2.2 二元相图的基本类型ppt课件

1 合金 是由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质 金属材料合金品种非常多 每一合金系中还可以改变各组元的相对含量 形成许多合金品种 2 2 2二元相图的基本类型 Basictypesoftwo componentphasediagram 2 2 1相图的建立 Setting upofphasediagrams 2 2 2匀晶相图 学习二元相图的基础 Isomorphousdiagram thefoundationofstudyingtwo componentphasediagram 2 2 3共晶相图 学习二元相图的关键 Theeutecticphasediagram thekeytostudytwo componentphasediagram 2 2 4包晶相图特征 Characteristicsofperitecticphasediagram 2 2 5具有稳定化合物相图 Phasediagramswithstablecompound 2 2 6具有共析反应的相图 Phasediagramswitheutectoidreaction 2 2 7二元合金相图与性能之间的关系 Relationshipbetweenpropertiesandphasediagramsofbinaryalloys 3 2 2 1相图的建立Setting upofphasediagrams 相图是表示材料 合金 体系中材料 合金 的状态与温度 成分间关系的简明图解 清楚表明了材料中各种相的存在范围以及相与相之间的关系 相图中的相是指平衡相 它不反映时间因素的影响 材料在一定成分和一定温度下的相状态 以及当成分和温度改变时相状态的变化 可用温度 成分坐标系的图示明确而系统地表示出来 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种 但目前所使用的相图大部分都是根据大量实验结果绘制出来的 4 2 2 1相图的建立Setting upofphasediagrams 配制一系列不同成分的合金 测出其从液态到室温的冷却曲线 合金与纯金属不同 求得各相变点 把这些特性点标在温度 成分的坐标图纸上 把相同意义的特性点联结成线 这些特性线将相图划分出一些区域 称为相区 最后 在各相区内填入相应的 相 的名称 图2 7用热分析法建立Cu Ni相图 5 合金成分 Ni30 Cu70 Ni50 Cu50 Ni70 Cu30 有关相图的基本概念 合金状态一定条件下合金有哪几个相组成相变临界点相变的温度相图反映在平衡条件下 合金的状态同温度 成分之间关系的图形 2 2 1相图的建立Setting upofphasediagrams 6 任何二元相图都可以看成由几类基本类型的相图迭加 复合而成 2 2 2匀晶相图 学习二元相图的基础 Binaryisomorphousdiagrams 1 匀晶相图与匀晶转变两组元在液态和固态下均可以以任意比例相互溶解 即在固态下形成无限固溶体的合金相图称为匀晶相图 例如 Cu Ni Fe Cr等合金相图 在这类合金中 结晶时都是从液相结晶出单相固溶体 这种结晶过程称为匀晶转变 几乎所有的二元合金相图都包含匀晶转变部分 7 2 2 2匀晶相图 学习二元相图的基础 Binaryisomorphousdiagrams 2 相图分析 特性点 纯铜的熔点A为1083 纯镍的熔点B为1455 特征线 液相线 固相线 相区与基本相 8 纯铜熔点1083 纯镍熔点1455 L L 液相线 固相线 液相区 固相区 液固两相区 3 固溶体合金的平衡结晶过程分析 1083 1455 K 9 3 固溶体合金的平衡结晶过程分析 K合金的平衡结晶过程 其特点是 固溶体合金的平衡结晶是变温结晶的过程 液态金属在无限缓慢冷却条件下 冷却到一定温度范围内进行结晶 而且在结晶过程中固溶体的成分沿着固相线变化 即 1 2 3 4 而液相的成分沿液相线变化 即l1 l2 l3 l4 这就是固溶体合金的平衡结晶规律 4 杠杆定律及其应用 图2 9杠杆定律的证明 杠杆定律 在合金相图中的两相区 如液相和固相 内 若给定某一温度 就能确定在该温度下两平衡相 如液 固两相 的成分 以及在该温度下两平衡相 如液 固两相 的相对质量 11 4 杠杆定律及其应用 设合金总质量为W 100 即1 液相的质量分数为WL 固相的质量分数为W 则WL W W 即1 1 那么WL x1 W x2 W k 2 解 1 和 2 组成的方程 WL x2 k x2 x1 W k x1 x2 x1 将换成相图中的线段 及质量分数用百分数表示 则 x1 x2 x1 WL x2 x1k kx2 Wa 12 Ni成分为K的Cu Ni合金 在某温度时 液相中Ni成分为x1 固相中Ni成分为x2 求该温度下 已结晶出固溶体 和剩余液相L的质量分数 L L WL kx2 x1x2 100 W x1k x1x2 100 两相相对质量之比为 WL W kx2 x1k 4 杠杆定律及其应用 所求得的两平衡相相对质量之间的关系与力学中的杠杆定律颇为相似 因此称为 杠杆定律 杠杆定律说明 某合金两平衡相的质量分数 WL与W 之比等于该两相成分点到合金成分点距离的反比 即线段xx2与x1x之比 杠杆定律仅适用于两相区 用于求两平衡相的成分及其相对质量 x1 x2 x1 WL x2 x1k kx2 Wa 13 5 不平衡结晶 枝晶偏析 实际结晶过程中 冷却过程往往比较快 即不平衡结晶 原子不能充分进行扩散 先结晶出的固相含高熔点组元 镍 较多 后结晶出的固相含低熔点组元 铜 较多 快冷使这种成分不均匀现象保留下来 形成了在同一晶粒中的成分偏析 因结晶一般是以树枝状方式进行 先结晶的主干和后结晶的分支成分不一致 故这种偏析称为枝晶偏析 又称晶内偏析 不平衡结晶 枝晶偏析示意图 14 5 不平衡结晶 枝晶偏析 固相液相线间距大会使偏析更严重枝晶偏析 使合金的力学性能 耐蚀性和加工工艺性能变坏 为消除枝晶偏析 可采用高温扩散退火 又称均匀化退火 方法 达成分均匀化的目的 不平衡结晶 枝晶偏析示意图 15 何谓共晶相图 两组元在液态下能无限互溶 在固态时只能有限互溶 形成两种有限固溶体 和 并发生共晶反应 转变 形成共晶组织的二元相图称为二元共晶相图 共晶反应 一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应L 2 2 3共晶相图 学习二元相图的关键Binaryeutecticphasediagram 16 金属材料中具有共晶相图的合金系有Pb Sn Cu Ag Al Si Al Sn Pb Bi Fe C 共晶相图可以抽象地看作是两匀晶相图重叠结果 a 图 从液相内结晶出以A组元为基 固溶体 b 图 从液相内结晶出以B为基 固溶体 c 图 a b 两相图重合在一起图示 二元共晶相图 d 图 可分解为三部分 即水平线以上为匀晶转变部分 以下为脱溶转变部分 水平线上则为共晶转变部分 1 相图分析 17 1 共晶相图的形成 共晶相图形成条件 两组元在液态能完全互溶 固态时只能有限互溶 发生共晶反应 一定温度下 由E点成分液相同时结晶出成分各自一定的两个新固相 如 和 的转变 称为共晶转变或共晶反应 发生共晶反应的温度称为共晶温度发生共晶转变的液相成分点 E 称为共晶点或共晶成分共晶转变的产物为两固相的混合物 称为共晶组织 18 1 相图分析 1 共晶相图的形成 特征线 特征点 相区与基本相 合金名称 19 1 相图分析 两种有限固溶体 相和 相 相 Sn组元溶于Pb组元中形成的固溶体 相 Pb组元溶于Sn组元中形成的固溶体 共晶合金 亚共晶合金 过共晶合金 端部固溶体合金 端部固溶体合金 匀晶反应 二次析出反应 室温下相组成为 4G FG 100 F4 FG 100 组织组成为 4G FG 100 F4 FG 100 由于固态下原子扩散能力小 析出的次生相不易长大 一般都比较细小 分布于晶界或固溶体中 2 典型合金的平衡结晶过程 1 合金 W Sn 19w 的合金 端部固溶体合金 匀晶反应 二次析出反应 室温下相组成为 组织组成为 2 典型合金的平衡结晶过程 同理 合金 W Sn 97 5w 的合金 端部固溶体合金 2 典型合金的平衡结晶过程 2 合金 W Sn 61 9 共晶合金 共晶反应 和 呈层片状交替分布的细密机械混合物 就是共晶组织或称共晶体 共晶温度时的相组成 W EN MN 100 W ME MN 100 组织组成 共晶体 M N 100 22 2 典型合金的平衡结晶过程 2 合金 共晶合金 W Sn 61 9 共晶反应 合金 结晶过程中的反应特征为共晶反应 二次析出反应 室温时 和 量小且常常依附共晶体中的同类相析出 所以在显微镜下难以分辨 故一般不予考虑 因此 其室温组织为 共晶体 23 各种形态的共晶组织 1 24 各种形态的共晶组织 2 25 26 2 典型合金的平衡结晶过程 3 合金 19 与61 9 之间 亚共晶合金 1 2 匀晶反应无限接近共晶温度线时 相组成 L W 2N MN 100 W M2 MN 100 组织组成 L W 2E ME 100 WL M2 ME 100 2点 达到共晶温度 发生共晶反应相组成 W 2N MN 100 W M2 MN 100 27 2 典型合金的平衡结晶过程 3 合金 19 与61 9 之间 亚共晶合金 组织组成 共晶体 W 2E ME 100 W共晶体 M2 ME 100 2 2 二次析出反应室温下相组成 W 2 G FG 100 W F2 FG 100 28 2 典型合金的平衡结晶过程 3 合金 19 与61 9 之间 亚共晶合金 组织组成为 W共晶体 M2 ME 100 W 2E ME M G FG 100 W 2E ME FM FG 100 29 杠杆定律示意图 共晶体 II 61 9 Sn 19 Sn 2点 M点 F点 M 点 G点 E点 19 Sn 183 共晶温度 室温 共晶体组织质量分数保持不变 30 2 典型合金的平衡结晶过程 3 合金 19 与61 9 之间 亚共晶合金 结晶过程中的反应特征为 匀晶反应 共晶反应 二次析出反应 亚共晶合金室温组织 2 典型合金的平衡结晶过程 过共晶合金室温组织 与亚共晶合金相似 只是初晶 初生相 为 固溶体 而不是 固溶体 其室温组织为 其反应特征亦为 匀晶反应 共晶反应 二次析出反应 31 IV 同理 过共晶合金 61 5 97 5 的平衡结晶过程 高于300 刚冷至183 共晶转变尚未开始 3 在183 共晶转变完毕 4 冷至室温 32 例题2 1 依据Pb Sn相图 说明含 Sn的Pb Sn合金在下列温度时组织中有哪些相 并求出相和组织的相对量 3 两种填写相图的方法 以相组分 相组成物 形式填写的相图 33 3 两种填写相图的方法 组织组分 组织组成物 形式填写相图 34 2 2 4具有共析反应的相图Phasediagramswitheutectoidreaction 共析反应属于共晶型反应区别在于 在恒温下不是由液相而是由一个成分一定的固相同时析出另外两种成分各自一定的新固相 图2 具有共析转变的二元相图 35 2 2 4具有共析反应的相图Phasediagramswitheutectoidreaction 例 铁碳合金相图中PSK水平线上的共析反应 其反应产物为共析体 共析组织 由于共析反应系固相分解 其原子扩散较困难 易产生较大的过冷 所以共析组织远比共晶组织细密 图2 17以相组分表示的铁碳相图 36 共析转变对合金的热处理强化有重大意义 钢铁和钛合金的热处理就是建立在共析转变的基础之上 2 2 5包晶相图特征Characteristicsofpertecticphasediagrams 包晶转变 在一定凝固温度下 已结晶的一定成分的固相与剩余的液相 有确定的成分 发生反应生成另一种固相 包晶相图与共晶相图的共同点是 液态时两组元均可无限互溶 固态时则只有有限固溶度 形成有限固溶体 包晶相图与共晶相图的不同处是 其相图中水平线所代表的结晶过程与共晶水平线不同 37 铁碳相图包晶转变部分 1495 2 2 5包晶相图特征Characteristicsofpertecticphasediagrams 图2 14包晶转变过程示意图 图2 13铁碳相图包晶转变部分 38 1495 包晶反应 在结晶过程中 A包围 固溶体 靠不断消耗液相L和 相而进行结晶 直至形成单一A 包晶线 HJB包晶点 J 2 2 6具有稳定化合物的相图Phasediagramswithstablecompounds 稳定化合物 具有一定熔点 在熔点以下保持其固有结构而不发生分解的化合物 在相图中可把这种化合物看作是一个独立组元 因而用一条垂线表示 并把相图分为两个独立的相图 含36 6 Si时形成稳定化合物Mg2Si 其成分固定 可作为一个独立组元而将相图分解为两个独立的共晶相图 图2 15Mg Si二元合金相图 39 2 2 7