先后结晶出来的固相中较大的成分差别被保留下来 这种成分差别的存在 还造成结晶时固相以树枝状形态生长 因此 这种成分上的